Механическая обработка покрытий

Мехобработка покрытий: токарная, фрезерование, шлифовка, хонингование, полировка, суперфиниш и т.д.; имеют, в силу структуры и свойств покрытий, свою специфику, сильно отличающуюся от обычной обработки массивных (литых) материалов.

Что такое электродуговая металлизация?

Об электродуговой металлизации (ЭДМ) написано достаточно много. Эта технология известна с XX века. Одной из первых книг, написанных на эту тему, является "Das Schoopsche Metallspritzverfahren" H.Gunter, M.Schoop, 1917.

Российские учёные и инженеры также внесли вклад в развитие технологии электродуговой металлизации (ЭДМ) "Основы металлизации распылением", А.Ф. Троицкий, 1960.

По классификации GTS (Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V) ЭДМ является одним из способов нанесения газотермических покрытий (ГТП).

Одной из книг, подробно описывающих газотермические технологии, является "Техника напыления" А. Хасуй, Пер. с японского. М., "Машиностроение", 1975. После подобных сборников не издавалось.

К числу публикаций можно отнести труды конференций по ГТП, которые регулярно проходят раз в два года International Thermal Spray Conference and Exposition (ITSC), а также коллоквиумы по сверхзвуковым ГТП (6. Kolloquium Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) Conference Proceedings 27-28 November 2003, Erding). Но на русский язык они не переведены.

В книге А. Хасуй "Техника напыления" приводятся преимущества и недостатки технологии ГТП, а также описание технологии ЭДМ:

"Преимущества":

1. Напылением можно наносить различные покрытия на изделия из самых разнообразных материалов. Так, например, металлы можно наносить на стекло, фарфор, органические материалы (дерево, ткань, бумага) и т. д.

2. Равномерное покрытие можно напылить как на большую площадь, так и на ограниченные участки больших изделий, тогда как нанесение покрытий погружением в расплав, электролитическое осаждение, диффузионное насыщение и другие методы могут быть использованы в основном для деталей, размеры которых не превышают рабочих объемов используемых для этих целей ванн или нагревательных устройств. Напыление является наиболее удобным и высокоэкономичным методом в случаях, когда необходимо нанести покрытие на часть большого изделия.

3. Напыление и наплавка являются наиболее эффективными способами в случаях, когда необходимо значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этими методами можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров.

4. Оборудование, на котором производят напыление, является сравнительно простым и легким и его можно достаточно быстро перемещать. Для газопламенного напыления достаточно иметь компрессор, который можно также использовать для предварительной пескоструйной обработки поверхности основы, горелку для напыления и баллоны с газами. Если же имеется источник электроэнергии, то напыление можно производить электрическими методами.

5. Для напыления можно использовать различные металлы и сплавы, а также большое число соединений и их смеси. Можно напылять различные материалы в несколько слоев, что позволяет получать покрытия со специальными характеристиками.

6. Основа, на которую производится напыление, мало деформируется, тогда, как при других методах нанесения покрытий необходимо нагревать до высокой температуры всю деталь или большую ее часть, что часто приводит к ее деформации.

7. Напыление можно использовать для изготовления деталей различной формы. В этом случае напыление производят на поверхность оправки, которую после окончания процесса удаляют: остается оболочка из напыленного материала.

8. Технологический процесс напыления обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия и характеризуется относительно небольшой трудоемкостью."

ОПИСАНИЕ ЭДМ:

"В электрометаллизаторе установлены направляющие, через которые непрерывно производится подача двух распыляемых проволок. Между концами этих проволок возбуждается электрическая дуга. В центральной части электрометаллизатора имеется сопло, через которое подается сжатый воздух. Струя сжатого воздуха отрывает с проволок-электродов частицы расплавленного металла и уносит их к напыляемой поверхности.

Электрометаллизатор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. При использовании переменного тока дуга горит неустойчиво и сопровождается большим шумом. При постоянном токе характер работы является устойчивым, напыленный материал имеет мелкозернистую структуру, производительность напыления высокая. Поэтому в настоящее время для дугового напыления используют источники постоянного электрического тока. Для напыления обычно используют проволоку диаметром 0,8: 1,0; 1,6 и 2,0 мм.

Преимуществом способа электродуговой металлизации является высокая производительность процесса и возможность значительного сокращения затрат времени на напыление. Например, при силе тока 750 А можно напылять стальное покрытие с производительностью 36 кг/ч, что превышает в несколько раз производительность газопламенного напыления. По сравнению с газопламенным напылением металлизация позволяет получать более прочные покрытия, которые лучше соединяются с основой. При использовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава. Эксплуатационные затраты электрометаллизатора довольно небольшие. При напылении покрытия распылением двух электродов из разнородных материалов желательно использовать такие электрометаллизаторы, которые бы позволяли производить отдельную регулировку скорости подачи каждого электрода.

Недостатком рассматриваемого метода является перегрев и окисление напыляемого материала при малых скоростях подачи распыляемой проволоки. Кроме того, большое количество теплоты, выделяющейся при горении дуги, приводит к значительному выгоранию легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав (например, содержание углерода в материале покрытия снижается на 40-60%, а кремния и марганцана 10-15%). Это необходимо иметь в виду и применять для напыления проволоку, содержащую повышенное количество легирующих элементов."

Для всех способов ГТП имеются общие требования по подготовке поверхности:

"Процесс напыления включает следующие операции: предварительную обработку поверхности основы для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала; напыление материала на основу горелкой для напыления; обработку покрытия после напыления, если в этом есть необходимость (термическая обработка, уплотнение покрытия, отделочная обработка).

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ОСНОВЫ

Предварительная обработка поверхности основы является важным фактором для обеспечения прочного сцепления напыленного покрытия с деталью, так как в большинстве случаев соединение напыленного покрытия с основой происходит в результате механического сцепления. Следовательно, для того чтобы напыляемые частицы, которые ударяются и деформируются об основу, прочно сцеплялись с неровностями поверхности, основа должна быть достаточно шероховатой.

Помимо механического соединения напыленного покрытия с основой возможны и другие виды соединений, например сплавление напыляемого материала с материалом основы, образование химических соединений и т. д.

Увеличение прочности механического зацепления связано с увеличением площади поверхности основы и созданием большей активности основы, что также важно и для других видов соединений. Поэтому создание развитой шероховатости на поверхности основы является важным требованием.

Однако обеспечение шероховатости поверхности еще недостаточно для получения прочного соединения покрытия с основой.

Перед предварительной обработкой поверхности необходимо провести промывку и, насколько это возможно, удалить влагу, масло и другие загрязнения, а также окисные пленки.

В деталях из пористых материалов и чугунных отливках в порах может содержаться масло, которое при напылении в результате нагревания выделяется на поверхность, что в значительной степени ухудшает сцепление покрытия с основой. Поэтому такие детали после обычного обезжиривания должны быть подвергнуты отжигу при температуре 260-530°С, в процессе которого происходит выгорание масла, содержащегося в порах.

Окисные пленки удаляют с поверхности в основном механически обдувкой кварцевым песком, корундом или стальной крошкой. Для удаления окисных пленок со стальных деталей иногда используют травление в азотной, соляной и других кислотах.

СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ

Существуют следующие способы подготовки поверхности перед напылением: дробеструйный; механический; напыление тонкого подслоя молибдена, прочно сцепляющегося с основой; электроискровой, при котором на поверхности остаются наваренные частицы присадочного материала; химический.

Дробеструйная обработка. Используют два типа устройств: пневматические и центробежные. В устройствах с пневматической подачей абразивные частицы разгоняются сжатым воздухом и, вытекая из сопла в виде струи, ударяются с большой скоростью об обрабатываемую поверхность. В центробежных устройствах абразивные частицы непрерывно подаются во вращающееся с большой скоростью лопаточное колесо, где они разгоняются и под действием центробежных сил устремляются на обрабатываемую поверхность.

При электродуговой металлизации, как и при газопламенном напылении, необходима предварительная обработка поверхности основы.

Проволоки-электроды напыляемого материала подаются по направляющим горелки, к которым подведено напряжение. При замыкании между концами проволок образуется дуга. При напряжении 15-25 В образуется дуга, которая носит неустойчивый, прерывистый характер. При больших значениях напряжения дуга становится непрерывной и устойчивой. Хорошие результаты горения дуги получаются в том случае, когда дуговой промежуток является небольшим и составляет примерно 0,8 мм.

В электрометаллизаторе угол между электродами (напыляемой проволокой) обычно составляет 30-60°. При углах, превышающих 60°, процесс напыления становится чувствительным к изменению условий напыления и нестабильным. При работе электрометаллизатора на постоянном токе напыляемая проволока, выполняющая функции анода, расплавляется приблизительно на 50% быстрее, чем катод (теоретически на аноде выделяется 66% тепловой энергии дуги). Значит, анодную проволоку следует подавать быстрее катодной. Однако на практике не возникает необходимости в разных скоростях подачи электродов. Поэтому проволоки подаются с одинаковой скоростью.

Наиболее важным при напылении является правильная регулировка тока, позволяющая уравновесить скорости подачи проволок со скоростью их расплавления и таким образом обеспечить постоянство длины дуги. При напылении расстояние от электрометаллизатора до покрываемой поверхности обычно составляет 100-200 мм."

ОБРАБОТКА НАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

Покрытие, полученное после напыления, по своей структуре является в значительной степени пористым. Пористость его можно в некоторых случаях эффективно использовать. Однако наиболее широкое применение находят плотные покрытия. Заполнять поры можно путем нанесения на покрытие слоя краски, пропиткой покрытия специальными составами.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОКРЫТИЙ

В ряде случаев не обязательно слишком точно выдерживать толщину напыляемого покрытия. Необходимо учитывать, что после напыления поверхность получается грубой. Поэтому, когда необходимо получить чистую поверхность с точными размерами, напыленное с некоторым припуском покрытие подвергают механической обработке. Основными видами механической обработки напыленных покрытий является резание и шлифование.

Покрытия из углеродистых и коррозионностойких сталей. Для обработки покрытий из углеродистых и коррозионностойких сталей можно использовать быстрорежущий и твердосплавный инструмент. Можно проводить как мокрое, так и сухое шлифование напыленных покрытий. Мокрое шлифование предпочтительнее в случаях, когда не возникает проблем, связанных с проникновением охлаждающей жидкости в поры покрытия. Грубое шлифование (как сухое, так и мокрое) может привести к образованию трещин на шлифуемой поверхности. Поэтому, чтобы после шлифования получить хорошую поверхность, необходимо правильно выбрать шлифовальный круг и режимы шлифования. Обычно для шлифования напыленных покрытий используют круги со сравнительно грубой структурой и непрочной связкой. Окончательная обработка производится при очень малых подачах.

После окончательного шлифования поверхность покрытия должна иметь матовый блеск и содержать мелкие поры. Слишком блестящая поверхность, на которой отсутствуют поры, указывает на неправильное шлифование и возможность ее засаливания.

Уплотнение покрытия, заполнение его пор уплотняющими материалами, когда это необходимо, производят перед шлифованием. Уплотняющие материалы препятствуют проникновению в поры покрытия частиц абразивных материалов, используемых при шлифовании. Если поры покрытия не заполнены уплотняющими материалами, то после шлифования необходимо промыть покрытие и удалить частицы, попавшие в него при шлифовании. Это особенно важно для покрытий, наносимых на поверхность подшипников.

Покрытия из мягких материалов (олова, цинка, баббита) можно хонинговать, в результате чего получается гладкая поверхность с незначительной пористостью.

Для каких целей применяется электродуговая металлизация?

При электродуговом напылении материалы должны обладать электропроводностью, их используют только в виде проволоки.

Напыленные покрытия используют для придания поверхностям деталей раз-личных конструкций, машин и приборов таких свойств, как износостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость, а также в качестве тепло- и электроизоляции и т. д.

Конструкционные материалы, из которых изготовляют различные строительные конструкции, резервуары для химических продуктов, суда и другие сооружения, при строительстве обрабатывают напылением. Напыление в этом случае применяют для защиты от коррозии. На деталях машин и аппаратов напыление в основном используют для ремонта участков, которые износились в процессе эксплуатации в результате трения или эрозии. Напылением сравнительно просто наносить покрытия на участки из самых разнообразных материалов и надежно защищать эти участки. При умелом использовании особенностей напыления еще на стадии проектирования можно в значительной степени повысить экономичность конструкции и ее технические характеристики.

Применение напыления в общем машиностроении. Коррозионностойкость и износостойкость являются важными характеристиками напыленных покрытий, которые в значительной степени определяют области их применения.

НАПЫЛЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ ИСПОЛЬЗУЮТ:

1. в автомобильной промышленности - кулачковый вал, головка клапана, вал водяного насоса, шкворень, кулачки тормоза, поршень, цилиндр, пластина муфты, выхлопной клапан и др.;

2. в цементной промышленности - крыльчатка воздуходувок, детали конвейеров, клапаны и седла клапанов, подшипники;

3. в химической промышленности-клапаны и седла клапанов, крыльчатка и оси насосов, кислотостойкие плунжеры насосов, втулки, кольца и др.;

4. в угольной и металлообрабатывающей промышленности - лопатки насосов, детали проходческих комбайнов, защитные экраны, детали пневмооборудования, матрицы, пуансоны и другие де тали штамповочного оборудования и др.;

5. в станкостроительной промышленности - различные калибры, оправки, детали полировальных станков, втулки уплотнений, центры токарных станков, шнеки;

6. в энергетической промышленности - шнеки для подачи каменного угля, вентиляционное оборудование, паровые клапаны, детали конвейеров и др.;

7. в других областях - различные подшипники, коленчатые валы, вальцы, зубчатые колеса (зубья) и др.

Применение напыления в областях, требующих коррозионной стойкости покрытий и стойкости к окислению. Цинковые покрытия (толщина 0,08-0,38 мм) используют обычно для защиты стали в воздушной атмосфере, а также в пресной и соленой воде.

Покрытия наносят на стальные конструкции, мосты, башни, шлюзы, суда, резервуары для хранения воды, трубопроводы, различное шахтовое оборудование, газовые емкости, моечные устройства, воздуходувки, насосы, стальные шасси, перила и др.

Алюминиевые покрытия (толщина 0,13-0,51 мм) используют для защиты стали в обычной и промышленной атмосферах, а также морской воде, как при комнатной, так и при повышенной температуре.

Покрытия наносят на резервуары для хранения воды, стальные конструкции, работающие в промышленных районах в сернистой атмосфере, оборудование пищевой промышленности, камеры сгорания, дымоходы, корпуса судов и т. д.

ДЕТАЛИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для повышения износостойкости, жаростойкости и эрозионной стойкости деталей авиационных реактивных двигателей применяют самые различные типы напыляемых покрытий. Широко используют напыление при капитальном ремонте двигателя, для восстановления изношенных деталей.

ПОДШИПНИКИ

Вместо бронзовых подшипников в мощных машинах используют чугунные, на которые напыляют бронзовые покрытия. Наличие мельчайших пор в покрытии позволяет продолжительное время сохранять смазку в подшипнике. Поэтому при недостаточной подаче смазки условия работы подшипника с напыленным покрытием будут лучше, нем условия работы подшипников из бронзы. Преимущество подшипников с напыленным бронзовым покрытием заключается также в том, что на их изготовление расходуется небольшое количество бронзы. Это дает возможность использовать для напыления подобных подшипников высококачественную бронзу.

На одном из металлообрабатывающих предприятий ФРГ для гидравлического пресса усилием 600 тс используют подшипник с напыленным покрытием, которое наносилось газопламенным напылением. Долговечность этого подшипника в 3-4 раза выше долговечности обычного литого бронзового подшипника, а стоимость на 35% меньше.

Покрытие наносят следующим образом. Внутреннюю поверхность отливки после чистовой механической обработки подготовляют нарезанием рваной резьбы с шагом 0,6-1 мм. На подготовленную поверхность после предварительного разогрева газопламенным проволочным напылением наносят слой молибдена толщиной 0,1 мм. Затем на этот слой напыляют слой бронзы с припуском на чистовую обработку.

РЕМОНТ РОТОРА ТУРБИНЫ

Напыление используют для ремонта ступицы ротора турбины. На обрабатываемую поверхность напыляют подслой молибдена, на который затем наносят коррозионностойкую сталь 420.

РЕМОНТ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Рассмотрим один из примеров ремонта зубчатых колес напылением. При ремонте зубчатых колес на обрабатываемой поверхности вала нарезают мелкую рваную резьбу глубиной 0,25-0,38 мм, а затем проводят обдувку абразивными материалами. После этого напыляют коррозионностойкую сталь 410, поверхность покрытия шлифуют и подвергают воронению.

После ремонта проводили контрольную сборку и разборку. Колесо охлаждали до температуры -40°С и вставляли в подшипники, после чего подшипники снимали с зубчатого колеса. Сборку и разборку производили 5 раз. Исследование соединения и поверхности покрытия показало, что после таких испытаний обеспечивается хорошая посадка. Описанный способ восстановления зубчатых колес может быть использован при капитальном ремонте.

НАПЫЛЕНИЕ СТАЛИ НА НАПРАВЛЯЮЩИЕ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

На направляющие металлообрабатывающих станков (например, токарных) можно напылять покрытие из углеродистой (0.45-0.55% С, 0.08-0.15% Si, 0.25-0.40% Mn) или хромистой (1.0-1.1% С, 0.15-0.35% Si, 0.2-0.4% Mn, 0.9-1.2% Cr) стали. Технология напыления заключается в следующем. После грубого шлифования чугунных направляющих обрабатываемые поверхности тщательно обезжиривают и обдувают карборундом или металлической крошкой, после чего на них зубилом делают насечки. Можно также производить загрубление поверхности электроискровым методом. Вслед за этим производят напыление. После напыления желательно, чтобы покрытие остывало медленно и равномерно, поэтому его закрывают тканью, что позволяет увеличить продолжительность остывания. При ремонте направляющих, имеющих небольшой износ, достаточно напылять покрытия толщиной примерно 1,5 мм. После напыления поверхность шлифуют абразивными кругами из карбида кремния (зернистость 350-400 мкм).

Важно, чтобы поверхность, на которую производят напыление, не перегревалась, так как при перегреве в покрытии возникает сетка мелких трещин. Срок службы направляющей с покрытием в 2-3 раза превышает срок службы обычной чугунной направляющей. При работе, как правило, напыленное покрытие не отслаивается. Все это указывает на необходимость еще на стадии проектирования металлообрабатывающего станка предусматривать нанесение покрытий напылением на направляющие.

КРЫЛЬЧАТКА ВОЗДУХОДУВОК

Правильно выбранное для напыления покрытие обычно обладает хорошей износостойкостью. В качестве примера можно рассмотреть покрытия, защищающие поверхность от эрозии, вызываемой высокоскоростным потоком частиц. В керамических покрытиях, напыленных со связующим веществом, достаточно мягким и обладающим низким сопротивлением износу, может возникнуть избирательная эрозия. Такая эрозия сопровождается вторичной эрозией, происходящей под действием твердых частиц, выкрашивающихся из напыленного покрытия.

Однако есть много примеров, когда подобного типа покрытия обладали хорошей эрозионной стойкостью при работе в устройствах, транспортирующих и перемешивающих порошковые материалы в машиностроении, металлургии и горном деле. Стойкость таких покрытий в значительной степени определяется правильным выбором материала.

Примером может служить молибденовое покрытие, напыленное на лопатки большой воздуходувки, используемой на установке, отделяющей угольную пыль на шахте в Англии. Для определения эрозионной стойкости такого покрытия на часть лопаток около ступицы, где происходил наиболее интенсивный износ, напыляли слои толщиной 0,08-0,13 мм. После 1500 ч работы на участках, где имелось покрытие, практически не наблюдалось следов износа. На незащищенных же участках произошло значительное уменьшение толщины лопаток.

Покрытия, напыленные на лопатки воздуходувок, предназначенных для транспортировки высокотемпературных агрессивных газов на сталелитейных, химических и цементных заводах, позволили в значительной степени продлить срок службы лопаток.

КОРПУС БУКСИРА

Напыление тонкого алюминиевого покрытия на корпус буксира позволило в значительной степени повысить его коррозионную стойкость в морской воде. Общая площадь поверхности, на которую было напылено покрытие, составила 482 м².

Перед напылением покрытия поверхность очищали и подвергали пескоструйной обработке. Затем наносили слой алюминия толщиной 0,08-0,10 мм. Образующиеся в напыленном покрытии поры уплотняли. На напыленное покрытие наносили слой винилового красителя с последующим нанесением на его еще одного слоя трибутилцинковой краски для придания покрытию стойкости к загрязнениям. В случае повреждения покрытия с поверхности соскабливают верхний слой краски и наносят новый слой трибутилцинковой краски. Такой ремонт не вызывает значительных трудностей и проводится за довольно короткий промежуток времени.