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.

Что делать? Искать новые подходы. 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:

1. → Технологии наплавки
2. → Технологии напыления
3. → Технологии 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.

Три основных метода: наплавка, напыление, осаждение

Основным отличительным признаком метода нанесения является толщина покрытия:

Разница в толщинах — не просто цифры. Это принципиально разные подходы, разные технологии, разные результаты.

Технологии наплавки: покрытия толщиной более 1 мм

Наплавка — нанесение покрытий слоями толщиной в несколько миллиметров из расплавленного присадочного материала на оплавленную металлическую поверхность изделия.

Три вида наплавки

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)
• ✓ Сжатой дуги (плазменная наплавка)

Рис. 1. Напыление вала: процесс нанесения покрытия

Назначение наплавки

Назначение наплавки — изготовление деталей с износо- и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей за счет нанесения покрытий, обладающих:

1. → Высокой плотностью
2. → Прочностью сцепления с изделием
3. → Способностью работать в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок
4. → Стойкостью к интенсивному абразивному изнашиванию

Рис. 2. ПНН (плазменное напыление наплавкой) клапана

Преимущества наплавки: восстановление деталей и ремонт

Процессы наплавки обладают рядом серьезных преимуществ:

Технические преимущества

Особенности плазменной наплавки

Применительно к плазменной наплавке:

• ☑ Ведение процесса на постоянном токе обратной полярности
• ☑ Повышение качества и стабильности свойств биметаллических соединений за счет эффекта катодной очистки
• ☑ Удаление окисных и адсорбированных пленок
• ☑ Улучшение смачивания жидким металлом обрабатываемой поверхности
• ☑ Более низкое тепловложение по сравнению с наплавкой на токе прямой полярности
• ☑ Отсутствие или минимальное расплавление подложки

Производственные преимущества

• ★ Высокая производительность
• ★ Легкость автоматизации процесса
• ★ Относительная простота и мобильность оборудования

Недостатки наплавки: деформации и структурные изменения

Но есть и обратная сторона медали. Недостатки технологий наплавки существенны:

Изменение свойств металла

Термические проблемы

Значительное термическое воздействие приводит к:

1. → Возникновению деформаций в наплавленных изделиях
2. → Образованию больших растягивающих напряжений в поверхностном слое детали (до 500 МПа)
3. → Снижению характеристик сопротивления усталости
4. → Возможности возникновения трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния

Технологические ограничения

• ✖ Более ограниченный выбор сочетаний основного и наплавленного металлов
• ✖ Необходимость предварительного нагрева и медленного остывания (увеличивает длительность процесса)
• ✖ Большие припуски на механическую обработку
• ✖ Существенные потери металла наплавки
• ✖ Трудоемкость механической обработки наплавленного слоя большой толщины
• ✖ Требования преимущественного расположения наплавляемой поверхности в горизонтальном положении
• ✖ Трудность наплавки мелких изделий сложной формы

Плазменная наплавка: лидер по эффективности

Из сравнительного анализа рассмотренных методов очевидно преимущество процесса плазменной наплавки.

Почему плазменная наплавка лучше

Благодаря:

• ✓ Высокой производительности
• ✓ Незначительному припуску на механическую обработку
• ✓ Минимальной доле основного металла в наплавленном
• ✓ Наименьшему снижению сопротивления усталости

Плазменно-порошковая наплавка: топ-технология

Особенно эффективен процесс плазменно-порошковой наплавки, позволяющий обеспечить:

Технологии напыления: покрытия до 1 мм

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

Пять видов напыления

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

1. Газопламенные — используется тепло при сгорании горючих газов (ацетилена, пропан-бутана, водорода, метана, природного газа) в смеси с кислородом или сжатым воздухом
2. Электродуговые — осуществляется плавление проволоки электрической дугой и распыление расплавленного металла сжатым воздухом
3. Детонационные — используется энергия детонации газовых смесей (кислород + горючий газ), перенос и нагрев частиц осуществляется ударной волной
4. Плазменные — плавление наносимого порошкового материала осуществляется в плазменной струе
5. Высокоскоростные — порошок подается в камеру сгорания с последующим прохождением через расширяющееся сопло

Назначение напыления

Назначение процессов напыления:

• ☑ Нанесение защитных покрытий заданных свойств минимальной толщиной от 0,05 мм
• ☑ Восстановление размеров изношенных и бракованных поверхностей

Сравнение методов напыления: от газопламенного до высокоскоростного

Технологии осаждения: тонкопленочные покрытия до 10 мкм

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.

Отличительные свойства

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

Процесс формирования покрытий осуществляется за счет:

1. → Обработки ионами в процессе конденсации
2. → Осаждения высокоэнергетических ионов
3. → Атомов и молекул с участием плазмохимических процессов

Три вида осаждения

Назначение

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

Финишное плазменное упрочнение (ФПУ): инновационная технология

Рассмотрим сравнительные характеристики двух основных процессов осаждения покрытий микронной толщины при помощи использования плазменных струй, истекающих при атмосферном давлении.

Высокочастотное плазменное нанесение

Процесс высокочастотного плазменного нанесения тонкопленочных покрытий осуществляется на установке «Плазма-401», предназначенной для упрочнения:

• ★ Элементов штампов холодного деформирования из инструментальных сталей типа Х12М и У10
• ★ 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.

Как это работает

Элементы покрытия образуются за счет разогрева газоразрядной плазмой пучка кварцевых стержней. Одновременно в камеру ВЧИ-плазмотрона 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.

Технология ФПУ

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

Цель ФПУ – изготовление инструмента, штампов, пресс-форм, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности:

• ☑ Износостойкостью
• ☑ Антифрикционностью
• ☑ Коррозионностойкостью
• ☑ Жаростойкостью
• ☑ Разгаростойкостью
• ☑ Антисхватыванием
• ☑ Стойкостью против фреттинг-коррозии

Эффект ФПУ

Эффект от ФПУ достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя:

Оборудование для ФПУ

Оборудование для ФПУ включает в себя:

1. Источник тока
2. Блок аппаратуры с жидкостным дозатором
3. Плазмотрон
4. Плазмохимический генератор

Технологический процесс

Технологический процесс ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций:

• → Предварительной очистки (любым известным методом)
• → Непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона

Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100-120°С. 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).

25 преимуществ ФПУ: от микротвердости до экологичности

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

Технические преимущества (1-8)

Эксплуатационные преимущества (9-16)

9. ★ Высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию
10. ★ Низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании
11. ★ Формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному заполнению смазочно-охлаждающей жидкостью
12. ★ Тонкопленочное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию 100 часов при 800°С)
13. ★ Высокая производительность упрочнения (время обработки кромок вырубного штампа средних размеров — несколько минут)
14. ★ Простота операций по очистке и обезжириванию (отсутствие специальной предварительной подготовки)
15. ★ Возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах
16. ★ Возможность образования профилированных углублений с рабочими зазорами 2-3 мкм (для газодинамических подшипников)

Экономические и экологические преимущества (17-25)

Выбор оптимального метода: практические рекомендации

Использование конкретного способа наплавки из рассмотренных обусловлено:

• → Условиями производства
• → Количеством, формой и размерами наплавляемых деталей
• → Допустимой долей участия основного металла в наплавленном
• → Технико-экономическими показателями
• → Для восстановительной наплавки – величиной износа

Выбор присадочного материала

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:

Детали машин чаще всего испытывают одновременно несколько видов нагружения. Поэтому при выборе типа наплавленного металла ориентируются на преобладающий вид износа.

Итоговое сравнение методов

Каждый метод имеет свою нишу. Выбор зависит от конкретной задачи, требований к детали и экономических факторов.

Тополянский П.А.
Тополянский А.П.

НПФ «Плазмацентр» (Санкт-Петербург)
office@plasmacentre.ru