Металлизация напылением

Металлизация напылением заключается в расплавле­нии подводимого к металлизатору металла и распылении его струей сжатого воздуха на предварительно подготовленную по­верхность детали. Для металлизации применяют проволоку из стали, меди, цинка, свинца, бронзы, латуни, алюминия и кад­мия, а также порошковые материалы. В зависимости от источ­ника теплоты для плавления металла различают газовую, эле­ктрическую и плазменную металлизацию.

При движении частиц в воздушном потоке и ударе их о по­верхность они подвергаются механическим, химическим и тер­мическим воздействиям. При металлизации происходит окисле­ние металла и частичное выгорание некоторых элементов, вхо­дящих в состав электродов. Распыленный металл состоит из частиц сферической формы, покрытых снаружи оксидной плен­кой высокой степени дисперсности. Частицы распыленного ме­талла при ударе о напыляемую поверхность деформируются и вклиниваются в неровности поверхности основания и друг в друга. Наклеп частиц, микрозакалка в зависимости от содер­жания углерода в стальной проволоке и наличие оксидов сооб­щают напыленному металлу, а также покрытию, за исключе­нием цинкового, твердость выше твердости исходного материа­ла. Пористость покрытия доходит до 10% его объема. Пред­ставляя собой пористую массу из мельчайших окисленных час­тиц, металлизационный слой имеет малую прочность при разрыве и отличается хрупкостью. Разрушение слоя происходит по границам частиц.

Острые кромки металлизационного слоя склонны к выкра­шиванию, поэтому перед напылением деталей следует снять фаски (45°) с прямоугольных кромок, а кромки смазочных от­верстий и канавок тщательно закруглить. Глубина фрезерова­ния канавок должна составлять не более половины толщины слоя. Предварительный подогрев детали или заготовки повы­шает прочность сцепления покрытия с поверхностью детали.

Металлизационный слой имеет усадку, которая является причиной внутренних напряжений, значительно влияющих на прочность сцепления. Усадка слоя, нанесенного на наружную цилиндрическую поверхность, усиливает сцепление с увеличе­нием толщины слоя до определенного, однако, предела. При дальнейшем увеличении толщины возможно появление продоль­ных трещин. Усадка покрытия на внутренней цилиндрической поверхности способствует отрыву его от основания. Толщину слоя на такой поверхности рекомендуют не более 2—3 мм, но не более 0,2 толщины стенки (во избежание ее коробления) и не менее 0,5 мм. Иногда рекомендуется подогреть заготовку до 150°С, если нет опасений, что она покоробится. Нагрев свыше 180^СС опасен из-за интенсивности образования оксидных пле­нок.

При металлизации плоских поверхностей с увеличением тол­щины слоя прочность его сцепления с поверхностью уменьша­ется. Отслаивание под действием напряжений растяжения воз­можно уже при толщине слоя более 1,5 мм. Отмечено, что при увеличении содержания углерода в стальной проволоке умень­шаются остаточные напряжения. Для лучшего сцепления ме­таллизируемую поверхность делают шероховатой.

Литературные данные о прочности сцепления покрытия с ос­новным металлом противоречивы. Установлено, однако, что бронзовое покрытие хуже стального сцепляется со стальным ос­нованием. Чугун как пористый материал хорошо сцепляется с покрытиями. По данным исследований, относящихся к стально­му покрытию по стали, прочность сцепления металлизационно­го слоя с основным металлом при шероховатой поверхности со­ставляет 50—60 МПа, при нарезании резьбы прочность сцеп­ления 100—120 МПа, при анодно-механической обработке — 230—250 МПа.

Для создания более надежного сцепления предложены и ис­пытаны различные способы. Применяют, например, гальвани­ческое наращивание подслоя медью. Другое направление повы­шения прочности сцепления — металлизация в защитной среде. Замена воздуха инертным или восстановительным газом не ис­ключает полностью образования оксидов, но сцепление покрытия с основанием повышается, возрастает прочность при раз­рыве и пластичность напыленного металла.

Металлизация понижает сопротивление усталости детали в связи с подготовкой ее поверхности. Испытаниями на удар и изгиб образцов с металлизационным покрытием установлено, что разрушение слоя происходит в результате пластической де­формации основного металла. Металлизационный слой в силу малой прочности при разрыве ограничивает нагружение валов на изгиб [15].

Антифрикционные свойства металлизационного покрытия благодаря его пористости высокие; даже стальное покрытие хорошо работает по стали (при хорошем смазывании и скоро­сти скольжения не более 3,5 м/с).

Области применения металлизации: восстановление изношен­ных вкладышей подшипников и шеек валов; изготовление новых валов с металлизированными шейками и вкладышей, напылен­ных антифрикционным сплавом; восстановление направляющих станин и столов металлорежущих станков; ремонт чугунных изделий и т. п. Металлизация — дешевый и производительный способ ремонта.

Если в процессе металлизации плавить одновременно два (или более) различных металла, то образуется покрытие в ви­де механической смеси из отдельных составляющих. Такая смесь получила название псевдосплава. Использование для этих целей специальной биметаллической проволоки было предложе­но А. А. Абиндером еще в 1935 г. Вопрос о получении много­компонентных сплавов без использования биметаллической про­волоки и изучение этих сплавов получили развитие в работах Л. В. Красниченко и его сотрудников. В соответствии с этими работами псевдосплавы с заданным соотношением компонентов получают с помощью аппарата с несколькими механизмами по­дачи, из которых один служит для подачи двух проволок из материала, образующего основу псевдосплава, а другие служат для подачи присадочных материалов.

Может быть получено большое число различных по компо­зиции антифрикционных псевдосплавов. Применяют обычно двойные.

Покрытие из свинцово-алюминиевого сплава (состав 1:1) легко пришабривается и хорошо прирабатывается наряду с другими указанными псевдосплавами.

Металлизационное покрытие работает неудовлетворительно в условиях трения без СМ.

13.4. ФИНИШНАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ БЕЗАБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА (ФАБО) ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Износостойкость детали во многом зависит от окон­чательной (финишной) технологической обработки ее поверх­ностей. Для широко распространенных сочленений выявлены параметры шероховатости, при которых интенсивность изна­шивания минимальна. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальная, приработочная, но и последующая интенсивность изнашивания при эксплуатации.

Рассмотрим случай окончательной обработки зеркала ци­линдра двигателя внутреннего сгорания, а также шеек колен­чатых валов. Уже более 40 лет зеркало цилиндра обрабатыва­ют методом хонингования. Перед хонингованием цилиндры шлифуют, развертывают или растачивают. Хонингование про­водят в несколько этапов. Этот процесс может обеспечить тре­буемые шероховатость поверхности цилиндра и направление не­ровностей под определенным углом к оси цилиндра, что созда­ет наилучшие условия для удержания смазочного материала на зеркале цилиндра. Независимо от вида трения в процессе при­работки исходная шероховатость поверхности переходит в экс­плуатационную. Во время приработки изменяется и макрогеометрия (волнистость) поверхности.

При хонинговании поверхность в большей или меньшей сте­пени насыщается абразивными частицами. Хотя затем цилиндр двигателя промывают и продувают сжатым воздухом, абразив­ные частицы все же остаются, главным образом в труднодо­ступных местах, в стыках неподвижных посадок и т. д. В про­цессе работы двигателя эти частицы вызываются маслом и ус­коряют изнашивание деталей.

Износ цилиндров и поршневых колец автомобильных дви­гателей в начальный период их работы (в течение 10—12 ч) со­ставляет приблизительно 5—15% от последующего износа при использовании всего ресурса двигателя. Ресурс еще более сни­жается при приработке двигателя после ремонта (до 25%).

В связи с изложенным потребовалась разработка нового технологического процесса окончательной обработки зеркала цилиндра и других поверхностей деталей двигателя, при кото­ром исключалось бы использование абразивов. К такому мето­ду относится финишная антифрикционная безабразивная об­работка (ФАБО), которая позволяет повысить износостой­кость зеркала цилиндра примерно в 1,3 раза, резко сократить время приработки и устранить возможность задиров в процес­се приработки цилиндропоршневой группы (способ ФАБО был предложен автором и В. Н. Лозовским). Сущность ФАБО со­стоит в том, что поверхности трения деталей покрывают тонким слоем латуни, бронзы или меди. При этом использу­ют явление переноса ме­талла при трении. Обра­батываемую поверхность обезжиривают, а перед нанесением покрытия по­крывают раствором (гли­церином или смесью двух частей глицерина и одной части 10%-ного раствора соляной кислоты), который в процессе трения разрыхляет оксидную пленку на поверх­ности стали, пластифицирует поверхность медного сплава и соз­дает условия для схватывания его со сталью.

Существует принципиальная разница в переносе материала при избирательном переносе (ИП) и при ФАБО. При ИП в случае трения бронзы из ее твердого раствора происходит се­парация атомов меди. Атомы легирующих элементов, раство­ряясь, переходят в смазочный материал; атомы меди, соединя­ясь в группы, переходят на сталь. При ФАБО состав перене­сенного материала не отличается от исходного. Здесь матери­ал переносится крупинками, которые прочно схватываются со сталью и имеют между собой определенную связь.

Рис..13,2. Схема приспособле­ния для финишной антифрик­ционной безабразивной обра­ботки гильзы цилиндра (при­способление разработано О. В. Чекулаевым и С. Л. Терешки-ным)

Толщина антифрикционного слоя латуни на стали при ФАБО 2—3 мкм, бронзы и меди—1—2 мкм. Шероховатость грубых поверхностей после ФАБО может быть уменьшена. При малых параметрах шероховатости поверхности (Rа — 0,63...0,08 мкм) ФАБО не изменяет их значения. Детали перед ФАБО предва­рительно подвергают шлифованию, развертыванию, точению или хонингованию. Шероховатость поверхности должна быть не ниже Rа=2,5 мкм.

В СССР процесс ФАБО гильз цилиндров разработан О. В. Чекулаевым и С А. Терешкиным. ФАБО производят на токарном станке с помощью приспособления, устанавливаемо­го в резцедержателе станка. Передняя часть приспособления показана на рис. 13.2 Она имеет головку 8 со стаканами 7 и 16; в разрезных направляющих втулках 2 я 15 перемещаются два подвижных штока 6 и 12. Через систему рычагов усилие от подпружиненной тяги 9 передается на штоки, и установленные в них прутки 4 и 14 из латуни или бронзы прижимаются к об­рабатываемой поверхности 3. Рычаги 17 соединены шарнирно с крышкой 1 головки и вилкой тяги. Самоустановка прутков ла­туни в процессе работы обеспечивается перемещением вилки И, имеющей паз, относительно болта 10. По мере износа прут­ки перемещаются в радиальном направлении в гайках 5 и 13. Изношенные прутки заменяют новыми. Для введения прутков в гильзу подпружиненную тягу отжимают специальной гайкой, в результате чего штоки сдвигаются к центру.

Преимущества ФАБО по сравнению с другими финишными операциями состоят в том, что метод чрезвычайно прост, не требует сложного оборудования и придает стальной или чугун­ной поверхности высокие антифрикционные свойства. Обрабо­танный ФАБО цилиндр двигателя как бы превращается в бронзовый, поскольку коэффициент трения снижается в 1,5 раза.

Шейки коленчатых валов также целесообразно подвергать ФАБО для ускорения приработки двигателей и сокращения чис­ла ремонтов. Г. И. Румянцевым процесс ФАБО применен к де­талям топливной аппаратуры двигателей. Обработке подверга­лись золотниковые и плунжерные пары аппаратуры, выходив­шие-из строя вследствие повышения сил трения или заклини­вания из-за схватывания поверхностей. Износостойкость экс­периментальных деталей была в 2—3 раза выше, чем серийных.

Многие тяжелонагруженные детали разрушаются в резуль­тате фреттинг-коррозии в зонах прессовых посадок. Эффектив­ным методом борьбы с этим явлением служит ФАБО. Исследо­вания, проведенные С С Гриденком и М. М. Снитковским, по­казали, что ФАБО значительно повышает предел выносливости образцов, работающих с напрессованными втулками. В ГДР процесс ФАБО разработан Г. Польцером применительно к ци­линдрам двигателей внутреннего сгорания и другим деталям.