Лекція 24. Металооксидні покриття

24.1. Загальна характеристика металооксидних покрить

Введення пластичного компонента в оксидні покриття дозволяє поліпшити багато показників їхньої якості: пластичність, адгезійну і когезійну міцність, пористість та ін. При цьому знижуються властиві оксидним покриттям тепло- і електроізоляційні характеристики.

Часто як пластичний компонент в оксидні покриття вводять чисті метали, сплави чи металоїдні сполуки, особливо теплорегулювальні. Вибір пластичного компонента і його кількість в оксидному покритті залежать від багатьох факторів. У першу чергу необхідно враховувати експлуатаційні вимоги, пропоновані до покрить. Так, при напилюванні зносостійких покрить, особливо в умовах сухого тертя, важлива когезійна міцність. Слабкі міцнісні зв'язки між окремими частинками призведуть до їхнього викришування. У цьому випадку створення в покритті розвитого металевого каркаса підвищує опір зносу. Кількість пластичної фази для таких покрить може досягати 30 – 40 % (об'ємн.). У тепло- і електроізоляційних покриттях, що працюють в умовах частих теплозмін, кількість металевої фази має бути обмежена мінімальними значеннями.

У практиці газотермічного напилювання використовують два способи введення пластичного металу в оксидні покриття. Перший спосіб, найбільш розповсюджений, передбачає безпосереднє введення в покриття металевих частинок у суміші з оксидами. При другому способі пластична фаза в покритті формується за рахунок металотермічної реакції.

Для введення в оксидне покриття металевих частинок використовують різні прийоми, розглянуті раніше.

У технічній літературі наведена велика кількість складів оксидних покрить з добавками пластичного компонента (табл. 24.1). Особливо часто в оксидні покриття вводять термореагуючі порошки алюмінідів, ніхром, нікель та ін.

При введенні в оксидні покриття металевої фази за допомогою металотермічних реакцій використовують композиційні порошки: плаковані чи конгломеровані, а у перспективі - застосування порошкових дротів, шнурів та ін.

Взаємодія між оксидом і металом відбувається за реакцією:

МеmОn + qМе' = Ме'qОn + mMe+ Q

Роль пластичного сполучення в оксидному покритті виконує метал Ме, відновлений з оксиду МеmОn. Як оксид у покритті виступає знов утворена сполука Ме'qОn. При правильному розрахунку шихти і завершеності реакції покриття формується з оксиду Ме'Оn і mМе. Ці компоненти і визначають його властивості. У реальних умовах покриття буде більш складним. У нього ввійде частина не прореагувавших компонентів. Особливо велика частка непрореагувавших компонентів при використанні конгломерованих композиційних порошків.

24.2. Основні умови утворення металооксидних покрить.

Для ефективного проходження реакції відновлення вихідного оксиду в композиційному порошку необхідно, щоб вільна енергія утворення оксиду Ме'qОn була більше на 10 -13 % енергії утворення оксиду МеmОn. Найбільш високі значення вільної енергії: (кДж/кгмоль О2) такі: 13000 для YО3; 1250 для МgО; 1120 для АІ2О3; 1090 для ZrО2; 980 для ТіО2; 850 для SіО2; 720 для Сг2О3. Невисокі значення вільної енергії (кДж/гмоль О2) характерні для оксидів WO3(510); Fе2О3(490); МоО3 (440); СuO (420): NіO(410) і Сu2О (300). Отже, як оксид МеmОn доцільно використовувати сполуки другої групи. У якості Ме' найчастіше застосовують алюміній. При цьому використовується і високий екзотермічний ефект реакції

2/nМеmОn + 4/3АІ = 2m/nМе + 2/3 АІ2О3 + Q.

Найбільше значення Тад = Q/СР досягається при взаємодії алюмінію з оксидами:

Тад. oK 5000 4000 3900 3600 2480

МеmОn СuО СаО NiO WО Сr О

Для більш повного завершення металотермічної реакції конгломеровані частинки із суміші порошків оксидів і алюмінію зверху плакують металами, найчастіше нікелем. У замкнутій оболонці створюються більш сприятливі умови для протікання реакції. Іноді в ядро частинки вводять хлористий амоній (NН4СІ) чи іншу сполуку схильну до розпаду при нагріванні. При розкладанні цієї сполуки в капсулі з плакуючою оболонкою створюється надлишковий тиск. Продукти розпаду повинні активувати основні компоненти і сприяти екзотермічній реакції. При такій будові композиційних порошків екзотермічна реакція закінчується на дистанції 40-80 мм від місця введення. Алюміній не тільки відновлює оксид, але і взаємодіє з металом оболонки. Аналіз фазових складових покрить показує, що реакції відновлення не встигають пройти до кінця. У цьому випадку спостерігається повна аналогія з напилюванням композицій системи Ni-Аl. Це обумовлено частковим окислюванням алюмінію (чи іншого активного металу), а також недостатньою контактною взаємодією між компонентами композиційного порошку. Однак і в цих умовах вдається одержати покриття з високими характеристиками. Досить успішно розв’язуються задачі ефективного використання тепла екзотермічних реакцій. На цій базі створено ряд промислових порошків типу АНВ (Аl - WO3, -Ni), КНА (Аl-Аl2O3-Ni) та

застосовувані сплави і властивості металооксидних покрить з композитних порошків (плазмове напилювання)

Таблиця 24.1

Композиція	Металідні фази	Кисневмісні фази
Al-WO3-Ni*1 Al-MO3-Ni*1 Al-Cr2O3-Ni*2 Al-ZrO2-Al*2 ZrO2-Al*3 NiO-Al Al O - Ni Al-Cr O -V	W-Ni, W-Al, NiAl Mo-Ni, Mo-Al, NiAl Al-Cr, Al-Ni, Al-Cr-Ni Al,Zr-Al Ni-Al Ni Cu- Al, Cu – V, Al	Al-W-O, W-NiO Al-Mo-O, Mo-NiO Al-Cr-O, Cr-Ni-O ZrO2,Al2O3 ZrO2,Al2O3 Al-Ni-O Al O ,NiO Al O Al2O3,Al-Cu-O Al-V-O	( 4,5-18)103 4,5 103 ( 5-25)103 ----------- -------- --------- ( 8-11) 10 ( 2 – 8,5) 10 --------------	40-50 20-30 ----- 28-46 27-29 ---- 17 – 51 30 – 45 30 - 40

*1 Плакування нікелем

*2 Плакування нікелем і алюмінієм

*3 Плакування алюмінієм

*4 Плакування і конгломерування