книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

Д л я получения соединений	керам ики с м еталлом	применяю т
несколько способов пайки:	пайку м еталлизированной	керамики,

активную пайку, пайку стеклоприпоем и пайку неметаллизированной керам ики под давлением [8, 9].

П ай ка

м еталлизированной

керам ики — это

многоступенча­

тый способ

получения соединений.

В н ач але

на

керамическую

д етал ь

наносят

и

закреп ляю т

тонкий слой

порош кового

мате­

риала

(75— 95 %

М о и активны е добавки

M n, Si, Ti, Fe, ф ерро­

силиция,

стекла

и д р .). Затем

гальваническим

или химическим

методом

наносят

второй

слой

м еталл а

(N i

или

Fe)

осущ ест­

вляю т пайку вы сокотемпературны ми

припоями в интервале тем­

ператур

780— 1100 °С. В рем я

вы держ ки

после

расплавления

припоя составляет 30— 60 с.

С ущ ность

активной пайки

закл ю ч ается в

использований ти­

тан а и

циркония

в качестве активны х составляю щ их

м еталли­

ческого

припоя.

П роцесс

пайки протекает

в

вакуум е

(1,ЗХ

X 10-3

П а)

или

в среде

инертного

газа,

не

содерж ащ его кис­

л ород и пары воды.

П олучение

м еталлокерам ических

соединений

стеклоприпоем

основы вается

на

хорош ей адгезии

керам ики

и

стеклоприпоя,

а

так ж е

на том, что процесс пайки

протекает в условиях,

когда

на

м еталле

появляется тон кая

пленка окисла, улучш аю щ ая ад­

гезионное сцепление стеклоприпоя с м еталлом . Д л я пайки в оки­

слительной

ф азе

прим еняю т

стеклоприпои

системы

$ Ю 2 —

Z nO — В20 3— РЬО

и У 20 5— В20 3— ZnO .

В

случае

восстанови­

тельной

среды

использую т

стеклоприпои

на

основе

окислов

S i0 2, А120 3,

C aO ,

M nO ,

M gO

и ВаО .

П ай ка нем еталлизированной

керам ики

с м еталлам и

под дав­

лением

напом инает диф ф узионную сварку. П роцесс

получения

соединений

сводится к

сборке

деталей ,

расплавлению припоя

и вы держ ке. 3— 5

мин

без

давлен и я,

а

затем

под

давлением

в течение 8— 10

мин. Д а л е е

тем пература

сниж ается

и

узел ох­

л аж д ается

под

давлением

4— 5 М П а

до

ком натной

темпера­

туры .

Г л а в а 24. ПОКРЫТИЯ

24.1. Общие сведения

В настоящей главе рассматриваются общие вопросы терминологии и клас­ сификации методов нанесения покрытий. Описание основных типов оборудо­ вания, исходных материалов, технологии нанесения покрытий, их свойств и областей применения отнесено к группе напыленных покрытий (газотермнческих и вакуумных), принципы получения которых в наибольшей мере соответствуют сварочной технологии.

24.2.Определения, классификация и основные схемы

Покрытие — искусственно сформированный на поверхности изделия или кон­ струкции слой, отличающийся от материала основы по составу и физико-хи­ мическим свойствам.

По характеру расположения на	поверхности покрытия	подразделяются
на наслоенные и диффузионные (или внедренные).		внешней поверх­
Наслоенное покрытие — покрытие,	сформированное на

ности изделия или конструкции, имеющее четкую границу раздела с ос­ новной.

Диффузионное покрытие — покрытие, сформированное за счет внедрения в материал основы без существенного изменения начальных размеров из­ делия.

Возможны покрытия, имеющие промежуточный характер (диффузионнонаслоенные).

Существующие методы нанесения покрытий делятся на следующие ос­ новные группы: химическое осаждение, электрохимическое осаждение, газо­ термическое напыление, вакуумное напыление, диффузионное насыщение.

Химическое осаждение — получение покрытий из водных растворов солей, основанное на реакциях восстановления.

Электрохимическое осаждение — получение покрытий на металлах из рас­

творов или расплавов	электролитов под действием	электрического		тока.
Гизотермическое	напыление — получение покрытия		из частиц	дисперс­
ного материала, нагретых и ускоренных с помощью			высокотемпературной
газовой струи.		парогазовой фазы с ис­
Вакуумное напыление — получение покрытия из

пользованием контролируемых процессов испарения, синтеза, конденсации и сорбции вещества покрытия в виде отдельных атомов и молекул в вакууме.

Диффузионное насыщение — получение покрытия путем легирования ме­ таллами и неметаллами поверхностного слоя основного материала при на­ гревании в среде, содержащей образующие покрытие элементы. (См. также ГОСТ 9.008—82.)

Классификация методов получения покрытий может быть основана на различиях агрегатного и физического состояния наносимого вещества [1].

24.2.1. П олучение покрытий из парогазовой ф азы

Физические методы напыления покрытий испарением в вакууме:

—термическое испарение нагревом прямым прохождением тока, ра­ диационным, индукционным нагревом;

—прямое электронно-лучевое испарение;

—катодное распыление;

—высокочастотное распыление;

—магнетронное распыление;

—ионно-лучевое распыление;

—реактивное испарение и распыление;

—ионное осаждение.

Химические (газофазные) методы напыления покрытий испарением:

—пиролиз летучих соединений металлов и неметаллов;

—восстановление летучих соединений водородсодержащими веществами или парами металлов;

—гидролиз газообразных галогенидов водяным паром или водяным

газом;

—реакции диспропорционирования;

—высокотемпературное прямое окисление кислородом газообразных га­

логенидов или металлоорганических бескислородных соединений. Диффузионное насыщение сорбцией паров и газов (контактные и не­

контактные способы).

24.2.2. П олучение покрытий из растворов и тонких суспензий

Электрохимическое осаждение:

—осаждение покрытий из металлов и сплавов из растворов солей;

—получение комбинированных электрохимических покрытий (КЭП) из тонких суспензий;

—электрохимическое оксидирование.

Химическое осаждение:

—нанесение металлов на металлы восстановлением и контактно-обмен­ ным отложением;

—нанесение металлов на неметаллы;

—нанесение неметаллов на металлы (оксидирование, фосфатированне, хроматирование, метод растворной керамики);

—нанесение металлов на неметаллы (гидролиз металлоорганических соединений, метод растворной керамики).

Нанесение твердо-жидких веществ (шликеров, пульп, грубых суспензий,

паст):

— окунание, облив, пульверизация, электрораспыление, электрофорез, торкретирование, обмазка (все с последующей термообработкой).

24.2.3. Получение покрытий из расплавов и полурасплавов

Эмалирование Капельное напыление:

—газотермическое напыление (электродуговая металлизация, газопла­ менное, плазменное и детонационное напыление);

—лазерное напыление;

—распыление взрывающихся проволочек.

Погружение в расплав:

—погружение в расплавы металлов (цинкование, алюминирование);

—погружение в расплавы солей;

—остеклование.

24.2.4. П олучение покрытий из твердых веществ и их аэросмесей

Диффузионное насыщение (химико-термическая обработка)

Плакирование при совместной деформации материалов основы и по­ крытия.

Припекание, вжигание. Нанесение в кипящем слое.

Втирание под давлением (ротапринтный метод).

24.3.Физические основы процессов нанесения покрытий

24.3.1.Напыление покрытий газопламенны м методом

Газоплам енны й метод напы ления		покрытий		состоит в ф ормиро­
вании на поверхности изделий слоя			из частиц напы ляем ого м а­
тери ала, обладаю щ их достаточны м			запасом	тепловой	и кинети­
ческой энергии в результате взаим одействия				со струей	газового
пламени.
С труя пламени	образуется в	р езул ьтате		сгорания	горючей
смеси, вы текаю щ ей	из сопловы х	отверстий		горелки с	большой
скоростью . Н апы ляем ы й м атери ал		подаю т, к ак правило, внутрь

факела пламени, вдоль оси. Т ем пература струи горючий газ — кислород при использовании ацетилена достигает 3200 °С, а ско ­

рость истечения

150— 160

м/с.

П оп ад ая в струю , частицы порош ­

кового

м атер и ал а

нагреваю тся

до

ж идкого

или

вы сокопластич ­

ного состояния

и

приобретаю т

скорость

20— 80

м /с . С корость

полета

частиц

порош ка

зависит

от

соотнош ения

кислорода и

горючего газа в смеси, количества

обдуваю щ его

газа,

расстоя­

ния от среза сопла, количества вводимого

в п лам я

порош ка и

его плотности, гранулом етрического состава и др.

М атериал, используемы й

д л я

газоплам енного

напы ления

по­

крытий, не д ол ж ен

р азл агаться

и

возгоняться в

плам ени

и д о л ­

жен иметь достаточную

разницу

м еж ду тем пературам и

п л авл е ­

ния и кипения

(более

150— 250

°С ).

24.3.2. Н апыление

покрытий

плазм енно-дуговы м

методом

Плазменно-дуговой

метод

заклю чается в

ф орм ировании

на

по­

верхности

д етал и

покры тия

из

нагреты х

и ускоренны х

частиц

с применением

вы сокотем пературной

плазм енной

струи, при со­

ударении

которы х

с основой

или

напыленным м атериалом

про­

исходит их соединение.

Струя дуговой

п лазм ы об разуется

в плазм отроне

за

счет н а ­

грева п лазм ообразую щ его

г а за

при

прохож дении

через дугу.

Температура

плазм енной

струи

м ож ет

составлять

5-10®—

55 • 103

°С, а

скорость

истечения

достигать

1000— 1500

м /с . П о­

падая

в

плазм енную

струю ,

частицы

порош ка

нагреваю тся

вплоть до

стадии

плавления

и ускоряю тся,

приобретая

скорость

50—200 м /с .

У даряясь

о

напы ляем ую

поверхность,

частицы

сцепляю тся

с ней за счет

м еталлургического,

м еханического

и других

видов

взаимодействия.

М атериал,

используемы й

для

плазменно-дугового напы ления

покрытий,

долж ен

плавиться

без

разлож ен и я и возгонки

и, ж е ­

лательно,

иметь

достаточно

больш ую

разницу м еж ду

тем п ер а­

турами

плавления

и

кипения

(более

200— 300

°С ).

24.3.3. Н апыление

покрытий детонационным методом ( Д Н П )

Процесс Д Н П

состоит в ф орм ировании на

поверхности

изделия

серией

последовательны х

вы стрелов

слоя

из частиц

напы ляе­

мого порош ка,

обладаю щ их

достаточны м

запасом

тепловой и

кинетической

энергии

в

результате

взаим одействия

с

продук­

тами детонации

взры вчатой смеси.

В зависим ости

от состава

взры вчатой

смеси скорость д етон а ­

ционной волны

м ож ет достигать

3000 м /с ,

а тем п ература

про­

дуктов детонации 3200 °С. В результате

взаим одействия

с

вы ­

сокотемпературными

продуктам и

детонации частицы

н ап ы л яе­

—

возм ож ность получения

покры тий

из больш инства

м ате­

риалов, плавящ и хся

при

тем пературе до 2800 °С

без

р а зл о ­

жения;

—

относительно

м алое

тепловое воздействие

на

подлож ку

(в пределах

50— 150

°С ),

что

позволяет

наносить

покры тия

на

поверхность

ш ирокого круга

м атериалов, вклю чая

пластм ассы ,

дерево, картон и т. п.;

— толщ ина

покры тия

м ож ет

быть

обеспечена в п ределах

от 50

мкм до 10 мм и более;

—

возм ож ность регулирования

газового реж и м а

работы

го­

релки

позволяет уп р авл ять химическим

составом

среды

(вос­

становительная, ней тральн ая, окислительная)

и энергетическим и

характеристиками струи и напы ляем ы х частиц;

—

вы сокая

производительность

процесса

(до

10

к г /ч ),

н а­

пример, 8— 10

к г /ч

д л я порош ков

сам оф лю сую щ ихся

сплавов

типа П Г -С Р 4 при расходе

ацетилена 0,9 м 3/ч и высокий

коэф ­

фициент использования м атер и ал а

(0,60— 0,95);

—

возм ож ность нанесения покрытий на изделия практически

без ограничения их разм еров

при наличии необходим ы х средств

механизации и обеспечении прави л техники безопасности;

—

относительно низкий уровень ш ум а и излучений;

—

возм ож ность во многих случаях нанесения покры тий

при

любом пространственном полож ении ап п арата;

—

легкость

и простота об служ ивания оборудования;

— гибкость технологии и м обильность оборудования, что

позволяет производить напы ление

на месте,

без д ем о н таж а

из­

делий;

—

возм ож ность автом ати зац и и

процесса и встройки в авто ­

матическую линию с небольш ими затр атам и и др.

Основными

недостаткам и

газоплам енного

м етода

напы ления

покрытий являю тся:

—

недостаточная

в некоторы х

случаях прочность

сцепления

покрытий с

основой

(5— 45 М П а)

при

испытании на

н орм аль­

ный отрыв;

—

наличие пористости (обы чно в

пределах

5— 25 % ),

ко­

торая

препятствует применению покры тий в

коррозионны х

сре­

дах без дополнительной обработки;

—

невысокий коэф ф ициент использования энергии

газо п л а ­

менной струи на нагрев порош ка

(2— 12 % );

—

невозм ож ность нанесения

покры тий из тугоплавких

м ате ­

риалов с тем пературой плавлен и я более 2800

°С.

24.4.2. П лазм енно-дуговой метод

П рим еняется д л я напы ления покры тий из порош ков м еталлов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких

соединений,

из композиционны х

порош ков и м еханических

сме­

сей различны х порош ков, проволок.

К

достоинствам

плазм енно-дугового способа

напы ления

по­

кры тий относятся:

—

возм ож ность

получения покры тий

из

больш инства

м ате­

риалов, плавящ и хся

без разл ож ен и я;

—

относительно

м алое

тепловое,

воздействие

на

подлож ку

(обычно нагрев последней

в

п ред елах 50— 150

°С ),

что

позво­

л яет

наносить покры тия на

поверхность

ш ирокого круга м ате­

риалов, вклю чая

пластм ассы , дерево, картон

и

т. п.;

—

толщ ина покры тия м ож ет м еняться

в пределах от

15 мкм

до 6 мм и более со

средней

разнотолщ инностью

± 1 0 % ;

—

возм ож ность

использования

д л я о б разован и я

струи дуго ­

вой

плазм ы

газов

различного рода: инертны х

(аргон а,

гел и я),

восстановительны х

(водорода)

и

окислительны х

(воздуха,

а зо т а ), а та к ж е ам м и ака, природного газа, водяного

п ара

и др у ­

гих

газообразн ы х

вещ еств, что

в

сочетании

с

применением

к а ­

мер

с защ итной средой

(вакуум ом )

или защ итны х н асад о к

поз­

воляет регулировать свойства среды , в которой

нагреваю тся и

движ утся частицы напы ляем ого м атери ал а;

—

возм ож ность

гибкого регулирования электрического и га ­

зового реж им ов работы

плазм енной

горелки, в том числе в те­

чение

сам ого процесса

напы ления, позволяет

у п равл ять

энерге­

тическими характери сти кам и

напы ляем ы х частиц;

—

достаточно

вы сокая

производительность

процесса,

состав­

л яю щ ая 3— 11 к г /ч

д л я

горелок

с

электрической

мощ ностью

25— 40 кВ т

и 11— 25

к г/ч

д л я горелок мощ ностью 80— 120 кВт;

—

возм ож ность

нанесения,

покры тия

на

откры ты е

поверх­

ности

практически

без

ограничения

их

разм еров при

условии

наличия необходимы х средств

м еханизации

и

обеспечения

тех ­

ники безопасности.

Н едостаткам и

плазм енно-дугового способа напы ления

покры ­

тий

являю тся:

—

недостаточны й

в

некоторы х

случаях

уровень

значений

прочности

сцепления

покры тий

с

подлож кой

(обы чно

15—

50 М П а при испы таниях на норм альны й отры в);

— наличие пористости (обы чно

в пределах

2— 1 5 % ),

кото­

р ая

препятствует

применению

многих

плазм енны х

покрытий

в коррозионны х

средах без

дополнительной

обработки;

—

невысокий

коэф ф ициент

полезного

использования

энер­

гии

плазм енной струи

при

нагреве

порош ка

(2— 8 % ) .

24.4.3. Детонационный метод

П рименяется д л я напы ления покры тий из порош ков м еталлов, их сплавов, оксидов, тугоплавких соединений, различны х ком по­

зиций

и т. п.,

которы е

не долж н ы

р азл агаться

и

возгоняться

в продуктах детонации и иметь достаточную разницу

м еж ду

тем пературам и плавления и кипения

(не

менее

200

°С ).

О сновные достоинства

метода:

—

возм ож ность

получения

покры тий

из больш инства

порош ­

ков,

п лавящ ихся

при

тем пературе

до

2800

°С

без

р а з ­

лож ения.

—

возм ож ность

нанесения

покры тий

на

различны е

м атер и ­

алы

(м еталлы — с

твердостью

поверхности

до 60

H R C ,

к е р а ­

мику, стекло, п ластм ассу

и д р .);

—

отсутствие

деф орм ации

напы ляем ой

поверхности;

—

возм ож ность

получения

покры тий

с

пористостью

0,5—

1,5

%

и высокой

прочностью сцепления

покры тий с основой (ни­

к ел ь — 100 М П а,

П Н 7 0 Ю 3 0 — 100

М П а,

оксид

алю м иния —

30 М П а);

— возм ож ность

у п равл ять

химическим

составом

продуктов

детонации (восстановительны й, нейтральны й,

окислительны й) и

энергетическими

характери сти кам и

процесса

за

счет

регулиро­

вания газового

реж им а;

—

возм ож ность

нанесения

покры тий

на

изделия

практи че­

ски

без ограничения

их

разм еров при

наличии средств

м ехани ­

зации и обеспечении правил техники' безопасности.

Основные недостатки м етода:

—

высокий

уровень

ш ум а

в помещ ении,

где

производится

детонационное

напы ление

покры тий, достигаю щ ий

140

д Б ;

—

наличие продуктов сгорания смеси горючий

газ — кисло­

род

с

образованием

вредны х

компонентов

(СО ,

углеводороды ,

оксиды а зо т а );

—

наличие

концентрации взвеш енны х

в воздухе

частиц н а ­

пыляемого порош ка

разм ером

5— 150

мкм

> 1 5 0

м г /м 3.

В связи с перечисленны м и особенностями все детонационное

оборудование

необходимо

разм ещ ать

в

специальны х

пом ещ е­

ниях производственного участка.

24.4.4. Э лекТ родуговая металлизация

Применяете** д л я нанесения покрытий из

проволок

м еталлов и

сплавов.

м етода:

Д остоинства

—

низкие эн ергозатраты на получение

покры тия;

—

вы сокая

производительность

процесса

(до

100

к г /ч

и бо­

лее по цинку)

при достаточно

эф ф ективном

использовании

р ас ­

пыляемого М атериала

(0,65— 0,8);

—	значительны е	толщ ины напы ляем ого покры тия (до	10—
15 м м );
—	относительно	м алое тепловое воздействие на основу	(на­
грев в пределах 80— 200 °С );
—	возм ож ность нанесения покры тий на изделия практически
без ограничения разм еров;
—	легкость и простота обслуж и ван и я оборудования, его вы­
сокая	надеж ность;
—	возм ож ность	автом атизации процесса с созданием	авто­

матических линий.

Основные недостатки м етода:

—ограниченны й круг м атери алов д л я напы ления из-за тре­ бований электропроводности и поставки в виде проволоки;

—наличие значительного количества оксидов в покры тии,

что сн и ж ает его ударную прочность;

— не во всех случаях д остаточн ая прочность сцепления по­

кры тий с основой

(15— 45 М П а );

—

наличие

пористости препятствует

применению

покрытий

в коррозионны х

средах без

дополнительной

обработки .

24.4.5. Электронно-лучевой метод

Д остоинством

электронно-лучевого

м етода

явл яется

эф ф ектив­

ное использование энергии на испарение,

вы сокая

чистота и

плотность

осаж даем ого м атер и ал а,

возм ож ность

гибкого

уп рав­

ления составом

покры тия с

получением

микрослойны х

струк­

тур [6].

К

н едостаткам относится

относительно

вы сокая стоимость и

слож ность

оборудования, ограничение

разм еров

покры ваем ы х

изделий объем ом

рабочей кам еры .

24.4.6. Методы ионно-плазменного

нанесения покрытий

П роцессы

ионно-плазм енного

нанесения

(катодное,

м агнетрон ­

ное,

вы сокочастотное

распы ление

и др.)

позволяю т

ф орм иро­

вать

покры тия

из м еталлов

и сплавов, различны х соединений и

композиций.

Д остоинства м етода:

—

более вы сокая

прочность сцепления

и плотность получен­

ных

покрытий

из-за

более

вы сокой энергии распы ленны х ча­

стиц;

—

ф орм ирование

покры тий

без

изм енения

стехиом етриче­

ского состава;

—

возм ож ность получения

покры тий

из

особотугоплавких и

неплавящ ихся м атериалов;

—

возм ож ность управления составом

и

свойствам и

покры ­

тия в процессе нанесения;

45в

— возм ож ность	очистки	поверхности	основы и	растущ его
покрытия.
О сновные недостатки м етода:
— скорости напы ления,		к ак правило,	ниж е, чем	при	других
вакуумных м етодах,	за исклю чением магнетронного,			где	скоро ­

сти осаж ден и я покры тия достигаю т 25— 45 н м /с [7];

—количество загрязн ен и й в м атери ал е покры тий несколько

выше;

—объем кам еры ограничивает разм ер изделия.

24.5.Технология нанесения газотермических и вакуумных покрытий

24.5.1. Подготовка деталей к газотермическому напылению

При подготовке д етал и

к операции напы ления долж н ы быть со­

блюдены

требования

к

конф игурации напы ляем ой поверхности.

В случае

необходимости проводится п редвари тельн ая

м еханиче­

ская об работка д етал и [2].

Д л я

удален и я

ж ировы х

загрязн ен и й проводится операция

обезж иривания. С оставы

обрабаты ваю щ и х

растворов

и

реж им

обработки вы бираю тся

в

соответствии с

ГО СТ

9.402— 80.

24.5.2. Подготовка

деталей

к

вакуум ном у напылению

Технология напы ления

покры тий вакуум ны м и

м етодам и, в част­

ности электронно-лучевы м ,

вклю чает в себя

следую щ ие

основ­

ные этапы :

подготовка

д етал и

к нанесению

покры тий,

собст­

венно

нанесение покры тия

и

операции

финиш ной

обработки

[7,

8].

П еред

вакуум ны м нанесением покры тия

д етал ь контролиру­

ется на соответствие

ГО С Т

9.301— 78. У даление

поверхностны х

дефектов

(раковин,

наплы вов,

оксидны х

пленок)

проводят м е­

тодами

виброш лиф ования

или

виброполировки,

причем ш ерохо­

ватость поверхности

после такой

подготовки

не превы ш ает R a =

= 1,3. О безж иривание проводится по ГО СТ

10597— 80.

24.5.3. Подготовка материалов для нанесения

газотермических покрытий

Процесс

подготовки

м атери алов

д л я нанесения

покры тий

вклю ­

чает в себя следую щ ие основны е операции:

для

порош ка — суш ку

и

при

необходимости

рассев;

для проволоки — очистку от загрязнений и оксидны х пленок.

24.5.4. Подготовка

поверхности

деталей

Детали должны поступать сухими и чистыми и иметь температуру

не ниже

+ 10°С

для

предотвращения

образования на поверхности

конденсата. Для

активации

и

придания

напыляемой

поверхности

необходимой

шероховато-