Повышение качества деталей машин нанесением покрытий

  Ионные методы нанесения покрытий осуществляются с участием как физических (состав наносимого материала не изменяется), так и химических процессов (образуются новые соединения). При таких методах, именуемых реактивными, происходят плазмохимические реакции с ионами рабочего газа или специально вводимых в камеру добавок. Таким образом можно получать покрытия из самых разнообразных материалов и в самых невероятных комбинациях. Освоено получение чистых металлов, карбидов, нитридов, силицидов, халькогенидов, оксидов и т. п. Можно получать покрытия сложного состава (например, оксикарбиды), многослойные или переменного по толщине состава.

  Разработаны методы нанесения алмазоподобных пленок с очень высокой твердостью [31]. Образование покрытий" при использовании реактивных (плазмохимических) процессов происходит в неравновесных условиях. Благодаря этому в тонких слоях могут образовываться химические соединения, по составу, структуре и свойствам сильно отличающиеся от наблюдаемых для объемных материалов (получаемых в условиях, близких к равновесным)»

Ряд разработанных методов ионного нанесения покрытий уже находит применение в промышленности. Успешно используется ионное азотирование. Стойкость неперетачиваемого инструмента "из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, а также штампового инструмента и оснастки повышается в несколько раз при ионном реактивном нанесении тонких слоев (до 10 мкм) некоторых тугоплавких веществ (карбидов, нитридов, оксидов, оксикарбидов). Высокими антифрикционными свойствами обладают покрытия из MoS₂ без связующего, наносимые с помощью катодного распыления [18].

  Газотермические покрытия. Часть газотермических методов — газопламенных и электродуговой металлизации — хорошо известна и достаточно широко применяется. Плазменное и детонационное нанесение покрытий является одним из наиболее перспективных направлений порошковой металлургии. Сопротивление износу и коррозии деталей из обычных конструкционных материалов может быть многократно увеличено при незначительном расходе порошковых материалов.

  При плазменном нанесении покрытий [8, 40, 90] материал плавится и распыляется струей дуговой низко температурной плазмы, состоящей из электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. Ионизированный поток газа характеризуется высокими температурами (5000—10 000°С) и относительно невысокими скоростями (до 250 —600 м/с). В качестве рабочего газа чаще всего применяют аргон. Поскольку струя плазмы захватывает воздух, напыление активных по отношению к кислороду материалов осуществляется в камерах, предварительно заполняемых инертным газом. Получили развитие и другие методы нанесения покрытий в «динамическом» вакууме.

  Плазменные покрытия имеют сложную арочную структуру. Пористость покрытий колеблется в пределах 2— 15%. Плазменными методами можно наносить покрытия практически из всех материалов. Плакированные порошки позволяют включать в состав покрытий даже недостаточно стабильные при нагреве материалы (например, MoS₂).

  Высокая температура и энергия плазмы позволяют с успехом использовать плазменный метод для нанесения покрытий из всех тугоплавких материалов (за исключением сублимирующихся и интенсивно разлагающихся при температуре нанесения), отличающихся высокой энергией связи в кристаллической решетке и вследствие этого высокой твердостью. Наносимые покрытия отличаются высокой износостойкостью (табл. 22).

При детонационном способе нанесения покрытий [5, 55, 76, 90] в канал открытого с одного конца ствола через смеситель подается порция газовой смеси, способной детонировать при зажигании, и порция порошка наносимого материала. С помощью запального устройства инициируется взрыв газовой смеси. Напыляемый материал нагревается, ускоряется и выбрасывается на поверхность детали. В результате взрыва смеси горючего газа (обычно ацетилена) и кислорода введенные в газ частицы напыляемого материала разогреваются (не выше 2850 С) и разгоняются до очень высоких скоростей (примерно до 1000 м/с). При ударе частиц, обладающих высокой кинетической энергией, о твердую поверхность освобождается большое количество теплоты и их температура может достигать 4000 °С.

  Плазменный способ обеспечивает нагрев частиц до более высоких температур, чем детонационный. Ограничения по температуре при детонационном способе нанесения покрытий компенсируются более высокой кинетической энергией частиц, что позволяет наносить и тугоплавкие материалы. Благодаря высоким скоростям напыляемых частиц детонационные покрытия по сравнению с плазменными и тем более обычными газопламенными имеют более высокие плотность (98— 99 %) и прочность сцепления с основой. Существенным преимуществом детонационного метода по сравнению с газопламенным и плазменным является его дискретность, а вследствие этого и меньшая теплонапряженность. Нагрев обрабатываемой детали в процессе напыления может не превышать 200 °С.

  Освоено нанесение детонационным методом покрытий самого разнообразного состава: твердосплавных с использованием различных карбидов (вольфрама, хрома) и связок (Со, Ni, Ni+Cr); оксидных (из оксидов алюминия, титана и хрома), металлических. Это позволяет многократно повышать износостойкость деталей машин и инструмента.

  Детонационные покрытия за рубежом нашли широкое применение, особенно в авиации. Фирмой Юнион Кар-байд, являющейся „монополистом в капиталистических странах по нанесению покрытий детонационным методом, разработаны покрытия, состав и свойства которых приведены в табл. 23.

  Нанесение детонационных покрытий позволяет многократно увеличивать износостойкость деталей машин (табл. 24).

  Лазерные методы модифицирования и легирования поверхностных слоев. Значительные возможности повышения износостойкости поверхностей появились с разработкой промышленных лазеров [16, 23, 38, 104]. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера (до 10 Вт/см²) возможен быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя металла, вплоть до его расплавления. Последующий быстрый отвод теплоты в объем металла приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твердости и износостойкости. (Процессы, происходящие в поверхностном слое, а следовательно, и его свойства определяются мощностью и длительностью действия лазерного луча.) Можно также осуществлять легирование поверхностного слоя [38] предварительным нанесением каким-либо способом слоя легирующего компонента на поверхность с последующим расплавлением лучом лазера, а также наносить покрытия введением порошка напыляемого материала в луч лазера. Накоплен достаточно большой опыт лазерного упрочнения деталей из сталей и чугунов. В табл. 25 и 26 приведены сведения о повышении износостойкости сталей в результате лазерной закалки (в сопоставлении с другими методами упрочнения).

  Электроискровые покрытия. Метод электроискрового легирования основан на переносе материала электрода (преимущественно материала анода) при импульсном искровом разряде в газовой среде на обрабатываемую поверхность [100]. Для нанесения электроискровых покрытий применяют вибрирующие электроды. В Болгарии был разработан способ упрочнения вращающимся электродом. В СССР для нанесения покрытий применяют ручные и механизированные установки (типа ЭФИ и др.).

  При нанесении металлических покрытий в материале основы сохраняется' исходный фазовый состав. При легировании соединениями (металлопо-добными) происходит, как правило, химическое взаимодействие с материалом основы с образованием химических соединений элементов, входящих в наносимый материал, с элементами основы. Нанесение электроискровых покрытий существенно повышает износостойкость и антифрикционность поверхностей. В табл. 27 и 28 приведены значения относительной износостойкости электроискровых покрытий [100], установленные при испытаниях по методике М. М. Хрущева и М. А. Бабичева [91 ] (изнашивание по электрокорундовой шкурке).

  При гидроабразивном изнашивании в результате электроискрового легирования существенно повышается износостойкость сталей (табл.29). Разгаростойкость поверхностей после электроискрового легирования также значительно возрастает (табл. 30).

  Области целесообразного применения электроискрового легирования достаточно   многообразны.   Однако   дискретность   и   пористость покрытий, небольшая толщина, низкая производительность, высокая шероховатость обработанных поверхностей, остаточные напряжения растяжения препятствуют широкому их внедрению-

  Электроискровое легирование применяется для увеличения надежности деталей машин, приборов и механизмов, инструмента (режущего и деформирующего), кокилей для литья металлов, а также для размерного восстановления деталей машин.

  Гальванические покрытия. Гальваническими методами можно наносить покрытия из металлов, сплавов и композиционных материалов [9, 24, 101, 104].

  Введение в состав покрытий на основе хрома, железа и никеля частиц других материалов (КЭП) существенно повышает их триботехнические свойства [19, 24]. Введение порошков карбидов, оксидов, боридов, алмаза и т. п. позволяет существенно повысить износостойкость покрытий; введение халькогенидов, графита, полимеров антифрикционность покрытий. Технология электролитического осаждения позволяет получать покрытия с содержанием частиц до 40 % и толщиной до 100 мкм.

  В покрытия вводят карбиды (WC, TiC, ZrC, HfC, SiC, B₄C), бориды (TiB₂, ZrB₂, HfB₂, TaB₂), силициды (TaSi₂), нитриды (BN, Si₃N₄), оксиды (A1₂0₃, Cr₂0₃, Si0₂, Zr0₂, Th0₂), сульфиды (MoS₂, WS₂).

  При одновременном введении в покрытие частиц с высокой твердостью и частиц твердой смазки износостойкость и антифрикционные свойства повышаются. Наилучшими триботехническими свойствами обладают композиционные покрытия на основе никеля. В табл. 31 приведены значения износостойкости для ряда композиционных никелевых покрытий. Значения коэффициента трения существенно снижаются при введении, а состав покрытия даже небольшого количества твердой смазки (около 1 % MoS₂).

  Химико-термические методы модифицирования поверхностных слоев 27, 42, 54, 81, 101, 107] металлов и сплавов сочетают в себе одновременное термическое и химическое воздействия с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя. Осуществляются они в результате- диффузионного насыщения металла или сплава неметаллами С, N, В, Si и др. или металлами А1, Сг, Zn и др. (раздельного и в ряде методов совместного) в определенном температурном интервале в активной (или специально-активируемой) среде.

  Для повышения износостойкости и долговечности деталей из сталей широко применяется цементация (науглероживание), нитроцементация (цианирование, карбонитрация) и азотирование. В меньшей степени применяется насыщением бором и кремнием, а также металлами (О, А1 и др.). Выбор того или иного способа насыщения и диффундирующего элемента (элементов) осуществляется с учетом требований, предъявляемых к свойствам модифицированной поверхности, вида производства, размеров обрабатываемых

деталей, требуемой толщины получаемого слоя и т. п.

  В табл. 32 в качестве примера приведены значения относительной износостойкости сталей 45, 10 и У8 после различных видов химико-термической обработки.