Технология напыления на стекла разных покрытий

Ультразвуковая обработка давлением и ультразвуковое упрочнение

Основными технологическими параметрами ультразвукового упрочнения (УЗУ) являются длительность воздействия (t), диаметр шарика (dш) или радиус скругления рабочей части инструмента (r), амплитуда колебаний (Ак), эффективная масса инструмента (Gин), продольная подача (s), число проходов (i), скорость движения упрочняемой детали (v), исходная шероховатость поверхности (Ra) и качество поверхностного слоя.
Для улучшения физико-механических свойств деталей применяют отделочно-упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (сферическим или цилиндрическим наконечником). При этом металл выступов неровностей перемещается в обоих направлениях от места контакта с деформирующим элементом. Высота неровностей уменьшается, образуя новый микрорельеф. Для получения требуемой шероховатости поверхности необходимо к деформирующему элементу приложить минимально необходимую силу, достаточную для протекания пластической деформации.

При обкатывании и раскатывании роликовыми и шариковыми головками, дорновании, протягивании выглаживающими протяжками возможно искажение формы нежестких деталей и деталей переменной жесткости. Сообщение деформирующему инструменту ультразвуковых колебаний (УЗК) снижает величину статической нагрузки при пластическом деформировании металлов.

Схема установки УЗУ (рис. 1) включает ультразвуковой генератор, магнитострикционный преобразователь 5, волновод 3 и деформирующий наконечник 2. Акустическая система укреплена в подвижном корпусе 4, который может перемещаться вдоль оси неподвижного корпуса. Установка и регулирование необходимой радиальной силы осуществляется при помощи тарированной пружины 7 и винта 8. Наконечник 2 совершает УЗК и с небольшой силой Р прижимается к обрабатываемой детали 1.

Рис. 1. Схема ультразвукового упрочнения подпружиненным шариком или алмазным наконечником

На практике в качестве инструмента могут применяться стальные или твердосплавные шарики, свободно или жестко связанные с волноводом преобразователя, а при алмазном выглаживании используются отполированные кристаллы алмаза, запаянные в стальные державки. Радиус закругления рабочей части алмазного наконечника 1. . . 4 мм и зависит от условий обработки, материала обрабатываемой поверхности и жесткости технологической системы. Установлено, что при воздействии УЗК с амплитудой Ак = 10 мкм скорость деформации поверхностных слоев возрастает в 100 раз и сопровождается упрочнением. В качестве оборудования для выполнения ультразвукового упрочнения используется серийное оборудование. Ультразвуковой излучатель закрепляется в резцедержателе (рис. 2) .

Основные факторы, влияющие на процесс образования покрытия из частиц при термическом напылении

Для начала просто перечислим все основные факторы, которые, по результатам практического опыта, оказывают влияние на образование покрытий. Эти факторы разобьем на пять больших независимых групп (внутри отдельных групп параметры могут зависеть друг от друга):

1. Параметры напыления
2. Параметры порошка
3. Параметры субстрата
4. Параметры движения устройства напыления относительно напыляемой детали
5. Параметры охлаждения

Параметры напыления:

• Атмосфера напыления: воздух, вакуум или вода (в особом случае плазменного напыления под водой)
• Размер и форма пламени
• Распределение температур в пламени
• Светимость пламени
• Термическая мощность пламени
• Состав газов пламени
• Скорость газов пламени
• Расход газов пламени
• Способ введения порошка (осевой или радиальный)
• Скорость и давление порошкового газа
• Состав порошкового газа
• Расход порошкового газа
• Массовый расход порошка

Параметры порошка:

• Распределение частиц порошка по размерам
• Химический состав простых частиц (параметр включает все физические свойства материала простых частиц, такие как КЛТР, теплопроводность, теплоемкость, температура плавления, прочность, хрупкость, твердость и другие)
• Фазовый состав, геометрическое распределение и размер фаз в частицах агломератов
• Химический состав отдельных фаз в частицах агломератов
• Форма простых частиц или агломератов
• Пористость простых частиц или агломератов
• Удельный вес простых частиц или агломератов

Параметры субстрата:

• Форма напыляемой поверхности
• Вид шероховатости поверхности
• Глубина шероховатости поверхности
• Наличие дефектов поверхности
• Наличие и вид загрязнения поверхности
• Степень загрязнения поверхности посторонними веществами (например, маслом)
• Твердость поверхности
• Химический и фазовый состав субстрата (параметр включает все физические свойства материала, такие как КЛТР, теплопроводность и теплоемкость)
• Химический состав оксидов на поверхности
• Толщина оксидов на поверхности
• Размер, масса и форма детали
• Температура детали до напыления

Параметры движения устройства напыления относительно напыляемой детали:

• Относительная скорость движения устройства напыления относительно напыляемой поверхности детали
• Расстояние напыления
• Угол напыления
• Размер пятна напыления
• Толщина слоя за один проход

Параметры охлаждения:

• Вид вещества хладагента: сжатый воздух, вода, твердая углекислота или жидкий азот
• Способ охлаждения: общее охлаждение всей детали; локальное охлаждение, совмещенное с устройством напыления; комбинированное охлаждение (локальное плюс общее)
• Скорость и давление газообразного хладагента относительно охлаждаемой поверхности (включает коэффициент теплопередачи)
• Наличие или отсутствие перекрещивания потоков напыления и охлаждения
• Мощность общего охлаждения
• Мощность локального охлаждения
• Расстояние «пятна охлаждения» от «пятна напыления» при локальном охлаждении
• Относительное расположение пятен напыления и охлаждения при их движении: пятно охлаждения «догоняет» или «бежит впереди» пятна напыления

Металлизация

При металлизации реализуются все три стадии образования покрытия. Перевод частиц присадочного материала в жидкую фазу обеспечивает при соприкосновении с поверхностью детали формирование значительной по площади зон контакта (рис. 3.2).

Высокая температура разогрева расплавленных частиц способствует активизации поверхностного слоя детали и вызывает развитие химического взаимодействия. Такое взаимодействие по площади контакта жидкой капли с поверхностью детали приводит к привариванию частиц присадочного материала, которое происходит путем образования очагов схватывания. Чем больше очагов схватывания, тем выше прочность сцепления частиц с основой. Приваривание частицы присадочного материала наступает только при достижении в зоне контакта с основой критической температуры химического взаимодействия (Tкр). Отсутствие требуемой степени нагрева приводит к появлению в металлизованном слое участков несплавления и пор.

Напыление

Напыление характеризуется нагревом частиц присадочного материала ниже температуры плавления. Их разогрев должен обеспечить практически полную потерю прочностных свойств и переход в высокопластичное состояние. Поэтому при напылении жидкая фаза в зоне контакта основного и присадочного материалов обычно отсутствует.

Рис. 3.2. Схема формирования металлизованного слоя.

В связи с этим активация поверхностных атомов достигается за счет упруго-пластической деформации частиц присадочного материала в зоне контакта с поверхностью детали, а напыленный слой представляет собой слоистый материал, состоящий из сильно деформированных частиц, соединенных между собой по обособленным контактным участкам (рис. 3.3).

Контактные участки не заполняют всю поверхность детали или поверхность предыдущего слоя. Между частицами остаются пустоты и поры, поэтому прочность и плотность напыленных покрытий ниже аналогичных характеристик слоя, полученного методами наплавки. Прочность самих контактных участков зависит от количества очагов схватывания, образующихся на площади Dx в период удара, деформации и затвердевания частицы, и определяется развитием химического взаимодействия материалов в контакте. При отсутствии жидкой фазы в зоне контакта присадочного материала и поверхности детали процесс образования химических связей начинается с частичной перестройки решеток контактирующих фаз, сопровождаемой взаимным втягиванием электронных оболочек. Следующим этапом взаимодействия является развитие процессов растворения и гетерогенной диффузии (прохождение атомами границы раздела) и химических реакций в твердой фазе, приводящих при наличии определенных условий к образованию и росту зародышей новых химических соединений.

Рис. 3.3. Структура напыленного покрытия: 1 — граница между покрытием и основой; 2 — границы между слоями; 3 — контактные участки между частицами в слое.

В напыленном и металлизованном покрытиях можно выделить структурные элементы, которые отражают процессы его формирования и отделяются друг от друга границами раздела с определенными свойствами. Граница раздела между покрытием и основой 1 определяет прочность сцепления слоя с поверхностью детали. Свойства самого покрытия обуславливаются прочностью сцепления частиц его образующих. Граница раздела между слоями (межслойная граница полученная за один проход распылителя) возникает из-за различных интервалов времени между нанесением частиц в слое и временем выдержки между наложением отдельных слоев. За период времени между нанесением отдельных слоев поверхность ранее нанесенного слоя покрытия загрязняется, окисляется, происходит адсорбция газов и отложение пылевидных фракций распыляемого материала. Контактные процессы между такой поверхностью и напыляемыми частицами затрудняются, что и является причиной возникновения границы. В зависимости от размеров и конфигурации напыляемого изделия, траектории перемещения распылителя «пауза» между моментами наложения слоев может достигать секунд и десятков секунд. Это время на несколько порядков больше времени паузы между взаимодействием частиц в слое, нанесенном за один проход.

Структура покрытия

Структура слоя, сформированного за один проход, также неоднородна и определяется различными размерами и энергетическим состоянием (температурой и скоростью) напыляемых частиц. Образование покрытия последовательной укладкой множества деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, в первую очередь на стыках частиц. Покрытие формируется в атмосфере, поэтому микропустоты заполняются газом, что ухудшает свойства границ, особенно межслойных, имеющих наибольшую насыщенность адсорбированными газами. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого взаимодействия и остывания частиц, в зоне контактов с поверхностью остаются дефекты и полости.

Структура и свойства покрытия в значительно степени зависят от гранулометрического состава напыляемого порошка. С уменьшением размера частиц порошка улучшается степень заполнения покрытия — плотность его увеличивается, объем микропустот уменьшается, строение покрытия становится более однородным. Однако слишком мелкие порошки не пригодны для напыления. Минимальный размер частиц может быть установлен из ряда соображений. Большие затруднения возникают при попытках транспортировки и ввода в распылитель частиц размером 10 мкм и менее. Такие порошки не могут быть заранее подготовлены и выравнены по размеру частиц обычными методами подготовки порошков, поскольку они не рассеиваются на ситах. Мелкие порошки комкуются из-за влажности и проявления сил молекулярного сцепления и образуют конгломераты из нескольких частиц при подаче их потоком транспортирующего газа. Уже будучи введены в высокотемпературный источник нагрева мелкие частицы могут в нем полностью испариться. Мелкие порошки в плотной окружающей атмосфере быстро теряют скорость, отклоняются от заданной траектории и не достигают напыляемой поверхности. Обычно для напыления рекомендуются порошки с размером частиц 40-70 мкм. Однако эта средняя грануляция в зависимости от задач технологии может существенно отклоняться как в сторону более крупных, так и более мелких порошков. Например, в вакууме удается наносить покрытия из порошков с размером частиц несколько микрометров. Плотность таких покрытий приближается к 100 %, а структура отличается высокой однородностью и отсутствием межслойных границ.

Обкатывание и раскатывание поверхностей

Аналогично ультразвуковой упрочняющей обработке, на том же оборудовании выполняется отделочная и упрочняющая обработка наружных поверхностей деталей обкатыванием, а внутренних — раскатыванием.

Рис. 2. Ультразвуковое упрочнение поверхности вала на токарно-винторезном станке 16К20

Давление на ролик в зависимости от материала детали принимают 5. . . 20 МН/м2 при числе проходов до 4. Обкатывание обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,4. . . 0,05 мкм. Инструмент для обкатывания, представленный на рис. 3, устанавливают в резцедержатель хвостовиком 7.

Рис. 3. Упрочняющая обработка наружных поверхностей деталей обкатыванием

Обкатывание обрабатываемой поверхности производится шариком 2, который упирается в наружную обойму подшипника 10, насаженного на ось 9, и удерживается от выпадения колпачком 8. Под действием усилия обкатывания шарик 2 отжимается и перемещает пиноль 3 в расточке корпуса 4, которая сжимает пружину 5. С помощью винта 6 регулируется сила сжатия пружины. Для обработки обкатыванием резцедержатель токарного станка с обкатным инструментом подводят до соприкосновения шарика с поверхностью предварительно обработанной детали. Затем винтом поперечной подачи суппорта по лимбу создают натяг 0,5. . . 0,8 мм. Устанавливают частоту вращения шпинделя 1200…1500 мин-1 и продольную подачу 5 = 0,3. . .1,5 мм/об. , включают станок и делают 2-3 продольных прохода вправо и влев°. В качестве СОЖ используют веретенное масло.

Шарики и ролики для обкатывания (раскатывания) изготовляют из закаленной стали или твердого сплава

Напыление порошкового материала

Напыляемый порошок поступает в горелку сверху из бункера через отверстие, разгоняется потоком транспортирующего газа (смесь «кислород – горючий газ») и на выходе из сопла попадает в пламя, где происходит его нагревание. Увлекаемые струей горячего газа частицы порошка попадают на напыляемую поверхность. В порошковых горелках, как и в проволочных, подача напыляемого материала в пламя и разгон образующихся расплавленных частиц может производиться при помощи струи сжатого воздуха.

Советуем изучить — Шабад м.а. трансформаторы тока в схемах релейной защиты. часть первая. экспериментальная и расчетная проверки

В большинстве случаев в качестве горючего газа используют ацетилен. Можно также применять пропан, водород. Для напыления пластмасс чаще применяют пропан.

К агрегатам, в которых напыляемый материал подают в виде порошка, относят газопламенную горелку типа Rototec-80 швейцарской фирмы Castolin-Eutectic (рис. 2).

Рис. 2. Газопламенная горелка Rototec-80

Напыляемый материал с размером частиц до 100 мкм засыпают в специальную ёмкость конусообразной формы. Конструктивно газопламенная горелка выполнена таким образом, что при её работе ёмкость с порошком находится в верхней части от газового канала. Поэтому, кроме инжекции, значительную роль в равномерной подаче порошка в область нагрева играет сила гравитации. Горелка выполнена в переносном варианте. Габариты кейса 50030080 мм. При распылении порошковых материалов с различными теплофизическими свойствами у горелок предусмотрено регулирование рабочей смеси газов, что позволяет получать качественные покрытия как из тугоплавких (Al2O3 и TiO2), так и легкоплавких (бронза, баббит) материалов.

С помощью этой горелки можно осуществлять восстановление геометрических размеров посадочных мест крупногабаритных валов под подшипники качения и скольжения, коренных и шатунных шеек коленчатых валов ДВС, дизельных машин и компрессорных установок.

Способы и оборудование для напыления металлов

Однако порошковое напыление металла вовсе не ограничивается одним лишь производством деталей из порошков. Не менее важным является такое ее направление, как нанесение на металлическую поверхность слоя мелкодисперсной среды из огнеупорных, коррозионно- и износостойких материалов для улучшения функциональных, реставрационных и декоративных характеристик. При использовании в этих целях многокомпонентных порошковых материалов возрастает риск возникновения неоднородности покрытия, связанной с сегрегацией (расслаиванием) порошков. Такая проблема разрешается применением пластичных шнуровых материалов, имеющих в своем составе порошок, который фиксируется пластичной связкой. При обработке поверхности вещество связки целиком испаряется и на подложку изделия оседает лишь непосредственно порошок.

Сущность вакуумного напыления металлов состоит в том, что требуемый материал в результате сильного нагревания в вакуумном пространстве переходит в пар, который конденсируется в виде плоской пленки на наружной стороне тех или иных изделий.

Процесс термонапыления относительно прост и включает такие операции: расплавка металлического сырья в специальном пистолете (горелке) и напыление металла в жидком состоянии на заблаговременно обработанную поверхность при помощи сжатого воздуха. В ходе газопламенного напыления металла непрерывно перемещающийся напыляемый материал в форме проволоки или стержня продвигается через пистолет и плавится в конусовидном потоке горючего газа (диметилметана или топлива с содержанием ацетилена и кислорода). Кончик расплавленной проволоки встраивается в конусовидный поток и наносится на поверхность подложки. При контакте с поверхностью микрочастицы наносимого вещества моментально остывают и трансформируются, прочно сцепляясь с ней. В связи с этим, газотермическое напыление отличается мельчайшей ленточной или планарно-зернистой структурой.

Данный способ обработки идеально подходит для напыления труднодоступных участков. При его использовании следует контролировать дистанцию между пистолетом и обрабатываемым изделием, поддерживать оптимальную температуру напыления, соблюдать чистоту. Соблюдение точно выбранного промежутка и скорости передвижения пистолета обеспечивает оптимальную дозу материала и толщину наносимого слоя. Поскольку в ходе напыления металла создается пыль, следует регулярно прочищать фронтальную часть аппарата, чтобы гарантировать нанесение свежего слоя на очищенную поверхность. Использование газопламенного способа нанесения позволяет создавать покрытия с достаточной пористостью (до 12 %) и небольшой адгезией к основе, что связано с невысокой скоростью воздушно-газовой струи (менее 50 м/с). Температурный режим горения пламени лимитирует спектр металлов, которые можно наносить таким способом.

При осуществлении плазменного или газоплазменного напыления металла в качестве источника тепла выступает электродуга, возникающая между парой электродов. В зону ее горения нагнетается инертный газ, способный ионизироваться и образовывать плазму (температурой до 15000 °С). В плазменную струю поступает порошок наносимого металла, который плавится и переходит на обрабатываемую подложку. Вопреки высоким температурам в месте горения электродуги, изделие не подвергается перегреву, поскольку при переходе из участка дуги температурные показатели резко снижаются. Оборудование для такого типа нанесения металла сложнее, в сравнении с газопламенным из-за дополнительной потребности в электроаппаратуре.

В наиболее ответственных задачах для получения максимальной адгезии и прочности покрытий плазменную обработку осуществляют в вакуумном оборудовании для напыления металлов при низком давлении. Снижение давления обеспечивает возрастание скорости микрочастиц, что способствует получению более прочных химически стойких покрытий с повышенной твердостью.

Газодинамическое напыление металла заключается в образовании покрытий при взаимном ударении холодных микрочастиц металла, убыстренных ультразвуковой газовой струей, с подложкой детали. При контакте не расплавленных микрочастиц с поверхностью получается их пластическая трансформация и кинематическая энергия переходит в тепловую и адгезионную, способствуя образованию однородного слоя из прочно уложенных частиц металла. Отличительная особенность такого напыления – отсутствие повышенных температур при нанесении металлических покрытий, а значит, и отсутствие оксидации металлических частиц и подложки, явления неоднородной кристаллизации, повышенных внутренних напряжений в готовых изделиях.

Читать также: Редуктор на маленький газовый баллон

Лазерное напыление металла представляет собой технологию восстановления изделий путем обработки их лазерным лучом света, генерируемым при работе оптико-квантового генератора. Из-за узкой сосредоточенности лазерного потока и повышенной энергетической плотности в месте его контакта с поверхностью можно производить наплавку любого металла. Самой востребованной является порошковая форма. Локальное фокусирование излучения дает возможность производить наплавление в труднодоступных зонах. При этом первичная структура практически не деформируется, но достигается повышенная износостойкость деталей.

Разработаны многочисленные установки для напыления металла. Как правило, они производятся в двух исполнениях: стационарном и мобильном, кроме этого могут функционировать как в закрытых цехах, так и на открытой местности для обработки крупногабаритной продукции. Покрытия, образованные перечисленными способами напыления, имеют высокие параметры прочности и пониженную степень остаточных напряжений.

Метод химического хромирования

В качестве активного компонента для реализации такого напыления используют химические реагенты. Классический состав включает хлористый хром, натрий, уксусную кислоту, а также воду с раствором едкого натра. Процесс напыления выполняется при температуре порядка 80 °С. Начинается работа с подготовки материала. Обычно хромирование используют для обработки металлических поверхностей, в частности стали. Перед самой операцией материал подвергается первичному покрытию медным слоем. Далее производится химическое хромирование посредством пескоструйного аппарата, подключенного к компрессорной установке. После завершения процедуры изделие моется в чистой воде и просушивается.

Проволоки и шнуровые материалы

Непрерывные электроды в виде проволок разной конструкции применяют преимущественно для металлизации поверхностей. Распыление металла непрерывного электрода требует его обязательного расплавления и перехода в жидкое состояние. При металлизации применяют проволочные материалы диаметром 0,5-5,0 мм, которые подразделяют на следующие группы: 1) проволоки сплошного сечения; 2) порошковые проволоки с металлической оболочкой; 3) порошковые проволоки с органической оболочкой.

Проволоки сплошного сечения, обычно из чистых металлов или сплавов на их основе производят методами волочения. Этот вид проволочных материалов получил наибольшее применение при металлизации. Подготовка проволоки перед напылением чаще всего заключается в обезжиривании и травлении. Обезжириванием удаляют органические загрязнения; травлением — оксидные пленки. Составы ванн и режимы обработки определяются маркой проволоки. Во многих случаях эффективна абразивноструйная очистка проволоки, электрополировка и другие способы обработки.

Из проволок на основе железа наибольшее распространение для металлизации получили углеродистые и низко- и среднелегированные проволоки. Углеродистые и низколегированные стали наиболее целесообразно применять при восстановительном ремонте газопламенным напылением или электродуговой металлизацией. Напыленные покрытия имеют достаточно высокую твердость. Восстановленные изделия по износу не уступают исходным. Для напыления, в основном, применяют проволоку из сталей Ст3; У 7; 40Х; 50ХФА и др. При напылении покрытий из стали У 7 микротвердость металла колеблется в пределах 2100-7750 МПа. Высокоуглеродистые стали и чугуны при их напылении образуют хрупкие покрытия, практически непригодные для эксплуатации.

Порошковые проволоки с металлической оболочкой перспективны для напыления композиционных покрытий. Порошковые проволоки производят вальцовкой ленты в трубку с одновременной засыпкой в образовавшуюся полость дисперсной шихты. При последующем волочении заполненной трубки получают проволоку различных диаметров. При этом легко регулируется отношение между массой порошка и оболочки. Возможны разнообразные сочетания в расположении оболочки и порошка (рис. 3.30).

Шнуровые материалы — это порошковые проволоки с органической оболочкой, которые применяют в основном для газопламенного напыления и реже для плазменного.

Рис. 3.30. Порошковые проволоки (I—III) и шнуровые материалы с органической оболочкой (IV).

Подготовку порошковых проволок перед напылением осуществляют посредством их обезжиривания протиркой сильными растворителями (бензином, ацетоном и др.) или абразивноструйной очисткой.

Прутки и трубчатые электроды

Стержни сплошного сечения изготавливают отливкой. Порошковые стержни формуют из измельченных материалов, например, оксидов, а затем подвергают спеканию. Обычно их диаметр составляет 3-6 мм, а длина 500-600 мм.

Сущность процесса и способы напыления

Глава 5. Восстановление деталей высокотемпературным напылением

Напыление является одним из способов нанесения металли­ческих покрытий на изношенные поверхности восстанавливаемых деталей. Сущность процесса состоит в напылении предваритель­но расплавленного металла на специально подготовленную по­верхность детали струей сжатого газа (воздуха). Мелкие части­цы распыленного металла достигают поверхности детали в пластическом состоянии, имея большую скорость полета. При ударе о поверхность детали они деформируются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие. Соединение металли­ческих частичек с поверхностью детали и между собой носит в основном механический характер, и только в отдельных точках имеет место сваривание присадочного металла с подложкой. Основными достоинствами напыления, как способа нанесения покрытий при восстановлении деталей, являются: высокая про­изводительность процесса, небольшой нагрев деталей (120— 180°С), высокая износостойкость покрытия, простота техноло­гического процесса и применяемого оборудования, возможность нанесения покрытий толщиной от 0,1 до 10 мм и более из лю­бых металлов и сплавов. К недостаткам процесса следует отне­сти пониженную механическую прочность покрытия и сравни­тельно невысокую прочность сцепления ^го с подложкой.

В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в металлизационных аппаратах для плавления металла, различа­ют четыре основных способа напыления: газопламенное, элект­родуговое, высокочастотное и плазменное.

Газопламенное напыление осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыление струей сжатого воздуха (рис. III. 5.1). Напыляемый материал в виде проволоки подается через центральное отверстие горелки и, попадая в зону пламени с наиболее высокой температурой, расплавляется. Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в аппарат воздушной турбинкой через червячный редуктор.

В качестве напыляемого материала при газопламенном на­пылении применяют также металлические порошки (рис. III. 5.2.), которые поступают в горелку из бункера с помощью транспорти­рующего газа (воздуха).

Наибольшее применение нашли аппараты для газопламенного напыления проволокой типа МГИ-1-57, ГИМ-1 и др.

Преимуществами газопламенного напыления являются: не­большое окисление металла, мелкий его распыл, достаточно высокая прочность покрытия. К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса (2—4 кг/ч)

Электродуговое напыление производится аппаратами, в кото­рых плавление металла осуществляется электрической дугой, го­рящей между двумя проволоками, а распыление — струей сжато­го воздуха (рис. III. 5.3).

Для злектродугового напыления отечественная промышлен­ность выпускает аппараты ЭМ-3, ЭМ-9, ЭМ-14 (ручные) и ЭМ-6, МЭС-1, ЭМ-12 (станочные). Привод для подачи проволоки в зону горения электрической дуги в ручных аппаратах осуществляется от воздушной турбинки, в станочных — от электродвигателя. Основным преимуществом электродугового напыления являет­ся высокая производительность процесса (от 3 до 14 кг напыляе­мого металла в час). Высокая температура электрической дуги позволяет наносить покрытия из тугоплавких металлов. При ис­пользовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава. К преимущест­вам электродугового напыления следует отнести сравнительную простоту применяемого оборудования, а также небольшие эксплу­атационные затраты.

Недостатками электродугового напыления являются повышенное окисление ме­талла, значительное выгорание леги­рующих элементов и пониженная плотность покрытия.

Высокочастотное напылениеосно­вано на использовании принципа ин­дукционного нагрева при плавлении исходного материала покрытия (про­волоки). Распыление расплавленного металла производится струей сжато­го воздуха. Головка высокочастот­ного аппарата для напыления (рис. III.5.4) имеет индуктор, пита­емый от генератора тока высокой частоты, и концентратор тока, кото­рый обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке дли­ны проволоки.

Нагрев проволоки до температуры плавления в короткое время может быть обеспечен только при опреде­ленной частоте тока, которая опре­деляется по формуле

При высокочастотном напылении автомобильных деталей при­меняют стальную проволоку, для которой коэффициент к—

20000. Следовательно, при применении проволоки диаметром 4—5 мм. частота тока будет 80—425 кГц. Учитывая большую частоту то­ка при высокочастотном напылении, применяют ламповые генера­торы токов высокой частоты типа ЛГПЗ-30, ГЗ-46, ЛГПЗ-60 и др.

.

Преимуществами высокочастотного напыления являются небольшое окисление металла благодаря возможности регулирования температуры его нагрева и достаточно высокая механическая прочность покрытия. К числу недостатков следует отнести срав­нительно невысокую производительность процесса, а также сложность и высокую стоимость применяе­мого оборудования. Плазменное напыление это новый способ нанесения металлических покрытий, при котором для расплавления и переноса металла, на поверхность дета­ли используются тепловые и динамические свойства плазменной струи (рис. III. 5.5). В качестве плазмообразующего газа применяют азот. Азотная плазма имеет сравнительно невы­сокую температуру (до 10—15 тыс.°С), но обладает высокой энтальпией (теп­лосодержанием). Повышен­ная энтальпия (рис. III. 5.6) азотной плазмы объясняется тем, что про­цесс ее образования имеет две стадии: диссоциацию. (N2→2N) № ионизацию (N→N+ + e). Обе стадии процесса получения плазмы протекают с поглощением тепловой энергии. Процесс получения аргонной плазмы имеет только одну стадию — ионизацию. Таким образом, азотная плазма становится носителем большего количества тепловой энергии, чем аргонная. Высокая энтальпия азотной плазменной струи и низкая стоимость азота и обусловили его широкое применение в качестве плазмообразующего газа при плазменном напылении.

Азотная плазменная струя надежно защищает напыляемый металл от окисления. Несмотря на то, что вследствие турбулент­ного характера истечения плазменная струя смешивается с воздухом, содержание кислорода в ней достигает концентрации его в атмосфере только на расстоянии 120—150 мм от сопла плазмотрона (рис. III. 5.7), т. е. на расстоянии дистанции напы­ления.

Исходный материал покрытия вводится в сопло плазмотрона в виде проволоки или гранулированного порошка. Проволока в качестве напыляемого материала используется реже, так как при ее применении структура покрытия получается крупнозернистой и, кроме того, не все материалы для напыления могут быть приго­товлены в виде проволоки. Поэтому при плазменном напылении в качестве присадочного материала применяют гранулированные порошки с размером частиц от 50 до 150 мкм.

Порошок в сопло плазмотрона подается из дозатора при помо­щи транспортирующего газа (азота). Дозатор определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыле­ния. Расход порошка можно плавно регулировать в пределах от 3 до 12 кг/ч.

Попадая в плазменную струю, металлический порошок рас­плавляется и, увлекаемый плазменной струей, наносится на по­верхность детали, образуя покрытие.

Свойства покрытия зависят от температуры нагрева частиц и скорости их полета при встрече с поверхностью детали. Скорость полета металлических частиц определяется в основном двумя фак­торами — силой тока дуги и расходом плазмообразующего газа. В зависимости от значений этих факторов она может достигать 150—200 м/с (рис. III. 5.8). Наибольшей скорости расплавленные частицы металла достигают на расстоянии 50—80 мм от сопла плазмотрона.

Большая скорость полета частиц порошка и высокая темпера­тура их нагрева в момент встречи с подложкой обеспечивают бо­лее высокие, чем при других способах напыления, механические свойства покрытия и более прочное его соединение с поверхно­стью детали.

Экономическая эффективность и производительность процесса напыления зависят от того, какая часть исходного материала по­падает на деталь и закрепляется на ее поверхности, т. е. от ко­эффициента напыления.

Величина коэффициента напыления при плазменном напыле­нии выше, чем при других способах напыления, и зависит от ма­териала порошка, от диаметра напыляемой детали и от основных параметров режима. Так, при напылении порошка ПГ-У30Х28Н4С4 (сормайт-1) на деталь диаметром 26 мм в условиях оптимально­го режима коэффициент напыления не превышает 65—70%. При напылении хромоникелевого порошка на деталь диаметром более 50 мм коэффициент напыления достигает 90—95%.

Из других достоинств процесса плазменного напыления сле­дует отметить его высокую производительность, возможность на­несения покрытий из любых материалов, полную автоматизацию управления процессом.

Все эти достоинства процес­са плазменного напыления позволяют сделать вывод о воз­можности его широкого приме­нения при восстановлении авто­мобильных, деталей.

При плазменном напылении применяются специальные уста­новки, включающие в себя: плазменную горелку (плазмо­трон), пульт управления, порош­ковый питатель (дозатор) и ис­точник питания.

Промышленность выпускает два типа установок для плаз­менного напыления: универсаль­ные плазменные установки типа УПУ-3 производства Ржевского механического завода и универ­сальные плазменно-металлизационные установки УМП-4, УМП-5, выпускаемые Барнауль­ским аппаратно-механическим заводом. Установки УМП-4 и УМП-5 конструкции ВНИИДЕ-ТОГЕНМАШ выпускаются без источника питания. В качестве источника питания для этих ус­тановок можно использовать вы­прямитель ИПН-160/600 или два

последовательно соединенных сварочных машинных преобразователя ПСО-500.

В указанных установках применены плазменные горелки ГН-5Р (рис. III. 5.9).

Напыляемые материалы

В качестве напыляемых материалов при восстановлении авто­мобильных деталей применяют проволоку или порошковые сплавы.

При газопламенном, электродуговом и высокочастотном напы­лении обычно используется проволока. При восстановлении сталь­ных и чугунных деталей применяют стальную проволоку с содер­жанием углерода 0,3—0,8%- Среднеуглеродистую проволоку ис­пользуют при восстановлении посадочных поверхностей на сталь­ных и чугунных деталях. Для деталей, работающих в условиях трения, рекомендуется применять стальную проволоку с повышен­ным содержанием углерода. При плазменном напылении приме­няют порошковые сплавы.

Для восстановления деталей, работающих в условиях трения рекомендуется применять износостойкие порошковые сплавы на основе никеля или более дешевые сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода. Эти сплавы обладают высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Наличие в их структуре твердых составляющих (карбидов и боридов)

сравнительно мягкой основы (твердого раствора) позволяет полу­чать покрытия с высокими служебными свойствами.

Порошковые сплавы на основе никеля марок ПГ-ХН80СР2, ПГ-ХН80СРЗ и ПГ-ХН80СР4 обладают рядом ценных свойств: низкой температурой плавления (950—1050°С), твердостью HRC

35—60 в зависимости от содержания бора, жидкотекучестью, вы­сокой износостойкостью и свойством самофлюсования благодаря наличию в составе бора (Р) и кремния (С), которые активно от­нимают кислород от окислов.

Основной их недостаток — высокая стоимость, которая сни­жает эффективность применения этих сплавов при восстановле­нии деталей.

Сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода типа ПГ-У30Х28Н4С4, ФБХ-6-2, КБХ имеют высокую твердость HRC

56—63, высокую износостойкость, недефицитны, но более тугоплавки (температура плавления 1250—1300°С) и не обладают свойством самофлюсования.

На практике получили применение композиционные смеси этих порошков с порошками сплавов на основе никеля. Порошко­вая смесь, состоящая из 50% ПГ-ХН80СРЗ и 50% ПГ-У30Х28Н4С4, имеет высокую износостойкость, невысокую температуру плавления (1100—1150°С), обладает свойством са­мофлюсования и стоит в 2 раза дешевле порошковых сплавов на основе никеля.

Порошковые сплавы на основе никеля и железа, а также их смеси обеспечивают высокую износостойкость напыленных дета­лей, но одновременно несколько повышают (на 15—20%) износ сопряженных деталей, изготовленных из мягких антифрикцион­ных сплавов. Этот недостаток может быть устранен при примене­нии порошковой смеси, состоящей из 80—85% стального порош­ка ПЖ-5М и 15—20% порошка ПГ-ХН80СР4, которая при плаз­менном напылении обеспечивает достаточно высокую износостой­кость покрытия и в то же время не повышает износа сопряжен­ных деталей из мягких антифрикционных сплавов.

При восстановлении посадочных поверхностей под подшипни­ки качения в чугунных корпусных деталях следует применять стальной порошок ПЖ-5М с добавкой 1—2% порошка алюми­ния АКП. Эта же порошковая смесь с добавкой 4—5% медного порошка ПМС-2 или 2—3% никелевого порошка может быть применена при восстановлении плазменным напылением опор под вкладыши коренных подшипников в чугунных блоках цилиндров двигателей.

■ ‘

Металлические защитные покрытия

В качестве анодных металлических покрытий выступают металлы, электрохимический потенциал которых меньше, чем у обрабатываемых материалов. У катодных он, наоборот, выше.

Катодные покрытия препятствуют проникновению агрессивных сред к основному металлу благодаря образованию механического барьера. Они лучше защищают поверхности от негативных воздействий, но только в случае неповрежденности.

В зависимости от способа нанесения металлические покрытия подразделяются на следующие виды.

Гальванические покрытия

Гальванизация – это электрохимический метод нанесения металлического защитного покрытия для защиты поверхностей от коррозии и окисления, улучшения их прочности и износостойкости, придания эстетичного внешнего вида.

Гальванические покрытия применяются в авиа- и машиностроении, радиотехнике, электронике, строительстве.

В зависимости от назначения конкретных деталей на них наносятся защитные, защитно-декоративные и специальные гальванические покрытия.

Защитные служат для изоляции металлических деталей от воздействия агрессивных сред и предотвращения механических повреждений. Защитно-декоративные предназначены для придания деталям эстетичного внешнего вида и их защиты от разрушительных внешних воздействий.

Специальные гальванические покрытия улучшают характеристики обрабатываемых поверхностей, повышают их прочность, износостойкость, электроизоляционные свойства и т.д.

Газотермическое напыление

Представляет собой перенос расплавленных частиц материала на обрабатываемую поверхность газового или плазменным потоком. Покрытия, образованные таким методом, отличаются термо- и износостойкостью, хорошими антикоррозионными, антифрикционными и противозадирными свойствами, электроизоляционной или электропроводной способностью. В качестве напыляемого материала выступают проволоки, шнуры, порошки из металлов, керамики и металлокерамики.

Выделяют следующие методы газотермическогого напыления:

• Газопламенное напыление: самый простой и недорогой метод, применяемый для защиты крупных площадей поверхности от коррозии и восстановления геометрии деталей
• Высокоскоростное газопламенное напыление: используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий
• Детонационное напыление: применяется для нанесения защитных покрытий, восстановления небольших поврежденных участков поверхности
• Плазменное напыление: используется для создания тугоплавких керамических покрытий
• Электродуговая металлизация: для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности
• Напыление с оплавлением: применяется тогда, когда риск деформации деталей отсутствует или он оправдан

Погружение в расплав

При использовании этого метода обрабатываемые детали окунаются в расплавленный металл (олово, цинк, алюминий, свинец). Перед погружением поверхности обрабатываются смесью хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Это позволяет защитить расплав от окисления, а также удалить оксидные и солевые пленки.

Данный метод нельзя назвать экономичным, так как наносимый металл расходуется в больших количествах. При этом толщина покрытия неравномерна, а наносить расплав в узкие зазоры и отверстия, например, на резьбу, не представляется возможным.

Термодиффузионное покрытие

Данное покрытие, материалом для которого выступает цинк, обеспечивает высокую электрохимическую защиту стали и черных металлов. Оно обладает высокой адгезией, стойкостью к коррозии, механическим нагрузкам и деформации.
Слой термодиффузионного покрытия имеет одинаковую толщину даже на деталях сложных форм и не отслаивается в процессе эксплуатации.

Советуем изучить — Частотно-регулируемый асинхронный электропривод — курс лекций

Плакирование

Метод представляет собой нанесение металла термомеханическим способом: путем пластичной деформации и сильного сжатия. Чаще всего таким образом создаются защитные, контактные или декоративные покрытия на деталях из стали, алюминия, меди и их сплавов.

Плакирование осуществляется в процессе горячей прокатки, прессования, экструзии, штамповки или сваривания взрывом.

«Димет»-оборудование: коротко о главном

Установки «Димет» были разработаны на научно-производственной базе центра порошкового напыления (в г. Обнинске). При создании вся техническая документация установок прошла тщательное тестирование на соответствие системе международных и европейских стандартов качества и экологической безопасности, а также прошла сертификацию по шкале ГОСТов РФ. Результатом такой комплексной проверки стала выдача сертификата соответствия. Регистрационные данные документа по оборудованию «Димет»: N РОСС RU.ТН02.Н00580.

Установка «Димет» является действительно революционной разработкой российских инженеров и технологов, поскольку до ее создания ни в одном промышленно-производственном комплексе мира не применялась уже открытая научным миром методика газодинамического напыления.

В чем заключается оригинальность и нестандартность «Димет»-технологии? Дело в том, что установка посредством использования сжатого воздуха может работать на ультразвуковой скорости. В качестве рабочего материала в установке используются наиболее популярные металлы, например свинец, цинк и олово, никель и медь и, естественно, алюминий, а также сплавы этих металлов. Готовое напыление наносится на любые типы поверхностей — от пластиковых современных материалов до металла, от натурального дерева и шпона до деликатной керамики и акрила.

Наплавка поверхностных слоев

Наплавка поверхностных слоев представляет собой процесс нанесения с помощью электросварки (в среде защитных газов, электрошлаковой, под слоем флюса) или плазмотрона покрытия на заготовку. С помощью наплавки можно восстановить размеры изношенной детали или нанести на заготовку упрочняющее покрытие. Для получения покрытия используются материалы разного физического состояния: металлический порошок, порошковая проволока, металлическая проволока, куски рубленой проволоки (крупка), гибкие шнуровые материалы.

Рис. 6. Металлизация стальных конструкций в полевых условиях

Установки для наплавки состоят из двух частей — электромеханической и энергетической. Электромеханическое оборудование обеспечивает нанесение нового упрочняющего слоя металла на нужную часть заготовки, а энергетическое — расплавление присадки и соединение ее с заготовкой. Исходя из этого определяется состав оборудования. Общая схема энергетической части оборудования для наплавки плазмотроном аналогична показанной на рис. 4. В качестве электромеханической части во многих случаях применяются металлорежущие станки. При наплавке на цилиндрические поверхности это может быть токарный станок, при упрочнении плоских поверхностей — фрезерный и т. п. При наплавке больших плоских поверхностей наиболее целесообразно использование многоэлектродных автоматов или ленточных электродов.

При наплавке на сложные поверхности манипуляции с пистолетом, горелкой и держателем осуществляют вручную, иногда в полуавтоматическом и реже автоматическом режиме при наличии дополнительных устройств или специальных манипуляторов Общий вид установки для механизированной плазменной наплавки порошком цилиндрических деталей показан на рис. 7, а, на рис. 7, б — ручная наплавка упрочняющего покрытия на пуансон.

Смесь горючего газа (пропана, пропан-бутана, пропилена, природного газа) сжигается в каталитической камере сгорания пистолета, генерируя высокоскоростную струю продуктов сгорания Сюда подается материал покрытия в форме сплава или композитного порошка Он нагревается в камере сгорания и ускоряется в струе, формируя покрытие при ударе частиц о подложку. Пистолет AC-HVAF, например, ускоряет частицы порошка до скоростей 700. . .800 м/с и формирует струю диаметром более 16 мм и длиной свыше 250 мм, что гораздо больше дистанции напыления, которая обычно составляет 125. . .180 мм. Диаметр потока напыляемых частиц в струе обычно составляет 3. . .5 мм. Толщина поверхностно- упрочненного слоя металла, образованного одним или несколькими слоями, может быть различной: чаще 0,5. . .10 мм, но можно нанести и более толстый слой, а масса наплавляемого металла — 3,5. . . 4,5 т, как при реставрации прокатных валков.

Рис. 7. Схема установки для наплавки металлическим порошком и выполнение наплавки в ручном режиме: 1 — коробка скоростей; 2 — зажимной патрон; 3 — порошковый питатель; 4 — заготовка; 5 — распылительная горелка (пистолет); 6 — поддерживающие ролики; 7 — устройство подготовки воздуха; 8 — воздушный ресивер; 9 — баллоны с рабочими газами; 10 — компрессор; 11 — трубопровод подвода порошка к горелке.

Для восстановления деталей с большим износом используется электродуговая наплавка плавящимся электродом под слоем флюса с применением дополнительного присадочного материала. Компоновка установки аналогична приведенной на рис 6 7, но энергетическая часть вместо газоподающего оборудования включает электросварочное

МЕТАЛЛИЗАЦИЯ НАПЫЛЕНИЕМ

Металлизация напылением заключается в расплавле­нии подводимого к металлизатору металла и распылении его струей сжатого воздуха на предварительно подготовленную по­верхность детали. Для металлизации применяют проволоку из стали, меди, цинка, свинца, бронзы, латуни, алюминия и кад­мия, а также порошковые материалы. В зависимости от источ­ника теплоты для плавления металла различают газовую, эле­ктрическую и плазменную металлизацию.

При движении частиц в воздушном потоке и ударе их о по­верхность они подвергаются механическим, химическим и тер­мическим воздействиям. При металлизации происходит окисле­ние металла и частичное выгорание некоторых элементов, вхо­дящих в состав электродов. Распыленный металл состоит из частиц сферической формы, покрытых снаружи оксидной плен­кой высокой степени дисперсности. Частицы распыленного ме­талла при ударе о напыляемую поверхность деформируются и вклиниваются в неровности поверхности основания и друг в друга. Наклеп частиц, микрозакалка в зависимости от содер­жания углерода в стальной проволоке и наличие оксидов сооб­щают напыленному металлу, а также покрытию, за исключе­нием цинкового, твердость выше твердости исходного материа­ла. Пористость покрытия доходит до 10% его объема. Пред­ставляя собой пористую массу из мельчайших окисленных час­тиц, металлизационный слой имеет малую прочность при разрыве и отличается хрупкостью. Разрушение слоя происходит по границам частиц.

Острые кромки металлизационного слоя склонны к выкра­шиванию, поэтому перед напылением деталей следует снять фаски (45°) с прямоугольных кромок, а кромки смазочных от­верстий и канавок тщательно закруглить. Глубина фрезерова­ния канавок должна составлять не более половины толщины слоя. Предварительный подогрев детали или заготовки повы­шает прочность сцепления покрытия с поверхностью детали.

Металлизационный слой имеет усадку, которая является причиной внутренних напряжений, значительно влияющих на прочность сцепления. Усадка слоя, нанесенного на наружную цилиндрическую поверхность, усиливает сцепление с увеличе­нием толщины слоя до определенного, однако, предела. При дальнейшем увеличении толщины возможно появление продоль­ных трещин. Усадка покрытия на внутренней цилиндрической поверхности способствует отрыву его от основания. Толщину слоя на такой поверхности рекомендуют не более 2—3 мм, но не более 0,2 толщины стенки (во избежание ее коробления) и не менее 0,5 мм. Иногда рекомендуется подогреть заготовку до 150°С, если нет опасений, что она покоробится. Нагрев свыше 180СС опасен из-за интенсивности образования оксидных пле­нок.

При металлизации плоских поверхностей с увеличением тол­щины слоя прочность его сцепления с поверхностью уменьша­ется. Отслаивание под действием напряжений растяжения воз­можно уже при толщине слоя более 1,5 мм. Отмечено, что при увеличении содержания углерода в стальной проволоке умень­шаются остаточные напряжения. Для лучшего сцепления ме­таллизируемую поверхность делают шероховатой.

Литературные данные о прочности сцепления покрытия с ос­новным металлом противоречивы. Установлено, однако, что бронзовое покрытие хуже стального сцепляется со стальным ос­нованием. Чугун как пористый материал хорошо сцепляется с покрытиями. По данным исследований, относящихся к стально­му покрытию по стали, прочность сцепления металлизационно­го слоя с основным металлом при шероховатой поверхности со­ставляет 50—60 МПа, при нарезании резьбы прочность сцеп­ления 100—120 МПа, при анодно-механической обработке — 230—250 МПа.

Для создания более надежного сцепления предложены и ис­пытаны различные способы. Применяют, например, гальвани­ческое наращивание подслоя медью. Другое направление повы­шения прочности сцепления — металлизация в защитной среде. Замена воздуха инертным или восстановительным газом не ис­ключает полностью образования оксидов, но сцепление покрытия с основанием повышается, возрастает прочность при раз­рыве и пластичность напыленного металла.

Металлизация понижает сопротивление усталости детали в связи с подготовкой ее поверхности. Испытаниями на удар и изгиб образцов с металлизационным покрытием установлено, что разрушение слоя происходит в результате пластической де­формации основного металла. Металлизационный слой в силу малой прочности при разрыве ограничивает нагружение валов на изгиб .

Антифрикционные свойства металлизационного покрытия благодаря его пористости высокие; даже стальное покрытие хорошо работает по стали (при хорошем смазывании и скоро­сти скольжения не более 3,5 м/с).

Области применения металлизации: восстановление изношен­ных вкладышей подшипников и шеек валов; изготовление новых валов с металлизированными шейками и вкладышей, напылен­ных антифрикционным сплавом; восстановление направляющих станин и столов металлорежущих станков; ремонт чугунных изделий и т. п. Металлизация — дешевый и производительный способ ремонта.

Если в процессе металлизации плавить одновременно два (или более) различных металла, то образуется покрытие в ви­де механической смеси из отдельных составляющих. Такая смесь получила название псевдосплава. Использование для этих целей специальной биметаллической проволоки было предложе­но А. А. Абиндером еще в 1935 г. Вопрос о получении много­компонентных сплавов без использования биметаллической про­волоки и изучение этих сплавов получили развитие в работах Л. В. Красниченко и его сотрудников. В соответствии с этими работами псевдосплавы с заданным соотношением компонентов получают с помощью аппарата с несколькими механизмами по­дачи, из которых один служит для подачи двух проволок из материала, образующего основу псевдосплава, а другие служат для подачи присадочных материалов.

Может быть получено большое число различных по компо­зиции антифрикционных псевдосплавов. Применяют обычно двойные.

Покрытие из свинцово-алюминиевого сплава (состав 1:1) легко пришабривается и хорошо прирабатывается наряду с другими указанными псевдосплавами.

Металлизационное покрытие работает неудовлетворительно в условиях трения без СМ.

13.4. ФИНИШНАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ БЕЗАБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА (ФАБО) ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Износостойкость детали во многом зависит от окон­чательной (финишной) технологической обработки ее поверх­ностей. Для широко распространенных сочленений выявлены параметры шероховатости, при которых интенсивность изна­шивания минимальна. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальная, приработочная, но и последующая интенсивность изнашивания при эксплуатации.

Рассмотрим случай окончательной обработки зеркала ци­линдра двигателя внутреннего сгорания, а также шеек колен­чатых валов. Уже более 40 лет зеркало цилиндра обрабатыва­ют методом хонингования. Перед хонингованием цилиндры шлифуют, развертывают или растачивают. Хонингование про­водят в несколько этапов. Этот процесс может обеспечить тре­буемые шероховатость поверхности цилиндра и направление не­ровностей под определенным углом к оси цилиндра, что созда­ет наилучшие условия для удержания смазочного материала на зеркале цилиндра. Независимо от вида трения в процессе при­работки исходная шероховатость поверхности переходит в экс­плуатационную. Во время приработки изменяется и макрогеометрия (волнистость) поверхности.

При хонинговании поверхность в большей или меньшей сте­пени насыщается абразивными частицами. Хотя затем цилиндр двигателя промывают и продувают сжатым воздухом, абразив­ные частицы все же остаются, главным образом в труднодо­ступных местах, в стыках неподвижных посадок и т. д. В про­цессе работы двигателя эти частицы вызываются маслом и ус­коряют изнашивание деталей.

Износ цилиндров и поршневых колец автомобильных дви­гателей в начальный период их работы (в течение 10—12 ч) со­ставляет приблизительно 5—15% от последующего износа при использовании всего ресурса двигателя. Ресурс еще более сни­жается при приработке двигателя после ремонта (до 25%).

В связи с изложенным потребовалась разработка нового технологического процесса окончательной обработки зеркала цилиндра и других поверхностей деталей двигателя, при кото­ром исключалось бы использование абразивов. К такому мето­ду относится финишная антифрикционная безабразивная об­работка (ФАБО), которая позволяет повысить износостой­кость зеркала цилиндра примерно в 1,3 раза, резко сократить время приработки и устранить возможность задиров в процес­се приработки цилиндропоршневой группы (способ ФАБО был предложен автором и В. Н. Лозовским). Сущность ФАБО со­стоит в том, что поверхности трения деталей покрывают тонким слоем латуни, бронзы или меди. При этом использу­ют явление переноса ме­талла при трении. Обра­батываемую поверхность обезжиривают, а перед нанесением покрытия по­крывают раствором (гли­церином или смесью двух частей глицерина и одной части 10%-ного раствора соляной кислоты), который в процессе трения разрыхляет оксидную пленку на поверх­ности стали, пластифицирует поверхность медного сплава и соз­дает условия для схватывания его со сталью.

Существует принципиальная разница в переносе материала при избирательном переносе (ИП) и при ФАБО. При ИП в случае трения бронзы из ее твердого раствора происходит се­парация атомов меди. Атомы легирующих элементов, раство­ряясь, переходят в смазочный материал; атомы меди, соединя­ясь в группы, переходят на сталь. При ФАБО состав перене­сенного материала не отличается от исходного. Здесь матери­ал переносится крупинками, которые прочно схватываются со сталью и имеют между собой определенную связь.

Рис. .13,2. Схема приспособле­ния для финишной антифрик­ционной безабразивной обра­ботки гильзы цилиндра (при­способление разработано О. В. Чекулаевым и С. Л. Терешки-ным)

Толщина антифрикционного слоя латуни на стали при ФАБО 2—3 мкм, бронзы и меди—1—2 мкм. Шероховатость грубых поверхностей после ФАБО может быть уменьшена. При малых параметрах шероховатости поверхности (Rа — 0,63 …0,08 мкм) ФАБО не изменяет их значения. Детали перед ФАБО предва­рительно подвергают шлифованию, развертыванию, точению или хонингованию. Шероховатость поверхности должна быть не ниже Rа=2,5 мкм.

В СССР процесс ФАБО гильз цилиндров разработан О. В. Чекулаевым и С А. Терешкиным. ФАБО производят на токарном станке с помощью приспособления, устанавливаемо­го в резцедержателе станка. Передняя часть приспособления показана на рис. 13.2 Она имеет головку

со стаканами 7 и

16; в разрезных направляющих втулках

2 я 15 перемещаются два подвижных штока

и

12. Через систему рычагов усилие от подпружиненной тяги

передается на штоки, и установленные в них прутки

и

из латуни или бронзы прижимаются к об­рабатываемой поверхности

3. Рычаги

соединены шарнирно с крышкой

головки и вилкой тяги. Самоустановка прутков ла­туни в процессе работы обеспечивается перемещением вилки

И, имеющей паз, относительно болта

10. По мере износа прут­ки перемещаются в радиальном направлении в гайках 5 и

13. Изношенные прутки заменяют новыми. Для введения прутков в гильзу подпружиненную тягу отжимают специальной гайкой, в результате чего штоки сдвигаются к центру.

Преимущества ФАБО по сравнению с другими финишными операциями состоят в том, что метод чрезвычайно прост, не требует сложного оборудования и придает стальной или чугун­ной поверхности высокие антифрикционные свойства. Обрабо­танный ФАБО цилиндр двигателя как бы превращается в бронзовый, поскольку коэффициент трения снижается в 1,5 раза.

Шейки коленчатых валов также целесообразно подвергать ФАБО для ускорения приработки двигателей и сокращения чис­ла ремонтов. Г. И. Румянцевым процесс ФАБО применен к де­талям топливной аппаратуры двигателей. Обработке подверга­лись золотниковые и плунжерные пары аппаратуры, выходив­шие-из строя вследствие повышения сил трения или заклини­вания из-за схватывания поверхностей. Износостойкость экс­периментальных деталей была в 2—3 раза выше, чем серийных.

Многие тяжелонагруженные детали разрушаются в резуль­тате фреттинг-коррозии в зонах прессовых посадок. Эффектив­ным методом борьбы с этим явлением служит ФАБО. Исследо­вания, проведенные С С Гриденком и М. М. Снитковским, по­казали, что ФАБО значительно повышает предел выносливости образцов, работающих с напрессованными втулками. В ГДР процесс ФАБО разработан Г. Польцером применительно к ци­линдрам двигателей внутреннего сгорания и другим деталям.

Адгезионные способы нанесения покрытий

Адгезионные (гальванические покрытия) получают путем осаждении требуемого металла на поверхность детали из раствора электролита с наложением электрического тока или без него. Гальванические процессы имеют ряд преимуществ:

• позволяют наносить тонкие покрытия равномерной толщины от 0,05 до 0,5 мм с различной твердостью и износостойкостью;
• не ухудшают структуру основного металла, поскольку он в процессе наращивания остается практически холодным;
• позволяют одновременно обрабатывать большую группу деталей.

В то же время этим способам присущи ряд недостатков такие, как значительная сложность и большой объем работ при выполнении технологических процессов восстановления деталей, низкая скорость электролитического осаждения, снижение сопротивления усталости деталей, загрязнение окружающей среды отходами производства. Гальванические покрытия отличаются адгезионным характером связи с основой. Это определяет их низкую прочность сцепления с поверхностью детали.

Наиболее широкое применение нашли процессы хромирования и железнения, никелирования, применяемые для наружных и внутренних поверхностей деталей с износом, не превышающим 0,2-0,5 мм, высокой поверхностной твердостью и при нежестких требованиях к прочности сцепления покрытия с основным металлом.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

• Производство стали в России
• Факторы влияющие на равномерность гальванических покрытий
• Свинцевание и его электролиты
• Промывка или дренаж в процессе цинкования
• Исследования травильных ванн горячего цинкования

Термическое вакуумное напыление

Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис. 3.17, являются: вакуумная камера, блок размещения детали с нагревательными элементами и блок испарителя, как источник атомов осаждаемого вещества.

Процесс напыления начинается с установки на держатель деталей, подвергаемых напылению. Затем опускается вакуумный колпак и включается система вакуумных насосов (вначале для создания предварительного разрежения, а затем и высоковакуумные). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей колпака и сокращения времени откачки в трубопровод для нагрева колпака подают горячую проточную воду. При достижении давления внутри камеры от 1 до 100 Па включаются нагреватели испарителя и детали. Когда нагрев испаряемого вещества и поверхности детали становится равен диапазону рабочих температур, заслонку 2 отводят в сторону и пары вещества нагреваются и перемещаются к поверхности детали, где происходит их конденсация и последующий рост плёнки.

Рис. 3.17. Схема установки вакуумного напыления: 1 — вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 — заслонка; 3 — трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 — игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 — нагреватель детали; 6 — держатель с деталью, на которой может быть размещен трафарет; 7 — герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 — испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).

Система автоматического контроля за ростом плёнки фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара. Далее отключают нагреватели испарителя и детали, выключают систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду для охлаждения колпака. После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно впускается атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.

Расстояние между испарителем и поверхностью

На качество формирования напыленного покрытия значительное влияние оказывает расстояние между испарителем и поверхностью детали (дистанция распыления), которое может изменяться от 20 до 500 мм. В зависимости от требуемой скорости осаждения покрытия дистанция распыления определяется следующим образом:

• для точечного источника распыления (S
  

  Вакуумное напыление – принцип работы и технология вакуумного плазменного напыления. Наиболее распространенные методы вакуумного напыления. Ионно вакуумное напыление и принцип его работы. Процесс вакуумного напыления алюминия и его эффективность. Главные особенности вакуумного напыления металла и его отличие от вакуумно ионно плазменного напыления металла. Где можно окупить установку вакуумного напыления по низкой цене

  Вакуумное напыление – это процесс, в котором на данном этапе нуждается большая часть современных предприятий. Используется данный метод зачастую на тех производствах, которые занимаются выпуском различной продукции, каким-то образом связанной с дальнейшей эксплуатацией.

  Это может быть, как обычное оборудование, так и зубные изделия, которые также нуждаются в процессе вакуумного напыления. Как бы это странно не звучало, но именно медицинская отрасль является одним из тех направлений, где процесс вакуумного напыления используется чаще всего. Использовать в данной отрасли, его можно, как в роли улучшения свойств оборудования для работы, так и в роли покрытия различных материалов, либо же изделий.

  Установка вакуумного напыления – это одна из наиболее важных составляющих данного процесса. Мало кто будет спорить с тем, что именно установка вакуумного напыления позволяет производить данный процесс, причем делать это довольно быстро. Принцип работы подобных установок максимально прост. Изначально, внутри подобных систем создается состояние первичного разрежения, которое позволяет превратить кристаллический порошок в специальную смесь, которую можно в дальнейшем наносить на разные покрытия. Далее, внутри установки значительно поднимается уровень давления, что приводи к активному образованию вакуума внутри системы. Далее, вакуум производит процесс, вспрыскивания напыления, которое сразу же оседает на нужном материале, который и будет поддаваться такой обработке.

  Еще один очень важный вопрос – это надежность данного процесса. Судя по конструкции и принципу работы подобных установок, не трудно понять, что сделаны, они максимально продумано. Но нельзя исключать и вероятность поломок подобного оборудования. Но даже такая ситуация не окажется столь сложной, ведь подобное оборудование, является вполне ремонтопригодным и довольно легко поддается починке.

  Методы вакуумного напыления

  Учитывая тот факт, что современный рынок включает в себя огромное количество разнообразных отраслей, было принято решение, сделать сразу несколько методов вакуумного напыления. Все они уникальны и работают по совершенно разному алгоритму.

  

  Сейчас мы рассмотрим наиболее распространенные методы вакуумного напыления:

  • Вакуумное ионно плазменное напыление
  • Вакуумное плазменное напыление
  • Вакуумное ионное напыление

  Это три наиболее часто используемых вида напыления на данный момент. Большая часть предприятий, активно использует данную технологию, получая от нее максимум пользы. А это уже говорит о том, что при желании, от данного метода действительно можно получить максимум пользы.

  Вакуумно плазменное напыление

  Один из наиболее часто встречающихся методов вакуумного напыления – это вакуумное плазменное напыление. Технология данного процесса максимально проста и заключается она в работе внутренней плазмы. Данный элемент служит в роли некого распределителя, позволяющего сделать процесс напыления максимально качественным.

  

  Кроме этого, подобный метод можно похвастаться еще и точностью нанесения покрытия на изделие. А все потому, что внутри установки подобного типа, заранее создан, установлен код, по которому, подобные системы обычно и работают.

  Ионно вакуумное напыление

  Данный тип вакуумного напыления, максимально напоминает предыдущий. Наиболее явным отличием данной технологии. Можно назвать предварительный процесс ионизации, позволяющий значительно ускорить рабочий процесс.

  

  Наличие рабочих ионов внутри установки вакуумного напыления, не только улучшает качество рабочего процесса, а и делает его более надежным и что немаловажно, быстрым.

  Вакуумное напыление алюминия

  Если же говорить о том, какой материал чаще всего поддается процессу вакуумного напыления, то наверняка это алюминий. Причиной этому, послужила сфера применения данного металла, который активно используется практически во всех отраслях.

  

  Но во многих из них, требуется, чтобы данный метод был более прочным и надежным. Именно для этого и созданы установки вакуумного напыления алюминия. Данный процесс, является максимально легким, так как материал очень даже хорошо воздействует со смесью, которая на него наносится, во время вакуумного напыления.

  Вакуумное напыление металлов

  Если же говорить о процессе вакуумного напыления металла, то это еще более легкий процесс. Технология напыления металла максимально проста, из-за чего ей привыкли пользоваться все предприятия. Для качественного нанесения слоя напыления на металл, требуется лишь довести его до нужной температуры. Это и есть единственное условие, которого стоит придерживаться во время вакуумного напыления.

  

  Многие считают, что именно это и является главным преимуществом процесса вакуумного напыления металла.

  Вакуумное ионно плазменное напыление

  Наиболее сложным в плане конструкции и одновременно эффективным, является процесс вакуумного ионно плазменного напыления. Данная технология, включает в себя огромное количество спорных и очень важных моментов, без которых, достичь высокого уровня эффективности уж явно не получится.

  

  С помощью данного метода, можно без проблем производить вакуумное напыление титана, либо же вакуумное напыление стекла. А это уже говорит о том, что многофункциональность данного метода находится на максимально высоком уровне.

  Установка вакуумного напыления УВН

  Но какой бы вид вакуумного напыления вы не выбрали, не используя при этом установок вакуумного напыления УВН, достичь в этом, каких-либо успехов у вас вряд ли получится. На данном этапе, стоимость подобных установок находится на больно высоком уровне.

  

  Но если говорить об их эффективности, то в этом и вовсе нет никаких сомнений. Купив себе подобный агрегат, вы сможете быть полностью уверены, что со временем, он сможет отбить все вложенные в него деньги.

  Одним из наиболее эффективных способов получения объярченных отражателей СП, в частности изготовляемых из алюминия, является их электрохимическое полирование с последующей защитой полированной поверхности.

  Химическое полирование . Этот процесс является разновидностью блестящего травления и применяется после механической полировки отражателей. Химическое полирование позволяет получать алюминиевые отражатели с коэффициентом отражения 0,65-0,7, когда не требуется получения зеркального. После полирования детали тщательно промывают в проточной воде.

  Электрохимическое полирование. Этот способ полирования нашел весьма широкое распространение в светотехническом производстве. При полировании поверхность приобретает высокую степень блеска и увеличивается ее стойкость против коррозии. На воздухе на поверхности электрохимически полированных отражателей образуется пленка оксида алюминия, но она защищает от дальнейшего окисления при эксплуатации только в атмосфере с сухим и чистым воздухом. Поскольку такие идеальные условия эксплуатации встречаются крайне редко, то на практике объярченные отражатели подвергают оксидированию.

  Альзак-процесс . Этот специфический процесс электрохимического полирования и одновременного оксидирования (анодирования) алюминиевых отражателей широко применяется при изготовлении отражателей уличных, промышленных и других СП, работающих в условиях тяжелой среды. Поверхность отражателей, обработанных по технологии альзак-процесса, обладает высокими коэффициентом отражения, коррозионной стойкостью, твердостью оксидного слоя и хорошей термостойкостью.

  Альгласс-процесс . Применяется для защиты зеркализованных отражателей СП, работающих в атмосфере с тяжелыми условиями. Альгласс-покрытие, не ухудшая коэффициента отражения защищаемой поверхности, увеличивает его зеркальную составляющую. Благодаря своей высокой химической и термической стойкости альгласс-покрытие обеспечивает стабильность начальных оптических параметров СП при эксплуатации. Кроме того, благодаря глянцевитости и гладкости, способности рассеивать статические электрические заряды альгласс-покрытие обладает высокой стойкостью к загрязнению и поддается легкой очистке. Покрытие повышает механическую стойкость отражающей поверхности и позволяет осуществлять многократную чистку обычными средствами без ухудшения оптических свойств отражателя.

  Вакуумное напыление покрытий

  Метод вакуумной металлизации основан на осаждении на отражающую поверхность детали молекулярного потока, образующегося при быстром нагреве в вакууме осаждаемого металла до температуры его испарения. Для получения зеркального отражения на поверхность металлической детали наносится специальная подложка методами окрашивания или лакирования. Вакуумное напыление металлов на стекло и пластмассу производится, как правило, без подложек.

  Возможно получение в вакууме пленок покрытий толщиной до 1 мм из никеля, молибдена, меди, серебра, хрома и других металлов. С точки зрения получения наибольшей отражающей способности покрытия представляют интерес серебро, алюминий, кадмий и золото. Однако покрытия из кадмия и серебра на воздухе быстро тускнеют и теряют свои отражающие свойства, а покрытия из золота обладают избирательной отражающей способностью, и, кроме того, они весьма дороги. В силу своей относительно высокой стойкости и малой стоимости алюминий получил преимущественное распространение при производстве зеркальных отражателей СП.

  Поскольку пленка металла, наносимого в вакууме, точно копирует все микронеровности поверхности, то при осаждении ее непосредственно на стальное основание нельзя получить отражатели с коэффициентом отражения выше 0,4-0,45. Кроме того, необходимо учитывать, что адгезионная способность алюминия к стали очень низкая, и такое покрытие получается непрочным. Для устранения этих недостатков на металл наносят в качестве подложки в один или несколько слоев эмаль и лак, почти полностью устраняющие микронеровности на поверхности отражателя. Разрез отражающего слоя приведен на рисунке. На металл отражателя 1 наносится слой эмали 2, служащий для сглаживания микроне ровности основания. Затем наносится слой лака 3 для создания гладкой глянцевой поверхности с большим коэффициентом зеркальности и для повышения адгезионных свойств алюминиевой пленки. Отражающий слой представляет собой пленку 4 алюминия, нанесенного в вакууме, толщиной 0,1-0,3 мкм, которая обычно защищается слоем лака 5.

  В строительных и производственных сферах все чаще применяются высокопрочные пластики. Они превосходят традиционные твердые материалы за счет своей небольшой массы, податливости в обработке и практичности. И все же металл сохраняется во многих отраслях как наиболее выгодный материал с точки зрения сочетания прочности, жесткости и долговечности. При этом далеко не всегда оправдывает себя использование цельной структуры. Все чаще технологи применяют напыление металлов, которое позволяет наделить рабочую заготовку частью свойств наиболее подходящего в плане эксплуатации сплава.

  Общие сведения о технологиях металлизации

  Среди современных методов металлизации поверхностей чаще применяют гальваническое нанесение, а также погружение в расплавы. Традиционная технология также предусматривает вакуумную обработку напылением, которая имеет свои классификации в зависимости от используемых активных сред. Так или иначе, любое напыление металлов предусматривает обработку основы материала с целью получения тех или иных защитных качеств. Это может быть формирование антикоррозийного слоя, восстановление утраченной структуры или же ремонт эксплуатационного износа.

  При этом сама рабочая поверхность в большинстве случаев подвергается термической обработке. Перед нанесением металлических частиц она расплавляется горелками, индукторами или посредством воздействия низкотемпературной плазмы. Таким образом подготавливается основа с оптимальными физико-химическими качествами, на которой в дальнейшем производится напыление металлов в виде порошка. Важно отметить, что в качестве основного материала может выступать тот же металл, стекло, пластики или некоторые породы древесины и камни.

  

  Метод химического хромирования

  В качестве активного компонента для реализации такого напыления используют химические реагенты. Классический состав включает хлористый хром, натрий, уксусную кислоту, а также воду с раствором едкого натра. Процесс напыления выполняется при температуре порядка 80 °С. Начинается работа с подготовки материала. Обычно хромирование используют для обработки металлических поверхностей, в частности стали. Перед самой операцией материал подвергается первичному покрытию медным слоем. Далее производится химическое хромирование посредством подключенного к компрессорной установке. После завершения процедуры изделие моется в чистой воде и просушивается.

  Метод газопламенной обработки

  Если в предыдущей технологии предусматривается тщательная подготовка основы, которая должна подвергаться покрытию, то в данном случае особое внимание уделяется частицам металлизации. Современное газопламенное напыление может выполняться с помощью полимерного порошка, проволочного или шнурового материала. Данная масса направляется в пламя кислородно-пропановой или ацетиленокислородной горелки, в которой происходит расплавление и перенос на напыляемую основу сжатым воздухом. Далее состав остывает, формируя готовое к применению покрытие.

  

  При помощи данной методики можно наделять материалы антикоррозийной стойкостью и механической прочностью. Активным материалом можно обрабатывать алюминиевые, никелевые, цинковые, железные и медные сплавы. В частности, газопламенное напыление используют для повышения эксплуатационных качеств изоляционных покрытий, электротехнических деталей и т. д. Кроме этого, технология используется в интерьерном и архитектурном дизайне для обеспечения конструкций декоративными свойствами.

  Метод вакуумного напыления

  В этом случае речь идет о группе методов, которые предполагают формирование тонких пленок в вакууме при воздействии прямой конденсации пара. Технология реализуется разными путями, в том числе за счет термического воздействия, испарения электронными и лазерными лучами. Используется вакуумное напыление для повышения технических качеств деталей, оборудования и инструментов. К примеру, такая обработка позволяет формировать специальные «рабочие» покрытия, которые могут повышать электропроводность, изолирующие свойства, износостойкость и защиту от коррозии.

  Технология применяется и для создания декоративных покрытий. В данном случае техника может задействоваться в операциях, требующих высокой точности. Например, вакуумное напыление используют в изготовлении часов с позолоченным покрытием, для придания эстетичного вида оправам для очков и т. д.

  

  Применяемое оборудование

  Чаще всего для напыления используются аппараты, снабженные сверхзвуковым соплом. Также применяется небольшой по размерам электрический нагреватель, работающий на подачу сжатого воздуха. Особенностью последней модели является возможность доведения температуры до 600 °С. До недавнего времени применение стандартных устройств, напоминающих по принципу действия пневматические пистолеты, осложнялось тем, что частицы изнашивали насадки инструмента. Современное оборудование, благодаря которому осуществляется напыление металлов, использует принцип пульверизатора. Это значит, что в момент прохождения рабочей газовой среды по каналу подачи струи скорость потока увеличивается по мере сужения трубы. Вместе с этим падает и статическое давление. Такой принцип работы сокращает износы и увеличивает рабочий срок аппаратов.

  

  Заключение

  В целях удешевления технологических операций по защите металла от внешних воздействий часто используются узкоспециализированные, но менее эффективные средства. При этом сэкономить помогает и напыление металла, цена которого составляет в среднем 8-10 тыс. руб. за деталь. Финансовая целесообразность обусловлена тем, что такие покрытия могут обеспечивать сразу несколько функциональных качеств. Например, обработав металлический компонент кровельной конструкции, вы можете получить такие свойства, как антикоррозийность, стойкость перед воздействием осадков, механическая защищенность. Существуют и особые металлизированные покрытия, способные уберечь деталь от агрессивных химических и термических воздействий.

  Напыление на стекло металлов, их окислов позволяет либо улучшить качество стекла, либо придать ему дополнительные полезные свойства. Например, бывает напыление на . Или тонировочное.

  Насколько сложный это процесс – напыление? Можно ли осуществить его своими руками, в домашней лаборатории? Какие полезные свойства придаются стеклу напылением?

  На эти и другие вопросы мы ответим в статье далее на нашем портале.

  Напыление металла на стекло: как это делается

  Установка для магнетронного напыления на стекло

  Есть два основных способа напыления металла на стекло:

  1. Пиролитический способ – напыление производится в процессе изготовления стекла.
  2. Вакуумное напыление на стекло – осуществляется на специальных установках на уже готовые листы стекла.

  Разработано несколько методов вакуумного напыления на стекло: катодный, ионно-плазменный, магнетронный и т.д. В виду своей простоты и относительной дешевизны процесса наибольшей популярностью пользуется магнетронное напыление на стекло.

  

  Установка для напыления: вид внутри установки

  По своему принципу оно напоминает работу обычной электронно-лучевой трубки телевизоров старого образца: разогнанные в магнитном поле ионы инертных газов встречают на своем пути мишень (металл, оксид металла) и выбивают из нее атомы, которые тонким слоем покрывают размещенное поперек линий магнитного поля стекло.

  Простота магнетронного способа оказалась настолько соблазнительной, что возникла идея делать напыление на стекло своими руками. В Москве и других городах было несколько попыток реализовать ее в домашних условиях – занимались созданием доморощенных установок, главным образом, специалисты предприятий соответствующего профиля.

  Сразу предупредим: создать в домашних (гаражных) условиях устойчиво работающее оборудование для магнетронного напыления, дающее качественные результаты, никому из известных нам умельцев пока не удалось. Хотя эксперименты продолжаются.

  Виды стекла с напылением

  

  Стекло с зеркальным напылением в составе оконного стеклопакета

  В быту мы настолько часто встречаем стекло с разными видами напыления, что даже перестаем обращать на него внимание. Самый бросающийся в глаза пример — стекло с зеркальным напылением. То самое, которое позволяет видеть изнутри дома, но не позволяет заглянуть во внутрь.

  Принципиально оно от зеркала с подложкой из амальгамы отличается лишь тем, что в промышленных условиях наносится настолько тонкий отражающий слой металлов, что стекло обретает свойства полупрозрачности: в одном направлении через него видеть можно, в другом – можно увидеть лишь собственное отражение.

  Обычно в качестве «шпионского окна» используется стекло с титановым напылением: благодаря уникальным свойствам титана такие стёкла долговечны, не меняют своих свойств десятками лет.

  

  Стекло с титановым напылением в витрине

  В Москве цена стекла с зеркальным напылением – от 360 руб./м². Кстати говоря, покупая зеркальную плёнку для стёкол, вы ничего не выиграете: суммарная цена «стекло+плёнка» будет такой же.

  Не надо путать стёкла с зеркальным напылением со стеклом с напылением серебра. Напыление ионами серебра используется для создания энергосберегающих стёкол. Они не пропускают инфракрасное излучение из квартиры на улицу, способствуют сбережению тепла. Среди специалистов их обозначает кратко: .

  Другой распространенный вариант применения вакуумной магнетронной технологии — тонировка стекол напылением. Она пользуется популярностью у автомобилистов. Окна в жилых строениях, все-таки, дешевле тонировать плёнкой (см. статьи и ).

  

  Минеральные стекла с сапфировым напылением для часовых циферблатов

  Нельзя не сказать несколько слов о стёклах с сапфировым напылением. Они используются в часовой промышленности, для остекления циферблатов. Обычный материал для этого – минеральное стекло, искусственно выращиваемое из кристаллов оксида кремния. Но для Джеймса Бонда и прочих любителей использовать наручные часы вместо кастета такое стекло кажется недостаточно прочным, подверженным царапинам; поэтому швейцарские часовщики научились «выращивать» стекло из искусственных сапфиров. Оно обладает очень большой твёрдостью и соответствующей ценой.

  Компромисс между стоимостью и качеством был найден в создании минерального стекла с сапфировым напылением: оно почти также дешево, как обычное минеральное, и почти также твердо, как сапфировое. Одна беда: напыление со временем стирается.

  Некоторые новорусские почитатели творчества Яна Флеминга (автора Бондианы) спрашивают, нет ли для часов стекла с алмазным напылением?

  Увы, еще не появилось. Но ждём с минуты на минуты – специально для обитателей Рублёвки!

  Так отличают энергосберегающее стекло от обычного Остекление лоджии стёклами с тонирующим напылением

  Тонировка листового стекла выполняется методом вакуумного магнетронного напыления тонких пленок металлов или их оксидов.

  Размеры стекла марки М1 по ГОСТ 111-90 (1300 х 1600) мм 2 или (1605 х 2225) мм 2 , толщина стекла — (4…10) мм. Напыление металлов (титана, нержавеющей стали, бронзы и других) производится с целью: тонирования стекла равномерным слоем с любой заданной степенью тонировки, или получения непрозрачного зеркального покрытия. Напыление оксидов металлов (титана, нержавеющей стали, олова, циркония и др.) производится с целью: цветного тонирования стекла на отражение с сохранением прозрачности на просвет в пределах от 60% до 90%. При этом, покрытие имеет степень зеркальности от 40% до 80%. Заданные (табулированные) цветные оттенки на отражение могут быть выполнены в следующих цветах: — лимонный; — желтый; — золотистый; — голубой; — зеленый; Допускается варьирование оттенков указанных цветов по заданию заказчика. Возможно получение сочетаний цветов, а также разработка декоративных эффектов по заданию заказчика.

  Покрытия оксидами – прочнее покрытий металлами и наиболее устойчивы к внешним воздействиям, поскольку окислы металлов – это стабильное состояние структуры не подверженное дальнейшим изменениям. Кроме того, окислы металлов имеют сродство к стеклу (ведь стекло – это композиция окислов металлов SiO2, MgO, PbO, CaO и т.д.

  Покрытия обладают высокими декоративными качествами и стабильной повторяемостью цветов и оттенков, поскольку процесс напыления контролируется оптическими инструментальными методами. При необходимости, возможно провести работу по получению заданного цвета и оттенка, полученного потребителем ранее (год назад и более).

  Стекло, тонированное методом напыления, отличается от тонированного в массе следующими признаками:

  • имеет цветовой оттенок на отражение в сочетании с высокой (до 80% зеркальностью). При этом сохраняет степень пропускания света на просвет до 90%. Это означает, что стекло обладает значительно более высокой зеркальностью при наблюдении извне и более высокую прозрачность при наблюдении изнутри;
  • в силу высокой стабильности физического состояния структуры оксидов, они не изменяют свои свойства и цвет при воздействии ультрафиолета, перепада температур и влажности;
  • имеет более высокий коэффициент отражения для инфракрасных лучей и более высокую степень рассеивания для ультрафиолетового света с длиной волны менее 4000 А; Примечание: для оксидов титана степень отражения в инфракрасной области спектра составляет не более 60%, степень светопропускания до 80%; Для оксидов олова отражение ИК спектра от 80% до 92%, светопропускание 75…80%; Имеющаяся техника позволяет по заказу заказчика проработать практически любой вариант покрытия, использовать широкий спектр металлов и оксидов для производства пленочных покрытий. Эти качества позволяют сохранять тепло помещения за счет отражения тепла внутрь в холодное время года и значительно ослабляют нагрев помещения за счет солнечного излучения извне в жаркий период.
  • возможность обеспечения экранировки от воздействия электростатических полей (помещения с установленными приборами, незащищенными компьютерами и тд.). При этом, стекло имеет 80%-ную прозрачность и теплосберегающие качества:
  • значительно более низкая стоимость.

  Имеются технические условия на «Стекло полированное со светоотражающим напылением», ТУ 592219-001-52560139-02 , вып.2002г., и сертификат соответствия.

  Стабильность свойств и качество тонировки обеспечивается автоматизированным технологическим процессом с компьютерным управлением и не зависит от навыков операторов.

  Возможное использование тонированных стекол:

  • изготовление светопрозрачных конструкций с цветным оттенком или с теплосберегающими качествами на базе стеклопакетов (окна, крыши и др.);
  • изготовление светоотражающих (светопоглощающих) конструкций на базе двухслойного (стеклопакет), или однослойного остекления для помещений или сооружений требующих притенения;
  • изготовление конструкций со стеклом, имеющим односторонюю видимость;
  • фасадное остекление, изготовление витражей и витрин;
  • офисные перегородки;
  • изготовление зимних садов с телосберегающими и нагреваемыми покрытиями (мощность рассеивания покрытий до 100 Вт/кв.м.)

  Кроме того, имеющееся оборудование и технология позволяет решать прикладные задачи по нанесению пленок металлов или оксидов на металлические основания, керамику, нестандартные стекла (столешницы).

  Особенности применения тонированных стекол.

  1. Резку тонированных стекол рекомендуется проводить со стороны тонировки во избежания повреждений напыленного слоя абразивными частицами или крошкой стекла на раскроечном столе.
  2. Стеклопакеты изготавливаются из 2-х стекол, внутреннее – тонированное, внешнее – прозрачное. Причем тонированное стекло устанавливается напыленным слоем внутрь стеклопакета.
  3. Для нагревательных стеклопакетов тонированное стекло устанавливается на внешней стороне стеклопакета токопроводящим слоем внутрь стеклопакета.
  4. При однослойном использовании тонированных стекол:
     а) в качестве фасадных, витрин и др. – тонированная сторона должна быть обращена внутрь помещения;
     б) в качестве перегородок – тонированная сторона располагается в направлении, противоположом расположению окон или помещения с более интенсивным освещением.

  талей машин. Подбирая различные материалы покрытий, можно изменять свойства поверхностного слоя в широких пределах (табл. 4).

  Таблица 4

  Функциональное назначение покрытий

  	Материал покрытий	Характеристика поверхности,
  		улучшаемая нанесением покрытий
  	Аl2О3; Аl–Ni; Сr–В–Ni–Si; Ni–Ti; Мо; Сr2O3; Сr; WC	Износостойкость
  	Аl; Аl2О3; Cr; Ti; Zn; Cr2O3; Аl2О3–ТiO2	Коррозионная стойкость
  	Аl2О3; ZnO2; Аl–Ni; Мо; ZnB; MgO Аl2О3	Термостойкость
  	ZrO2; WС–Сo; TiС; Сr2O3; Сr–В–Ni	Эрозионная стойкость
  	W; Мо; WС; Сr–Ni; МоSi2; MgO; Аl2О3	Жаропрочность
  	Аl–Ni; Тi–Ni; Al2О3; ZrO2	Уменьшение схватывания подвижных узлов
  	Аl2О3; NiSi2; Аl–Ni; ZrO2	Теплоизоляция
  	Аl2О3; ВаТiO3; SiO2; MgO; Аl2О3	Электрическая изоляция
  	Мо; Тi–Ni, Аl; Ni	Герметичность соединений

  Технологический процесс нанесения покрытий (рис. 7) включает следующие операции: предварительную подготовку поверхности изделия для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала с подложкой; подготовку напыляемых материалов; нанесение покрытия; механическую обработку покрытия после напыления.

  		Изоляция ненапыляемых поверхностей
  Механическая обработка

  Обработка для придания шероховатости напыляемой поверхности, напыление подслоя

  Обезжиривание

  Предварительный подогрев		Сушка порошкового
  поверхности (при необходимости)		материала

  Напыление покрытия

  Оплавление (при напылении с оплавлением)

  		Точение или		Контроль
  Снятие изоляции, контроль качества
  напыления, исправление дефектов		шлифование		качества

  Рис. 7. Структура технологического процесса плазменного напыления поверхности

  17

  2.3.1. Подготовка напыляемых материалов

  Перед использованием напыляемые порошковые материалы необходимо просушить или прокалить. Эту операцию следует проводить в сушильном шкафу или печи в течение 2–5 часов при температуре 200–600 ºС. Порошки рассыпают на противнях тонким слоем (20–25 мм) и периодически перемешивают. Просушка позволяет удалить из порошка гидратную и гигроскопическую влагу, являющуюся источником диффузионного водорода, который вызывает повышенную пористость покрытия и появление трещин в покрытии.

  2.3.2. Механическая обработка поверхностей

  Предварительной механической обработке подвергаются бывшие в эксплуатации детали, подлежащие восстановлению. Для этого применяют грубую обдирку на наждачном камне, удаляя раковины, трещины, поры. Для придания правильной геометрической формы изношенным участкам применяют точение. Глубина проточки регламентируется условиями эксплуатации. Если допустимый износ составляет 0,5 мм на радиус, глубина проточки должна составлять соответственно 0,65 мм. Проточка должна заканчиваться фаской с наклоном 40–450º к оси детали и выполняться концентрично. В противном случае толщина покрытия окажется различной.

  При нанесении покрытий толщиной более 1,0 мм для нагруженных деталей используют и специальную механическую обработку. К видам такой обработки относятся накатка роликом, насечка, фрезерование канавок, нарезание рваной резьбы. Не следует применять крупные резьбы или канавки. Это приводит к чрезмерной пористости и появлению газовых пузырьков в оплавленных покрытиях.

  Накатку делают накатным роликом, закрепленным в резцедержателе токарного станка. Насечки наносятся методом фрезерования (в несколько рядов при наклонном положении вращающейся фрезы), вручную или с помощью пневматического зубила. Канавки клиновидной формы прорезают дисковой фрезой или соответствующим строгальным резцом.

  «Рваную» резьбу нарезают инструментом с отрицательным передним углом. Вершина угла должна иметь радиус 0,3–0,5 мм, угол резания 80º. Вылет резца не менее 70–100 мм. Режущую кромку смещают на 1,5–5,0 мм вниз от линии центров в зависимости от диаметра обрабатываемой детали (табл. 5). Нарезку производят на малых оборотах (30–40 об/мин) без применения охлаждающей жидкости.

  Таблица 5

  Технологические параметры нарезания «рваной» резьбы

  Диаметр детали, мм	Вертикальное смещение резца, мм	Шаг резьбы
  50	4,5	1,5
  	18

  Перед напылением детали в обязательном порядке подлежат обезжириванию. Масло, жир, краска должны быть удалены с покрываемого участка поверхности и со смежных участков. В противном случае при высокой температуре жирная пленка растечется по всей поверхности, препятствуя адгезии. Для обезжиривания используются органические растворители, например, тетрахлорэтилен, бензол, пиробензол и другие хлорированные углеводороды. Пригодны также моющие составы, щелочные растворы и эмульсии (ГОСТ 9.402–80). Применение последних требует последующей промывки и сушки деталей. В некоторых случаях необходимо дополнительно провести отжиг при температуре примерно 500 ºС для выгорания масла. Хорошие результаты дает промывка растворителями с нагревом до 270–330 ºС, позволяющая вытеснить масло из пор, а также ультразвуковая очистка поверхности.

  Для повышения адгезии покрытий поверхностью детали необходимо создать шероховатость. С этой целью применяют струйно-абразивную обработку, а также электроискровые методы. Все чаще в последние годы используют напыление подслоя из материалов, обладающих высокой адгезией к основному металлу.

  Струйно-абразивная обработка является наиболее гибким методом. Ее преимущества связаны с возможностью равномерной обработки больших площадей, удалением с поверхности изделия оксидной пленки. Параметр шероховатости после обработки должен составлять Rz = 80–160 мкм. Шероховатость зависит от вида абразива, давления воздуха, применяемого оборудования и твердости обрабатываемой поверхности. В качестве абразивов используют электрокорунд 12Л, 15А и др. зернистостью 53Н, 63Н, 80Н (ГОСТ 3647–80) или металлическую дробь ДКЧ, ДКК номеров 0,2; 0,3; 0,5 (ГОСТ 11964–81). При прочих равных условиях, чем крупнее абразив, тем больше шероховатость. Абразивный материал не должен содержать загрязнений, следов ржавчины, его оборот может составлять 50–100 раз.

  Для обработки используется полное давление воздушной магистрали (0,5 МПа). При обработке тонкостенных деталей необходимо исключить их коробление. В качестве первых мер предосторожности выгоднее уменьшить размер абразива, а не давление воздуха, так как использование мелкого абразива производительнее. Расстояние от сопла струйно-абразивного пистолета должно составлять 100 мм, угол наклона 0–15º от нормали к поверхности. Последующее нанесение покрытия следует производить под таким же углом, в противном случае прочность сцепления может снизиться до нуля.

  Обрабатывать каждый участок по времени рекомендуется до тех пор, пока дальнейший обдув не перестанет вызывать видимых изменений. Необходимо отметить, что обработка поверхности таким образом вызывает ее наклеп, а прочность поверхности основы существенно влияет на ее активность при напылении. При этом прочность сцепления частицы с основой может как увеличиться, так и уменьшиться. Поэтому злоупотреблять струйно-абразивной обработкой не следует.

  При увеличении твердости поверхности глубина обработки уменьшается, что резко изменяет микрогеометрию шероховатости, стенки впадин не могут получать наклона внутрь, металл просто срезается без деформаций или смещений. В случае если твердость поверхности больше 40 НRСэ, струйно-образивной обработки может быть недостаточно для достижения прочного сцепления.

  Для обработки необходим чистый и сухой воздух. Наличие трудно обнаруживаемых следов масла значительно ухудшает сцепление. Для индикации масел удоб-

  19

  но пользоваться быстросохнущими растворителями. Если капля растворителя после высыхания на поверхности оставляет отчетливое пятно, это обычно указывает на присутствие масла.

  Травление (ГОСТ 9.402–80) производят для нанесения тонких покрытий при подготовке тонкостенных деталей. Травление протекает с разной скоростью у кристаллов и межкристаллитных включений обрабатываемого материала, что обусловливает появление шероховатости поверхности. После травления поверхность должна быть тщательно нейтрализована. Перерыв между травлением и нанесением покрытий не должен превышать трех часов.

  Шероховатость в виде мелкой винтовой нарезки, канавок и накатки можно обеспечить методами механической обработки. Максимальной адгезии можно дос-

  тичь при Rzmax = 150–170 мкм.

  Электроискровую подготовку поверхности проводят в том случае, когда поверхность имеет высокую твердость (более 50 НRСэ) и в связи с этим не может быть обработана дробеструйным или механическим способами.

  Детали, подготовленные к нанесению покрытий, не должны долго храниться, так как это также снижает прочность сцепления. Желательно, чтобы разрыв во времени не превышал 1–4 часов в условиях комнатной температуры (около 20 ºС) и влажности (меньше 75 %).

  Как часть процесса подготовки поверхности следует рассматривать предварительный нагрев, который выполняется непосредственно перед нанесением покрытий. При соприкосновении плазменной струи с холодной поверхностью на ней конденсируются пары воды, поверхность моментально увлажняется. При ударе об увлажненную поверхность разогретых металлических частиц влага испаряется под ними, препятствуя прочному сцеплению. Предварительный подогрев снижает также остаточные внутренние напряжения в покрытиях, так как при расширении материала подложки сцепление напыленного металла с горячими поверхностями прочнее, чем с холодными. В принципе, чем выше температура, тем прочнее адгезия. Однако излишний нагрев перед напылением приводит к окислению поверхности, поэтому никогда не следует нагревать напыляемую поверхность так, чтобы она заметно изменила свой цвет.

  Удобнее всего предварительный нагрев осуществить плазменным факелом. Плазмотрон должен располагаться достаточно далеко от поверхности напыления. На слишком близкое расположение указывает потемнение напыляемой поверхности.

  2.3.3. Напыление подслоя

  Подслоем называют тонкие подготовительные покрытия, которые имеют развитую шероховатую поверхность и прочное сцепление с основой. Напыление подслоя производят порошками нихрома, молибдена, никель-алюминиевых сплавов ПН70Ю30, ПН85Ю15, композиционными никель-алюминиевыми, никельтитановыми порошками. Напыление вышеуказанных материалов – это базовый слой, на который напыляют рабочее покрытие значительной толщины при высокой адгезии с подложкой.

  20