Технологии получения покрытий. Метод металлирования

В.В. Мартыненко

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ. МЕТОД МЕТАЛЛИРОВАНИЯ

Порошковые покрытия из металлов и сплавов относятся к перспективным ввиду большого количества способов образования этих покрытий для целого ряда деталей функционального различного назначения. Такая универсальность обусловлена самой природой покрытия, состоящего из спеченного порошкового материала, состав которого может быть очень разнообразен, и возможностью его образования при действии различных активирующих факторов.

Идея эффективного применения порошкового покрытия возникла на основании анализа высоких служебных характеристик спеченных порошковых деталей, получаемых методом порошковой металлургии. Так как этот метод позволяет получать детали из порошков без их расплавления (только за счет спекания), то в изделиях порошковой металлургии удается в одном изделии объединить порошки материалов с различными температурами плавления. Кроме того, особенностью технологии порошковой металлургии является возможность получать детали заданной пористости с последующей пропиткой их жидкими смазками, пластмассами, легкоплавкими металлами и другими материалами, способными обеспечить высокое сопротивление не только одному из видов эксплуатационного воздействия, но и их комплексу.

Важной предпосылкой успешного развития технологии нанесения порошковых покрытий в режиме спекания явилось то, что уже имелся целый ряд технологических способов получения покрытий методом наплавки или напыления с последующим оплавлением. Следовательно, предстояло решить вопрос перевода этих технологий из области плавления в область спекания и при-пекания.

Теоретическим подходом при анализе путей образования покрытий из порошков в режиме спекания и припекания явилось использование аппарата термодинамики неравновесных процессов. На то, что порошковая система является термодинамически неравновесной, а процесс спекания приближает ее к состоянию равновесия, указывалось ранее, в работах по физике спекания необратимых процессов получено на основании предположения о локальном квазиравновесии -формальном приеме, который применяется в тех случаях, когда процесс является сложным.

В термодинамике подобные уравнения рассматриваются как сумма слагаемых, выраженных произведением термодинамических сил на сопряженные с ними потоки. В соответствии с постулатами Онзагера для них установлено наличие линейной связи, а также соотношений взаимности и взаимозаменяемости, обусловленных прямыми и перекрестными эффектами.

Важным следствием данного уравнения и анализа его на основании постулатов Онзагера является возможность достижения необходимого эффекта за счет превалирующего действия одного из факторов. Соответственно более эффективное действие одного из факторов может быть расценено как активирующее.

Эти положения позволяют классифицировать все методы активирования процесса получения покрытия на следующие группы: температурные, силовые (или механические) и химические. Данные группы активирующих факторов отражены в уравнении накопления энтропии

q - тепловой поток и соответствующая «температурная» сила (градиент температуры); диффузионный поток и соответственно внешняя сила; поток вязких напряжений и градиент напряжений; поток вещества в химической реакции и «химический» градиент (химический потенци-

дК

0 =

р

Т

ал) [1].

Раздел II. Физика

Активирование процесса получения покрытий проводится на различных стадиях, но цель его в основном одна - придать материалу слоя желаемые свойства (или более высокие, чем без активирования) с минимальными затратами энергии за кратчайшее время.

Например, температурное активирование состоит в повышении скорости нагрева, что соответственно приводит к ускорению диффузионных процессов; в предварительном подогреве поверхности детали, на которую наносится покрытие; в разогреве до высоких температур частиц наносимого материала и т.д. Силовое (или механическое) активирование состоит в приложении статического давления в процессе припекания применении импульсов давления, взрывов, вибраций и т.д. Замену одного активирующего фактора другим, сохраняя постоянным суммарный эффект активации, можно, например, обеспечить повышением температуры и понижением давления и наоборот.

Используя изложенные выше соображения, можно четко сформулировать необходимые условия (давление, температуру и количество активных добавок), обеспечивающие получение покрытия с определенными свойствами.

Для различных способов получения покрытий строят номограммы температурно -временных областей образования структур, пользуясь которыми можно получить необходимую структуру (спекания или плавления) варьированием режима ведения процесса.

В большинстве случаев закономерности изменения свойств порошковых покрытий в зависимости от способа и от режимов их получения являются типичными для порошков различных материалов и их смесей. Основным активирующим фактором в случае применения смесей (они могут быть механическими) является химическое активирование. Во многих случаях без введения химически активных добавок получить качественные покрытия невозможно. Наиболее удобно химическое активирование производить введением порошков кремния и бора; причем содержание 2-2,5 % каждого является оптимальным. Их количество можно уменьшить до 1 %, заменив химические активирование механическим (повышение давления).

Технология получения покрытий методом припекания не ограничивается разделением ее на отдельные операции, видом нагрева или атмосферы. Некоторые разновидности этой технологии отдельными исследователями выделяются в самостоятельные процессы, которые с определенными ограничениями рекомендуются к применению. Возможно, это обусловлено желанием, как-то дифференцировать многообразие технологий припекания с целью выделения сферы научной и производственной деятельности отдельных научных школ и исследователей.

Рассмотрим одно из таких направлений разработки, технологии припекания - методом ме-таллирования.

Технология нанесения покрытий методом металлирования решает две задачи: формирование на поверхности изделия из исходного материала слоя с требуемыми свойствами и создания связи (сцепления) между слоем и основанием. Решение этих задач - термической или термомеханической обработки и припекания - одновременно не осуществимо, так как для этого требуются различные температурные и силовые условия, поэтому предлагается эти операции осуществлять раздельно. Например, при нанесении на сталь покрытия из вольфрама требуются различные температуры - для спекания вольфрама -2800 К. для спекания стали -1400 К. Вследствие этого спекание вольфрама должно производиться отдельно от нагрева материала основания, т.е. соединение спеченной из вольфрама оболочки с основанием (деталью) производится отдельной операцией, при которой создается диффузионная связь ее с деталью.

Оболочки, припекаемые на деталь, могут быть изготовлены различными методами: механической обработкой, технологией порошковой металлургии и др. Причем оболочки могут выполняться составными. Как и при всех прочих технологиях, деталь и материал покрытия перед нанесением проходят предварительную обработку, т. е. очистку от жиров, смазки и неорганических соединений, а также создание активной поверхности методами травления, механической, дробеструйной или пескоструйной обработки.

Наносимые порошки металлов также могут обрабатываться различными методами. Они могут быть применены в виде дисперсных порошков (механических смесей), плакированных порош-

ков или в виде гранул (сплавов различных составляющих). С этой целью разработаны различные способы образования гранул или смесей.

Нанесение «сырого» слоя (формирование) на покрываемую поверхность заготовки, из которого последующей обработкой образуется покрытие, можно осуществлять различными способами; напрессовкой, шликерным методом (нанесением жидкой массы с пластификатором), формовкой, напылением, плакирующим методом или их комбинацией. Последующие методы образования покрытия заключаются (так же как и в случае припекания) в создании прочной диффузионной связи слоя с деталью. Для этого могут быть применены различные методы высокотемпературного нагрева: индукционный, пламенный, печной, лазерный и другие, включающие термомеханическое спекание, ударное напрессовывание с нагревом, горячее напрессовывание. Целью всех этих операций является упрочнение слоя и его присоединение (припекание) к поверхности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Павленко А.В., Абрамович Т.М., Жорник А.И. Теория и технология нанесения износостойких защитных порошковых покрытий на детали машин припеканием и наплавкой. Таганрог: ПТ «Нюанс», 2005. 200 с.

И.В. Переверзев

УТОЧНЕНИЕ ВЫВОДА ВЫРАЖЕНИЙ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ И ЭНТРОПИИ

МЕТОДОМ Р. КЛАУЗИУСА

Изучение любого явления природы приводит к необходимости составления дифференциального уравнения и его интегрирования. Установление функциональной зависимости между наблюдаемыми физическими величинами - цель естествознания. Цель можно считать достигнутой, когда зависимость выражена в виде формулы. Изучение тепловых явлений привело к установлению сразу двух дифференциальных уравнений, являющихся математическим выражением основных начал. Естественно, что после их установления основоположники термодинамики предприняли попытку вывести выражения для внутренней энергии и энтропии. В. Томсон первым указал путь их вывода [1]. Кирхгоф обобщил приём Томсона и вывел формулы, которые носят его имя [2]. Р. Клаузиус, применив метод, несколько отличавшийся от метода Томсона, сделал их вывод в общем виде [3].

Рассмотрим основные моменты вывода, выполненного Клаузиусом (см., например, [4, 5]), используя современную транскрипцию математических выражений. Клаузиус предложил все физические величины, входящие в уравнения основных начал, рассматривать функциями некоторых переменных X и у . Это позволило ему в случае, когда внешней силой, действующей на тело,

является только нормальное к поверхности давление Р, уравнения основных начал записать в виде:

<Щ = Хек + Уйу - Р[ фУ/дх^ск + ФУ/ду^у ], %с1х + Ус1у~1Т,

где X и У - функции независимых переменных X и у .

Объединенным условием интегрируемости этих уравнений является соотношение:

X

гдт\

ду

-У

гдТл

у

т

д¥_

Кдх у

кдУJ,

'дР} (V

у Kдx)\дyJ

х

х