Износостойкое покрытие для металла

Обновлено: 25.06.2024

Износостойкие покрытия - металлические и неметаллические покрытия, отличающиеся износостойкостью в условиях контактного трения. По способу нанесения различают износостойкие покрытия:

Термодиффузионные покрытия образуются вследствие диффузии металла из внешней среды в поверхностный слой основного металла. Процесс осуществляют в порошках, расплавах солей, газовой среде, а также термодиффузионной наплавкой. Гальванические покрытия получают электролизом в растворе или расплаве солей. Для нанесения металлизационных покрытий, образующихся при схватывании расплавленных металлических частиц с поверхностью основного металла, прибегают преимущественно к электродуговому, плазменному или детонационному способу. Химические покрытия наносят осаждением металла на поверхность изделия. Горячие покрытия получают, погружая изделие в расплавленный металл.

Наиболее широко используют термодиффузионные и гальванические покрытия, к которым относятся хромирование, борирование, цементация, азотирование и сульфидирование. Хромирование – осаждение на поверхности металлических изделий хрома. Борирование – насыщение поверхностного слоя бором. Цементация –диффузионное насыщение углеродом поверхностного слоя стальных изделий. Азотирование (нитрирование) – насыщение поверхностного слоя металлических изделий азотом. Сульфидирование – создание на поверхности металлических изделий сульфидной пленки для повышения их гидрофобных свойств (защита от действия воды).

Твердое хромирование дает возможность значительно повысить износостойкость изделий. Если необходимо уменьшить коэффициент трения, применяют пористое хромирование, при котором предварительно полученное хромовое покрытие подвергают анодному травлению в электролите, а затем шлифованию. Температура процесса 50-60 °С, плотность тока 40-50 А/дм 2 , продолжительность анодного травления 5-10 мин. При хромировании в поверхностной зоне образуется тонкий (0,02-0,04 мм) карбидный слой (CrFe)₂₃С₆, обусловливающий ее износостойкость (рисунок 19.2).


Рисунок – 3.3 19.3 Микроструктура борированного слоя на изделиях из стали марки Ст.45 (а), стали марки Х17Н2 (б) и среднеуглеродистой стали, борированной методом оплавления (в), ×200

Борирование повышает абразивную износостойкость изделий. Глубина борированного слоя обычно не превышает 0,15 мм, твердость (НV) достигает 1400-1550, а микротвердость 1800-2000 кгс/мм 2 . Борирование осуществляют в газовых и жидких средах, в порошкообразных смесях, электролизное борирование - в расплаве буры (рисунок 19.3). Износостойкость бори-рованных слоев на 40-50 % выше, чем цементованных. В условиях абразивной эрозии металлов борирование повышает износостойкость изделий из углеродистых сталей в 3-3,5 раза.

Цементация обеспечивает высокую износостойкость вследствие обогащения поверхностного слоя изделия из низкоуглеродистой и легированной стали углеродом до эвтевктоидной или заэвтектоидной концентрации (рисунок 19.4). Так, износостойкость стали марок 1X13 и Х17Н2 близка к износостойкости азотированной стали марки Х8МЮА.

Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости аустенитных нержавеющих сталей (рисунок19.5).

Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых цементованных, цианированных и нитроцементованных сталей. К тому же азотирование повышает сопротивление схватыванию металлов в процессе трения.

При сульфидировании в твердой среде предусматривается получение активной серы и диффузия ее в поверхностные слои изделия. В условиях сухого трения износостойкость чугуна, обработанного (температура 930 °С, продолжительность 5-6 ч) в смеси сернистого железа (94 %), хлористого аммония, желтой кровяной соли (3 %) и графита (3 %), увеличивается в 39 раз по сравнению с износостойкостью несульфидированного чугуна.


Рисунок3.4 19.4 Микро-структура Ст.15 после це-ментации и медленного охлаждения. ×200.	Рисунок 3.5 Микро-структура Ст.15 после це-ментации и закалки. ×200.	Рисунок – 3.6 19.8 Микро-структура керамического покрытия Al₂O₃ на стали, нанесенного плазменным напылением. ×160

Ванадирование и ниобирование придают стали высокую износостойкость, но эти процессы (вследствие высокой стоимости) применяют относительно редко, хотя износостойкость ванадированной стали во много раз больше, чем закаленной стали и стали, подвергнутой диффузионному хромированию.

Износостойкость и коэффициент трения чугуна, стали и цветных сплавов улучшают также сурьмированием. В условиях сухого трения сурьмирование почти вдвое повышает износостойкость стали Ст.45, уменьшая на 40 % коэффициент трения в паре с цементованной сталью марки 30ХГТ.

Металлизационные покрытия (толщиной не менее 0,5 мм) наносимые напылением, состоят из тонких слоев металла, разделенных оскидами и большим количеством пор. При трении со смазкой поры, удерживая масло, улучшают смазывание трущихся поверхностей, обеспечивая высокие антифрикционные свойства и износостойкость. В условиях сухого трения металлизационные покрытия обладают низкой износостойкостью.

Электродуговой способ используют для нанесения металлизационных покрытий на изделия, эксплуатируемые в условиях трения скольжения при высоком давлении и небольшой скорости. Плазменное напыление позволяет наносить в виде покрытия любое вещество, плавящееся с образованием жидкой среды и не разлагающееся при перегреве. Этот метод дает возможность наносить износо- и эрозионностойкие покрытия составов: 88 % Со и 12 % WC; 98 % Al₂О₃, 0,5 % SiО₂ и 1,5 % др. окислов; 60 % Al₂О₃ и 40 % ТiO₂. Для повышения износостойкости в них вводят различные волокна. При детонационном способе используют энергию взрыва смеси газов, обеспечивающую лучшую прочность сцепления, чем при плазменном напылении (90-120 МПа). Этим способом создают покрытия из металлических и керамических материалов.

К химическим относятся покрытия карбидные, боридные и силицидные. Покрытия карбидного типа осаждают на нагретую поверхность из газовой смеси летучих хлоридов, водорода и углерода. Так, карбид титана осаждают из газовой смеси, полученной насыщением водорода сначала толуолом при температуре – 15 °С, а затем парами четыреххлористого титана при температуре 20 °С. Осаждение ведут при температуре 1300-1700 °С. Сталь марки У8, покрытая карбидами титана, обладает износостойкостью в условиях абразивного изнашивания в два раза выше, чем спеченный карбид титана. Осаждение боридных покрытий чаще всего осуществляют восстановлением водородом летучих хлоридов соответствующих металлов и хлоридов или бромидов бора. Силицидные покрытия осаждают из газовой среды, состоящей из водорода, хлорида металла и галогенида кремния (обычно SiCl₄). Микроструктура силицидного покрытия представлена на рисунке 19.6.

Керамические покрытия

Керамическими покрытиями называются кристаллические оксидые покрытия, наносимые на поверхность металлических и неметаллических изделий для защиты их от разрушающего действия окружающей среды. Керамические покрытия повышают химическую, термическую и механическую стойкость поверхности изделий в условиях эксплуатации. Различают керамические покрытия высокотемпературные (используемые при температуре выше 800 °С) и низкотемпературные (эксплуатируемые при температуре до 800 °С).


Рисунок – 19.6 Микроструктура сили-цидного покрытия на молибдене, нанесенного из газовой фазы: А – слой MoSi₂; Б – слой Mo₅Si₃; В – молибден, ×200.	Рисунок – 19.7 Микроструктура алити-рованного слоя никеля (температура 950 °С, выдержка 25 ч): А – NiAl (~ 32–36 % Al, H₂₀ ~ 800 кгс/мм 2 ); Б – NiAl (~ 22–28 % Al, H₂₀ ~ 520 кгс/мм 2 ); В – Ni3Al (~ 14 % Al, H₂₀ ~ 400 кгс/мм 2 ); Г – Ni, ×300.

По составу керамические покрытия бывают:

- полиоксидные, содержащие два и более оксидов.

Полиоксидные керамические покрытия часто содержат в исходном составе оксиды, которые в процессе закрепления или эксплуатации образуют химические соединения постоянного (MgO, Аl₂О₃) или переменного (MgO · nАl₂О₃, mАl₂О₃ · nСr₂О) состава. Керамические покрытия бывают также стеклокерамические и керамико-металлические, в которых основой (наполнителем) служат тугоплавкие кристаллические оксиды, а связкой - стекла или различные металлы. Свойства таких покрытий определяются свойствами исходных компонентов, особенностями их взаимодействия, поверхностной энергией и смачиванием твердых оксидов (основы) расплавами стекла или металла (связки).

В зависимости от размеров, формы и назначения изделий, а также свойств наносимого материала керамические покрытия получают эмалированием, шликерным способом (нанесением и сплавлением водной суспензии шликера), газопламенным и плазменным напылением (рисунок 19.8), осаждением из газовой фазы, погружением изделия в жидкие металлы с последующим их окислением. Для получения покрытий шликерным способом из измельченных до нужной дисперсности материалов покрытия и классифицирующих веществ (2-5% глины или бентонита) готовят в шаровых мельницах шликеры, которые наносят на поверхность погружением в них изделий, пульверизацией или электростатическим напылением. 3атем изделия высушивают при температуре 100 –120 °С, а далее подвергают обжигу до температуры, при которой шликерное покрытие оплавляется. Обжиг производят в печах сопротивления, где заранее создают требуемую температуру, или с помощью индукционного нагрева. Температура обжига зависит от состава покрытия и температуры плавления покрываемого материала, а его продолжительность, определяемая экспериментально, - от размеров и формы изделия. При всех условиях температура обжига должна быть на 200-500 °С ниже температуры плавления покрываемого металла. Шликерным способом чаще всего наносят стеклокерамические и керамико-металлические покрытия.

Для получения тонкослойных покрытий наплавлением вместо водных суспензий используют истинные растворы таких водорастворимых соединений, которые при нагревании распадаются с образованием летучих и твердых составляющих. Высокодисперсная твердая фаза отлагается на поверхности изделия и после термообработки образует защитное покрытие. Газопламенным напылением наносят покрытия, компоненты которых имеют температуру плавления ниже 1800 °С и плавятся в пламени кислородно-ацетиленовой горелки без разложения и возгонки. Оксиды Аl₂О₃, ZrО₂, MgO, Cr₂О₃ и др. наносят с помощью пистолета распылителя. Плазменное напыление имеет перед газопламенным то преимущество, что сверхвысокие температуры плазменного потока и отсутствие в нем кислорода позволяют расплавлять и наносить па поверхность изделия любые материалы независимо от их температуры плавления; при этом разложения материала покрытия и окисления поверхности изделия не происходит.

Получение керамических покрытий осаждением из газовой фазы основано на тепловом разложении летучих соединений тех металлов, оксиды которых образуют компоненты покрытия. Процесс ведется в смеси газообразных хлоридов и двуокиси углерода при наличии газa-переносчика (чаще всего Н₂):

Основное преимущество этого способа - возможность получения покрытий из тугоплавких соединений при низкой температуре, а протекание реакций на поверхности позволяет покрывать изделия любой формы.

Погружением изделия в ванну с одним или несколькими жидкими легкоплавкими металлами (чаще всего алюминием, магнием, кремнием) получают, например, покрытия из окислов Аl₂О₃ · SiО₂. Для этого изделие погружают на 10-60 сек в нагретую до температуры 1000-1300 °С ванну с 75 % Al и 25 % Si, затем оно проходит окислительную обработку и на его поверхности образуется муллитсодержащее покрытие.

Подавляющее большинство керамических покрытий обладают высокой огнеупорностью, однако они хрупки, пористы, недостаточно прочно сцепляются с покрываемыми поверхностями и весьма чувствительны к тепловым и механическим ударам. Пористость снижает защитные свойства покрытий в агрессивных газовых и жидких средах, а также в расплавах. Она ниже у стекло-керамических и керамико-металлических покрытий, которые при температуре размягчения связки становятся достаточно пластичными и менее чувствительными к тепловым и механическим ударам. Изменяя вид и количество тугоплавких оксидов в стеклокерамических покрытиях, получают защитные слои, обладающие высокой жаростойкостью, химической стойкостью, ударной прочностью, термостойкостью, электрическим I сопротивлением и др. Керамические покрытия наносят на стали и чугуны, сплавы на основе тугоплавких металлов, на графит и углеграфитовые материалы. Такие покрытия применяют в атомной энергетике, химической технологии, авиа-, ракето- и машиностроении.

Защитные покрытия для металлических поверхностей

Защитные покрытия металлов делятся на металлические и неметаллические. К первым относятся анодные и катодные покрытия, в которые входят гальванические, термодиффузионные, нанесенные газотермическим напылением, погружением в расплав и полученные плакированием.

Неметаллические покрытия включают в себя органические и неорганические материалы, куда входят лакокрасочные покрытия, смолы, пластмассы, полимерные пленки, резины, эмали, оксиды металлов, соединения фосфора, хрома и так далее.

Неметаллические покрытия

Неметаллические покрытия делятся на органические и неорганические. Их действие сводится к изоляции обработанных поверхностей от воздействия окружающей среды посредством создания тонкой инертной по отношению к агрессивным веществам пленки.

Среди неметаллических защитных покрытий выделяют полимерные и оксидные пленки, эмали, лаки, краски, пластмассы, резины.

Полимерные пленки

На сегодняшний день данный вид покрытий является наиболее популярной альтернативой лакокрасочным материалам, резинам, пластику и оцинковке. Обработанные поверхности приобретают эстетичный внешний вид, а также повышают электроизоляционные, высокотемпературные, противоизносные свойства и срок службы. Кроме этого стоимость нанесения полимерного покрытия достаточно низкая.

Нанесение происходит в три этапа: напыление, термообработка и отверждение.

В качестве напыляемых веществ выступают полиэстер, пластизоль, полиуретаны, поливинилдефторид. Наиболее популярен полиэстер, который широко применяется для обработки металлочерепицы и профнастила.

Полимерные антифрикционные покрытия

Антифрикционные покрытия (АФП) являются разновидностью полимерных покрытий металлов. По структуре эти материалы схожи с красками, где красящий пигмент заменен на высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ, которые равномерно распределены в смеси растворителей и связующих веществ.

Основу полимерных покрытий может составлять дисульфид молибдена, графит, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и другие вещества, которые равномерно распределены в среде полимерного связующего: эпоксидной смоле, титанате, полиуретане, акриловых, фенольных, полиамид-имидных и других специальных компонентов.

В качестве примера таких материалов рассмотрим полимерные покрытия MODENGY. Они применяются в средне- и тяжелонагруженных узлах трения скольжения (направляющие, зубчатые передачи, подшипники и т.д.), деталях двигателей внутреннего сгорания (юбки поршней, подшипники скольжения, дроссельная заслонка), резьбовых соединениях и крепеже, трубопроводной арматуре, пластиковых и металлических деталях автомобилей и других парах трения металл-металл, металл-резина, полимер-полимер, металл-полимер.

Применение полимерных покрытий во многих случаях позволяет полностью отказаться от масел и пластичных смазок, создав узел трения, не требующий обслуживания. Материалы наносятся однократно на весь срок службы детали, обеспечивая необходимую защиту и смазывание поверхностей.

Преимущества полимерных покрытий MODENGY:

Высокая несущая способность

Работоспособность в запыленной среде

Низкий коэффициент трения

Широкий диапазон рабочих температур

Высокая износостойкость, противозадирные и антикоррозионные свойства

Стойкость к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей и других химикатов

Работоспособность в условиях радиации и вакуума

Тонкий слой покрытия практически не влияет на исходную точность размеров детали

Эмалирование

Эмаль представляет собой тонкое, похожее на стекло, покрытие на поверхности металла, которое получается благодаря высокотемпературной обработке стекловидного порошка. Данный порошок смешивается с водой до нужной консистенции и наносится на поверхность.

Оксидирование

Оксидирование – это окислительно-восстановительная реакция металла, которая возникает благодаря взаимодействию с кислородом, электролитом или специальными кислотно-щелочными составами. Результатом процесса является образование защитной пленки, которая увеличивает твердость поверхности, увеличивает срок службы деталей, улучшает приработку, снижает образование задиров.

Существует химическое, анодное, термическое, плазменное, лазерное (доступно только на промышленных предприятиях) оксидирование.

Покрытие лакокрасочными материалами, резиной, пластиком

Данные виды покрытий металлов хорошо известны каждому. Их основная задача – защита поверхностей от коррозии и воздействия агрессивных сред. Как правило, у таких покрытий ограниченный функционал в плане термостойкости и износостойкости. Их очень легко повредить.

Основным преимуществом данных покрытий является низкая стоимость и достаточно простая технология нанесения. Достаточно провести тщательную подготовку поверхности и придерживаться рекомендаций по нанесению используемого материала.

Срок службы данных покрытий очень зависит от условий эксплуатации деталей, поэтому их не применяют в условиях высоких нагрузок и температур. Чаще всего их используют в качестве декоративного слоя.

Металлические покрытия

Как уже было сказано выше, металлические покрытия бывают анодными и катодными. Для создания первых используются металлы, электрохимический потенциал которых меньше потенциала обрабатываемого металла, а для катодных наоборот, потенциал используемого материала больше, чем у обрабатываемого.

Анодные покрытия благодаря электрохимическим процессам обеспечивают защиту металлических поверхностей от коррозии даже при нарушении целостности слоя.

Катодные покрытия из-за того, что их потенциал выше, чем у обрабатываемого металла, не обеспечивают электрохимическую защиту. Они образуют защитный механический слой, который препятствует попаданию агрессивных сред к основному металлу. По сравнению с анодными покрытиями, катодные лучше защищают поверхности от агрессивного воздействия, но только в том случае, если защитный слой покрытия не имеет повреждений. На чугуне и стали для нанесения катодных покрытий используются такие металлы, как олово, свинец, никель, медь и другие металлы, которые расположены в электрохимическом ряду напряжений правее железа.

Гальванические покрытия

Гальванизация – это электрохимический метод нанесения металлического защитного слоя, который защищает поверхности от коррозии и окисления, улучшает их износостойкость, прочность, а также придает эстетичный внешний вид. Покрытия, созданные при помощи данного способа, применяются в авиастроении, машиностроении, радиотехнической и электронной промышленности, строительстве.

В зависимости от назначения конкретных деталей гальванические покрытия бывают:

Защитными, которые служат для изоляции металлических деталей от механических повреждений и воздействия агрессивных сред

Защитно-декоративными, которые предназначены для придания деталям эстетичного внешнего вида и защиты от разрушающих внешних воздействий

Специальными, которые наносятся для придания обрабатываемым поверхностям улучшенных характеристик – повышенной износостойкости, электроизоляционных и магнитных свойств, твердости и т.д.

Меднение, хромирование, цинкование, железнение, никелирование, латунирование, родирование, золочение и серебрение, покрытие оловом – все эти операции являются видами гальванических покрытий. Разницу составляет используемый в качестве покрытия материал.

Газотермическое напыление

Газотермическое напыление – это метод переноса расплавленных частиц материала на обрабатываемую поверхность при помощи газового или плазменного потока. Покрытия металлов, образованные таким методом, могут быть износостойкими, коррозионностойкими, антифрикционными, противозадирными, термостойкими, термобарьерными, электроизоляционными, электропроводными и т.д. В качестве напыляемого материала служат проволоки, шнуры и порошки из металлов, керамики и металлокерамики.

Существуют следующие методы газотермическогого напыления:

Высокоскоростное газопламенное напыление. Используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий.

Детонационное напыление. Применяется для напыления защитных покрытий и восстановления небольших поврежденных участков поверхности.

Плазменное напыление. Является достаточно энергозатратным методом, поэтом используется для создания тугоплавких керамических покрытий

Электродуговая металлизация. Менее энергозатратный способ нанесения покрытий, который используется только для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности.

Газопламенное напыление. Самый простой и недорогой метод в плане внедрения и эксплуатации. Используется для защиты от коррозии крупных площадей поверхности и восстановления геометрии деталей.

Напыление с оплавлением. Используется в тех случаях, когда нет риска деформации деталей или такой риск оправдан. Метод металлургически связывает покрытие с основанием.

Погружение в расплав

При использовании данного метода подразумевается окунание детали в расплавленный метал, в роли которого выступает олово, цинк, алюминий, свинец. Перед погружением поверхности следует обработать флюсом, который состоит из хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Такая предварительная обработка позволяет защитить расплав от окисления, а также удалить солевые и оксидные пленки.

Данный метод не слишком экономичен, так как расходуется большое количество наносимого металла, неравномерность толщины покрытия, а также невозможность нанесения в узкие зазоры и отверстия, например, на резьбу и т.д.

Термодиффузионное покрытие

Данный вид обработки поверхностей является анодным по отношению к черным металлам, и обеспечивает электрохимическую защиту стали. Покрытие обладает высокой адгезией с основой, в процессе эксплуатации не отслаивается. Оно также обладает высокой стойкостью к механическим нагрузкам и деформации.

Термодиффузионный метод позволяет добиться однородного по толщине слоя даже на деталях сложных форм. Кроме этого такое покрытие очень устойчиво к коррозии и не вызывает водородного охрупчивания металла. В качестве наносимого материала выступает цинк.

Плакирование

Данный метод представляет собой нанесение на поверхности деталей равномерного слоя металла при помощи пластичной деформации и сильного сжатия. Основу технологии составляет холодное сваривание. Чаще всего таким образом создают защитные, контактные или декоративные покрытия на деталях из стали, меди, алюминия и их сплавов.

Плакирование производится при помощи технологий прокатки, экструзии, штамповки, сваривания взрывом.

Износостойкое покрытие инструмента PVD и CVD

На протяжении всей история развития инструментального производства стояла задача повышения износостойкости и скорости металлообработки, а как следствие снижение себестоимости продукции.

Особенно остро задача повышения стойкости инструмента, встала в связи с появлением новых видов материалов высокопрочных жаростойких сплавов, композитных материалов.

Одним из путей решения задачи повышения стойкости твёрдосплавных фрез и свёрл (металлорежущего инструмента) является нанесение упрочняющего слоя на уже готовые свёрла, фрезы и пластины.

Основные свойства покрытий

В наши дни для увеличения износостойкости режущего инструмента, деталей машин, зуборезного инструмента, твёрдосплавных свёрл и фрез применяются высокотехнологичные покрытия. Они обеспечивают устойчивость инструментов к воздействию таких факторов как:

Быстрому износу (износостойкость);
Силы трения (антифрикционность);
Высокой температуре (термостойкость);
Коррозии (коррозийностойкость);
Уменьшают адгезию (антиадгезионность).

Увеличение прочности и стойкости концевой фрезы – это не единственное достоинство покрытий. Применение осевого режущего инструмента с износостойким покрытием представляет для производственных предприятий следующие выгоды:

Сокращение производственного цикла;
Рост производительности предприятия;
Уменьшение себестоимости продукции;
Увеличение чистой прибыли компании;
Освобождение ресурсов.

Области применения

Применение нано-композитных покрытий нашло широкое применение во многих отраслях промышленности.

Режущий инструмент для металла, дерева, бумаги, пластмасс, композиционных материалов;
Детали машин, испытывающие трение и износ;
Зуборезный инструмент: модульные дисковые фрезы, червячные фрезы, резцы для зуборезных головок;
Формообразующие штампы и пресс-формы;
Литьевые формы для сплавов цветных металлов, алюминия, пластмасс и резины.

Покрытие CVD

С начала использования твёрдосплавного инструмента производители увеличивали износостойкость и прочность путём добавления в состав металла небольшое количество карбида титана (TiC). Данный сплав давал ожидаемый результат, но ценой уменьшения прочности и увеличения хрупкости инструмента. В какой-то момент повышение концентрации TiC в сплаве становилась настолько высокой, что эффект становился обратным и инструмент становился менее стойким и более хрупким.

В 1970 году проблема хрупкости твёрдосплавного инструмента была решена путём создания тонкой плёнки TiC на поверхностях и режущих кромках инструмента что позволило, не изменяя внутренней структуры твёрдого сплава повысить стойкость и скорость обработки. Дальнейшее развитием этой идеи стало применение в качестве материала покрытия нитрида титана (TiN) и оксида алюминия (Al2O3).

Основные свойства указанных покрытий:

Карбид титана TiC – повышает износостойкость твёрдосплавного инструмента и предотвращает образование сколов
Нитрид титана TiN – предотвращает формирование заусенцев и налипание обрабатываемой заготовки на режущую кромку, повышая качество обработки поверхности
Оксид алюминия Al₂O₃ – значительно увеличивается стойкость к высоким температурам и препятствует критическому нагреву инструмент так как является хорошим термоизолятором

В основе данного метода нанесения покрытия лежит процесс, происходящий в камере в которой поддерживается высокая температура (до 1200 градусов Цельсия). Материал покрытия подаётся в паровом агрегатном состоянии и под действием высокой температуры вступает в реакцию с поверхностным слоем металлорежущего инструмента или детали (заготовки). Данный процесс получил название – химическое осаждение из парового агрегатного состояния (СVD – Chemical Vapor Deposition).

Преимущества покрытия CVD

Не смотря на очевидные преимущества данного метода:

относительная простота и дешевизна процесса;
возможность создания покрытий необходимой толщины;
возможность создания многослойных покрытий с уникальными свойствами и большим количеством комбинаций этих слоёв. В каталогах некоторых производителей можно найти в доступных к заказу до 18 типов покрытий для каждого инструмента.

Недостатки покрытия CVD

К недостаткам данной технологии относят:

сильный нагрев инструмента в процессе нанесения покрытия для получения удовлетворительной адгезии наносимого материала к инструменту, под влиянием сильного нагрева прочность основного материала инструмента из твёрдого сплава снижается. Возникает риск образования хрупких фаз;
химикаты используемые для процесса покрытия инструмента и побочные продукты являются токсичными, огнеопасными и разъедающими веществами;
не смотря на относительную низкую удельную стоимость процесса некоторые изготовители инструмента и твёрдосплавных пластин удерживают цену продукции на обосновано высоком уровне.

Покрытие PVD

Другая широко используемая технология нанесения упрочняющих покрытий – физическое осаждение из паровой фазы (PVD – Physical Vapor Deposition).

Принципиальными отличиями нанесения покрытия PVD является технологический процесс и физические явления, лежащие в основе этого метода. При физическом методе нанесения покрытия материал переходит из твёрдого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счёт кинетической энергии столкновения частиц материала. Затем пучок полученной газовой фазы материала при помощи электромагнитного поля транспортируется к режущему инструменту, нагретому до температуры, не превышающей 500 градусов Цельсия, где ионизированный материл сталкивается и равномерно конденсируется на режущем инструменте.

На сегодняшнем этапе развития, промышленное применение нашли несколько методов физическое осаждения из паровой фазы различающие способом получения газовой фазы материала покрытия.

Резистивный нагрев;
Индукционный нагрев;
Низковольтная дуга;
Катодно-дуговое испарение;
Лазерный луч.

Основные типы покрытий PVD и их свойства

Нитрид титана TiN (Titanium Nitride) – предотвращает формирование заусенцев и налипание обрабатываемой заготовки на режущую кромку, повышая качество обработки поверхности. Универсальное покрытие для обработки чугуна и низкоуглеродистых сталей. Увеличивает срок службы инструмента, выступая в качестве механического, термического и химического барьера между инструментом и заготовкой. Хорошая недорогая альтернатива AlTiN в приложениях с низкой производительностью.
Карбонитрид титана TiCN (Titanium Carbon Nitride) – повышает производительность инструмента по сравнению с покрытием нитрида титана благодаря более высокой скорости подачи и скорости. Применяется, в случаях, когда нельзя использовать AlTiN, например, в приложениях, где недопустимые высокие скорости и подачи режимов резания, но необходима защита инструмента от высоких температур резания.
Алюминий Титан Нитрид AlTiN (Aluminum Titanium Nitride) – покрытие с уникальной нанокомпозитной структурой, которая значительно повышает твёрдость, термостойкость и сопротивление ударным нагрузкам. Превосходные результаты испытаний, которые однозначно указывают на увеличение срока службы инструмента и сокращение времени циклов металлообработки.
Алюминий Хром Нитрид AlCrN (Aluminum Chromium Nitride) – отличается уникальной нанокристаллической решёткой, которая значительно увеличивает твёрдость и жаропрочность. Предназначено для равномерного износа и сопротивления сколам, благодаря высокой термостойкости и высокой производительности в сложных условиях и прерывистых режимах резания, с охлаждающей жидкостью и без.

Преимущества покрытия PVD

Плюсом метода PVD является нанесение тугоплавкого материала при относительно низкой температуре и, следовательно, более щадящий режим воздействия на металл, из которого изготовлено твёрдосплавное сверло. Фреза или пластина сборного инструмента (прочность остаётся практически неизменной).
Другим преимуществом является небольшая толщина слоя при равных эксплуатационных характеристиках. Это позволяет сохранять острую режущую кромку (небольшой радиус закругления режущей кромки), что особенно важно для чистовых режимов обработки и обработки с повышенными требованиями к точности и жёсткими допусками на размеры.

Недостатки покрытия PVD

Процесс физического осаждения в вакууме является несравнимо более дорогим со сложным технологическим процессом и аппаратурой, требующей дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала, однако результат легко окупается особенно для приложений, которые требуют высокой точности.

CVD или PVD

В первую очередь защитные напыления CVD и PVD отличаются толщиной.

CVD покрытия значительно толще покрытий PVD. Большая толщина является плюсом при обработке чугунов и легированных сталей.

Тонкие PVD покрытия (толщина как правило не превышает 2-5 мкм) незаменимы для обработки нержавеющих, жаростойких и низкоуглеродистых сталей, композиционных материалов.

Износостойкие покрытия

Для того, чтобы выбрать материал для покрытия, необходимо определить ряд критериев:

1. Насколько совместимы физические и механические свойства материалов покрытия и подложки, их упругость, твердость, коэффициент термического расширения;
2. Насколько высока будет прочность сцепления между покрытием и подложкой и будет ли обеспечено отсутствие электрохимического взаимодействия;
3. Определить возможность нанесения покрытия на подложку выбранным способом, который обеспечит равномерность толщины, необходимой структуры и определенного комплекса свойств;

И самое важное, определение условий эксплуатации детали или узла. Только определив температуру, среду и условия контакта, уровень и характер действующих нагрузок, можно сделать предварительные выводы о том, какими характеристиками должен обладать материал для создания покрытия.

Необходимо учитывать, что между наносимым материалом и подложкой находится условная граница, на которой, вследствие различия в модулях упругости двух материалов, а также при действии внешних нагрузок, возникают касательные сдвигающие напряжения. Величина этих напряжений возрастает с увеличением толщины покрытия. Она тем выше, чем больше разница в характеристике упругости взаимодействующих материалов.

Термическое воздействие на детали с покрытием ведет к возникновению касательных напряжений, что является следствием различия в коэффициентах термического расширения. Также, величина этих напряжений зависит от того, насколько изменяется температура и какие различия имеются в коэффициентах термического расширения материалов покрытия и подложки.

Отслоение покрытия от подложки в процессе эксплуатации изделий, является следствием касательных напряжений.
С развитием машиностроения, станкостроения и авиастроения, и ремонта интенсивно ведутся исследования по получению композиционных (многокомпонентных) покрытий, содержащих частицы высокой твердости, такие как карбиды, нитриды, бориды и/или частицы антифрикционного материала- медь, бронза, серебро, молибден, нитрид бора и др.
Для повышения износостойкости и обеспечения характеристик фрикционных свойств используют покрытия из металлов, керамик и пластиков, наносимые различными способами.

Наиболее широкое применение получают многослойные покрытия за счет выполнения ими сразу нескольких функций. Нанесение покрытий в несколько слоев позволяет увеличить прочность покрытия и обеспечить высокую стойкость инструмента или детали к абразивному, диффузионному и окислительному износу, снизить трение и термобарьерный эффект.

Материалами, обеспечивающими вышеперечисленные свойства являются такие порошки как:

ВКНА (ПН75Ю23В) – жаропрочный многокомпонентный порошок на основе металлида никель-алюминий, фазоупрочненный включениями тугоплавких металлов. Покрытия с использованием порошка ВКНА имеют структурную термостабильность, жаростойкость, износостойкость и характеризуются примечательными физико-механическими свойствами. Используется в плазменном напылении. Был разработан для покрытий деталей ГТД в условиях работы при 1200°C, в настоящее время используется и в других отраслях. Порошок может использоваться для изготовления деталей конструкционного назначения методом спекания.

ПВ-Н70Ю30 (никель 70-алюминий 30) – обладает исключительной жаростойкостью при нагреве на воздухе. Обладает коррозионной стойкостью в воде, щелочах, атмосфере. Обладает высочайшим сопротивлением коррозии. Температура плавления порошка восстановленного Н70Ю30 равна 1650°C, а твердость покрытия в районе 40 HRC. Этот металлический порошок образует прочные покрытия с медью и сталью, а также отлично прессуется и спекается, поэтому используется в деталях конструкционного назначения.

ПВ-Н85Ю15 (никель85- Алюминий15) – используется в плазменном напылении, создает покрытия твердостью порядка 300 НВ и имеет температуру плавления 1400°C. Порошок используется для покрытий, где необходима высокая жаропрочность при нагреве атмосферы до 1200°C и устойчивость в воде и щелочах, в подслоях для покрытий из оксидов и карбидов.

ПХ20Н80- восстановленный, иррегулярный порошок на основе никеля, меди и других элементов для плазменного напыления, плазменной наплавки (PTA), а также используемый в газопламенном, детонационном и высокоскоростном (HVOF) напылении. С успехом используется для изготовления деталей конструкционного назначения методом спекания.

ПВ-Н55Т45 – образует износостойкие покрытия, которые обладают стойкостью в агрессивных средах, в щелочах, морской воде, в атмосфере при температурах до 600°С. Данный металлический порошок также используется для производства деталей конструкционного назначения методом спекания с эффектом памяти формы.

Перечисленные и другие порошки-суперсплавы в ассортименте ООО «ГК Железный Элемент» применяются для плазменного напыления, плазменной наплавки (PTA), газопламенным, детонационным и высокоскоростным (HVOF) напылением.

Некоторые из них, например, ВКНА, ПВ-НХ16Ю6Ит, ПР-Х20Н80, ПХ20Н80, ПНХ20К20Ю13, ПВ-Х20Ю6Ит и другие на основе соединения никель-железо-медь могут использоваться для изготовления деталей конструкционного назначения методом спекания.

Купить металлические порошки, произведенные в строгом следовании технологичному процессу, Вы можете, обратившись в нашу компанию. Мы гордимся высоким качеством продукции, отвечающей требованиям ТТ и ГОСТ, соответствующей упаковке и быстрой отгрузке.
Наши клиенты получают сертифицированную продукцию в максимально сжатые сроки- на следующей день после заказа.

Защитные покрытия для металлов

Различные покрытия металлов используются для изоляции этих материалов от агрессивной окружающей среды. Чтобы выполнять свою основную функцию, покрытия должны быть сплошными, непроницаемыми, равномерно распределяющимися по поверхности. Также они должны обладать хорошей адгезией, высокой износостойкостью, жаростойкостью и твердостью.

Защитные покрытия подразделяют на металлические и неметаллические. Рассмотрим подробнее обе категории.

Металлические защитные покрытия

Металлические покрытия наносятся на различные поверхности (не только на металл, но и на стекло, керамику, пластмассу и др.) в целях их защиты от коррозии, придания твердости и износостойкости, электропроводящих и декоративных функций.

Для придания поверхностям антикоррозионных свойств покрытия наносятся следующими способами:

Гальванизацией (электролитическим методом): металл или сплав осаждается на поверхность в виде водных растворов солей путем постоянно пропускания тока через электролит
Газотермическим напылением: расплавленный металл распыляется на обрабатываемую поверхность с помощью струи воздуха
Окунанием: горячий способ нанесения покрытия методом погружения изделия в ванну с расплавленным металлом
Плакированием (термомеханическим методом): на поверхность основного металла наносится другой, более устойчивый к агрессивной среде, путем литья, совместной прокатки, прессования или ковки
Термодиффузионным методом: покрытие проникает в поверхностный слой основного металла под воздействием высокой температуры

По способу защиты металлические покрытия подразделяют на анодные и катодные – в зависимости от того, анодом или катодом является металлопокрытие к обрабатываемому изделию.

Электрохимическую защиту от коррозии осуществляют исключительно анодные покрытия, имеющие более отрицательный электрохимический потенциал. Под воздействием окружающей среды они постепенно разрушаются, но при этом сохраняют целостность изделий.

Хорошим примером анодного покрытия металлов является цинковый защитный слой не железе.

Катодные защитные покрытия, имеющие положительный электродный потенциал, используются намного реже, так как защищают детали лишь механически. Основной металл изделия, являющийся анодом, при подводе к нему влаги начинает интенсивно разрушаться, поэтому катодное покрытие должно быть сплошным, без малейших пор и царапин. Примером такого покрытия служит оловянная или медная защита на железе.

Гальванизация относится к электрохимическим методам нанесения металлических покрытий.

Получаемый защитный слой предупреждает коррозию и окисление, улучшает износостойкость и прочность изделий, придает им эстетичный внешний вид.

Гальванические покрытия распространены в строительстве, авиа- и машиностроении, радиотехнике и электронной промышленности.

В зависимости от назначения они бывают защитными, защитно-декоративными и специальными. Назначение первых двух понятны уже из названий. Специальные наносятся на изделия для придания им повышенной твердости и износостойкости, улучшенных электроизоляционных, магнитных и других свойств.

Разновидностями гальванизации являются меднение, хромирование, цинкование, железнение, никелирование, латунирование, родирование, золочение, серебрение, покрытие оловом.

Газотермическое напыление – это метод переноса расплавленных частиц на обрабатываемую поверхность при помощи газового или плазменного потока. Покрытия, образованные газотермическим способом, обладают износостойкостью, коррозионной устойчивостью, антифрикционными, противозадирными, термостойкими, электропроводными и другими свойствами.

В качестве напыляемого материала используются проволоки, шнуры и порошки из металлов, керамики или металлокерамики.

Высокоскоростное газопламенное напыление: используется для образования плотных металлокерамических и металлических покрытий
Детонационное напыление: применяется для восстановления небольших поврежденных участков поверхности
Плазменное напыление: используется для создания тугоплавких керамических покрытий
Электродуговое напыление: применяется для нанесения антикоррозионных металлических покрытий на большие площади поверхности
Газопламенное напыление: самый простой и недорогой метод в плане внедрения и эксплуатации; используется для защиты больших поверхностей от коррозии и восстановления геометрии деталей
Напыление с оплавлением: металлургически связывает покрытие с основанием; применяется в тех случаях, когда отсутствует риск деформации деталей или этот риск оправдан

Окунание в расплав

При использовании данного метода деталь окунается в расплавленный металл: олово, цинк, алюминий или свинец. Перед погружением поверхности обрабатываются флюсом, состоящим из хлорида аммония (52-56 %), глицерина (5-6 %) и хлорида покрываемого металла. Такая обработка позволяет удалить солевые и оксидные пленки, а также защитить расплав от окисления.

Данный метод не слишком распространен, так как расходует большое количество защитного покрытия, при этом не обеспечивая его равномерную толщину и не позволяя наносить металл в узкие зазоры.

Данный вид обработки поверхностей по отношению к черным металлам является анодным и обеспечивает эффективную электрохимическую защиту стали. Покрытие обладает высокой адгезией с основой, в процессе эксплуатации не отслаивается. Оно также обладает высокой стойкостью к механическим нагрузкам и деформации.

Неметаллические защитные покрытия применяются для изоляции металлических изделий от воздействия внешней среды (в первую очередь, влаги) и придания им эстетичного внешнего вида.

К неметаллическим относятся полимерные, резиновые, лакокрасочные, эмалевые, оксидные и др. покрытия.

Полимерные покрытия

На сегодняшний день данный вид покрытия металла является наиболее популярной альтернативой оцинковке и окраске изделий.

Детали, обработанные полимерными веществами, имеют долгий срок службы, эстетичный внешний вид, отличные электроизоляционные, высокотемпературные и противоизносные свойства.

В качестве напыляемого материала чаще всего выступают полиэстер, пластизоль, полиуретаны, поливинилдефторид и некоторые другие.

Одной из самых современных и высокотехнологичных разновидностей полимерных покрытий являются антифрикционные покрытия (АФП).

По структуре они похожи на краски, однако вместо пигмента содержат высокодисперсные частицы твердых смазочных веществ: дисульфида молибдена, графита, политетрафторэтилена (ПТФЭ) и пр. Эти компоненты равномерно распределены в полимерной связующем, в качестве которого могут выступать эпоксидные, акриловые, титанатовые и другие смолы.

Например, в России такие покрытия разрабатывает компания «Моделирование и инжиниринг».

Основным предназначением АФП MODENGY являются:

Средне- и тяжелонагруженные узлы трения скольжения (направляющие, зубчатые передачи, подшипники и т.д.)
Детали ДВС (юбки поршней, подшипники скольжения, дроссельная заслонка и др.)
Пластиковые и металлические компоненты автомобилей (замки, петли, пружины, скобы, механизмы регулировки в салоне автомобиля и т.д.)
Резьбовые соединения и крепеж
Трубопроводная арматура
Другие пары трения металл-металл, металл-резина, полимер-полимер, металл-полимер.

Антифрикционные твердосмазочные покрытия (АТСП) MODENGY наносятся однократно на весь срок службы узлов трения, что позволяет полностью отказаться от регулярно восполняемых масел и пластичных смазок.

Высокая популярность АТСП обусловлена их высокой несущей способностью, низким коэффициентом трения, широким диапазоном рабочих температур, устойчивостью к воздействию воды и химикатов, работоспособностью в запыленной среде, условиях радиации и вакуума.

Тонкий слой защитного покрытия практически не влияет на исходную точность размеров детали.

Эмаль – это тонкое покрытие на металле, обладающее антикоррозионными свойствами. Получают его с помощью высокотемпературной обработки стекловидного порошка, смешанного с водой.

Оксидирование бывает анодным, химическим, термическим, плазменным, лазерным (последнее доступно только в промышленных условиях).

Окрашивание

Данный метод антикоррозионной защиты металла хорошо известен каждому. Однако лакокрасочные покрытия не отличаются термостойкостью и износостойкость, повредить их очень легко.

Основным преимуществом окрашивания является низкая стоимость и достаточно простая технология. Достаточно провести тщательную подготовку поверхности и придерживаться рекомендаций по нанесению используемого материала.

Срок службы лакокрасочных покрытий зависит от условий эксплуатации деталей. При высоких нагрузок и температурах их не применяют, используя чаще всего в качестве декоративного слоя.

Читайте также: