Прогрессивные технологии нанесения покрытий – наплавка, напыление, осаждение

Важно отметить, что резервы свойств исходных материалов и общеизвестных технологий, используемых при изготовлении изнашиваемых деталей, с точки зрения повышения износостойкости, практически полностью израсходованы. 

Одним из перспективных направлений на пути создания высоконадежных, долговечных и конкурентоспособных изнашиваемых деталей является применение современных технологий нанесения функциональных покрытий. В мировой практике известны три основных наиболее часто применяемых метода нанесения покрытий – это технологии наплавки, напыления и осаждения. Трудности выбора оптимального метода, стоящие перед технологами машиностроительных производств, осложняются большим количеством подвидов вышеназванных технологий, многовариантностью режимов, а также многообразием применяемых присадочных и других вспомогательных материалов. Поэтому знание основных характеристик, достоинств и недостатков данных процессов позволит ориентироваться в выборе технологий для решения конкретных производственных задач.

Напыление вала

Рис. 1 Напыление вала

Основным отличительным признаком метода нанесения является толщина покрытия: для процессов наплавки – это более 1 мм, для напыления – менее 1 мм, для осаждения – менее 10 мкм. В данной статье приведены сравнительные характеристики наиболее часто используемых газотермических методов, проводимых при атмосферном давлении, дано определение этих методов, рассмотрена их классификация, преимущества и недостатки.

Технологии наплавки

Наплавка – нанесение покрытий слоями толщиной в несколько миллимет­ров из расплавленного присадочного материала на оплавленную металлическую поверхность изделия. В зависимости от вида источника нагрева рассматриваемых газотермических процессов наплавка может производиться при помощи теплоты газового пламени (газопламенная наплавка), электрической дуги (электродуговая наплавка в среде защитного газа) или сжатой дуги (плазменная наплавка).

ПНН клапана

Рис. 2 ПНН клапана

Назначение наплавки – изготовление деталей с износо­ и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей за счет нанесения покрытий, обладающих высокой плотностью и прочностью сцепления с изделием, работающих в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок или подверженных интенсивному абразивному изнашиванию.

Преимущества процессов наплавки:

  • отсутствие ограничений по размерам наплавляемых зон;
  • возможность нанесения покрытий различных толщин;
  • возможность получения требуемых размеров восстанавливаемых деталей путем нанесения материала того же состава, что и основной металл;
  • использование не только для восстановления размеров изношенных деталей, но и для ремонта изделий за счет ликвидации локальных трещин, пор и других дефектов;
  • возможность (применительно к плазменной наплавке) ведения процесса на постоянном токе обратной полярности, повышающим качество и стабильность свойств биметаллических соединений за счет эффекта катодной очистки, проявляющемся в удалении окисных и адсорбированных пленок и улучшении смачивания жидким металлом обрабатываемой поверхности; более низкого тепловложения по сравнению с наплавкой на токе прямой полярности и, как следствие, отсутствие или минимальное расплавление подложки;
  • возможность многократного проведения процесса и, следовательно, высокая ремонтоспособность наплавляемых деталей;
  • высокая производительность и легкость автоматизации процесса;
  • относительная простота и мобильность оборудования.

Недостатки технологий наплавки:

  • возможность изменения свойств наплавленного покрытия из­за перехода в него элементов основного металла;
  • изменение химического состава основного и наплавленного металла вследствие окисления легирующих элементов и основы металла;
  • возможность структурных превращений в основном металле, в частности, образование крупнозернистой структуры, новых хрупких фаз;
  • возникновение деформаций в наплавленных изделиях за счет значительного термического воздействия;
  • образование больших растягивающих напряжений в поверхностном слое детали, достигающих 500 МПа;
  • снижение характеристик сопротивления усталости наплавленных изделий;
  • возможность возникновения трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния, и, как следствие, более ограниченный, чем, например, при напылении, выбор сочетаний основного и наплавленного металлов;
  • обязательное использование в отдельных случаях предварительного нагрева и медленного остывания наплавляемого изделия, что увеличивает длительность процесса;
  • наличие больших припусков на механическую обработку и, как следствие, существенные потери металла наплавки;
  • трудоемкость механической обработки наплавленного слоя большой толщины;
  • требования преимущественного расположения наплавляемой поверхности в горизонтальном положении (необходимость применения наплавки в нижнем положении при использовании порошковых металлов);
  • трудность наплавки мелких изделий сложной формы.

Таблица 1. Технико-экономические показатели методов наплавки

    Метод
    наплавки Производи­тельность
    метода Толщина покры­тия Припуск на обработ­ку Доля основного металла в наплавлен­ном Проч­ность сцепле­ния Деформация детали после
    наплавки Снижение сопротивле­ния усталости Коэффициент производи­тельности,
    Кп Коэффи­циент технико­экономической эффективности,
    Кэ кг/ч см2 /мин мм мм % МПа % Газопламенный 0,15 ­ 2,0 1 ­ 3 0,5­3,5 0,4­0,8 5­30 480 Значительная 25 0,7­0,6 0,14 В среде CO2 1,5 ­ 4,5 18 ­ 36 0,5­3,5 0,7­1,3 12­45 550 Значи­тельная 15 1,8­1,7 0,40 В среде Ar 0,3 ­ 3,6 12 ­ 26 0,5­2,5 0,4­0,9 6­25 450 Пониженная 25 2,1­1,7 0,17 Плазменный 1 ­ 12 45 ­ 72 0,5­5,0 0,4­0,9 0­30 490 Пониженная 12 2,2­1,9 0,56

    Технико­экономические показатели рассматриваемых способов наплавки представлены в табл. 1, где даны показатели для покрытий толщиной 1 мм. Коэффициент производительности – Кп рассчитан как отношение основного времени, затраченного на восстановление условной детали ручным дуговым способом tр.н., к основному времени восстановления условной детали сравниваемым способом ti: Кп=tр.н./ti. За основное время восстановления условной детали приняты затраты времени, включающие предварительную и последующую механические обработки и нанесение покрытия. Коэффициент технико­экономической эффективности – Кэ определялся с учетом производительности и экономичности способа восстановления условной детали: Кэ=Кп·Эа/100, где Эа  – экономия при восстановлении условной детали, %.

    Использование конкретного способа наплавки из рассмотренных обусловлено условиями производства, количеством, формой и размерами наплавляемых деталей, допустимой долей участия основного металла в наплавленном, технико­экономическими показателями, а для восстановительной наплавки – величиной износа.

    Выбор типа наплавленного металла и, следовательно, марки присадочного материала производится в соответствии с видом рабочего нагружения наплавляемой детали. Основными видами нагружения деталей машин и инструмента являются: абразивное, ударно­абразивное, гидроабразивное, контактно­ударное, термомеханическое, трение металла о металл, кавитационное, коррозионное. Детали машин чаще всего испытывают одновременно несколько видов нагружения. Поэтому при выборе типа наплавленного металла ориентируются на преобладающий вид износа.

    Осаждение покрытия на фрезу

    Рис. 3 Осаждение покрытия на фрезу

    Из сравнительного анализа рассмотренных методов очевидно преимущество процесса плазменной наплавки, вследствие его высокой производительности, незначительного припуска на механическую обработку, минимальной доли основного металла в наплавленном, наименьшему снижению сопротивления усталости. Особенно эффективен процесс плазменно­порошковой наплавки, позволяющий обеспечить точно заданную глубину проплавления и толщину покрытия, высокую равномерность по толщине слоя, возможность обеспечения необходимых состава, структуры и свойств уже в первом слое металла наплавки, высокую степень автоматизации, малые остаточные напряжения и деформации, отсутствие разбавления наплавляемого покрытия основным металлом.

    Технологии напыления

    Напыление – процесс, заключающийся в нагреве распыляемого материала высокотемпературным источником, образовании двухфазного газопорошкового потока и формировании покрытия на поверхности изделия толщиной менее 1 мм.

    В зависимости от вида используемого источника энергии процессы напыления подразделяются на:

    • газопламенные, в которых используется тепло при сгорании горючих газов (ацетилена, пропан­бутана, водорода, метана, природного газа и др.) в смеси с кислородом или сжатым воздухом;
    • электродуговые, где осуществляется плавление проволоки электрической дугой и распыление расплавленного металла сжатым воздухом;
    • детонационные, использующие энергию детонации газовых смесей (кислород + горючий газ), в которых перенос и нагрев частиц осуществляется ударной волной, образующейся в результате взрыва горючей смеси и выделении при этом теплоты;
    • плазменные, где плавление наносимого порошкового материала осуществляется в плазменной струе;
    • высокоскоростные, где порошок подается в камеру сгорания, в которой обеспечивается горение топлива содержащего кислород и горючие газы (керосин, водород, пропан, метан) с последующим прохождением порошка и газов через расширяющееся сопло.

    Метод

    напыления

    Вид напыляемого материала

    Оптимальная толщина покрытия

    Температура пламени, дуги, детонации, струи

    Скорость истечения пламени, дуги,

    детонации, струи

    Скорость частиц

    Прочность сцепления покрытия с основой

    Пористость покрытия

    Производительность процесса

    Коэф­фициент исполь­зования материала

    Уровень

    шума


    металл

    керамика


    мм

    К

    м/с

    м/с

    МПа

    %

    кг / ч

    %

    дБ

    Газопламенный

    порошок, проволока

    0,1­1,0

    3463 (С2Н2+О2)

    150­160

    20­80

    5­25

    5­25

    3­10

    1­2,5

    70­90

    70­110

    Электродуговой

    проволока

    5300­6300

    100­300

    50­150

    10­30

    5­15

    2­50

    75­95

    75­120

    Детонационный

    порошок

    2500­5800

    2000­3000

    600­1000

    10­160

    0,5­6

    0,1­6,0

    0,5­1,5

    25­60

    125­140

    Плазменный

    в инертных средах

    порошок, проволока

    5000­

    ­15000

    50­400

    10­60

    2­15

    0,5­8 (20­60 кВт)

    70­90

    75­115

    в активных средах

    1000­1500

    15

    5

    70­90

    110­120

    в разряженных средах

    2900

    500­1000

    70­80

    0,5­1

    ?75

    Высокоcкоростной

    порошок

    2500­3000

    2600

    350­500

    10­160

    0,3­1

    3­4

    40­75

    100­120

      Назначение процессов напыления – нанесение защитных покрытий заданных свойств минимальной толщиной от 0,05 мм и восстановление размеров изношенных и бракованных поверхностей. Технико­экономические показатели процессов напыления представлены в табл. 2.

      Преимущества технологий напыления:

      • универсальность процессов, позволяющая наносить покрытия разного функционального назначения, а также для восстановления размеров изношенных деталей;
      • малое термическое воздействие на напыляемую основу (температура ее нагрева не превышает 100­150 °С), позволяющее исключить нежелательные для нее структурные превращения, избежать деформаций и изменения размеров изделий;
      • возможность нанесения покрытий на изделия, изготовленные практически из любого материала;
      • отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
      • возможность нанесения покрытий на локальные поверхности;
      • возможность нанесения многослойных покрытий разнородными материалами;
      • высокая технологичность процесса, в связи с гибкостью регулирования параметров режима;
      • возможность получения регламентируемой однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
      • положительное влияние на усталостную прочность основы, за счет получения при напылении слоистой структуры покрытия, в отличие от столбчатой, образующейся при осаждении из газовой или паровой фазы, диффузионном насыщении;
      • нанесение равномерного покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
      • возможность эксплуатации в отдельных случаях напыленных деталей без последующей механической обработки;
      • возможность использования напыления для формообразования деталей (напыление производят на поверхности формы­оправки, которую после окончания процесса удаляют; остается оболочка из напыленного материала);
      • высокая производительность процесса напыления;
      • возможность автоматизации процесса.

      Недостатки процессов  напыления:

      • нестойкость напыленных покрытий к ударным механическим нагрузкам;
      • анизотропия свойств напыленных покрытий;
      • низкий коэффициент использования напыленного материала при нанесении покрытий на мелкие детали;
      • обязательное использование перед процессом напыления активационной обработки (например, абразивно­струйной), что увеличивает длительность и трудоемкость процесса;
      • выделение аэрозолей напыляемого материала и побочных газов, требует использования мощной вытяжной вентиляции;
      • повышенный уровень шума, а в случаях, связанных с электрической дугой – ультрафиолетового излучения.

      Технологии осаждения

      Осаждение – это методы нанесения защитных покрытий микронной толщины (менее 10 мкм), характеризующиеся конденсацией на поверхности изделий компонентов паровой или газовой фазы в условиях обработки частицами высоких энергий в вакууме или плазменными струями при атмосферном давлении.

      Отличительными свойствами методов является обеспечение высокой адгезионной прочности покрытия к основе за счет применения физических процессов подготовки и активации поверхности (нагрева и предварительной очистки поверхностей тлеющим разрядом, бомбардировкой ионами инертных газов).

      Процесс формирования покрытий осуществляется за счет обработки ионами в процессе конденсации, осаждения высоко­энергетических ионов, а также атомов и молекул с участием плазмохимических процессов.

      Процессы осаждения подразделяются на:

      • плазменные, заключающиеся в нанесении покрытий при атмосферном давлении и являющиеся продуктами плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой или высокочастотный плазмотрон;
      • ионно­плазменные, происходящие в вакууме: необходимый для получения покрытий материал переводится из твердой в газовую фазу распылением мишени энергетическими ионами или испарением катода, добавкой реакционных газов;
      • ионно­лучевые, аналогичные ионно­плазменным, в которых дополнительно используются электроннолучевые пушки.

      Назначение процессов осаждения – изготовление деталей машин и механизмов, технологической оснастки и инструмента, предусматривающее финишный способ нанесения тонкопленочных покрытий различного применения.

      Рассмотрим сравнительные характеристики двух основных процессов осаждения покрытий микронной толщины при помощи использования плазменных струй, истекающих при атмосферном давлении – высокочастотного плазменного нанесения износостойких покрытий и электродугового плазменного нанесения тонкопленочных покрытий (технология финишного плазменного упрочнения – ФПУ).

      Процесс высокочастотного плазменного нанесения тонкопленочных покрытий осуществляется на установке «Плазма­401», предназначенной для упрочнения элементов штампов холодного деформирования из инструментальных сталей типа Х12М и У10 и различного режущего инструмента. Нанесение износостойких покрытий осуществляется при атмосферном давлении при помощи высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона, позволяющего получать объемные потоки спектрально чистой плазмы благодаря отсутствию эрозирующих электродов. Элементы покрытия образуются за счет разогрева газоразрядной плазмой пучка кварцевых стержней. Одновременно в камеру ВЧИ­плазмотрона подается реакционный газ – аргон, барботируемый через этиловый спирт. В зоне высоких температур пары реакционных веществ разлагаются на исходные компоненты, а при снижении температуры происходит восстановление элементов с плазмохимическим синтезом кремнийуглеродистых соединений, которые уносятся плазмообразующим газом и осаждаются на напыляемой детали.

      Сущность технологии электродугового плазменного нанесения тонкопленочных покрытий (процесс финишного плазменного упрочнения – ФПУ) состоит в нанесении износостойкого покрытия с возможностью или отсутствием одновременного осуществления процесса повторной плазменной закалки приповерхностного слоя (на глубину нескольких микрометров). Покрытие является продуктом плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон. Закалка происходит за счет локального воздействия высококонцентрированной плазменной струи.

      Цель ФПУ – изготовление инструмента, штампов, пресс­форм, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг­коррозии.

      Эффект от ФПУ достигается за счет изменения физико­механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и жаростойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.

      Оборудование для ФПУ включает в себя источник тока, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, плазмотроном и плазмохимическим генератором.

      Технологический процесс ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100­1200С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является жидкий препарат СЕТОЛ. Его расход не превышает 0,5 г/ч (не более 0,5 литра в год).

      По сравнению с аналогами – ионно­плазменным напылением, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием, нанесением кластерных покрытий  процесс ФПУ имеет следующие преимущества:

      • высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счет двойного эффекта – от износостойкого покрытия и структурных изменений в тонком приповерхностном слое;
      • проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;
      • вследствие нанесения тонкопленочного покрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;
      • отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;
      • минимальный нагрев в процессе обработки (не более 100­120 оС) не вызывает деформаций деталей, а также позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;
      • возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме;
      • тонкопленочное покрытие по микротвердости наиболее близко к алмазоподобным покрытиям;
      • образующиеся на поверхности после ФПУ сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают усталостную прочность изделия (для сравнения: после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);
      • высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе – при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);
      • низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;
      • формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно­охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;
      • образующееся на поверхности тонкопленочное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800 оС);
      • высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);
      • простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением (отсутствие специальной предварительной подготовки);
      • возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;
      • минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;
      • низкая потребляемая мощность установки для упрочнения – менее 6 кВт;
      • незначительная площадь, занимаемая оборудованием – 1­3 м2;
      • малогабаритный плазмотрон для упрочнения (массой около 1 кг) может быть легко закреплен на манипуляторе, в руке робота, а также позволяет вести обработку вручную;
      • транспортабельность и маневренность оборудования (масса порядка 100 кг);
      • экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;
      • минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;
      • в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно­активных веществ в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей;
      • возможность образования профилированных углублений путем обработки поверхности методом ФПУ и образования рабочих зазоров 2­3 мкм (например, для газодинамических подшипников);
      • в отличие от избирательного переноса в процессе трения при ФПУ происходит принудительное образование в зоне фрикционного контакта тонкой неокисляющейся аморфной пленки с низким сопротивлением сдвигу, неспособной накапливать дислокации (дефекты) при деформации.

      Тополянский П.А.,
      Тополянский А.П.

      НПФ «Плазмацентр»
      (Санкт­Петербург)

      office@plasmacentre.ru