![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Покрытий
8.1 Нанесение электролитических и химических покрытий Электролититическое нанесение покрытий (рисунок 8.1) (хромирование, осталивание, никелирование, меднение) применяется для получения защитно-декоративных покрытий, а также для восстановления изношенных поверхностей деталей. Это один из самых старых методов. Он используется в двух вариантах: 1. Получение основного покрытия; 2. Получение подслоя для нанесения основного слоя полимерного или другого покрытия. Количественно процесс электролиза определяется законами Фарадея, с помощью которых производят расчёт толщины покрытий (или времени нанесения) в зависимости от основных характеристик процесса. Катодом является обрабатываемая деталь, анодом чаще всего является наносимый металл. Аноды могут быть растворимыми (железо, медь) и нерастворимыми (уголь, свинец, платина). При ремонте чаще всего используют хромирование и осталивание. Хромирование является сложным многостадийным процессом. Он включает: 1. шлифование и полирование; 2. обезжиривание (бензином, «венской» известью с последующей промывкой раствором кальцинированной соды); 3. обработка в щелочной ванне (70…100 г. NaOH на 1 л. H 2 O при I = 5…10 А/ дм2, Т = 65…80о С); 4) анодное декапирование для уничтожения плёнок окислов, ухудшающих хромирование, непосредственно в ванне перед хромированием меняют полярность электродов и ведут операцию при t = 30 с и I = 35 А/дм2, т.е. деталь используют в качестве анода; 5) хромирование. Хромирование производят в ваннах с электролитом, включающим раствор хромового ангидрита CrO 3 и серной кислотой H 2 SO 4 в воде (анод – свинцовая пластина; U = 6…8 В, I ≤ 50 А/дм2, материал ванны – свинец или пластмасса). В зависимости от режимов (рисунок 8.2)(плотности катодного тока I к и температуры ванны) получают три вида покрытия: а) молочные – обладают высокой износостойкостью, но малой Н В; б) блестящие – хрупкие, но кислотоупорные; в) матовые (серые) – обладают большой Н В, но малой износостойкостью. Блестящие и матовые используют для восстановления неподвижных сопряжений. Но гладкие покрытия Cr (при восстановлении подвижных сопряжений) плохо удерживают смазку на поверхности детали. Для них целесообразно применять пористые хромированные покрытия. Их получают механическим и электролитическим способами.
Для получения механическим способом пористого покрытия, поверхность детали перед хромированием подвергают обработке накаткой (формируется сетка углублений). Рисунок 8.2 – Зависимость типа покрытия от режимов нанесения В случае электролитического способа уже полученное покрытие подвергают анодному травлению (таким образом, получают пористую структуру точечного, канальчатого и сетчатого типов). После хромирования: 1. деталь шлифуют и полируют; 2. пористое покрытие обрабатывают струёй керосина (0, 5 – 0, 6 МПа). Достоинства хромированных покрытий: 1. высокие Н В, износостойкость, антикоррозионная стойкость; 2. сохранение структуры и свойств основного металла; 3. высокая А; 4. универсальность (детали из различных металлов). Недостатки: 1. небольшая (0, 35 мм) толщина покрытий с высокими показателями свойств; 2. низкая (15 – 30 мкм/ч) скорость процесса; 3. большие площади. Для хромирования крупногабаритных деталей применяют «безванный» способ: а) в качестве ванны – ёмкость (объём) самой детали; б) струйное хромирование – анод – свинцовый наконечник струйного распылителя. Для ванн время хромирования можно определить по формуле
где h – заданная толщина слоя, мм; ρ – плотность металла, г/см3; С – электрохимический эквивалент С = Cr – 0.324 [г/А ч]; С = Fe – 1.042 [г/А ч]; С = Ni – 1.095 [г/А ч]; η – К.П.Д ванны, Cr – 0, 12; Fe – 0, 8…0, 95; Cu – 0, 95…0, 98; Ni – 0, 90…0, 95. Осталивание как восстановление изношенных деталей производят в хлористых, сернокислых и смешанных ваннах. Наиболее высокие показатели (Н В, толщина и др.) имеют покрытия, полученные в горячих хлористых ваннах, содержащих хлористые Fe, Na и Mg, а также HCl (Т = 60…80о С, I к = 10…50 А/дм2). В качестве растворимого анода – малоуглеродистая сталь. Достоинства: 1. большая (до 3 мм) толщина; 2. производительность выше в 10 раз, чем хромирование. Недостатки: 1. Н В и износостойкость значительно ниже, чем хрома. Для повышения износостойкости – цементация с закалкой и отпуском (или хромирование). Химическое нанесение покрытий Для восстановления применяют химическое никелирование для получения износостойких покрытий путём восстановления никеля из его хлористых, сернокислых и уксуснокислых солей действием гипофосфата натрия, калия, кальция в присутствии буферных добавок, стабилизирующих работу (растворы уксусной, лимонной и др. кислот). Они имеют износостойкость близкую хрому, высокую коррозионную стойкость, хорошую прирабатываемость, надёжность при высоких нагрузках. Их используют для восстановления деталей из стали, чугуна и алюминия (при износе до 0, 3 мм – т.е. при малых толщинах). Принцип получения электрохимических (электролитических) полимерных покрытий на токопроводящей подложке состоит в том, что изделие, являющееся одним из электродов (катодом или анодом), опускают в ванну, содержащую раствор или расплав мономера и электролит. При прохождении постоянного электрического тока происходит электохимически инициированная (со) полимеризация или поликонденсация с образованием на поверхности электрода осадка высокомолекулярного соединения. В некоторых случаях в раствор или расплав вводят дополнительно модификаторы. 8.2 Газопламенное и электротермическое напыление Напыление (нанесение слоя покрытия) – это поверхностная обработка детали путём нанесения на неё тонкого слоя другого материала. Толщина покрытий может меняться в широких пределах: от сотых долей микрометров до нескольких миллиметров. Как правило, в результате нанесения покрытия материал детали не меняет своих свойств и структуры (в отличие от методов термической и химико-термической обработки и др.). Методы нанесения покрытия можно классифицировать по нескольким основным признакам: 1. По назначению покрытия разделяют на триботехнические (антифрикционные и фрикционные, антикоррозионные (коррозионностойкие), защитно-декоративные, а также специального назначения (жаростойкие, антиадгезионные (антизадирные), адгезионноспособные и др.); 2. По природе материала покрытия, их разделяют на металлические, неметаллические, и полимерные; 3. По исходному агрегатному состоянию материала покрытия различают покрытия, формируемые: а) из газовой фазы; б) из жидкой фазы (расплав, раствор, паста, суспензия); в) из твёрдой фазы (плёнки, листы, отдельные частицы (керамика)). (По этому признаку все методы получения покрытий разделяют ещё и толщине покрытий); 4. По методу переноса и закрепления материала на поверхности детали: а) с помощью транспортирующего газа; б) с помощью электрического поля; в) с помощью химического или физического (смачивание) взаимодействия. 5) По температуре предварительного нагрева детали: а) Т дет > Т пл, (Т пл – температура плавления материала покрытия); б) Т фаз. превр < Т дет < Т пл; в) Т дет < Т фаз. превр; г) Т дет ≈ Т окр. среды. Во многом температура предварительного нагрева влияет на адгезионную прочность покрытий и, как следствие, на их долговечность. В общем случае технологический процесс включает следующие основные операции: 1. подготовку обрабатываемой поверхности детали (включая локальную защиту поверхностей от покрытия); 2. нанесение покрытия на поверхность детали; 3. термообработку полученной системы деталь – покрытие; 4. механическую обработку покрытия. Преимущества напыления: 1. Возможность нанесения покрытий на изделия не только из металла, но и неорганических (стекла, фарфора и др.) и органических (полимеры, дерево, ткань, бумагу, картон) материалов; 2. Возможность напыления различных материалов с помощью одного и того же оборудования; 3. Отсутствие ограничений по размеру обрабатываемых изделий по сравнению с электролитическим осаждением, погружением в расплав или диффузионным насыщением (азотированием, цементацией и др.); 4. Возможность нанесения слоёв толщиной в несколько миллиметров за короткое время (сравнение с электролитическим хромированием для повышения износостойкости – 6…300 мкм); 5. Относительная простота технологического оборудования; 6. Небольшая деформация изделий под влиянием напыления. Недостатки напыления: 1. малая эффективность при нанесении на мелкие детали; 2. вредные выделения – необходимость системы очистки воздуха. Напыление осуществляют основными группами материалов: металлами, сплавами и композиционными материалами на их основе; керамическими материалами; полимерами и композициями на их основе, т.е. материалами в твёрдом виде, не испаряющимися и не изменяющими значительно своих свойств. Напыляемые металлические материалы применяют в виде прутков, проволоки и порошков. Проволоку и прутки используют при газовом, дуговом и электроимпульсном напылении, а порошки – при плазменном, детонационном, газопламенном и другом напылении. Проволока дает возможность непрерывной и равномерной подачи материала в высокотемпературную зону горелки. В основном используют следующие проволочные материалы: 1. Алюминий – защита от коррозии, стойкость к окислению; 2. Цинк – защита от коррозии; 3. Молибден – повышение жаростойкости (стойкости к HCl); 4. Олово и его сплавы – повышение коррозионной стойкости, износостойкости (во вкладышах подшипников – баббитовые (Sn – Pb) покрытия); 5. Медь и его сплавы: а) Медь – для электропроводных и декоративных покрытий; б) Бронза (аллюминистая) – для повышения коррозионной стойкости; в) Бронза (фосфористая) – для повышения износостойкости; г) Бронза (свинцовистая) – для обеспечения стойкости к схватыванию при больших нагрузках; 6) Никель и его сплавы: а) Никель – для защиты от эрозии и коррозии; б) Нихром (Ni – Cr) – для повышения термостойкости и коррозионной стойкости; 7. Стали: а) Углеродистая и низколегированная – для повышения износостойкости; б) Высоколегированная (Fe – Cr – Ni) – для обеспечения коррозионной стойкости; 8. Серебро – для обеспечения контактной проводимости. Порошковые материалы Некоторые твёрдые и хрупкие металлы и сплавы, а также химические соединения, из которых обычными способами невозможно изготовить проволоку, применяют в виде порошков. Практически любой напыляемый материал можно перевести в порошкообразное состояние. Металлы и его сплавы: 1. Алюминий и его сплавы; 2. Цинк и его сплавы; 3. Медь и его сплавы; 4. Молибден; 5. Вольфрам; 6. Олово и его сплавы; 7. Стали; 8.2.1 Газопламенное напыление Газопламенное напыление покрытий (рисунок 8.3) осуществляют за счёт теплоты, образующейся при сгорании горючих газов в среде кислорода, то есть источником энергии является пламя (отсюда и название – газопламенное). Газопламенное напыление классифицируют по ряду основных признаков: 1. По типу горючего газа различают газопламенное напыление в среде ацетилена, пропан-бутана, природного газа (в основном применяют ацетилен с температурой горения Т = 3100…3200о С, а остальные газы применяют реже, так как у них температура горения ниже на 500…800о С, чем у ацетилена)(рабочая смесь: кислород – горючий газ в соотношении 1: 1); 2. По виду напыляемого материала различают газопламенное напыление проволокой, прутком и порошком; 3. По способу транспортирования порошка в зону пламени газопламенное напыление разделяют на два способа: а) с подводом порошка в центральный канал горелки; б) с подводом порошка в зону пламени с внешней стороны сопла; 4) По способу термической обработки различают газопламенное напыление с оплавлением напыленного слоя и без него. Технологический процесс с оплавлением при Т дет ≤ 250о С: 1. Нагрев детали до 250…300о С; 2. Нанесение подслоя; 3. Нанесение основного слоя; 4. Контроль за температурой подложки. Технологический процесс без оплавления: 1. Подогрев детали до 50…100о С; 2. Нанесение подслоя (0, 05 – 0, 15 мм для защиты окисления); 3. Нанесение основного (износостойкого) слоя толщиной до 2мм; 4. Контроль за температурой подложки (не более 250о С – с помощью термочувствительных карандашей). Как уже отмечалось, напыление осуществляют в основном порошком или проволокой. Для порошков с внутренней подачей порошка разработаны и используются несколько установок: установки УПН – 8, УПН – 68 и УГПТ (Барнаульский аппаратурно-механический завод), установки УПТР – 83, УПТР – 86 (Белорусский научно-производственный комплекс порошковой металлургии). Для проволочных и стержневых материалов (патенты Шоона 1909 – 1921 г.г.) также разработаны установки: серия МГИ – 1 – 57, МГИ – 3, МГИ – 4, МГИ – 5.
8.2.2 Способы электротермического напыления Их разделяют на дуговой, пламенный, электроимпульсный и высокочастотный. Для нанесения покрытий в основном применяют электрический дуговой разряд двух видов: 1. столб дуги имеет минимальные размеры, так как электроды постоянно сближаются (по мере их расхода). Этот вид дуги используют при дуговой металлизации; 2. столб дуги имеет большое межэлектродное расстояние. Этот вид используют в плазменном напылении. Дуговая металлизация Сущность дуговой металлизации (рисунок 8.4) состоит в том, что в зону дуги непрерывно подают две изолированные, находящиеся под напряжением проволоки 3, при соприкосновении которых возникает электрическая дуга. Расплавленный в ней электродный металл распыляется струёй сжатого (0, 4 – 0, 6 МПа) газа (воздуха или азота) 6 и осаждается на поверхности детали. Для дуговой металлизации используют ручные (типа ЭМ – 14, ЭМ – 14М) и станочные (ЭМ – 12, ЭМ – 15), а также установку УДМ – 2, в которую входят два металлизатора ЭМ – 14М. Ручной дуговой металлизатор (рисунок 8.5) выполнен в виде пистолета. В алюминиевом корпусе смонтирован роликовый проволокопротягивающий механизм, который приводится в действие электродвигателем или воздушной турбинкой. М Масса станочного ≈ 20 кг Сила тока 750 А Напряжение ≤ 40 В Температура в зоне дуги до 6000о С Как отмечалось, в качестве материала покрытий используют сплавы черных и цветных металлов. К ним относятся электродные сварочные и износостойкие наплавочные проволоки и др. Напыление производят в два этапа: 1. наносят подслой, защищающий основной металл от окисления; 2. наносят требуемый сплав. Достоинства дуговой металлизации: 1. Производительность 3…20 кг/ч; 2. Простота и универсальность (нанесение на детали любой формы); 3. Толщина в широких пределах: от 0, 1 до 10 мм; 4. Сохранение структуры и свойств основного металла (Т нагр < 100о С). Недостатки: 1. перегрев и окисление напыляемого металла; 2. выгорание части легирующих добавок, что компенсируется их увеличенным содержанием. Плазменное напыление Сущность плазменного напыления (рисунок 8.6) в плазматроне, включающем катодный электрод и, как правило, медный охлаждаемый анод – сопло, возникает электрическая дуга, нагревающая плазмообразующий газ (аргон, азот, реже с добавлением водорода) до 10000 – 30000о К. В нее вводят напыляемый материал, который осаждается на детали. В комплект оборудования для плазменного напыления входят следующие узлы: плазматрон, механизм транспортирования порошковых или проволочных материалов, пульт управления (с измерительными, регулировочными и блокировочными устройствами), источник питания дуги, источник и приемник охлаждающей воды, коммуникации, обеспечивающие подвод газа, электроэнергии и воды. Для плазменного напыления используют самое разнообразное оборудование. В том числе плазменные установки типа УПУ (УПУ – 3М, УПУ – 3Д, УПУ – 5) для напыления порошковых и проволочных материалов, УПМ (УПМ – 5, УПМ – 6) только для порошковых материалов. Технология плазменного напыления включает те же стадии, что и плазменная наплавка, которая подробно рассмотрена ранее в соответствующем разделе. Таблица 8.1 – Ориентировочная производительность различных способов наплавки
Продолжение таблицы 8.1
Таблица 8.2 – Технико-экономические показатели методов нанесения покрытий
|