з урахуванням екологічної безпеки процесу.

ІВ 2012

Методичні вказівки до практичних занять з дисципліни “НАНЕСЕННЯ ПОКРИТЬ» для студентів базового напрямку 050504 «Зварювання» / Укл. Г.М.Лукіна. 2012р. - 21с. Львів; НУЛП

Укладач: Г.М.Лукіна, канд.техн.наук, доц.

рактичне заняття №1.

ВИЗНАЧЕННЯ ВИДІВ ЗНОШУВАННЯ ТА РУЙНУВАННЯ ДЕТАЛЕЙ

МЕТА РОБОТИ: систематизувати знання про види зношування та руйнування поверхні деталей, а також причини їх виникнення, отримати практичні навички по визначенню видів зношування.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Зношування - це процес руйнування і відокремлення матеріалу з поверхні твердого тіла та збільшення його залишкової деформації, який проявляється у поступовій зміні розмірів та форми тіла внаслідок дії на нього середовища або іншого тіла. Якщо механічна дія виявляється у вигляді сили тертя, то кажуть про зношування під час тертя. Формування поверхні, яка зношується, відбувається як результат накладання різних за інтенсивністю і видами елементарних актів руйнування, так і зміни фізико-механічних властивостей матеріалу під дією зовнішніх факторів (середовище, температура, тиск, вид тертя, швидкість переміщування поверхонь тощо). Сукупність явищ під час процесу тертя визначає вид зношування та його інтенсивність.

Внаслідок різних умов експлуатації види зношування деталей надзвичайно різноманітні, але їх класифікація необхідна для розробки відповідних методів підвищення зносостійкості та нанесення покрить. Оскільки деталь, як правило, одночасно зношується під дією різних процесів, важливе значення у питанні класифікації має положення про провідний і супутні види зношування. Провідний вид - це процес, який переважає за своїм якісним і кількісним виявленням у загальній сукупності з іншими (супутніми) процесами зношування поверхонь тертя. Класифікація видів зношування згідно з ГОСТ 27674-88 наведена у табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Класифікація видів зношування

Ознака класифікації	Вид зношування
Зовнішнє тертя	Тертя без змащувального матеріалу
Тертя зі змащувальним матеріалом
Механічне зношування	Абразивне зношування
Гідроабразивне (газоабразивне) зношування
Кавітаційне зношування
Втомне зношування
Зношування при фретингу
Корозійно-механічне зношування	Окислювальне зношування
Зношування при фретинг-корозії
Електроерозійне зношування	Зношування при дії електричного струму
Гідроерозійне (газоерозійне) зношування	Зношування при дії придії потоку рідини (газу)

• тертя без змащувального матеріалу|змащування|;

• тертя зі змащувальним матеріалом;

Тертя зі змащувальним матеріалом, в свою чергу, поділяється на граничне тертя та рідинне тертя.

Тертя без мастила|змащування| зустрічається в гальмах, фрикційних передачах, ремінних передачах, що працюють насухо, деталях машин, де подання мастила недопустиме за умов технологічного процесу (харчове, текстильне обладнання та інше). При такому виді тертя має місце найбільший знос елементів пар тертя.

Руйнування поверхонь тертя, що виявляється візуально або під мікроскопом, відбувається|походить| у вигляді окремих елементарних процесів, поєднання яких залежить від матеріалів і умов тертя. Елементарні види руйнування поверхонь тертя наступні|слідуючі|:

Глибинне виривання виникає при відносному русі тіл, коли спай, що утворився унаслідок|внаслідок| їх молекулярної взаємодії, міцніший одного або обидвох матеріалів. Руйнування відбувається|походить| в глибині одного з тіл. Поверхні руйнування у|біля,в| пластичних матеріалів є виступаючими витягнутими по напряму|направленню| руху гребенями і конусами, що звужуються в глиб матеріалу. Прилеглі до місць|місце-миль| вириву ділянки пластично деформуються більшою чи меншою мірою. Вирваний матеріал залишається на зв'язаній поверхні. Це одна з причин перенесення|переносу| матеріалу при терті.

Продукти зношування беруть участь в процесі зношування як проміжне середовище|середа| між поверхнями тертя. Взаємне впровадження, глибинне виривання, адгезія, заклинювання і впресовуввання| продуктів зношування зумовлюють перенесення|перенос| матеріалу з однієї поверхні тертя на іншу.

Абразивним зношуванням називається механічне зношування деталей внаслідок ріжучого або подряпуючого впливу твердих тіл або твердих абразивних частинок. Абразивні частки можуть бути природного або штучного походження, повинні мати геометричну форму і твердість достатню для мікрорізання поверхні. Зношування металу абразивними частками невисокої твердості пояснюється тим, що зерно випуклою поверхнею або гострим ребром може бути вдавленим, навіть без пошкоджень, у плоску поверхню більш твердого тіла.

Абразивне зношування викликають ґрунти, руда, вугілля, попіл, пил, які потрапили на поверхню тертя, а також металева стружка, нагар, продукти зношування, особливо частки твердих структур і оксидних плівок, так як твердість оксидів більшості металів перевищує твердість самого металу.

Абразивними частками можуть бути:

1) нерухомо закріплені тверді зерна, які входять у контакт по дотичній або під невеликим кутом атаки до поверхні деталі (наприклад, шаржування твердими частками м'яких антифрикційних матеріалів);

2) незакріплені частки, які входять у контакт з поверхнею деталі (наприклад, абразивні частки у ґрунті);

3) вільні частки у зазорі контактуючих деталей;

4) вільні абразивні частки, які переносяться потоком рідини або газу.

Основна дія абразивних часток полягає у подряпуванні (пластичному витісненнні) металу поверхні. Вдавлена частка при ковзанні відтісняє перед собою і в сторони матеріал, залишаючи подряпину (риску). Остання обривається при виході із зони фактичного контакту, коли частка роздробиться або вирве тверду складову; коли частку буде винесено із зони тертя. Дно канавки при цьому наклепується. Поверхня тертя вкрита подряпинами у напрямку ковзання, а між подряпинами розташовується наклепаний матеріал, який витримав багаторазову пластичну деформацію, вичерпав здатність до пластичного деформування і схильний до крихкого руйнування.

При ударно-абразивному зношуванні час взаємодії поверхні з абразивною часткою дуже малий і теплота, внаслідок пластичного деформування, не встигає розповсюдитися у глибину металу. Значний місцевий нагрів змінює механічні властивості матеріалу, не виключені також структурні перетворення, а удари абразивних часток розхитують структурні складові поверхні і сприяють їх руйнуванню. Для ударно-абразивного спрацьовування характерно утворення на поверхні тертя лунок внаслідок локальної пластичної деформації.

Абразивного зношування зазнають деталі сільськогосподарських, дорожньо-будівельних, транспортних машин, вузли металургійного обладнання, металорізальних верстатів, бурове обладнання нафтової і газової промисловості тощо.

Гідроабразивне (газообразивне) зношування - це абразивне зношування внаслідок дії твердих часток, які переносяться потоком рідини або газу. Воно характерно для робочих коліс і напрямних апаратів гідравлічних турбін, лопаток газових турбін, парових котлів, труб і насосів, підшипників гребних валів, обладнання нафтової і газової промисловості та інших.

Гідроерозійне (газоерозійне) зношування - це зношування поверхні матеріалу внаслідок механічної дії високошвидкісного потоку рідини (газу). Кожен вид ерозії має підвиди, які є комбінацією окремих видів. Наприклад, гідроерозія може бути гідроабразивною, кавітаційно-ерозійним зношуванням тощо. Ерозійний вплив високошвидкісного потоку рідини або газу складається із тертя суцільного потоку та його ударів по поверхні. Тертя веде до розхитування і вимивання окремих об'ємів матеріалу, але швидкість зношування у цьому випадку дуже мала. Більша роль належить динамічній дії потоку. В залежності від властивостей матеріалу можливі видриви окремих об'ємів або груп зерен з орієнтацією, несприятливою до діючих сил. У пластичних матеріалах спочатку накопичуються мікропластичні деформації окремих ділянок, а коли здатність до зміцнення вичерпується, ці ділянки руйнуються і вимиваються. Рідина (пар) під час ударів в утворені мікротріщини розводить її стінки подібно до клину. Ерозія посилюється внаслідок вихроутворення біля поверхневих пошкоджень та ударної дії потоку.

Ерозійне спрацьовування відбувається на поверхнях елементів гідравлічних і парових систем, поршневих кілець авіаційних двигунів, лопатках компресорів газотурбінних двигунів тощо.

Кавітаційне зношування виникає тоді, коли у потоці рідини, що рухається, існують перепади тиску і відбувається явище кавітації. Це явище полягає в тому, що при звуженні або наявності перешкод швидкісному потоку тиск може впасти до значення, яке відповідає тиску пароутворення при даній температурі. При цьому, залежно від опору рідини розтягу, можливі розриви суцільного потоку. Утворена порожнина (каверна) заповнюється паром і газами, які розчинені у рідині. Утворені бульбашки переміщуються разом із потоком і попадають у зони високого тиску. Пар конденсується, гази розчиняються і бульбашки зхлопуються. В утворенні порожнини з великим прискоренням спрямовується рідина і відновлення суцільності потоку супроводжується гідроударом. Якщо каверни зхлопуються у поверхні деталі, то рідина з великою швидкістю вдаряю по поверхні, утворюючи великі тиск і температуру. Кавітаційні бульбашки можуть вирости за 0,002 с до 6 мм у діаметрі і зруйнуватись за 0,001с. Багаторазові повторні удари на окремих мікроділянках ведуть до наклепу, місцевого руйнування і утворення заглиблень. При відносних коливаннях твердого тіла і рідини тиск у рідині на межі розподілу може також зменшуватись, що призведе до дії вібраційної кавітації.

Кавітаційне зношуванняспостерігається у лопаток гідравлічних турбін і насосів, гребних гвинтів, гідромоніторах тощо; вібраційна кавітація спостерігається, наприклад, на зовнішніх поверхнях гільз двигунів внутрішнього згоряння.

Втомне зношування виникає внаслідок багаторазової пластичної і пружної деформації матеріалу. Цей процес має прихований (латентний) період, на протязі якого відбувається накопичення пошкоджень. Тріщини від утоми виникають на дефектах структури і, внаслідок повторної дії на поверхню тертя, вони збільшуються кількісно і по глибині на окремих ділянках поверхні. Достатньо 10⁸ - 10⁹циклів для руйнування матеріалу навіть при дуже малих напруженнях. Первинні осередки можуть розташовуватись на деякій відстані від поверхні контакту у зоні максимальних дотичних напружень. Поверхня тертя при спрацьовуванні від утоми має вигляд глибоких боріздок (ямок) з крутими стінками.

Багато деталей тертя, які працюють при достатньому змащуванні і помірних температурах, мають гладку поверхню без подряпин, відсутні помітні сліди переносу металу із сполученої поверхні. В цих умовах руйнування поверхні відбувається внаслідок диспергування (подрібнення) стичних матеріалах спочатку накопичуються окремих ділянок контакту. Інтенсивність цього механізму спрацьовування невелика, а шорсткість поверхні деталі мала. У мікроскопі помітні риски у напрямку руху, як результат взаємного вдавлення на ділянках контакту сполучених поверхонь. Процес спрацьовування відбувається таким чином: на ділянках фактичного контакту матеріал зазнає багаторазову пружню і пластичну деформацію, що веде до розрихлення в окремих місцях структури матеріалу з наступним відокремленням невеликих блоків.

Втомного зношування внаслідок диспергування зазнають валки різних агрегатів і сполучені з ними підшипники, поршневі пальці шатунів, пари тертя паливної апаратури, добре змащуванні шарнірно-болтові з'єднання тощо.

Зношування при заїданні - це механічне зношування внаслідок схоплювання, глибинного виривання матеріалу, переносу його з однієї поверхні на іншу і дії нерівностей, які виникають, на сполучену поверхню. Схоплювання (явище місцевого з'єднання двох твердих тіл) відбувається внаслідок когезії, молекулярної взаємодії поверхонь, не захищених плівкою, коли не виконується правило додатного градієнту дотичного опору матеріалу поверхні. При цьому утворюються міцні металеві зв'язки, вузли схоплювання. Необхідною умовою глибиного виривання при наявності мастила є розрив мастильної плівки. Це відбуваємся під дією високої температури при пружній деформації поверхневих шарів, при наявності значної пластичної деформації або при сумісній дії підвищеної температури і пластичної деформації. Схоплювання від мікроскопічних пошкоджень поступово переходить до локалізованого руйнування поверхневого шару і до глибинного виривання. Заїдання з'являється|появляється| при великому відносному тиску|тисненні| і швидкостях ковзання спряжених поверхонь, на яких утворюються широкі і глибокі борозни з|із| крупними наростами і можливим оплавленням поверхні.

Заїдання - найбільша форма виявлення схоплювання, коли утворюються широкі і глибокі борозни з нерівними краями, великі нарости, можливе сплавлення поверхні. Може відбутись повне заклинювання деталей. Заїдання спостерігається у важко навантажених підшипниках ковзання, зубчатих передачах, у золотникових парах, шарнірних з'єднаннях, деталях циліндропоршневої групи двигунів, у напрямних верстатів, різьбових з'єднаннях тощо.

Корозійно - механічне зношування - це зношування внаслідок механічної дії, яка супроводжується хімічною взаємодією матеріала із середовищем.

Окислювальне зношування -це корозійно-механічне зношування, яке відбувається в тому випадку, коли на сполучених поверхнях утворюються плівки оксидів, які в процесі тертя руйнуються і знову утворюються. Продуктами зношування є оксиди. Таким чином, окислювальне зношування - це зношування окисних плівок, які знову відновлюються. В деяких випадках тертя суттєво прискорює інтенсифікує процес окислення, чому сприяють деформування матеріалу і високі температури. Інтенсивність зношування може бути високою, але поверхні тертя мають малу шорсткість, достатньо блискучі, оскільки оксиди заважають схоплюванню поверхонь.

Від інших видів корозійно-механічного спрацьовування окислювальне відрізняється відсутністю агресивного середовища. Воно відбувається при нормальних і підвищених температурах при сухому терті або недостатній кількості мастила. Для окислювального спрацьовування потрібен циклічний характер роботи пари тертя, при якому проміжок часу між послідовними руйнуваннями оксидних плівок буде достатнім для утворення плівки відносно великої товщини. У випадку циклічного руйнування оксидів значної твердості спрацьовування може носити характер абразивного. Окислювального спрацьовування зазнають калібри, деталі шарнірно-болтових з'єднань механізмів керування, підшипники сухого тертя; з'єднання фрикційних передач, що працюють без мастила тощо.

Зношування при фретінг-корозії - корозійно-механічне зношування сполучених тіл при малих відносних коливальних переміщеннях з амплітудою вад 0.025 мкм до 2.5 мм. Руйнування полягає в утворенні на сполучених поверхнях невеликих вибоїн і продуктів корозії у вигляді нальоту, плям і порошку. Цього виду спрацьовування зазнають не тільки вуглецеві сталі, але й, корозійно-стійкі матеріали. Продукти фретінг-корозії сталей і чавунів мають колір від світло-коричневого до темно-коричневого залежно від марок матеріалів, тиску, вологості і частоти циклів мікроколивань. Оксиди, нітриди й гідрати утворюються при руйнуванні практично усіх металів. Механізм фретінг-корозії полягає в тому, що внаслідок дії сил тертя кристалева гратка поверхневих шарів при циклічних мікроколиванях розхитується і руйнується. Процес руйнування відбувається як диспергування поверхні без видалення продуктів спрацьовування через малу амплітуду коливань. Відірвані частки металу окислюються. Додатковим джерелом пошкоджень може бути місцеве схоплювання. Тобто спрощена схема процесу фрет корозія руйнування оксидних та інших плівок - оголення чистого металу і місцями схоплювання - руйнування вузлів схоплювання - адсорбція кисню на оголених ділянках і окислення продуктів спрацьовування. Таким чином при фретінг-корозії у зонах фактичного контакту утворюються невеликі каверни, заповнені оксидами. А так як окислення металу супроводжується збільшенням об'єму (VOK > VMЕT), то зростає тиск окислених часток металу, утворюються тріщини. Деякі тріщини з'єднуються і відбувається відколювання окремих об'ємів металу. Частки оксидів призводять до абразивної дії, тому плями у зонах фретінг-корозії вкриті рисками у напрямку коливань. Пошкодження від фретінг-корозії є концентраторами напруг і знижують межу утоми. Фретінг - корозія відбувається на сполучених поверхнях валів і напресованих на них дисках, колесах, муфтах, підшипниках; на поверхнях шпонок і їх пазів; на поверхнях шліцевих, заклепкових і болтових з'єднань тощо.

Водневе зношування обумовлено наступними процесами, які відбуваються у зоні тертя:

1) інтенсивним відділенням водню внаслідок трибодеструкції (розкладу) мастильних матеріалів, а також водню сталевих і чавунних деталей тертя;

2) адсорбцією водню на поверхнях тертя;

3) дифузією водню і його концентрацією у зоні найбільших температур, яка при терті розташована на деякій глибині від поверхні;

4) особливим характером руйнування поверхні, внаслідок одночасного розвитку великої кількості зародків тріщин з миттєвим утворенням дрібнодисперсного порошку матеріалу.

На поверхнях тертя відсутні вириви, задири, переноси металу. Вони можуть мати блиск і непомітні неозброєним оком риски у напрямку руху. Це характерно для деталей, які працюють в умовах доброго змащування. Водневе зношування руйнуванням має специфічну особливість: поверхневий шар сталевої або чавунної деталі миттєво руйнується на глибині до 1-2 мкм. Це відбувається, коли поверхневий шар накоплює велику кількість водню, що характерно для поверхонь роторів і золотників керосинових насосів, дисків і барабанів пристроїв гальмування.

Вид зношування у першому наближенні можливо визначити за такою зовнішньою ознакою, як вигляд поверхні тертя. Для більш детального визначення необхідний аналіз складу, фізико-механічних властивостей поверхневого шару.

НЕОБХІДНЕ ОБЛАДНАННЯ, ПРИЛАДИ І МАТЕРІАЛИ

1. Стенд із зразками деталей після різних видів зношування

2. Мікроструктура поверхонь тертя

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Провести візуальний огляд зразків та співтавити їх виглядом структури трибоповерхонь.

2. Визначити види спрацьовування за ознаками поверхонь тертя. Заповнити табл.2.

3. Зробити висновки по роботі

Таблиця 2

Деталь	Умови роботи	Характерні ознаки поверхні тертя	Висновки про види зношування

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке зношування?

2. Що таке провідний та супутній види зношування?

3. Дати характеристику зношуванню в парах тертя.

4. Дати характеристику елементарним видам руйнування поверхонь тертя.

5. Охарактеризувати абразивне зношування та навести характерні приклади.

6. Охарактеризувати гідроабразивне зношування та навести характерні приклади.

7. Охарактеризувати газоабразивне зношування та навести характерні приклади.

8. Охарактеризувати гідроерозійне зношування та навести характерні приклади.

9. Охарактеризувати кавітаційне зношування та навести характерні приклади.

10. Охарактеризувати втомне зношування та навести характерні приклади.

11. Охарактеризувати корозійно-механічне зношування та навести характерні приклади.

12. Охарактеризувати окислювальне зношування та навести характерні приклади.

13. Охарактеризувати зношування при фретінг-корозії та навести характерні приклади.

рактичне заняття №2

ВИБІР МАТЕРІАЛУ ПОКРИТТЯ ЗА ЙОГО ФУНКЦІОНАЛЬНИМ ПРИЗНАЧЕННЯМ

Для напилення покриття визначеного функціонального призначення можуть бути використані матеріали різних груп (метали, сплави, оксиди, карбіди, нітриди, полімерні матеріали, механічні суміші матеріалів та ін.). Використання при формуванні покриття матеріалу, що складається з кількох компонентів дозволяє отримувати складні за хімічним та фазовим складом структури, які переводять покриття до розряду композиційних. При виборі складу покриття, поряд із експлуатаційними вимогами потрібно враховувати сумісність його з матеріалом основи та економічні показники застосування матеріалу: його собівартість, коефіцієнт використання тощо.

Під сумісністю розуміють принципову можливість адгезійної взаємодії матеріалів покриття і матеріалу виробу. Крім того, для сумісних покрить фізико-хімічні процеси в процесі експлуатації на межі розділу з основою не ведуть до порушення стабільності вихідного стану композиції. Наприклад, виключається утворення гальванічних пар, крихких фаз та ін. Питання сумісності особливо важливе при створенні захисних покрить і має менше значення при створенні інших типів покрить, наприклад, декоративних.

Зносостійкі покриття. При виборі матеріалу покриття, стійкого до зношування, необхідно враховувати характер взаємодії пари тертя. При всіх поєднаннях матеріалів необхідно прагнути до вибору матеріалу покриття з мінімальним коефіцієнтом тертя. Для напилення покрить, стійких до спрацьовування, придатні багато матеріалів. Покриття повинні мати високу міцність зчеплення з основою і міцність матеріалу покриття (до 100…250 МПа).

Вимоги до пористості неоднозначні – покриття на інструменті, наприклад, повинні мати мінімальну пористість, а покриття, які працюють в умовах змащування (поршневі кільця, гільзи циліндрів та ін.), можуть мати значну пористість, що сягає 10…15 %.

З групи чистих металів часто використовується молібден та хром; серед сплавів –сплави на основі заліза та нівелеві сплави системи Ni-Cr-B-Si-C та ін. При зношуванні добре працюють покриття, які містять тверді частинки та пластичну матрицю, тобто композиційні покритття. Слабкі міцностні зв’язки між окремими частинками покриття ведуть до їх викрошування. Тому створення розвиненого металевого каркасу в покритті за рахунок введення пластичного металевого компонента, підвищує опір зношуванню. Вміст пластичної фази може сягати 30…40 об. %.

Корозійностійкі покриття. Із матеріалів всіх груп формуються також корозійностійкі та жаростійкі покриття. Основним принципом вибору в цьому випадку є мінімізація негативного впливу агресивного середовища, що досягається вибором відповідного матеріалу покриття з урахуванням фізико-хімічних властивостей матеріалу основи та складу і параметрів навколишнього агресивного середовища [1]. Покриття повинні мати мінімальну пористість, особливо наскрізну та відкриту, тобто створювати ефективний бар’єр на шляху дифузії атомів газового середовища до основи і дифузії атомів основи через покриття у зворотньому напрямку. Матеріал покриття повинен мати низьку пружність парів при робочих температурах, слабо взаємодіяти з основою і навколишнім середовищем. Покриття повинне бути механічно сумісним з основою і мати добре зчеплення з нею, тривало працювати без відшарування і руйнування. Для зниження пористості застосовують оплавлення покрить, просочування органічними матеріалами або напилення на поверхню покриття органічних матеріалів, якщо деталь не працює в умовах тертя.

Оксидні покриття Al₂O₃, ZrO₂_,Cr₂O₃ та інші демонструють найвищу корозійні стійкість у максимальній кількості агресивних середовищ, однак вони мають підвищену крихкість та низьку сумісність з металевою основою. Покриття нікелевих самофлюсних сплавів системи Ni-Cr-B-Si мають задовільну корозійну стійкість у більшості агресивних середовищ та відносно легко напилюються.

Жаростійкі покритття. Як жаростійкі матеріали для покрить широко застосовуються сплави Ni, Co, Fe з Cr. Вони мають підвищений опір окисленню при високих температурах через утворення плівки оксиду Cr₂О₃. Оптимальним вважається вміст в сплаві 20…25 % хрому. При цьому спостерігається мінімальна швидкість окислення. Зазначені матеріали стійкі до 1050°С. При підвищенні температури спостерігається окислення Cr₂О₃ до CrО₃. Введення до сплаву 2…6 % алюмінію призводить до наступного утворення при температурі 1000…1200°С оксиду алюмінію Al₂O₃. Робоча температура покрить систем Ni-Cr-Al, Co-Cr-Al, Fe-Cr-Al підвищується до 1150…1200°С. Однак покриття згаданих систем мають низьку термостійкість, бо захисна плівка Al₂O₃ руйнується при циклічній зміні температур через різницю КТР матеріалів покриття та основи.

Збільшення термостійкості можливе при додаванні до сплавів систем Ni-Cr-Al, Co-Cr-Al, Fe-Cr-Al ітрію або рідкоземельних матеріалів (РЗМ) у кількості 0,1…0,5 %. Оксиди Y₂O₃ та YАlO₃, які утворюється у поверхні, є центрами росту захисного дрібнозернистого шару окалини, яка міцно тримається на основі.

Знайшли використання як жаростійкі матеріали інтерметалідні сполуки: алюмініди, силіциди, бериліди. Їх жаростійкість визначається, головним чином, утворенням при високих температурах стабільних оксидних плівок Al₂O₃, SiO₂, BeO, TiAl – до 1000°С. Додавання ніобію, танталу, срібла, кремнію збільшує стійкість TiAl до окислення. Інтерметаліди алюмінію мають висову жаростійкість: NiAl – до 1100…1200°С, NіAl₃ – до 1200…1300°С.

Додаткові вимоги до матеріалу жаростійкого покриття і особливо його конструкції висуваються при необхідності їх роботи в умовах багатократних різких змін температури. У цьому випадку необхідне узгодження КТР матеріалів основи та покриття.

Теплозахисні покриття напилюються із матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності. У багатьох випадках до теплозахисних покриттів висуваються додаткові вимоги по теплостійкості. Найкращі показники, з точки зору забезпечення низької теплопровідності мають оксидні матеріали ZrO₂, Al₂O₃та ін. Важливим фактором є низька вартість ряду промислових оскидів.

Значна різниця в значеннях КТР матеріалів основи і оксидів, а також фазові перетворення, що мають місце при напиленні чистих оксидів (ZrO_2,Al₂O₃), приводять в загальному випадку до виникнення додаткових внутрішніх напружень в покриттях і, відповідно, появи дефектів покриття, а саме розтріскування та відшарування покриття як в процесі формування покриття, так і при експлуатації виробу. Тому отримання теплозахисного покриття не обмежується лише правильним вибором матеріалу. Необхідне конструювання покриття, виходячи з умов його експлуатації. У випадку теплозахисних покриттів це застосування перехідного шару для вирівнювання значень КТР матеріалів основи і покриття та підвищення міцності зчеплення окриття з основою. Як перехідний шар найчастіше використовуються термореагуючі сполуки металоїдного типу, наприклад, NiAl, Ni₃Al та ін. Специфічні вимоги висуваються до структури теплозахисних покриттів. Наявність розвиненої пористості підвищує їх ефективність. Цей факт потрібно враховувати при виборі параметрів режиму нанесення покриття.

Коркові покриття. Якісні параметри коркових покрить визначаються в значному ступені матеріалом основи (моделі). Найпоширені сталеві та керамічні моделі. Найбільш щільне покриття можна отримати використовуючи сталеву модель. Застосування сталевих моделей забезпечує отримання робочої поверхні до ∇9…∇11 класу чистоти, керамічних – на 3…4 класи нижче. Високий клас чистоти робочої поверхні досягається шляхом нанесення покриття на поліровану поверхню сталевої основи.

Напилення на гладку поверхню моделі обумовлює цілий комплекс вимог до технологічних параметрів і режимів напилення. Наприклад, взаємодія матеріалів покриття і моделі повинна забезпечити міцне утримання покриття на моделі в процесі формування всієї товщини покриття і дозволити видаляти модель без руйнування матеріалу покриття. На робочій поверхні формоутворюючої деталі не повинно бути відкритих пор, викришивання та інших дефектів. Напилений матеріал на межі з поверхнею моделі повинен бути максимально щільним. Матеріали для отримання формоутворюючих деталей умовно можна поділити на дві групи:

• матеріали для нанесення робочого шару;

• матеріали для нанесення конструкційного шару.

До кожній із груп матеріалів висуваються свої вимоги. Так, наприклад, матеріали робочого шару повинні бути більш твердими, зносо-, жаро-, корозієстійкими, добре розплавлятися у високотемпературному струмені і формувати щільні покриття. У свою чергу, матеріали конструкційного шару повинні бути більш пластичними і легко піддаватися механічній обробці. З точки зору вартості бажано, щоб матеріали конструкційного шару були більш дешеві, бо їх витрата значно більша порівняно з матеріалами робочого шару. Враховуючи згадані умови, для створення робочого шару можна використовувати порошкові самофлюсуючі хромо- нікелеві сплави типу СНГН, ПГХН80-СР2 (СР3, СР4). Крім високої зносостійкості і твердості, ці сплави мають значну корозійну стійкість і жаростійкість. Завдяки додаванню бору і кремнію сплав набуває здатності до самофлюсовання, добре змочується з поверхнею основи і має порівняно низьку температуру плавлення (980…1080 оС).

Для нанесення робочого і конструкційного шарів використовуються також порошки нікелю, заліза, міді та їх композиції. Залежно від складу композиції в процесі напилення можна отримувати матеріали робочого і конструкційного шарів із заданими фізико-механічними властивостями.

Вибір вихідного виду матеріалу, що застосовується для створення покриття

Для вакуумного конденсаційного напилення покриттів використовується широкий клас матеріалів, в тому числі і композиційних. Вихідний матеріал може бути у вигляді дроту, стрижня, таблеток, дисків та інших форм, які визначаються типом застосованого обладнання. Загальною вимогою є сувора відповідність потрібному хімічному складу за основними легуючими елементами; високий ступінь чистоти за домішками та сторонніми включеннями; мінімальна загазованість.

Для нанесення покрить методами газотермічного напилення використовують матеріали у вигляді: суцільних дротів, порошкових дротів, порошків, стержнів та гнучких шнурів.

При газополуменевому та плазмовому нанесенні покрить найчастіше, а при детонаційному виключно, використовується порошкові матеріали. Вони дозволяють досягати максимальної продуктивності, не мають обмежень за хімічним складом, забезпечують достатньо прогнозовану морфологію отриманого покриття. Серійно випускаються однокомпонентні та композиційні (багатокомпонентні) порошкові матеріали. Можливо використання механічних сумішей порошкових матеріалів. Рівномірне подавання порошкових матеріалів (особливо складної форми і дрібнодисперсних) у зону їх обробки досить складна технічна задача. До того ж, вартість порошкових матеріалів порівняно із дротяними матеріалами того ж хімічного складу – вища. Якщо вибраний для покриття матеріал дозволяє виготовлення дроту, використання дроту може бути найкращим варантом вирішення проблеми. До того ж, як вже згадувалось, коефіцієнт використання енергії, як правило, вищий при напиленні дротяних матеріалів порівняно з напиленням порошкових матеріалів.

Сучасною тенденцією розвитку методів ГТНП є використання для напилення композиційних покриттів порошкових дротів з металевою обольнкою і гнучких шнурів з органічною оболонкою. Електродуговий метод використовує виключно суцільний дротяний матеріал або порошковий дріт із металевою оболонкою. Використання стрижнів на сьогоднішній час обмежено, що пов’язано з багатьма причинами і, не в останню чергу, із складністю їх безперервного рівномірного подавання у зону розпилення.

рактичне заняття №3.

ВИБІР СПОСОБУ НАНЕСЕННЯ ПОКРИТТЯ

Вибір методу і способу нанесення покриття доцільно проводити:

• виходячи із вимог, що висуваються до якості покриття. Високу якість покриття достатньо легко досягти вакуумно-кондесаційними методами напилення. Особливо це стосується способів, де потік частинок (пари) активований плазмою. Серед газотермічних методів нанесення покриття найбільш високу якість забезпечують високошвидкісні методи: детонаційний, надзвукові плазмовий та газополуменевийі. Високі результати досягаються газотермічними методами напилення із захистом робочої зони, наприклад, плазмовим напиленням у динамічному вакуумі;

• враховуючи властивості матеріалу покриття. Вакуумні конденсаційні методи дозволяють отримувати покриття практично любого складу. Номенклатура покриттів, нанесених реакційними вакуумними методами визначається речовинами, які є складовими синтезованого матеріалу покриття. Доцільним є отримання карбідних, нітридних або оксидних сполук. При цьому процес проходить у відповідних середовищах: атмосфері азоту, кисню тощо. При використанні газотермічних методів можливі ускладнення, пов’язані з нанесенням термічно нестабільних сполук. У процесі нагрівання спостерігається часткова дисоціація цих сполук або їх сублімація. Так ведуть себе багато нітридів (TiN, ZrN, AlN та ін), деякі оксиди (міді, заліза та ін) та ряд інших сполук.

Склад матеріалу покриття може суттєво змінюватися внаслідок вибіркового випаровування окремих елементів з високою пружністю пари. Газотермічне напилення на повітрі практично завжди пов’язане з окисленням компонентів матеріалу, який напилюється. При цьому склад покриття може суттєво відрізнятися від вихідного. Збереження вихідного складу матеріалу можливе при загальному або місцевому захисті ділянки нагрівання та прискорення матеріалу, що утворює покриття, і самої зони формування покриття. Такий захист частково здійснюється при використанні нейтральних або інертних робочих газів (плазмові методи напилення) і додатковому захисті зони формування покриття застосуванням захисних насадок, камер тощо. Або використанням складним газових сумішей, які дозволяють змінювати окислювально-відновний потенціал середовища через зміну співвідношення компонентів суміші, наприклад, сумішей горючих вуглеводневих газів із окислювачем.

Альтернативним шляхом є зменшення часу перебування частинок у агресивному середовищі. Цей шлях реалізується при використанні високошвидкісних методів газотермічного нанесення покриття (надзвуквого плазмового, високошвидкісного газополуменевого напилення HVOF та детонаційного напилення);

• залежно від товщини покриття. Суттєвий вплив на вибір методу нанесення покриття має необхідна товщина покриття. Вакуумні методи дозволяють отримувати покриття товщиною від 10^-8 м до кількох мікрометрів. Газотермічні методи нанесення покриття забезпечують мінімальну товщину покриття близьку до діаметру частинок, що формують покриття. Вона дорівнює 10…100 мкм. Максимальна товщина газотермічного покриття принципово не обмежена, але потрібно враховувати накопичення напружень у товстих покриттях, що погіршує показники якості отриманих покриттів, зокрема, міцність зчеплення покриття з основою.

• з урахуванням досягнення максимальної продуктивності. За цим показником газотермічні методи нанесення покриття значно (у десятки разів) продуктивніші за вакуумно-конденсаційні методи. Максимальна продуктивність сучасних плазмових та електродугових установок досягає 50 кг/год за металевим та 25…30 кг/год за керамічним матеріалом. Продуктивність такого ж порядку мають електродугові методи розпилення.

• з урахуванням геометричних розмірів виробу; Вакуумні методи нанесення покриття мають практичні обмеження на розміри виробу, які накладаються розмірами вакуумної камери, у якій проводиться процес нанесення покриття. Сучасні вітчизняні серійні установки вакуумно-конденсаційного нанесення покриття універсального призначення мають розміри вакуумних камер в межах 500×500×1000 мм. Газотермічні методи напилення у відкритій атмосфері таких обмежень не мають. Все визначається типом та можливостями застосованого допоміжного обладнання: маніпуляторів.

• з урахуванням економічних показників процесу. Важливими факторами є енергоємність процесу (коефіцієнт використання енергії) та коефіцієнт використання матеріалу (КВМ).

Ø Плазмові методи забезпечується високі значення КВМ: 0,7…0,25 для дротяних матеріалів та 0,3…0,8 для порошкових. При цьому коефіцієнт використання енергії не перевищує 0,02…0,18 при дротяном напиленні і 0,001…0,2 при порошковому.

Ø Газополуменеві методи, маючи обмеження за температурою матеріалу, з якого формується покриття, забезпечують для своєї номенклатури матеріалів КВМ на рівні плазмового методу, однак ефективний коефіцієнт нагрівання матеріалу не перевищує 0,02…0,1.

Ø Детонаційний метод забезпечує КВМ на рівні 0,3…0,6 і коефіцієнт ефективності використання енергії на рівні 0,1…0,15, з урахуванням збільшення ентальпії частинок в момент зустрічі з основою. Ефективний ККД нагрівання порошкових частинок при їх перенесенні оцінюється сотими долями.

Ø Електродуговий метод має найвищий енергетичний ККД, який складає 0,7…0,9 та достаньо високий КВМ.

Економічне співставлення методів газотермічного нанесення покриття можна виконати шляхом розрахунку витрат на нанесення 1 кг покриття. У цьому випадку в порядку зростання питомих витрат методи можна розмістити у такому порядку:

Ø на обладнання: газополуменевий → електродуговий → детонаційний → плазмовий.

Ø на робочі гази: електродуговий→ газополуменевий→ плазмовий→ детонаційний.

Ø на заробітну плату з нарахуваннями: електродуговий→ газополуменевий → плазмовий→ детонаційний.

Ø на електроенергію: газополуменевий → детонаційний → електродуговий→ плазмовий.

На рис. 1 наведено співвідношення відносних витрат|затрат| (К=ПН/ЕДМ) при напиленні типової деталі плазмовим напиленням і електродуговим напиленням, які найчастіше застосовуються для нанесення покрить.

Рис.1. Співвідношення відносних витрат|затрат| (К=ПН/ЕДМ) при напиленні типової шийки валу плазмовим напиленням і електродуговим напиленням

Сумарні питомі витрати на технологічну операцію напилення 1 кг покриття в порядку зростання дозволяють розмістити методи у такому порядку:

Електродуговий → газополуменевий → плазмовий → -детонаційний(рис.2). Електродуговим способом наносять покриття із алюмінію, нержавіючої сталі, ніхрому, цинку, латуні та інших металів і сплавів у вигляді дроту, вартість 1 кг яких відносно мала.

Рис.2. Відносна вартість покрить, що отримуються|одержують| різними способами газотермічного напилення [1]: ГП – газополум'яне, ЕДН – електродугове;

ПН - плазмове, ДН – детонаційне, ГПН – газополумуменеве надзвукове напилення

Для нанесення покриття газополуменевим способом поряд із дротяними використовуються порошкові матеріали, головним чином самофлюсуючі на нікелевій основі. Вартість таких матеріалів у 3…10 разів вища за згадані дротяні. Окрім того, покриття потребують додаткової обробки у вигляді оплавлення. До витрат на напилення додаються витрати на оплавлення. Перспективним матеріалом для створення покриттів вважаються керамічні порошкові матеріали, зокрема оксиди. Їх вартість нижча за вартість дротяних матеріалів. Основним методом нанесення оксидів, внаслідок їх високої температури плавлення, є плазмовий. Використання поряд з оксидами карбідів, нітридів, боридів, які мають значну вартість але забезпечують унікальні властивості покриттів, значно підвищують вартість 1 кг покриття. Згадані матеріали характерні для детонаційного та плазмового методів нанесення покриття – дорогі матеріали у сполученні із дорогими методами.

Якщо врахувати значні відмінності методів у номенклатурі матеріалів, що використовуються для утворення покриття, та різну вартість одиниці маси матеріалу, що найбільш широко застосовуються в конкретному методі напилення, тоді зростання вартості 1 кг покриття на деталі буде відповідати такому ряду:

Електродуговий → плазмовий → газополуменевий → детонаційний. Вартість 1 кг покриття, отриманого вакуумно-конденсаційними методами нанесення значно перевищуює вартість 1 кг покриття, отриманого газотермічними методами. Тому використання ВКНП потрібно ретельно обгрунтовувати, спираючись на факт отримання характеристик покриттів, недосяжних при використанні альтернативних методів.

з урахуванням екологічної безпеки процесу.

Загальновідомі шкідливі фактори, що супроводжують процеси газотермічного нанесення покриття: значний шум, випромінювання у ультрафіолетовому та інфрачервоному діапазонах, наявність у зоні технологічного процесу значних виділень озону, оксидів азоту та вуглецю, аерозолів матеріалів, що застосовуються для нанесення покриття. Захист від них здорожчує процес, потребує значних технічних та організаційних зусиль.

Вакуумно-конденсаційні методи значно безпечніші у цьому відношенні: відсутній шум, а проведення процесу у герметичній камері спрощує захист персоналу і навколишнього середовища від наявних шкідливих факторів.

Таким чином, вибір методу нанесення покриття у конкретному випадку носить неоднозначний характер. Він лежить у площині вибору серед кількох альтернативних методів, які забезпечують приблизно однакові якісні характеристики покриття та мають близькі економічні показники. Тому часто виникають додаткові суб’єктивні параметри, за якими обирається метод: наявність необхідного обладнання, доступність матеріалів, що використовуються у процес, та ін. Порівняльна характеристика способів газотермічного напилення та якості газотермічних покрить, наведена в таблицях 1 та 2, полегшує вибір.

Таблиця.1.

Порівняльна характеристика способів газотермічного напилення

Технології напилення газотермічних покрить	Газополуменеве	Високо швидкісне газополум. (HVOF)	Електро дугове	Плазмове	Детонаційне
Джерело нагріву матеріалу	Газове полум’я	Газове полум’я	Електрична дуга	Плазма	Детонаційна хвиля
Швидкість частинок, м/с	50-100	600…1000	100…150	350-450	1000-1500
Форма матеріалу	Порошок, дріт	Порошок, дріт	Дріт	Порошок, дріт	Порошок
Матеріал покриття	Металеві сплави	Карбіди, метали	Металеві сплави	Кераміка метали	Кераміка, метали, карбіди
Продуктивність, кг/год.	Мет. 2.. 5	2...6	10…60	Мет. 4...8 Кер. 2...4	Мет. 4...7 Кер. 2...4 Карб. 2...3

Таблиця 2.

Характеристики якості газотермічних покрить

Технології напилення газотермічних покрить	Газополуменеве	Високо швидкісне газополум (HVOF)	Електро- дугове	Плазмове	Детонаційне
Міцність зчеплення, МПа	10-25	80-100	10-50	30-80	100-150
Пористість, %	5-25	1-2	5-15	2-10	1-2
Толщина покрить, мм	1-5	1-2	1-10	1-5	0,2-1,0
Коефіцієнт використання матеріалу	0,75-0,90	0,4-0,6	0,5-0,8	0,3-0,8	0,3-0,6

рактичне заняття №4

РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ РОБОТИ ДОПОМІЖНОГО ОБЛАДНАННЯ ПРИ ГАЗОТЕРМІЧНОМУ НАПИЛЕННІ ПОКРИТЬ

МЕТА РОБОТИ: навчитися розраховувати потрібне значення швидкості переміщення розпилювача та деталі при нанесенні покриття, розрахувати кількість проходів для конкретної технології газотермічного напилення.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Висока якість покрить і повторюваність процесу його нанесення можливі тільки при використанні допоміжного обладнання, яке забезпечує закріплення і переміщення розпилювача відносно деталі та переміщення самої деталі. Майже всі серійні установки газополуменевого, електродугового і плазмового напилення не мають в комплекті обладнання маніпулятора. В умовах виробництва використовують для закріплення деталей токарні станки та саморобні маніпулятори з різним числом ступенів свободи для переміщення розпилювача відносно деталі.

Єдиним повнокомплектним апаратом, що серійно випускається, є напівавтомат плазмового напилення 15В-Б. В напівавтоматі заводської комплектації використовуються установки плазмового напилення УМП-6 та Київ-7, але замість них можна встановити іншу модель обладнання для газотермічного напилення.

До комплекту напівавтомата входять:

· камера;

· маніпулятор переміщення плазмотрона за двома взаємно перпендикулярними координатами, які розміщені в горизонтальній площині;

· обертач деталі з віссю обертання, яка розміщена в горизонтальній площині;

· механізована задня бабка;

· установка плазмового напилення; к

· омплект пристосувань для охорони навколишнього середовища і створення оптимальних санітарно-гігієнічних умов праці оператора;

· комплект оснащення, що складається з патрона, заднього та переднього центрів;

· система керування напівавтоматом;

· шафи для балонів.

Конструкція напівавтомата дає можливість: встановлювати дистанцію напилення до 300 мм, повертати розпилювач у вертикальній площині в межах 120°; здійснювати не менше 120 подвійних ходів розпилювача за годину при нанесенні покриттів; встановлювати пневматичні патрони, обертові центри і інші види оснащення; використовувати механізований привод заднього центру від пневмопривода; завантажувати і розвантажувати напівавтомат тяжкими деталями (масою до 250 кг) за допомогою цехових засобів.

Процес нанесення покриттів відбувається в автоматичному режимі за попередньо розробленою програмою.

Технічна характеристика

Частота обертання шпинделя, об/хв.................. 6,3 - 320

Швидкість переміщення розпилювача, мм/с:

вздовж осі шпинделя...................................... 1-50

перпендикулярно осі шпинделя............... 4-180

Регулювання швидкості переміщення

розпилювача і шпинделя................. безступінчасте

Габаритні розміри деталей, що напилюються, мм:

довжина циліндричних, не більше........................... 1500

діаметр циліндричних.......................................... 25 - 320

плоских....................................................... 1500x 180x250

Маса деталей, що напилюються, кг, не більше:

циліндричних.............................................................. 100

плоских......................................................................... 250

Однак незалежно від виду допоміжного обладнання для формування якісних покрить необхідно розрахувати параметри переміщення розпилювача та деталі. Параметрами, що визначають взаємне переміщення плазмотрона і поверхні деталі є:

- горизонтальна швидкість переміщення плазмотрона;

_д - частота обертання деталі при напиленні тіл обертання, об/с;

-швидкість поперечного переміщення плазмотрона, яка залежить від швидкості обертання кулака при напиленні плоских поверхонь, мм/с.

Для отримання якісного покриття товщина шару, який має бути напилений за один прохід плазмотрона, повинна знаходитись в межах 0,02 -0,1 мм (методичні рекомендації НПО "ВИСП"). Згідно з тими ж рекомендаціями рівномірність товщини досягається, якщо кожна наступна смуга покриття перекриває попередню на 30 - 50%.

Об’єм плями напилення:

h, мм³ (1)

Маса плями напилення:

(2)

Лінійна швидкість напилення:

мм/с (3)

Горизонтальна швидкість переміщення плазмотрона:

(4)

Швидкість обертання деталі:

(5)

Кількість проходів:

, (6)

де - діаметр плями напилення, мм;

- товщина шару покриття за один прохід;

- коефіцієнт перекриття;

- густина матеріалу, г/мм³;

- продуктивність розпилювача, кг/год.;

- діаметр деталі (тіло обертання), мм.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Яка конструкція механізму переміщення розпилювача для напилення деталей типу тіл обертання?

2. Яка конструкція механізму переміщення розпилювача для напилення плоских деталей?

3. Які характеристики розпилювача неохідні для попереднього розрахунку та ?

4. Як впливає розмір діаметра деталі, яка напилюється, на величину лінійної швидкості переміщення розпилювача та швидкості обертання деталі розрахункові формули

5. З яких міркувань вибирається при напиленні коефіцієнт перекриття смуг?