Ионно-дуговая активация при нанесении газотермических покрытий

УДК 621.793.7

А. В. Ершов, Н. Н. Сытников, О. Г. Быковский

ИОННО-ДУГОВАЯ АКТИВАЦИЯ ПРИ НАНЕСЕНИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Рассмотрены механизмы влияния ионно-дуговой активации подложки на повышение прочность сцепления газотермических покрытий и технологические особенности напыления.

Основным недостатком газотермических покрытий является низкая прочность сцепления покрытия с подложкой, что ограничивает надежность и ресурс работы восстановленных деталей. Для повышения прочности сцепления используется активация поверхности путем абразивно-струйной или дробеструйной обработки, или путем нанесения «рваной резьбы» [1-3]. Однако прочность сцепления при этом достигается за счет механического зацепления за микронеровности поверхности и примерно составляет 25 МПа, [1-2], что не удовлетворяет условиям длительной эксплуатации деталей. Надежному соединению частиц с подложкой в атмосферных условиях препятствует образование пленки оксидов на подложке. Как отмечено в [1-2], процесс окисления стальной подложки в атмосферных условиях значительно ускоряется при температурах выше 150 °С. Таким образом, разработка новых методов активации поверхности является актуальной.

В настоящей работе разработан метод ионно-ду-говой активации подложки, который позволяет выполнять очистку поверхности подложки одновременно с процессом нанесения покрытия. Для этого предполагается использовать явление катодного распыления оксидов на подложке посредством включения дополнительной дуги обратной полярности, горящей между распыляемой проволокой и подложкой. Целью работы является исследование возможности повышения прочности сцепления покрытия при использовании ионно-дуговой активации подложки в процессе нанесения плазменного покрытия.

Нанесение плазменного покрытия с применением ионно-дуговой активации поверхности выполнялось на установке, показаной на рис. 1. В режиме холостого хода дуга горит между катодом 1 и анодом 2 при замкнутом контакторе. Для перехода к режиму напыления размыкается контактор и дуга перебрасывается на проволоку-анод-3, которая подается в зону разряда. Распыление токоведущей проволоки потоком плазмы из сопла плазмотрона создает поток частиц, которые образуют покрытие -4 и образуют токопроводящий канал между проволокой и подложкой - 5.

Для ионной активации подложки - 5 используется источник питания дополнительной дуги - идд ~ 25 В, который подключают отрицательным полюсом к подложке - 5 и положительным - к проволоке - 3. При этом возникает несамостоятельный разряд между проволокой -3 и подложкой -5. Процесс катодного распыления оксидов происходит под воздействием ионной бомбардировки поверхности. При дистанции напыления 15-20 мм в цепи источника проходит ток ~ 30 А, который приводит к ионному распылению оксидов на подложке и частичному ее подогреву.

Распылениие оксидов на подложке осуществляется ионами с энергией больше пороговой, которая составляет примерно (5^20) эВ [4]. Энергия ионов падающих на подложку складывается из кинетической энергии - еик, полученной в зоне катодного падения потенциала, потенциальной энергии рекомбинации с электроном - еЕ1 и тепловой энергии хаотического движения - 3/2 кТ. При рассматриваемых условиях энергия ионов составляет ~ 25 эВ и превосходит пороговую энергию распыления. Учитывается, что при энергии ионов, близкой к пороговой, коэффициент распыления оксидной пленки £ и 1, [4]. Скорость распыления оксидной пленки толщиной 8 определится из соотношения d8 / dт = / еп ,

Рис. 1. Схема установки для плазменного напыления с применением ионной активации поверхности:

1 - катод; 2 - анод-сопло; 3 - распыляемая проволока-анод; 4 - покрытие; 5 - подложка

© А. В. Ершов, Н. Н. Сытников, О. Г. Быковский, 2008

где} - плотность ионного тока; е - заряд электрона;

- коэффициент распыления; п - концентрация атомов в распыляемой пленки оксидов.

Исследования микрошлифов покрытия показывают, что толщина оксидного слоя между покрытием и подложкой составляет, примерно 8 = 0,5-10" 5 м, наличие оксидного слоя ограничивает прочность сцепления покрытия на уровне 25 МПа. Для удале -ния оксидов подобран режим распыления по плотности ионного тока при скорости перемещения подложки относительно плазмотрона V = 0,2 м/с и диаметре токопроводящей плазменной струи в зоне контакта с подложкой ё = 10-2 м. Учитывалось, что время распыления оксидов соответствует перемещению подложки на половину диаметра плазменной струи и составляет 2,5-10"2, с. Плотность ионного тока, необходимая для распыления слоя оксидов толщиной 8 = 0,5-10"5 м при плотности атомов в слое п = 10-28 м-3 и при коэффициенте распыления 5 = 1, составит 3,2-105 А/м2.

В процессе катодного распыления на подложке создаются микрократеры диаметром 1-3 мкм, рис. 2, которые увеличивают дефектность структуры и поверхностную энергию, что способствует повышению прочности сцепления. Как видно на рис. 2, поверхность микрократеров не имеет следов оксидов и была оплавлена в процессе активации.

Х1000

Рис. 2. Граница обработки поверхности металла при ионно-дуговой активации при плотности тока 30-104 А/м2, скорости перемещения дуги 0,1 м/с

Для получения и испытания покрытий напылялись образцы из Ст. 5 проволокой марки Нп-65Г диаметром 1,4 мм. Общая толщина напыленного слоя составляла (3^4) мм. Измерение микротвердости Н05 переходной зоны покрытие - подложка, на микротвердомере ПМТ-3 приведено на рис. 3, а, из которого видно, что в стыке между покрытием и подложкой при нанесения покрытий с предварительной дробеструйной обработкой наблюдается десятикратное снижение микротвердости. Это объясняет причину десятикратного снижения прочности сцепления покрытия по сравнению с прочностью материала подложки.

3

б

Рис. 3. Распределение микротвердости в переходной зоне подложка-покрытие:

а - при дробеструйной активации подложки и б - при ионной активации подложки. Покрытие Нп-65Г, подложка - сталь Ст-5

Применение метода ионно-дугового распыления оксидов дает плотный стык, в котором не обнаруживается снижение микротвердости, рис. 3, б.

Материалом подложки служили образцы из стали Ст5 и чугуна СЧ-18. Исследовано влияние технологии подготовки поверхности на прочность сцепления. Первый вариант подготовки поверхности состоял в нарезании «рваной резьбы» глубиной 0,7 мм и шагом 1,25 мм с помощью резца, который устанавливался с вылетом 120 мм и со смещением ниже центра 4 мм. За счет вибрации резца создавалось дополнительноя шероховатость обрабатываемой поверхности.

Вторым вариантом подготовки подложки являлась дробеструйная обработка поверхности колотой чугунной дробью. Третий вариант подготовки подложки, для случая напыления с применением ион-но-дуговой активации поверхности дополнительной дугой обратной полярности, заключался в протачивании образцов на токарном станке без создания шероховатости. Образцы покрытий из проволоки марки Св08Х19Н9Т по прочности сцепления практически (с точностью до 5 %) не отличались от образцов покрытий из проволоки марки Нп-65Г. Среднее значение прочности сцепления по результатам пяти испытаний покрытий из проволок Нп-65Г и Св08Х19Н9Т приведены на рис. 4. Испытания покрытия на отрыв штифта диаметром 4 мм показали, что прочность сцепления возросла с 25 МПа до 52 МПа. При использовании ионно-дуговой активации поверхности не требовалось предварительное создание шероховатости на подложке путем дробеструйной или абразивноструйной обработки [5].

Характер разрушения образцов при ионно-дуго-вой активации поверхности отличается от разрушения образцов, подготовленных другими способами, а именно - разрыв происходит не по поверхности контакта покрытия с подложкой, а по покрытию. При

188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008

- 115 -

этом прочность сцепления оказывается выше, чем когезионная прочность. Микрошлифы покрытий показаны на рис. 5.

Рис. 4. Сравнение прочности сцепления плазменных покрытий из проволок: Нп-65Г и Св08Х19Н9Т с подложками из стали Ст 5 и чугуна СЧ-18 при разных способах активации поверхности, по данным 5-ти измерений

сцепления на стальных и чугунных подложках возрастает в 1,8-2 раза по сравнению с рассмотренными выше традиционными способами активации поверхности.

Исследование с помощью рентгеновского микроанализатора МАР-2 обнаружило, что при ионно-дуговой активации подложки повышается на порядок величина содержания Бе, Мп, N1 в переходной зоне. При этом существование переходной зоны определяется лишь скачком концентрации элементов при переходе от подложки к покрытию без снижения ее уровня в переходной зоне. Напыление проволокой Св-08Х19Н9Т без применения ионно-ду-говой активации подложки приводит к образованию оксидов хрома на поверхности подложки и возрастанию его концентрации в переходной зоне.

Выводы

1. Обнаружено, что при ионно-дуговой активации на подложке происходит распыление оксидов, образование микрократеров размером 1-3 мкм и их поверхностное оплавление. При этом не требуется предварительное создание шероховатости на подложке путем абразивно- или дробеструйной обработки.

2. Показано, что использование ионно-дуговой активации в процессе нанесения покрытия увеличивает прочность сцепления, что достигается за счет повышения микротвердости и плотности зоны контакта между покрытием и подложкой.

Перечень ссылок

б

Рис. 5. Микрошлифы переходной зоны покрытий из проволоки Св08Х19Н9Тна подложках из чугуна СЧ-18, X 300

На рисунках показано уменьшение толщины слоя оксидов между покрытием и подложкой при переходе от дробеструйной активации к ионно-дуговой. При использовании активации поверхности вспомогательной дугой обратной полярности, прочность

1.

2.

3.

4.

5.

Корж В.М. Нанесення покриття. / В.М. Корж, В. Д. Кузнецов, Ю.С. Борисов, К.А. Ющенко -К.: Аристей, 2005. - 204 с. Кудинов В. В., Нанесение плазмой тугоплавких покрытий/ В.В. Куцинов, В.М. Иванов - М.: Машиностроение, 1981. - 191 с. Матвейшин Е.Н. Нанесение слоев с высокой прочностью сцепления методами дуговой металлизации / Е. Н. Матвейшин // Автоматическая сварка. - 2000. - № 8. - С. 20-23. Плешивцев Н.В. Катодное распыление / Н.В. Плешивцев - М.: Агомиздат, 1968. - 343 с. Сытников Н. Н., Ершов А. В. Технологические особенности нанесения плазменно-дуговых покрытий токоведущей проволокой без создания предварительной шероховатости на подложке/ Н.Н. Сытников, А.В. Ершов // Целлюлоза, бумага, картон. Экспрес-информ. - М.: ВНИИПИ-леспром. - 1990. - № 6. - С. 8-12.

.2008

Po3anxnymo Mexani3Mu ennuey ioннo-дyгoeoi axmuea^i anennennx газо mepMiunux noKpummie ma mexнonoгiцнi oco6nueocmi nanunennx.

The influence of ion-arc activation of substrate on improving the bonding strength of a gas thermal coating and technological features has been considered.

a