Газотермическое напыление: применение в технике и художественной обработке материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет»

ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Носова»

Технологический факультет

Кафедра общетехнических дисциплин 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

Реферат

на тему: Газотермическое напыление: применение в технике и художественной обработке материалов.

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

 Выполнил: студент 3 курса 32 группы

технологического факультета

Дисенбаева А.М.

  Проверил: к. п. н., профессор

                                 Лешер В. Ю.

 

 

Магнитогорск, 2014

Содержание

4
8
17
18
21
27
30
31
32

Введение

История возникновения и развития технологии напыления

Классификация напыления

Сравнение методов

Преимущества и недостатки технологии напыления

Технологические особенности газотермических методов    напыления. Классификация процессов газотермического напыления покрытий

Виды установок напыления

Применение

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Напыление представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частицы порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающиеся на основном металле при ударном столкновении с его поверхностью [1].

В ряду современных способов поверхностной обработки материалов напыление занимает особое место. Напыление имеет отличительные особенности, знание которых необходимо для правильного выбора технологии нанесения покрытий для каждого конкретного случая. Для выбора оптимального способа нанесения покрытия необходимо учитывать форму и размеры изделий; требования, предъявляемые к точности нанесения покрытия, его эксплуатационным свойствам; затраты на основное и вспомогательное оборудование, наплавочные материалы и газы, на предварительную и окончательную обработку покрытий; условия труда и другие факторы производственного и социального характера.

Существующую технологию напыления в зависимости от применяемого источника тепловой энергии можно разделить на два основных вида: газопламенное напыление, при котором используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горючего газа с кислородом, и электрическое напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги.

 

 

 

 

 

 

 

История возникновения и развития технологии напыления

История напыления насчитывает уже десятки лет, в течение которых совершенствовался способ упрочнения деталей машин, разрабатывались новые источники нагрева, имеющие высокие энергетические характеристики; создавалась аппаратура для непрерывной подачи напыляемого материала в виде проволоки или порошка; разрабатывалось и изготовлялось комплектное оборудование, типы и модификации которого к настоящему времени стали достаточно многочисленными [1].

Первые газотермические покрытия были получены в начале XX в. М.У. Шоопом, который распылил расплавленный металл струей газа и, направив этот поток на образец - основу, получил на ней слой покрытия. По имени автора, этот процесс называли шоопированием и он был запатентован в Германии, Швейцарии, Франции и Англии. Конструкция первого газопламенного проволочного металлизатора Шоопа относится к 1912 г., а первого электродугового проволочного металлизатора - 1918 г.

До истечения срока действия основного патента, взятого М. Шоопом, фундаментальных исследований по разработке технологии и установлению границ применения процесса не проводили. Вследствие этого процесс очень мало применяли в промышленности. В первые годы после появления способа специалисты часто отклоняли этот процесс в целом. По-видимому, это вызывалось в основном незнанием границ его применения, отсутствием обоснованных технологических режимов и недостаточно надежной (безопасной) работой газовых металлизационных аппаратов. В первых аппаратах смешение горючего газа и кислорода происходило непосредственно по выходе газов из сопла. Горючий газ и кислород подавали под равным давлением. При неточной работе редукторов происходило перетекание кислорода в ацетиленовые шланги и наоборот. Обратные удары пламени часто вызывали воспламенение шлангов, и даже взрывы баллонов. Для уменьшения этой опасности создавали различные устройства, позволяющие регулировать давление, но использовали это только для сварочных горелок, а не для металлизационных аппаратов.

С 1952 г. выпускаются только инжекторные газовые аппараты, безопасные от обратных ударов пламени. Способ напыления металлов вначале применяли для защиты от коррозии. Во Франции, например, уже в 1920 г. более крупные стальные конструкции напыляли цинком. Значительно позднее установили, что в целях повышения износостойкости возможно напыление сталью опорных частей валов. Впервые такую работу провели в 1936 г. Металлизация втулок и подшипников скольжения была осуществлена в 1941 г. Напротив, нанесение металлических покрытий для декоративных целей и экранирования применялось уже с момента появления процесса. Керамические изоляторы высокого напряжения уже в 1918 г. покрывались медью и алюминием. После 1945 г. было проведено много фундаментальных исследований, сконструированы новые безопасные в работе и производительные аппараты и разработаны технологические режимы. К 1950 г. это вызвало во многих странах стремительное развитие техники металлизации [2].

В отечественной промышленности газопламенную металлизацию стали применять с конца 20-х годов. В конце 30-х годов она была успешно заменена электродуговой металлизацией. Аппаратуру для электродуговой металлизации создали Н.В. Катц и Е.М. Линник.

Создание в конце 50-х годов надежной техники генерирования низкотемпературной плазмы, позволило разработать первые плазмотроны для нанесения покрытий из проволоки и порошков. В начале 60-х годов ВНИИ Автогенмаш, НИАТ, ИМЕТ им. А.А. Байкова АН СССР, учебные вузы МАТИ им. К.Э. Циолковского, Ленинградский политехнический институт им.М.И. Калинина и МВТУ им. Н.Э. Баумана создали и выпустили первые отечественные плазмотроны и установки для нанесения покрытий. В настоящее время это один из наиболее развитых процессов плазменной обработки позволяющий не только упрочнять поверхность конструкционных материалов, но и дающий возможность создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами.

Плазменное напыление резко повысило качество газотермических покрытий, поскольку, появилась возможность в широких масштабах управлять энергетикой процесса и создавать покрытия, практически из любых материалов. Однако, без развития теории образования газотермических покрытий невозможно управлять этим процессом и оптимизировать технологию. Обычно, исследуют свойства покрытия в целом и определяют его некоторые служебные характеристики. Однако, такой подход не позволяет выявить природу и дать оценку физико-химическим явлениям, образования покрытия, а также его прочному сцеплению с основой [2].

В 60-х годах в ИМЕТе им.А. А. Байкова АН СССР под руководством академика Н.Н. Рыкалина В.В. Кудиновым, М. X. Шоршоровым и другими были проведены исследования, в основу которых были положены принципы анализа пространственно-временной структуры формирования газотермических покрытий и развития тепловых и динамических процессов, сопровождающих удар, растекание и кристаллизацию напыляемых частиц. Одновременно с использованием современных методов исследования - оптической и электронной сканирующей микроскопии, фазового рентгеновского анализа, электронографии, электрофизических измерений, методов селективного травления, определяли энергетические условия и кинетику развития процессов образования покрытия. Эти работы составили основу современной теории формирования газотермических покрытий. Главной частью теории являются представления о контактном взаимодействии частиц при образовании напыленного покрытия, а также оценка условий распыления и переноса материалов от источника распыления на поверхность изделия. Теория дает определенные представления об образовании покрытий и объясняет их основные свойства. При этом предложен ряд критериев, позволяющих оценивать термические, энергетические и физико-химические условия контактного взаимодействия частиц, которое приводит к образованию слоя покрытия и его прочному сцеплению с напыляемой поверхностью. Эти критерии дают возможность рассмотреть с единых позиций и обосновать как технологию, так и способы газотермического напыления. Кроме того, они помогают находить оптимальные режимы напыления, а также "конструировать" покрытия сложного состава, используя для этой цели материалы с различными физико-химическими и механическими свойствами. Такие многокомпонентные покрытия обладают комплексом свойств, которым не отвечают эти материалы в отдельности.

Одним из специальных видов газопламенного напыления является напыление, при котором используется энергия взрыва (детонация) ацетилено-кислородной смеси. Детонационный метод позволяет наносить покрытия из тугоплавких материалов.

Самой популярной и старой разновидностью электрического напыления является дуговая металлизация. Ранее при такой металлизации использовали дугу, горящую на переменном токе, что не позволяло получать устойчивый процесс распыления проволоки. В настоящее время для создания дуги в электрометаллизаторах используют постоянный ток, обеспечивающий лучшую стабильность процесса нанесения покрытия. Разработанный в последнее время способ электроимпульсного нанесения покрытий дал хорошие результаты при нанесении покрытий на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин. В настоящее время этот метод продолжают совершенствовать.

В процессе больших качественных и количественных изменений, происходящих в современном промышленном производстве, напылению суждено стать одной из перспективнейших технологий, широкое применение которой будет сопровождаться повышением производительности оборудования для нанесения покрытий с оснащением его средствами механизации и автоматизации.

В качестве исходных материалов для напыления используют металлическую проволоку, керамические прутки, порошковые металла и сплавы, порошковые керамические материалы. Увеличение многообразия форм и видов напыляемых материалов, радикальное повышение их качества сопровождалось постепенным повышением и качества самих покрытий, получаемых напылением. Современный уровень технологии напыления позволяет осуществлять восстановление и упрочнение деталей машин и механизмов порошковыми композиционными материалами и получать специальные покрытия, обладающие уникальными свойствами.

Таким образом, напыление развилось в особую технологию поверхностной обработки материалов, отличающуюся большим своеобразием и областями применения [2].

 

Классификация напыления

Газотермическое напыление – это комплекс современных, хорошо отработанных методов нанесения функциональных, восстановительных и декоративных покрытий из широчайшего спектра материалов (рис. 1).

Рисунок 1. Процесс газотермического напыления — газопламенное напыление.

 

Под газотермическим напылением (Thermal Spray Coating) понимают совокупность процессов, при которых напыляемый материал расплавляется, диспергируется (распыляется) и переносится на обрабатываемую поверхность посредством газовой струи. При ударе о поверхность, частица напыляемого материала мгновенно остывает (скорости охлаждения могут достигать миллиона градусов в секунду) и деформируется, плотно сцепляясь с ней. Из-за этого, газотермические покрытия имеют ленточную или планарную ультрамелкозернистую микроструктуру. Покрытие также может содержать поры, а в случае напыления металлов – частицы их оксидов и нитридов.

Напыляться могут как металлы и сплавы, так и неметаллические соединения, карбиды, оксиды, стекла, керамики и полимеры, а также композиционные материалы. В принципе, данным способом можно напылить любой материал, который не разлагается при нагреве до температуры плавления. В роли подложки могут выступать металлы, керамики, древесина или пластмассы.

 Нанесение газотермических  покрытий практикуется в промышленности  около 100 лет, однако за последние 20 лет в данной области произошли существенные изменения, выдвинувшие эти технологии на новый уровень возможностей. Подобные изменения были вызваны усовершенствованием технологического оборудования и технологии производства исходных материалов для напыления, внедрением новейших систем автоматизации и контроля качества [2].

Процессы газотермического напыления принято классифицировать по природе источника тепловой энергии (рис.2) В установках газопламенного, высокоскоростного и детонационного напыления, источником энергии является тепло, выделяемое при химической реакции горения топливного газа. В процессах электродугового и плазменного напыления, источником энергии является электрическая дуга. Рассмотрим подробнее каждый из методов газотермического напыления.

Рисунок 2. Классификация

 Газоплазменное напыление (Combustion Flame Spraying)

Газопламенное напыление осуществляется с помощью специальной горелки, в которую вдувается воздух (или кислород) и горючий газ (ацетилен, пропан, водород или др.) В зону горения подается напыляемый материал, который расплавляется пламенем горелки, распыляется и переносится газовой струей на обрабатываемую поверхность. Процессы газопламенного напыления создают покрытия с относительно высокой пористостью (5-12 %) и невысокой адгезией к подложке. Это обусловлено малой скоростью газовой струи (около 50 м/с). Температура пламени ограничивает спектр материалов, которые могут быть распылены газопламенным способом.

 Напыляемый материал может  подаваться в распылитель в  виде стержня, проволоки, порошка  или шнура. Металлические материалы, как правило, используются в виде гибких проволок, что очень удобно и обеспечивает непрерывность процесса. Керамические материалы – в виде порошков или специальных спеченных прутков. Существенным недостатком при использовании прутков является нарушение непрерывности процесса.

 При использовании для напыления  многокомпонентных порошков, возможно  нарушение однородности свойств  покрытия, вызванное сегрегацией (расслоением) порошков. Данная проблема устраняется  использованием гибких шнуровых материалов, состоящих из того же порошка, удерживаемого гибкой связкой. При распылении материал связки полностью испаряется и на подложку оседает только материал порошка.