Износостойкие покрытия

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

- термодиффузион­ные,

- гальванические (электролити­ческие),

- металлизационные,

- хими­ческие,

- горячие.

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/дм², 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/мм². 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).

К горячим относятся покрытия, на­носимые в процессе алити­рования, когда изделия погружают в расплавленный алюминий (температура 680-800 °С), выдерживая в нем в течение 0,5-1 ч. Толщина таких покрытий 0,08-0,15 мм (рисунок 19.7). К нанесению ­износостойких покрытий прибегают в машиностроении, авиационной промышленности и др.

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/мм2); Б – NiAl (~ 22–28 % Al, H20 ~ 520 кгс/мм2); В – Ni3Al (~ 14 % Al, H20 ~ 400 кгс/мм2); Г – Ni, ×300.

По составу керамические покрытия бывают:

- монооксидные, состоящие из одного оксида (Аl₂О₃, ZrО₂, Сr₂О₃, СеО₂, TiO₂ и др.);

- 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):

600°

2АlСl₃ + SiCl₄ + 5Н₂ + 5СО₂ —→ Аl₂О₃ · SiО₂ + 10HCl + 5СО.

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.

Контрольные вопросы

1 Какие покрытия называются сверхтвердыми?

2 Каким способом наносятся износостойкие покрытия?

3 Как соотносятся между собой твердость боридных и карбидных покрытий?

4 Что называется алитированием?

5 Каковы условия применимости плазменных покрытий?