Восстановление деталей металлизацией

Металлизация или, что то же самое, газо-термическое напыление - это процесс нанесения на поверхность детали расплавленного мелкодисперсного металла с целью изменения её размеров и свойств.

С помощью потока воздуха или иного газа распыляются расплавленные частицы металла. С восстанавливаемой поверхности предварительно удаляются окислы и создаётся определённая шероховатость. В противном случае нанесённая корка может отстать. При расстоянии от воздушного сопла до детали примерно 250 мм и начальной скорости частиц металла 200 м/с, что соответствует промышленному давлению пневмосистемы 6... 8 атм., скорость удара составляет около 80 м/с, а время полёта частицы - примерно 3 с. За это время металл не успевает затвердеть и находится а пластическом состоянии. При контакте с поверхностью частицы деформируются и внедряются в напыляемую деталь.

Сцепление покрытия в основном является механическим, то есть за счёт микронеровностей, и лишь в некоторых местах имеет место диффузионное (сварочное) более прочное сцепление.

Недостатками данного метода являются: 1) относительно слабое механическое сцепление корки с основной поверхностью; 2) немонолитный, то есть пористый, состав покрытия; 3) необходимость особых методов подготовки поверхности.

Достоинства метода: 1) высокая производительность; 2) незначительный нагрев детали - до 200° С; 3) возможность нанесения слоя толщиной от 0,1 до 10 мм; 4) относительная простота процесса и оборудования.

Детали, испытывающие в процессе работы большие динамические нагрузки как правило не подвергают металлизации!

Применяют несколько видов напыления:

1) газо-плазменное;

2) электродуговое;

3) высокочастотное;

4) плазменное и др.

Перед применением любого из указанных видов металлизации деталь подвергают тщательной очистке от грязи и дробеструйной обработке. В результате образуется шероховатая поверхность без окислов.

При газо-плазменном напылении электродная проволока плавится в кислородно-ацетиленовом пламени. Распыление металла и его нанесение на поверхность осуществляется струёй сжатого воздуха.

При электродуговом напылении процесс расплавления металла идёт за счёт горения электрической дуги между двумя электродами. Распыление осуществляется аналогично, то есть струёй воздуха.

Серийно выпускаются металлизаторы для электродугового напыления КДМ-2; ЭМ-12; ЭМ-15.

При высокочастотном напылении вместо проволоки используются стержни из углеродистой или легированной стали, которые располагают в высокочастотном индукторе, где они плавятся токами высокой частоты и затем распыляются сжатым воздухом.

Недостатками данного способа являются: 1) высокая стоимость генератора ТВЧ; 2) меньшая производительность по сравнению с ранее рассмотренными способами. Главное достоинство метода - лучше качество покрытия за счёт меньшего выгорания легирующих элементов и меньшего количества окислов в зоне расплавления.

Плазменная металлизация по сравнению с другими способами имеет более высокие температуру и мощность. Это способствует повышению производительности процесса, а также позволяет наносить любые материалы, например, жаростойкие или неметаллические. Прочность сцепления покрытия с основой при данном методе наивысшая.

Схема установки следующая.

При использовании аргона в качестве плазмообразующего газа температура плазменной струи составляет от 15 до 40 тысяч градусов, а при использовании азота - 10... 15000° С.

Для применения данного метода серийно выпускают установки УПУ и УМН, которые включают в себя: 1) плазмотрон; 2) защитную камеру; 3) порошковый дозатор; 4) источник питания; 5) вращатель восстанавливаемой детали; 6) пульт управления.

Сопло плазмотрона является быстро изнашиваемой деталью. Поэтому его делают легкосъёмным. Источником питания является сварочный генератор ПСО-500 или выпрямитель ИПН-160/600. Так как азот значительно дешевле аргона, но требует большего напряжения источника питания для розжига, дугу часто зажигают аргоном, а затем переходят на азот.

Температура плазмы зависит от силы тока I, вида газа и его расхода Q. Обычно скорость истечения газа составляет от 100 до 1500 м/с. В качестве порошка для напыления применяют гранулированные частицы никеля, бориды, карбиды, железа и других материалов размером от 50 до 200 мкм. Этот порошок в зону горения подаётся с помощью плазмообразующего газа за счёт инжекционного эффекта. Марки некоторых порошков: ПГ-ХН80СР2; ПЖ-5М; АКП и др. Скорость расплавленных частиц, вылетающих из сопла, составляет 150... 200 м/с. Расстояние от сопла до напыляемой поверхности - 50... 80 мм.

Следует иметь в виду, что после напыления механическая обработка детали весьма затруднительна. Например, в случае токарной обработки применяют только твёрдосплавные пластины и пониженные режимы, то есть скорость резания v = 15... 20 м/мин; глубина резания t = 0,1... 0,5 мм; подача s = 0,1... 0,2 мм/об.

Покрытие, полученное любым из указанных способов напыления, имеет сравнительно не высокую прочность сцепления с основным металлом детали, а также пористую структуру. Поэтому для улучшения свойств покрытия деталей, испытывающих значительные динамические нагрузки, часто производят процесс оплавления покрытия. Это улучшает сцепление корки с основой, существенно уменьшает пористость, повышает ударную вязкость и износостойкость поверхности детали.

Для оплавления металлизационного слоя применяют: 1) ацетилен-кислородные горелки; 2) плазменную дугу; 3) ТВЧ. Температура оплавления не превышает 1100° С. При этом используют специальные порошки, например, ПС-1 или ПС-2, которые выполняют функции флюса.

Оплавлению после металлизации подвергают кулачки распределительных валов ДВС, шипы крестовин карданных передач, фаски клапанов, шейки коленчатых валов и др.

Основные понятия гальванопластики

Для восстановления деталей машин и их упрочнения применяют: 1) хромирование; 2) железнение; 3) никелирование.

Для защиты деталей от коррозии применяют: 1) цинкование; 2) кадмирование; 3) оксидирование; 4) фосфатирование; 5) азотирование; 6) цианирование; 7) грунтование и покраску.

Для улучшения электропроводности и условия пайки применяют: 1) меднение; 2) лужение; 3) серебрение.

Методы гальванопокрытий открыты русским учёным, академиком Якоби Б.С. в 1838 г. Данные покрытия получают с помощью электролиза, то есть прохождения электрического тока между двумя электродами - отрицательным катодом и положительным анодом, находящимися в электролите, в качестве которого используется водный раствор соли того металла коим делается покрытие.

Катодом при гальванопокрытии является восстанавливаемая деталь. Анод может быть нерастворимый. Тогда его выполняют в виде свинцовой пластины. Либо применяют анод растворимый. В последнем случае его делают из металла, который наносится на восстанавливаемую деталь.

При прохождении тока через электролит на катоде разряжаются положительно заряженные ионы, выделяется металл и водород H ₂. На аноде происходит разряд отрицательно заряженных ионов и выделяется кислород O ₂. То есть над электролитической ванной имеется гремучая смесь водорода и кислорода. Поэтому при проведении процесса электролиза и некоторое время после окончания его необходима интенсивная вентиляция в помещении где находится ванна и строгое соблюдение противопожарных мероприятий.

При использовании растворимого анода его металл переходит в раствор в виде ионов взамен осевших на катоде. При нерастворимом аноде в процессе электролиза концентрация соли в электролите уменьшается, то есть он истощается. Поэтому приходится периодически корректировать состав электролита путём добавления соли.

Для стабильности процесса электролиза необходимо выдерживать определённые значения катодной плотности тока D _к и анодной плотности тока D _а, под которыми понимаются отношения

D _к = I / A _к, А/дм² ;

D _a = I / A _a, А/дм² ,

где I - сила тока между электродами ванны; A _к, A _a - площадь катода и анода соответственно.

Согласно Закону Фарадея масса металла, который выделяется на катоде из электролита при электролизе вычисляется по зависимости

m = I t _э C a,

где t _э - время электролиза; C - электрохимический эквивалент осаждаемого металла; a - выход металла по току, то есть коэффициент, учитывающий потери на разогрев электролита, разложение (электролиз) воды и другие побочные процессы.

Значения электрохимических эквивалентов и коэффициентов выхода по току для некоторых металлов имеют следующие значения.

Металл	Cr	Zn	Fe	Ni	Cu
C, г/А×ч	0,324	1,22	1,042	1,095	1,186
a	0,01-0,16	0,98-0,99	0,85-0,9	0,8-0,9	0,96-0,98

Продолжительность процесса электролиза, необходимая для достижения требуемой толщины покрытия h, мм, оценивается по формуле

,

где r - плотность осаждаемого металла, г/см³.

Следует учитывать тот факт, что после электролиза толщина покрытия не везде одинакова. Она зависит от плотности электрического поля, которая в свою очередь больше на выступах и углах восстанавливаемой детали. Поэтому для обеспечения одинаковой толщины покрытия по всей поверхности детали увеличивают так называемую рассеивающую способность электролита. Для этого в него вводят специальные добавки, уменьшают катодную плотность тока D _к , повышают температуру электролита и применяют перемешивание его. Иногда для этой же цели используют фигурные аноды, копирующие форму восстанавливаемой детали, а также дополнительные катоды и токонепроводящие экраны.

Каждый электролит имеет свою так называемую кроющую способность. Это свойство, характеризующее способность нанесения покрытия в углублениях восстанавливаемой детали. С увеличением концентрации соли в электролите его кроющая способность увеличивается.

Следует также учитывать, что гальванопокрытия имеют строго кристаллическую структуру металла, где растворено большое количество водорода. Что создаёт значительные внутренние напряжения. Поэтому структура и свойства электролитического металла существенно отличны от литого.

Изменяя режим процесса, то есть силу тока, температуру и состав электролита, можно программировать свойства покрытия.