Нанесение покрытий напылением

Наиболее близким по техническому решению является способ нанесения покрытий в вакууме с большой скоростью роста толщины слоя, основанный на конденсации вещества из плазменной фазы, созданной катодным пятном вакуумной дуги, с бомбардировкой поверхности ионами металла в присутствии реакционноспособного газа. (Метод КИБ) [9].

Важнейшими параметрами такого процесса нанесения покрытий являются количество ионов и атомов материала катода и давление реакционноспособного газа, определяющие основные свойства покрытия - фазовый состав, микротвердость и т.д. Увеличение скорости нанесения композиционных покрытий по методу КИБ возможно за счет увеличения тока дуги. Однако при этом для получения композиционных покрытий стехиометрического состава необходимо увеличить долю реакционноспособного газа, что приводит к повышению давления в камере. При давлении в камере выше, чем 0,1 Па резко падает скорость осаждения покрытий вследствие столкновений молекул распыленного вещества с молекулами рабочего газа и обратной диффузии распыляемого материала к катоду. Финишная подготовка поверхности изделий для получения хорошей адгезии по методу КИБ осуществляется ионами металла, извлекаемыми из плазмы дугового разряда распылителя. Недостатком такой подготовки является то, то на изделия необходимо подавать отрицательный потенциал до 1500 В, т.е. обработке подлежат только электропроводящие изделия. При такой подготовке хорошая адгезия происходит только при нагреве изделий до температуры выше 450°C. Это приводит к отпуску многих инструментальных и конструкционных сталей и потере их объемной прочности. Кроме того, при таком способе финишной подготовки не исключается подпыление поверхности изделий материалом мишени, что в некоторых случаях является недопустимым.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение скорости нанесения композиционного покрытия, улучшение его качества и увеличение адгезии покрытий на изделиях из металла, стекла и керамики больших габаритов и сложной формы.

Указанный технический результат достигается тем, что нанесение покрытий на изделия в вакууме производят по способу, включающему распыление катодной мишени дуговым разрядом и осаждение получаемого потока на изделия с одновременным воздействием на изделия плазмой реакционноспособного газа, создаваемой согласно изобретению несамостоятельным дуговым разрядом с накаленным катодом при давлении рабочих газов от 0,01 Па до 5 Па и токе разряда от 10 А до 300 А, которая равномерно заполняет вакуумный объем с концентрацией 1010 - 1011 частиц/см3 и однородно воздействует на помещенные в нее обрабатываемые изделия сложной формы.

Кроме того, поверхность изделий перед нанесением покрытий очищают и активируют ионами плазмы генератора с термоэмиссионным катодом. Использование термоэмиссионного катода позволяет за счет изменения его эмиссии контролировать ток разряда в широком диапазоне от 10 А до 300 А, реализуя режим несамостоятельного дугового разряда без катодного пятна при низких давлениях. Такой разряд генерирует плазму с минимальными примесями вещества катода, что весьма важно при использовании его для очистки и активации поверхности изделий, и исключает недостатки, присущие способу обработки с применением источника плазмы на основе разрядов в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Нижний рабочий предел по току несамостоятельной дуги 10 А характерен для области предельно низких давлений напускаемого газа P 0,01 Па и связан с неустойчивостью зажигания и горения разряда вследствие уменьшения столкновений и соответствующего уменьшения вероятности ионизации электронами молекул рабочего газа, что является основным фактором устойчивого существования несамостоятельной дуги. Верхний рабочий предел по току 300 А связан с увеличением вероятности перехода к самостоятельному дуговому разряду с образованием катодного пятна, которое вызывает значительную эрозию электродов разрядной системы.

Рабочий диапазон предлагаемого способа по давлению напускаемого в систему газа связан с одной стороны условиями зажигания и устойчивого горения несамостоятельного дугового разряда P 0,01 Па, а с др. стороны P 5 Па падением скорости напыления покрытий вследствие существенного влияния столкновений и рассеяния атомов распыляемого вещества мишени на молекулах и атомах напускаемого газа.

Напуск реакционного газа через генератор на основе несамостоятельного дугового разряда позволяет получать плазму с высокой степенью ионизации и относительно высокой температурой электронов при низком давлении. Полученная плазма, взаимодействуя с плазмой дугового распылителя, создает повышенную концентрацию ионов и возбужденных атомов газа и металла. Процентное содержание ионов и атомов реакционноспособного газа вблизи поверхности изделий регулируется независимо и в широких пределах за счет изменения тока несамостоятельного разряда без изменения давления. Это дает возможность контролировать процесс роста покрытия и его стехиометрию, повысить ток дугового распылителя в несколько раз по сравнению со способом - прототипом, увеличить скорость нанесения покрытий в 2,5 раза и улучшить его качество.

Перед нанесением покрытий поверхность изделий очищают и активируют ионами плазмы несамостоятельного дугового разряда, которые, ускоряясь до энергии (5 - 7) к Tе в пристеночном слое пространственного заряда у поверхности изделий, активно ее бомбардируют. Причем, т.к. толщина пристеночного слоя при концентрации плазмы 1010 - 1011 см3, характерных для предлагаемого способа обработки, составляет доли миллиметра, а достигаемая однородность ее распределения в зоне обработки не хуже 20% от среднего значения, то обработка изделий сложной формы происходит эффективно и однородно со всех сторон.

Как показали исследования, скорость травления поверхности неподвижных образцов из стекла, находящихся на расстоянии 220 мм от плазмогенератора при токе несамостоятельного дугового разряда 100 А, составляет 1 мкм/час, а образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т - 0,3 мкм/час без подачи смещения. Если на образец из стали подавалось отрицательное смещение - 1000 В, то скорость травления его поверхности возрастала до 2 мкм/час.

Экспериментально измеренная скорость напыления TiN на неподвижный образец из нержавеющей стали, расположенный на расстоянии 220 мм от катода дугового испарителя, составляла 30 мкм/час при токе дугового испарителя 150 А и токе разряда плазмогенератора 50 А. При этом достигалось согласование скорости распыления катодной мишени дуговым разрядом, т.е. поставки к напыляемой поверхности ионов и атомов металла и скорости генерации ионов реакционноспособного газа, необходимого для синтеза композита TiN по составу и свойствам близкого к стехиометрическому составу. В промышленных напылительных технологических установках нанесение покрытий осуществляется одновременно на несколько деталей, расположенных на вращающемся столе, поэтому увеличение скорости травления, улучшение однородности финишной обработки и повышение скорости напыления композиционных покрытий на поверхность является необходимым условием для повышения производительности реального технологического процесса.

Проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии исследования микроструктуры полученных покрытий свидетельствуют о том, что осуществляемая одновременно с формированием покрытий TiN обработка поверхности плотной низкотемпературной газоразрядной плазмой препятствует формированию высокоэнергетического структурного состояния, резко снижает плотность дефектов (дислокаций, дисклинаций) в образующихся субмикрокристаллитах и уровень внутренних напряжений, формирующихся в процессе роста покрытий. Полученные предлагаемым способом покрытия TiN имели состав, близкий к стехиометрическому составу. Все эти факторы способствуют улучшению служебных характеристик покрытия: повышению твердости, увеличению износостойкости и коррозионной стойкости.

Испытания адгезионных свойств образцов с покрытиями, полученными предлагаемым способом, показали, что отрыв покрытия от изделия происходит при усилиях свыше 150 кг/см2, что в 2 - 3 раза выше, чем после обработки по способу-прототипу.

Предлагаемый способ был реализован также в технологическом цикле, с использованием специально разработанной высокопроизводительной вакуумной ионно-плазменной установки для нанесения защитно-декоративных покрытий на объемные изделия сложной формы. За один технологический цикл продолжительностью 70 - 90 минут на этой установке наносятся покрытия типа TiN или TiOx на 180 шт. изделий из металла, стекла или керамики размерами ~ 10 х 10 х 10 см3 сложной формы (посуда, фурнитура, бижутерия, культовые предметы и т.д.) с хорошим качеством и высокой адгезией покрытий на изделиях.

Таким образом, предлагаемый способ нанесения покрытий позволяет получать качественные покрытия на изделиях сложной формы из металла, стекла и керамики со скоростью напыления до 15 нм/с и с адгезионной прочностью ~ более 150 кг/см2, что в 2 - 3 раза выше значений аналогичных параметров, получаемых при использовании способа-прототипа.

· Рассмотрим патент, опубликованный позднее, в 2008 году уже рассматриваемым ученым: Вашковцевым Виктором Владимировичем, в котором говорится, об упрочнении или восстановлении рабочих поверхностей деталей. Его описание приведено ниже[12].

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к способам упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей, преимущественно шеек валов, втулок подшипников скольжения, посадочных отверстий корпусных деталей, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения.

Известен способ восстановления изношенных шеек валов, включающий механическую обработку поверхности шейки, нанесение на нее клеевой композиции, установку оболочки, прижатие ее к поверхности и термическую обработку в процессе взаимодействия клеевой композиции с сопряженными поверхностями шейки и оболочки (SU 1734957, В23Р 6/00, 23.05.92.Бюл. №19).

Недостатком этого способа является слабое усилие прижатия оболочки к поверхности шейки посредством хомутиков, которые ослабляют это усилие при нагреве, и поэтому имеет место недостаточная прочность соединения.

В качестве ближайшего аналога выбран способ восстановления изношенной поверхности детали, включающий механическую обработку поверхности, нанесение на нее клеевой композиции, установку на поверхность втулки и прижатие ее к поверхности путем деформирующей раскатки до требуемого размера (SU 632533 А1, кл. В23Р 7/00, опубл. 15.11.1978, Бюл. №42).

Недостатком способа является его высокая трудоемкость и длительность процесса восстановления, связанная с невозможностью объединения процесса отверждения клеевой композиции путем нагрева и деформирования. Деформирование втулки до затвердевания клея может привести к ее проворачиванию, что ухудшит качество соединения. Кроме этого, способ предполагает использование в качестве деформирующих инструментов, например, для восстановления отверстий жестких раскатников, имеющих малый диапазон диаметров обрабатываемых отверстий, что повышает трудоемкость способа, связанную с необходимостью изготовления под каждый диаметр отверстия нового сложного в изготовлении инструмента, а кроме этого для приведения его в действие необходим специальный станок.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является снижение трудоемкости и упрощение технологии упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей посредством установки втулок, а также повышение надежности их соединения за счет более высокой степени деформации втулки в процессе ее прижатия к обрабатываемой поверхности.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей типа вал или втулка или посадочных отверстий крпусных деталей, включающем механическую обработку поверхности, нанесение на нее соединяющего вещества, установку втулки и прижатие ее к поверхности путем деформирования инструментом, в отличие от прототипа, прижатие осуществляют инструментом в виде втулки из материала с эффектом запоминания формы, которую устанавливают на поверхность втулки, после чего сборку или инструмент нагревают до температуры обратного мартенситного превращения материала инструмента, при этом соединяющее вещество выбирают с температурой взаимодействия с сопряженными поверхностями, не превышающей эту температуру. В качестве материала с эффектом запоминания формы используют никелид титана.

Предлагаемый способ значительно упрощает и снижает трудоемкость процесса упрочнения или восстановления поверхностей деталей, т.к. процесс деформирования втулки осуществляется по всей ее поверхности одновременно с процессом взаимодействия соединяющего вещества под действием температуры обратного мартенситного превращения материала инструмента. При этом реактивное напряжение на поверхность втулки в зависимости от разрешаемой ее деформации может превышать 450 МПа. Такое высокое давление деформирования втулки обеспечивает минимальный зазор в сопряжении, что обеспечивает более надежное соединение втулки с поверхностью детали.

Способ осуществляется следующим способом.

Поверхность, подлежащую упрочнению или восстановлению (шейки вала, втулки, посадочного отверстия и т.п. детали), подвергают механической обработке (точением, шлифованием, зачисткой наждачной шкуркой и др. способами).

Изготавливают втулку и инструмент из материала с эффектом запоминания формы, например, никелида титана (ТН-1) или другого сплава. Причем инструмент также выполняют в виде втулки по длине, равной или несколько большей устанавливаемой на деталь втулки, а его посадочный диаметр выбирают из соотношения:

d И=dВТ± ,

где dВТ - посадочный диаметр втулки;



- зазор между посадочными диаметрами втулки и инструментом;

=(0,001-0,0015)dВТ.

Знак (+) применяют, когда инструмент устанавливается на наружную поверхность втулки, а (-) - на внутреннюю.

После механической обработки инструмент подвергают термоциклированию по определенному режиму для получения в нем наведенной деформации, обеспечивающей обратимый эффект запоминания формы.

Когда подготовка закончена, на поверхность одной или обеих деталей наносят соединяющее вещество, в качестве которого могут быть использованы различные клеевые композиции или вещества с температурой взаимодействия, не превышающей температуру обратного мартенситного превращения материала инструмента, например низкотемпературные припои. Затем втулка устанавливается на поверхность детали, а на ее поверхность (внутреннюю или наружную) - инструмент. Затем инструмент или всю сборку нагревают до температуры обратного мартенситного превращения и осуществляют изотермическую выдержку в течение времени, необходимого для окончания взаимодействия соединяющего вещества с поверхностями детали и втулки. После охлаждения инструмент демонтируют, после чего процесс упрочнения или восстановления завершен.

Апробация на практике предлагаемого способа для упрочнения и восстановления различных деталей показала его простоту, высокую эффективность и надежность. Так испытания на прочность посадки втулки показали, что напряжения сдвига, в зависимости от типа применяемого соединяющего вещества, составляют 20-40 МПа, что превышает результаты, достигаемые известными способами. Причем предлагаемый способ обеспечивает прочное и надежное соединение упрочняемой или восстанавливаемой поверхности детали как с помощью цельнометаллической, так и разрезной свертной втулки, а также выполненной в виде двух полувкладышей.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей типа вал или втулка или поверхностей посадочных отверстий корпусных деталей, включающий механическую обработку поверхности детали, нанесение на нее соединяющего вещества, установку втулки и прижатие ее к поверхности детали путем деформирования инструментом, отличающийся тем, что прижатие осуществляют инструментом в виде втулки из материала с эффектом запоминания формы, которую устанавливают на поверхность втулки, прижимаемой к поверхности детали, после чего полученную сборку или инструмент нагревают до температуры обратного мартенситного превращения материала инструмента, при этом используют соединяющее вещество с температурой взаимодействия с сопряженными поверхностями, не превышающей температуру обратного мартенситного превращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала с эффектом запоминания формы используют никелид титана.

· Патент опубликованный, в 1996 году другими учёными: Рабинович А.И., Перельман О.М., Дорогокупец Г.Л., Куприн П.Б., Мельников М.Ю.,изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения составных сложнопрофильных изделий, содержащих детали из порошкового материала. Его описание приведено ниже[13].

Известны способы получения составных сложнопрофильных порошковых изделий, предусматривающие раздельное формование деталей изделия, сборку деталей и их последующее соединение. По одному из способов соединение деталей осуществляют путем их горячего прессования через промежуточный порошкообразный слой.

Недостаткaми этого способа являются трудоемкость и сложность технологии получения изделий.

Известен способ соединения деталей путем пайки через пастообразный припой, наносимый на соединяемые поверхности деталей перед сборкой (Лашко С.В. Лашко М.Ф. Пайка металлов.М. Машиностроение, 1988, с.17-18).

Недостатком этого способа является большая площадь непропаев, вызванных как отсосом припоя в поры изделия, так и неравномерностью зазоров в составном изделии из-за коробления сложнопрофильных деталей при их предварительном спекании. Это ухудшает прочность изделия. Кроме того наличие припоя в зоне соединения создает химическую неоднородность и затрудняет проведение равномерной пропитки изделия медью, что снижает коррозионную и эрозионную стойкость материала деталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления составных порошковых изделий, включающий раздельное формование деталей из шихты на основе железа, сборку заготовок деталей через промежуточный слой на основе меди и совместное диффузионное спекание По этому способу вначале раздельно формуют и прессуют детали из порошков на основе железа и заготовку связующего материала (промежуточный слой) из порошка на основе меди с добавлением смеси порошков никеля и титана. Укладывают промежуточный слой между составными деталями и спекают в вакууме.

Недостатками известного способа являются низкая точность изготовления изделий, так как толщина промежуточного слоя должна быть не менее 1 мм и в процессе спекания этот слой имеет большую усадку; сложность технологии получения изделий вследствие необходимости закрепления деталей при спекании, а также применения вакуумного спекания; ограниченные технологические возможности, так как способ не обеспечивает получения изделий, имеющих охватывающие соединения деталей; неоднородность получаемых изделий по химическому составу.

Цель изобретения обеспечение таких условий спекания, при которых достигалось бы заполнение пор промежуточного слоя медью (медным сплавом) за счет ее перетекания из объема деталей под действием капиллярных сил.

Цель достигается тем, что при изготовлении составных изделий, включающем раздельное прессование деталей изделия, их сборку через промежуточный слой и совместное диффузионное спекание, в процессе которого заполняют место соединения деталей медью (медным сплавом), в шихту, из которой прессуют детали, вводят порошок меди (медного сплава) в количестве большем, чем предел ее растворимости в материале деталей, а промежуточный слой перед сборкой наносят на соединяемые поверхности деталей в виде суспензии мелкодисперсного порошка на основе железа.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что за счет образования между двумя соединяемыми поверхностями мелкопористого слоя происходит в процессе спекания перетекание жидкой фазы (меди) из объема деталей в зону соединения, так как капиллярный потенциал этой зоны выше. Это обеспечивает прочное соединение и высокую точность изготовления изделий, так как промежуточный слой (слой суспензии) достаточно тонкий и усадка минимальна. Так как объем вновь заполняемых медью зон мал по сравнению с общим ее количеством, находящимся в соединяемых деталях, то плотность последних в процессе спекания практически не изменится и, следовательно, величина и распределение пористости в них будут такими же, как в исходных прессовках, т.е. достаточно равномерными. Кроме того способ позволяет упростить технологию получения изделий и расширить технологические возможности за счет получения изделий с охватывающими соединениями деталей.

На чертеже показаны части (детали) изделия перед сборкой. Поверхности деталей, на которые наносят суспензию металлического порошка, выделены толстыми линиями.

Направляющий аппарат погружного насоса содержит стакан 1, крышку с лопатками 2 и втулку 3.

На гидравлическом прессе из смеси состава, мас. медный порошок (марки ПМС-1) 15; графит (марки С1) 1; железо (марки ПЖР) остальное двухсторонним прессованием раздельно сформовали стакан 1, крышку с лопатками 2 и втулку 3 направляющего аппарата погружного насоса. Перед сборкой на соединяемые торцовые поверхности между стаканом 1 и крышкой с лопатками 2 и на охватывающие поверхности между крышкой 2 и втулкой 3 методом шликерного литья нанесли суспензию мелкодисперсного порошка на основе железа (марки Р-10). Детали собрали, провели сушку шликера при комнатной температуре в течение 24 ч, уложили собранные изделия в контейнер, заполнили оставшийся объем контейнера засыпкой, содержащей 99% окиси алюминия и 1% графита. Далее провели спекание в среде водорода при 1150оС в течение 2 ч.

Прочность на разрыв полученного в данных условиях торцового соединения составила 250-300 МПа.

Усилие, необходимое для распрессовки втулки от крышки с лопатками, после спекания составило 30 кН при площади контакта 580 мм2.

Коробление аппарата и отслоение лопаток от стакана и втулки от крышки не наблюдается.

Предлагаемый способ осуществим также при изготовлении изделий, содержащих кроме порошковых деталей детали из компактных материалов, например, изготовленных методом литья. В качестве материала для пропитки порошковых деталей могут быть использованы сплавы на основе меди, например бронза, латунь и др.

Настоящее изобретение наилучшим образом может быть использовано для изготовления методами порошковой металлургии составных сложнопрофильных изделий, например рабочих органов погружных насосов и блоков звездочек для цепных передач.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ изготовлениясоставных изделий, включающий раздельное прессование деталей изделия из шихты на основе железа, сборку деталей через промежуточный слой и совместное диффузионное спекание, отличающийся тем, что прессование деталей осуществляют из шихты на основе железа, содержащей медь или медный сплав в количестве, превышающем предел ее растворимости в материале деталей, а промежуточный слой перед сборкой наносят на соединяемые поверхности в виде суспензии мелкодисперсного порошка на основе железа.

· Рассмотрим патент, опубликованный, в 2008 году учёным: Вашковцевым В.В., в котором говорится, о нанесении покрытий из металлических порошков на цилиндрические детали. Его описание приведено ниже[14].

Изобретение относится к способам получения рабочих слоев на поверхностях полых цилиндрических деталей и может быть использовано для изготовления биметаллических втулок с покрытием одновременно на внутренней и наружной поверхностях или только на наружной поверхности, а также для восстановления таких деталей. В стенке детали выполняют радиальные каналы, затем помещают в ее полость порошковую шихту. Деталь выполняют по длине меньше длины матрицы и устанавливают ее с заданным радиальным зазором в матрицу посредством торцевых крышек с образованием торцевых воздушных зазоров. Вращают сборку вокруг оси с одновременным нагревом до температуры плавления шихты. В крышках выполняют, по крайней мере, одно отверстие, соединяющее полость матрицы с атмосферой, на радиусе, равном разности радиусов наружной поверхности детали и отверстия. Нагрев прекращают, как только из отверстия начинается выплеск расплавленного металла. Повышают качество покрытия за счет устранения возможного образования воздушных пузырей в наплавленном рабочем слое и исключают брак.

Изобретение относится к способам получения рабочих слоев на поверхностях полых цилиндрических деталей и может быть использовано для изготовления биметаллических втулок с покрытием одновременно на внутренней и наружной поверхностях или только наружной поверхности, а также для восстановления таких деталей.

Известен способ нанесения металлических покрытий на наружную поверхность деталей, включающий загрузку шихты в форму, ее вращение и нагрев, причем вращение формы задают из условия равномерного распределения расплавленного металла по ее поверхности, после чего вводят внутрь формы деталь, а частоту вращения формы замедляют до величины, достаточной для заполнения расплавом зазора между формой и деталью (патент РФ №2193077, опубл. 20.11.2002, Бюл. №23).

Рис. 1.7 Сущность изобретения

Недостатком данного метода является невозможность получения рабочих слоев одновременно на внутренней и наружной поверхностях детали.

В качестве ближайшего аналога выбран способ нанесения покрытий из металлических порошков на цилиндрические детали, включающий помещение материала покрытия в плоскость детали, ее вращение вокруг оси с одновременным нагревом до температуры плавления материала покрытия, причем в стенке детали выполняют радиальные каналы, а деталь устанавливают в матрицу с определенным зазором к детали (а.с. №1260119, опубл. 30.09.86, Бюл. №36).

Недостатком способа является большая вероятность появления брака из-за образования в наружном рабочем слое покрытия воздушных пузырей. Это связано с тем, что для предотвращения выплеска расплавленного металла, сборка (деталь-матрица) должна собираться герметично, что приводит к тому, что воздух, находящийся в зазоре между деталью и матрицей, прижимается и запирается расплавом металла у наружной поверхности детали, не имея возможности выхода в атмосферу.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение качества покрытия за счет устранения возможного образования воздушных пузырей в наплавленном рабочем слое и исключение брака по этой причине.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе нанесения покрытий из металлических порошков на цилиндрической детали, включающем выполнение в стенке детали радиальных каналов, помещение в полость порошковой шихты, установку детали в матрицу с заданным радиальным зазором, вращение сборки вокруг оси с одновременным нагревом до температуры плавления шихты, в отличие от прототипа деталь выполняют по длине меньше длины матрицы и устанавливают ее в матрицу посредством торцевых крышек с образованием торцевых воздушных зазоров, причем в крышках выполняют, по крайней мере, одно отверстие, соединяющее полость матрицы с атмосферой, на радиусе, равном разности радиусов наружной поверхности детали и отверстия, а нагрев прекращают, как только из отверстия начинается выплеск расплавленного металла.

Предлагаемый способ обеспечивает получение высокого качества покрытия за счет исключения возможности образования воздушных пузырей в наплавляемом слое наружной поверхности детали. Поскольку под действием силы тяжести расплава воздух вытесняется им и прижимается к наружной поверхности детали, то наличие торцевого зазора обеспечивает беспрепятственный выход туда этого воздуха. Однако под действием центробежных сил вслед за воздухом в торцевой зазор может вытесняться и сам расплав. Поэтому отверстие, выполненное в торцевой центрирующей крышке матрицы, при выплеске из него расплавленного металла дает информацию о завершении процесса наплавки и необходимости прекращения процесса нагрева.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана общая схема реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом. Цилиндрическую деталь 1 с радиальными каналами 2 выполняют по длине меньше, чем матрица 3. В полость детали 1 загружают порошковую шихту и устанавливают во вращатель посредством торцевых крышек 4. Включают вращатель и одновременно генератор ТВЧ и с помощью индуктора 5 осуществляют нагрев и расплавление порошковой шихты. Расплав металла 6 под действием центробежных сил проникает через радиальные каналы 2 в радиальный зазор, образованный наружной поверхностью детали 1 и внутренней поверхностью матрицы 3, вытесняя воздух в торцевой воздушный зазор . После заполнения всего радиального зазора расплавом 6 он начнет вытесняться в торцевой воздушный зазор , что приведет к его выплеску в атмосферу через отверстие 7 в центрирующей крышке 4. При этом нагрев сразу прекращают и после охлаждения сборку разбирают. На наружной и внутренней поверхностях детали образуются компактные рабочие слои высокого качества. Отверстие 7 в торцевой крышке 4 матрицы выполняют на радиусе, равном разности радиусов наружной поверхности детали и отверстия, т.е.

R=Rд-Rотв

где Rд - радиус наружной поверхности детали;

Rотв - радиус отверстия.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом гарантирует наплавку наружного рабочего слоя детали без образования в нем воздушных полостей, приводящих к браку покрытия.

Формула изобретения

Способ нанесения покрытий из металлических порошков на цилиндрические детали, включающий выполнение в стенке детали радиальных каналов, помещение в ее полость порошковой шихты, установку детали в матрицу с заданным радиальным зазором, вращение сборки вокруг оси с одновременным нагревом до температуры плавления шихты, отличающийся тем, что деталь выполняют по длине меньше длины матрицы и устанавливают ее в матрицу посредством торцевых крышек с образованием торцевых воздушных зазоров, причем в крышках выполняют, по крайней мере, одно отверстие, соединяющее полость матрицы с атмосферой, на радиусе, равном разности радиусов наружной поверхности детали и отверстия, а нагрев прекращают как только из отверстия начинается выплеск расплавленного металла.

· Другой же патент был опубликован, в 1998 году другими учёными: Шугай К.К.; Варавка В.Н., в котором говорится, о напрессовывание на внутреннюю поверхность втулок. Его описание приведено ниже[10].

Изобретение относится к области изготовления составных изделий методами порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления биметаллических подшипников скольжения, фильтрующих трубчатых элементов с различными свойствами слоев и т.д.

Известно устройство для нанесения покрытий прессованием металлических порошков (А. с. СССР 582910 МКИ B 22 F 7/04 опубл.БИ 45 1977), в котором напрессовывание порошка на внутреннюю поверхность основы осуществляется в радиальном направлении при протягивании прошивки с конической рабочей поверхностью. К недостаткам устройства относится то, что перед напрессовкой слоя порошка внутренняя заготовка должна быть уже сформирована, что с одной стороны усложняет процесс и с другой ограничивает возможности напрессовывания тонких слоев, поскольку толщина стенки заготовки слоя и ее высота ограничивают технологическими возможностями методов порошковой металлургии.

Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для изготовления двухслойных изделий трубчатой формы (А.с. СССР 1084115 МКИ B 22 F 3/02 опубл.БИ 13 1984), которое включает подвижную матрицу, вставку матрицы с кольцевой канавкой и резиновым уплотнением, центральный стержень с кольцевыми канавками с коническими поверхностями, верхний и нижний пуансоны.

При работе устройства напрессовывание порошка осуществляется в основном по схеме одноосного сжатия, с присущим этому способу неоднородным распределением плотности в слое в направлении оси втулки. Только малая доля уплотнения порошка слоя происходит в радиальном направлении за счет наличия на стержне кольцевых канавок, однако разноплотность участков слоя при этом не устраняется.

При прессовании, вплоть до момента остановки матрицы в нижнем положении уплотняемый слой постоянно смещается относительно внутренней поверхности втулки вдоль оси, что препятствует созданию контактов между порошком слоя и стенкой втулки, а также приводит к возникновению нежелательных остаточных напряжений в напрессованном слое. Последнее может привести к отслаиванию и растрескиванию слоя, особенно при использовании порошков трудноформуемых материалов. Смена направления преобладающих напряжений (тангенциальных к поверхности втулки при осевом уплотнении на нормальные при радиальном уплотнении) происходит в тот момент, когда весь порошок напрессовываемого слоя уже подвергается пластической деформации и наклепан. Это снижает вклад деформации в радиальном направлении в улучшение сцепления слоя с основой.

Зазор между центральным стержнем и внутренней поверхностью основной втулки определяет как толщину слоя, так и радиальный размер камеры засыпки. Высота же камеры превышает высоту втулки в 1.5-2.5 раза. Таким образом, например, при напрессовывании слоев толщиной 1.5-2 мм при высоте втулок более 20 мм высота камеры засыпки будет превышать радиальный размер в 30 и более раз, что создает неблагоприятные условия засыпки порошка. Напрессовывание слоев толщиной менее 1.5 мм по этой же причине вызывает значительные технологические трудности.

Кроме того, использование вставки матрицы с кольцевой канавкой и резиновым уплотнением создает дополнительные трудности при автоматизации процесса из-за необходимости введения операции опускания вставки в исходное положение после выпрессовки детали.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для напрессовывания порошка на внутреннюю поверхность втулок, включающем матрицу со вставкой, центральный стержень, верхний и нижний пуансоны, стержень выполнен ступенчатым с коническим переходом, матрица снабжена второй вставкой подпружиненной относительно нее и первой вставки, а верхний пуансон также оснащен вставкой. Уплотнение порошка, таким образом, осуществляется в радиальном направлении при перемещении матрицы с деталью и засыпанным порошком слоя относительно конической поверхностью стержня. Формирующаяся в нижней части напрессовываемого слоя зона пониженной плотности уплотняется дополнительно в осевом направлении в конце цикла.

Основными частями предлагаемого устройства являются матрица 1, верхний 2 и нижний 3 пуансоны, а также центральный стержень с конической рабочей поверхностью 4, который осуществляет уплотнение порошка в радиальном направлении (фиг. 1).

Диаметр центрального отверстия матрицы превышает диаметр заготовки на 0.05-0.2 мм. Матрица жестко связана с основанием 5 и имеет две подвижные вставки 6 и 7, которые могут перемещаться относительно матрицы и взаимно. Наружная цилиндрическая поверхность рабочей части вставки 6 входит с зазором в матрицу, внутренняя цилиндрическая поверхность рабочей части вставки 7 сопрягается с зазором с нижней частью стержня. Перед началом прессования блок матрица-основание прижимается к упорам, ограничивающим его перемещение вверх, пружинами или пневмоцилиндром (на схеме не указаны). Нижний торец вставки 7 пружиной 9 на расстояние, определяемое шпильками 10.

Рис. 1.8 Устройство для напрессовки порошка

Заготовка вставляется в матрицу, при этом внутренняя поверхность заготовки, внутренняя поверхность вставки 6, торец вставки 7 и поверхность стержня 4 определяют размеры камеры засыпки порошка.

Поскольку уплотнение порошка осуществляется в радиальном направлении, радиальный размер камеры засыпки превышает толщину слоя в 1.5.2.5 раза в зависимости от насыпного веса порошка. Высота камеры засыпки также существенно меньше по сравнению с прототипом. Вышесказанное создает более благоприятные условия для засыпки порошка при напрессовывании тонких слоев большой протяженности.

Верхний пуансон 2 крепится к верхнему плунжеру пресса (или к верхней плите пресс - блока) и имеет центральное цилиндрическое отверстие, в которое может входить с зазором нижняя часть стержня. Внутри пуансона размещена тонкостенная вставка 11, которая входит в отверстие пуансона с зазором и удерживается в нижнем положении пружиной 12. Внутренний диаметр вставки превышает диаметр верхней части стержня на 0.05-0.1 мм.

При работе устройства заготовка вставляется в полость матрицы 1, порошок засыпается в камеру засыпки до ее верхней кромки. При ходе плунжера пресса вниз сначала вставка верхнего пуансона 11 входит в полость матрицы и перемещает порошок, в верхней части камеры засыпки частично уплотняя его. Затем верхний пуансон 2 упирается в кромку матрицы 1 и верхний торец детали и увлекает их вниз.

Матрица 1 вместе со вставками 6, 7 и порошок смещаются относительно неподвижного стержня 4. Слой порошка, прилегающий к конической части стержня, перемещается относительно остального порошка в камере засыпки, уплотняя его. Торец верхнего пуансона и вставка 11 удерживают порошок в верхней части камеры засыпки от смещения в момент формирования зоны деформации. При достижении порошком некоторого значения плотности (в зависимости от типа порошка 0.4.0.7 от плотности компактного материала) начинает осуществляться уплотнение порошка в радиальном направлении.

Таким образом, в полости, прилегающей к нижнему торцу втулки, образуется область малой плотности порошка, который уплотняется в конце цикла напрессовки при смещении детали 7 относительно детали 6 после упора ее в кромку неподвижного нижнего пуансона 3 (фиг. 2). В это время центральная часть слоя уплотнена и создает противодавление смещению порошка в нижней части, что приводит к уплотнению слоя.

Применение двух вставок матрицы помимо уплотнения крайней зоны слоя позволяет также избежать входа конической части стержня 4 в цилиндрическую часть вставки 7 (с зазором 30.50 мкм) в момент засыпки порошка и, таким образом, исключить возможность заклинивания порошка между конусом и тонкостенной вставкой.

При подходе кромки вставки верхнего пуансона 11 к конической рабочей части стержня верхний торец стержня упирается в дно вставки 11 и, преодолевая усилие пружины 12, останавливает ее. При дальнейшем движении верхнего пуансона и матрицы вниз, коническая часть стержня уплотняет порошок, прилегающий к кромке наружной втулки, и выталкивает часть порошка за пределы втулки. Положение инструмента, при котором нижняя часть стержня входит в цилиндрическое отверстие верхнего пуансона, является крайним нижним положением матрицы (фиг. 3). После достижения этого положения нагрузка снимается, и верхний пуансон поднимается вверх.

После снятия нагрузки втулка плотно зажата на стержне и матрица или удерживается в нижнем положении за счет сил трения между раздавшейся наружной втулкой и неподвижным стержнем, или поднимается в крайнее верхнее положение, если силы трения между ней и наружной втулкой незначительны (например, при напрессовывании тонких слоев на толстостенную втулку).

В конце цикла напрессовывания нижний пуансон 3 поднимается вверх, упирается в нижнюю кромку внутренней вставки матрицы 7, которая совместно со вставкой 6 стягивает двухслойную втулку со стержня и (в случае, если втулка зажата в матрице) выталкивает втулку из матрицы (фиг. 4).

Далее нижний пуансон опускается вниз, а вставки 6 и 7 под действием пружин занимают исходное положение. Применение пружин для задания положения вставок матрицы также является преимуществом заявляемого устройства по сравнению с прототипом, поскольку облегчает автоматизацию процесса (т.к. не требуется операции приведения вставки в исходное положение).

Процесс холодного прессования композиционных материалов реализуется с использованием прессового оборудования (обычно применяются гидравлические прессы с нагрузкой до 10 тонн) и пресс-формы, общий вид которой представлен на рисунке 2.

Рис.1.9. Схема пресс-формы: 1- матрица; 2- сменная втулка; 3-деталь; 4-покрытие; 5-стержень; 6- нижний и верхний пуансоны; 7-нижнея и верхняя втулки



Пресс-форма (Рис. 1.8.) работает следующим образом: необходимый объем порошковой композиции 4 при помощи воронки засыпается в зазор между стержнем 5, восстанавливаемой деталью 3 и неподвижными втулками 7, запрессованными в корпусе сменной втулки 2, а затем уплотнение ее производится встречным перемещением пуансонов 6 под воздействием давления пресса.

Для изготовления рабочих деталей пресс-инструмента применяют стали марок ХВГ, XI2M, 9ХС, У8, У10, Р9, Р18, Р6М5 и некоторые другие. Детали пресс-инструмента подвергают термической обработке, после которой твердость матрицы должна находиться в пределах 58-62 ВДС, а пуансонов и знаков - 54-58 HRC, Матрицы и пуансоны, изготовленные из легированных и термически обработанных сталей, при прессовании конструкционных изделий на железной основе выдерживают не менее 10 тыс. прессовок. Применение твердосплавных матриц из материалов марки ВК-8 и ВК-15 позволяет повысить износостойкость пресс-инструмента и увеличить съем изделий в 10-15 раз.

Высокий класс чистоты рабочих поверхностей матриц и пунсонов (шероховатость 0,32-0,16) способствует повышению не только износостойкости пресс-инструмента, но и качества поверхностей изготавливаемого изделия. Конструкционные изделия на железной основе в зависимости от марки железного порошка, вида и количества легирующих добавок прессуются при давлениях 8-10 тс/см2 (пористость изделия составляет 14-18%); антифрикционные изделия на железной основе -- при давлении 6-8 тс/см2 (пористость 18-25%), а на медной основе - 3-6 тс/см2.

Величина давления прессования изделия не должна превышать 70-80% номинального усилия пресса. Выбор типа пресса обусловлен размерами и площадью прессуемой заготовки, а также необходимостью получения оптимального для данного материала давления.

В настоящее время при изготовлении спеченных изделий применяют как специализированные прессы-автоматыотечественного и зарубежного производства, так и гидравлические прессы общепромышленного производства. После процесса холодного прессования порошков необходимо произвести разборку пресс-формы и выполнить визуальный контроль качества полученного покрытия, если есть сколы на базовой длине его, по краям необходимо произвести допрессовку композиционного материала, снова собрав пресс-форму.

С целью окончательного формирования физико-механических и эксплуатационных свойств покрытия выполняется высокотемпературное спекание композиционных материалов. Спекание спрессованных заготовок является одной из основных технологических операций в порошковой металлургии, обеспечивающих формирование структуры, геометрических размеров и свойств готовых изделий. Температура и время спекания зависят от химического состава материала, конструктивных особенностей детали и условий ее эксплуатации. Как правило, температура спекания изделий конструкционного назначения на основе железа с легирующими добавками графита, меди, никеля колеблется в диапазоне 1100-- 1200° С. Температура спекания изделий антифрикционного назначения на основе железа с 3% графита составляет 1030--1050° С, а на основе бронзы --800-- 950° С. Общее время нагрева деталей до температуры спекания зависит от конструкционных особенностей применяемого оборудования, а время их выдержки (после полного прогрева и выравнивания температуры по объему загруженных деталей) при этой температуре в большинстве случаев подбирается экспериментально.

В промышленной практика для спекания изделий на основе железа применяются печи периодического и непрерывного действия.

Для обеспечения высокого качества спеченных конструкционных изделий печи периодического действия (шахтные, камерные, колпаковые электрические печи сопротивления с нихромовыми нагревателями) должны удовлетворять следующим основным требованиям:

обеспечивать перепады температуры по объему рабочего пространства печи в пределах допуска температуры спекания данного материала;

иметь достаточную герметичность рабочего пространства или возможность установки герметичного контейнера, дабы обработку материала проводить в защитной газовой атмосфере.

К режимам нанесения покрытия применительно к стандартной детали относятся: давление прессования Р= 475…500 МН/м2, температура спекания Т= 1100…1150С, время выдержки при температуре спекания = 2,27…2,38 часа, при обеспечении шероховатости внутренней поверхности детали Rz= 150…160 мкм. При этих режимах достигаются высокие эксплуатационные показатели надежности получаемых покрытий, а именно прочность сцепления покрытия с основой составила сц= 60…80 МПа, износостойкость шарнирных сопряжений I = 110…115 ч/мм.

Анализ физико-механических свойств композиционных покрытий показал, что микроструктура характеризуется наличием переходной зоны, обеспечивающей прочность сцепления покрытия с основным материалом сц= 50…80 МПа, твердость его зависит от термодеформационного цикла спекания и изменяется по длине L и толщине h покрытия в пределах НВ = 150…180, микротвердость покрытий HV практически не изменяется по объему за исключением переходной зоны и варьирует в пределах HV =1550…1600 МПа, плотность покрытий изменяется в пределах = 6,20…6,60 г/см3, пористость П = 16…22%.

Применение порошковых композиционных материалов обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными способами наплавки, напыления и др.

Способ относится к экологически чистым и безотходным технологиям ремонта деталей машин, так как практически весь композиционный материал, используемый при нанесении покрытий переходит в основной.

Не требуется последующего проведения термической и механической обработки после нанесения покрытия.

Благодаря возможности использовать различные порошки в составе композиционных материалов можно получить покрытия с различными физико-механическими свойствами.

Основным недостатком применения композиционных материалов является низкая прочность сцепления покрытия с основой = 50…80 МПа, что весьма ограничивает применение способа к восстановлению тяжелонагруженных деталей машин.



ГЛАВА 2 Экспериментальная часть

В качестве исходных материалов мы использовали:

· АНС.100.29

· ЖГр07Д25

· ЖГр05Д18

- АНС 100.29 - химически чистый железный порошок, распыленный водой. Имеет высокую прессуемость. Рекомендуется использовать для изготовления деталей со средней или высокой плотностью. При массовом производстве однократным прессованием можно получить плотность до 7.1 г/см3. Благодаря развитой форме поверхности частицы прочность прессовки достаточно высока, что позволяет изготавливать изделия сложной формы.[10]

Рис. 2.1 Изображение порошка АНС.100.29



2.1 Характеристики порошка АНС100.29

Насыпная плотность, г/см'	Текучесть, сек/50 г
2.95	25

Гранулометрический состав, % Табл. 2.1

+ 212 мкм	0
+150 мкм	8
- 45 мкм	23

Прессуемость, г/см3 Табл. 2.2

Давление прессования	Смазка пресс-формы	0,8% стеарата цинка
400 МП а	6.72	6.78
600 Ml la	7.15	7.14
800 МПа	7.38	7.25

Прочность прессовки, Н/мм2 Табл. 2.3

Давление прессования	Смазка пресс-формы	0,6% KenolubeP11	0,8% стеарата цинка
400 МПа		10	8
600 МПа	38	15	11
800 МПа		17	13

Химический состав, % Табл. 2.4

Углерод	<0.01
Кислород, общий (H2-Ioss)	0.1

Насыпная плотность риас (г/см3) - это масса единицы объема порошка при свободной насыпке, представляющая собой его объемную характеристику. Она тем больше, чем крупнее и более правильной формы частицы порошка и чем больше их пикнометрическая (истинная) плотность.

Наличие и неровностей на поверхности частиц, а также увеличение поверхности в связи с уменьшением размера частиц повышают межчастичное трение, что затрудняет их перемещение относительно друг друга и приводит к снижению насыпной плотности порошка. Существенное значение имеет гранулометрический состав порошка, особенно при наличии в нем тонких фракций, т.е. частиц достаточно малого размера; с увеличением их содержания, как правило, уменьшается насыпная плотность порошка из-за возрастания поверхности трения, однако при большой разнице в размерах мелких и более крупных частиц насыпная плотность порошка может возрасти из-за заполнения мелкими частицами промежутков между крупными частицами.

По данным была построена кривая уплотняемости:

Рис. 2.3 Зависимость плотности от давления прессовки для АНС 100.29

При анализе порошок полностью заполняет мерный стакан. Избыточное количество порошка должно быть удалено одноразовым движением пластины из алюминия, повернутой ребром к верхнему торцу стакана. Затем взвешивают стакан с порошком на весах с погрешностью до 0,05 г. Испытание проводят 3 раза и берут среднее арифметическое из его результатов. Частное от деления массы порошка в стакане на его известный объем выражает насыпную плотность порошка

где m1 -- масса стакана, г; m2--масса стакана с порошком, г; V -- объем стакана, см3.

Определяя насыпную плотность порошка АНС 100.29:

mст=15,64г d=2.55cм h=3.9см Vcтак=3,14*2,552*3,94= 19,1 см3

p=m/V [г/см3];

Табл. 2.5

Масса порошка, г	Плотность насыпная, г/см3
81,54	3,45
81,04	3,42
81,67	3,46
80,95	3,42
81,52	3,45

Далее железный порошок марки АНС. 100.29 подвергался прессованию в матрице. В результате были получены следующие данные:

Табл. 2.6

№ опыта	m,г	d,мм	h,mm	Р,т.с.	S,cm2	V,cm3	Р,МПа	Плотность,г/смЗ	Средняя Плотность,г/смЗ
1	11,96	16,5	12,2	1,6	2,137	2,607	75	4,59	4,57
2	12,27	16,5	12,5	1,6	2,137	2,671	75	4,59
3	12,02	16,5	12,4	1,6	2,137	2,650	75	4,54
4	11,85	16,5	11,4	2,4	2,137	2,436	112	4,86	4,87
5	11,58	16,5	11,2	2,4	2,137	2,394	112	4,84
6	11,96	16,5	11,4	2,4	2,137	2,436	112	4,91
7	12,26	16,5	11	4	2,137	2,351	187	5,22	5,26
8	11,78	16,5	10,4	4	2,137	2,223	187	5,30
9	11,93	16,5	10,6	4	2,137	2,265	187	5,27
10	11,51	16,5	9,9	5,6	2,137	2,116	262	5,44	5,52
11	11,92	16,5	10,1	5,6	2,137	2,159	262	5,52
12	11,94	16,5	10	5,6	2,137	2,137	262	5,59
13	12,37	16,5	9,8	7,2	2,137	2,094	337	5,91	5,87
14	11,43	16,5	9,1	7,2	2,137	1,945	337	5,88
15	11,95	16,5	9,6	7,2	2,137	2,052	337	5,82

2.2 Построение кривой уплотняемости для порошка ЖГр07Д25

Для построения кривой уплотняемости порошка ЖГр07Д25 порошок прессовали в цилиндрической пресс-форме при разных давлениях, заранее определив насыпную плотность порошка ? = 3,186 г/см3.

Результаты эксперимента Таблица 2.7

№	Усилие, т	Давление, МПа	Среднее давление, МПа	Масса прессовки, г	Высота прессовки, мм	Диаметр прессовки, мм	Плотность прессовки, г/см3	Средняя плотность, г/см3
1	2,4	112	112	8,6	7,43	16,5	5,42	5,41
2	2,4	112		11,94	10,33	16,5	5,41
3	2,4	112		11,45	9,9	16,5	5,41
4	4	187	187	11,9	9,46	16,5	5,89	5,90
5	4	187		11,91	9,47	16,5	5,88
6	4	187		12,87	10,175	16,5	5,92
7	5,6	262	262	12,9	9,72	16,5	6,21	6,23
8	5,6	262		12,22	9,175	16,5	6,23
9	5,6	262		12,03	9	16,5	6,25
10	7,2	336	336	12,07	8,68	16,5	6,51	6,47
11	7,2	336		11,87	8,54	16,6	6,42
12	7,2	336		12,43	8,96	16,5	6,49



Рис. 2.4 Кривая уплотняемости порошка ЖГр 07Д25

2.3 Сыпучесть(текучесть) порошков

Сыпучесть (текучесть) - величина, характеризующая способность порошка перемещаться (вытекать из отверстия) с определенной скоростью.