7 ВВЕДЕНИЕ
Одна из наиболее серьезных проблем технического прогресса состоит в необходимости обеспечения постоянного соответствия между свойствами новых материалов и условиями их работы. Так оборудование доменного, конвертерного производства, непрерывной разливки стали работают в условиях агрессивной среды, а получаемая: металлопродукция подвергается воздействию атмосферных факторов. Одним из слабых элементов в системе «материал-рабочая среда», определяющим допустимые условия эксплуатации и ресурс, всей системы, является поверхность материала. Так в промышленности имеют место значительные потери металла от коррозии — до 10% годового производства металла, износа рабочих поверхностей деталей и оборудования, обезуглероживания поверхностного слоя заготовок при нагреве и последующей обработке металлов давлением (ОМД) - около 2%.
Существуют различные способы воздействия на поверхность изделий, направленные на повышение их эксплуатационных свойств, такие как обработка давлением /1/ и термообработка, нанесение покрытий. Однако первые два способа направлены на повышение только некоторых свойств, причем -на десятки процентов. Нанесение покрытий может привести к повышению свойств поверхности изделий в несколько раз.
В промышленности нашли широкое применение различные способы нанесения покрытий: гальванический, погружение в расплав, диффузионное насыщение и т.д. 121. В результате достигается повышение ряда эксплуатационных свойств изделий: фрикционных, коррозионной стойкости и износостойкости; Однако эти способы имеют ряд существенных недостатков, связанных с нарушением экологии, сложностью в реализации и высокой стоимостью оборудования, необходимостью нанесения покрытия постоянной толщины и т.д.
Одним из перспективных способов нанесения покрытий остается газотермическое напыление (ГТН) /3/. Он дополняет способы погружения в рас-
8 плав и гальванический, при этом имея свою область применения, связанную
с изготовлением и ремонтом деталей металлургического оборудования и по-? лучением определенного сортамента металлопродукции. Процесс является
экологически чистым, т.к. возможна полная утилизация отходов. Оборудование для ТТН отличается компактностью, его удобно использовать в технологических процессах при получении деталей металлургического оборудования и металлопродукции различной формы. Указанный способ позволяет наносить как одностороннее, так и двухстороннее покрытие, а также различные по составу и механическим свойствам металлические композиции - многослойные, смеси компонентов. Среди способов нанесения газотермических покрытий (ГТП) следует выделить электродуговую металлизацию, отличающуюся сравнительно высокой производительностью и низкой стоимостью нанесения ^ покрытия /4/. Однако широкому применению данного способа препятствуют
высокая пористость получаемых покрытий, их низкие прочность сцеплениях основой и пластические свойства'Поэтому повышение физико-механических свойств ГТП, а тем самым и эксплуатационных свойств изделий представляет собой актуальную научно-техническую проблему.
Проблема повышения физико-механических свойств ГТП эффективно решается применением совместного деформирования и термической обработки напыленного ГТП и основы. В качестве материалов основы использовали медь и малоуглеродистую сталь, поскольку из них преимущественно изготавливают детали металлургического оборудования и получают металлопродукцию определенного сортамента. Для оценки возможности расширения области применения ГТП в качестве основы использовали титановые сплавы и керамические материалы. Выбор материала покрытия определяется требованиями, предъявляемыми к свойствам основного металла.
В ходе работы получены результаты, научная новизна которых заключу чается в следующем:
- установлена связь между временем термообработки и предваритель-
9 ным относительным обжатием алюминиевого газотермического покрытия на
основе из малоуглеродистой стали, обеспечивающая высокие пластические свойства покрытия, в соответствии с которой минимальное время термообработки достигается в случае деформирования только покрытия;
- разработана методика расчета толщины диффузионного слоя, образующегося в результате термообработки напыленных на малоуглеродистую сталь и медь алюминиевого газотермического покрытия, включающая использование экспериментально определенного коэффициента, пропорционального коэффициенту диффузии и определение температуры на поверхности основы в результате численного решения уравнения теплопроводности;
- показано, что в результате прокатки стальных листов с алюминиевым газотермическим покрытием твердость покрытия увеличивается, а пористость уменьшается, а в результате волочения стальной проволоки с алюминиевым покрытием твердость покрытия уменьшается, а пористость увеличивается, что объясняется схемой напряженного состояния в металле с покрытием;
- установлена зависимость коррозионной стойкости и жаростойкости поверхностного слоя, создаваемого на малоуглеродистой стали путем напыления и термообработки алюминиевого газотермического покрытия, от его состава, максимальные значения которых достигаются при полном исчезновении алюминия в результате окислительных и диффузионных процессов, что объясняется образованием железоалюминиевых коррозионностойких и жаростойких фаз;
- разработана методика расчета напряжений, возникающих при прокатке в тонких стальных листах с газотермическим покрытием, включающая условие пластичности Грина для пористых тел и учитывающая изменение пористости и сопротивления деформации покрытия в процессе деформирования, адекватность которой подтверждается экспериментально.
10 Работа выполнена в Московском государственном институте стали и
сплавов (технологическом университете).
Результаты работы были использованы при разработке технологий получения доменных фурм и наконечников конвертерных фурм с защитным покрытием, восстановления размеров узких стенок кристаллизаторов машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) путем нанесения покрытий, изготовления теплоотражательных экранов с алюминиевым ГТП, напыления алюминиевого ГТП на непрерывнолитые заготовки (НЛЗ) перед нагревом под прокатку, получения стальных листов с алюминиевым ГТП, получения проволоки с алюминиевым ГТП.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам МИСиС, специалистам заводов, принявшим участие в подготовке, проведении и обсуждении совместных исследований, а также внедрении в производство их результатов.
Особую благодарность автор выражает своему учителю в.н.с, к.т.н. Титлянову А.Е. за неоценимую помощь и поддержку в выполнении, написании и представлении работы.
11
1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
1.1. Характеристика основных способов нанесения покрытий
Нанесение покрытий становится важнейшим последним переделом на металлургических предприятиях, который придает металлопродукции совершенно новые эксплуатационные свойства. Во-первых, она становится стойкой против коррозии и эрозии, в связи с чем увеличивается срок службы изготовляемых из нее деталей, изделий и частей машин и сооружений. Во-вторых, улучшается качество металлопродукции и ее внешний вид при общем снижении затрат в промышленности, т.к. операции отделки поверхности и покрытия, организованные ранее у потребителя в небольших масштабах без соблюдения поточности и специализации производства, заменяются в металлургии непрерывными высокопроизводительными процессами нанесения защитных покрытий 151.
Существуют различные способы нанесения покрытий: химический, электрохимический, путем диффузионного насыщения, вакуумного осаждения и т.д. /2,3,5/.
Основным способом нанесения алюминиевого покрытия, применяемым за рубежом для защиты стальной полосы от атмосферной коррозии, является алюминирование путем погружения в расплав (табл. 1.1).
В настоящее время в России не работают агрегаты алюминирования в основном из-за отсутствия производства керамических ванн.
Имеющиеся стальные ванны не пригодны для горячего алюминирования, т.к. железо активно взаимодействует с алюминием.
12
Таблица 1.1
Характеристика процесса погружения в расплав
Толщина Температура Операции Преиму- Недостатки
расплава, ,°С щества
покрытия, основы,
мкм мм
70-100 0,5-2,0 Более 680 Подготовлен- 1 .Прост. 1 .Возможно
(А1) 121, ные изделия 2.Эконо- образование
450-530 погружают в мичен. языковидных
(Zn) /6,7/ ванну с рас- 3.Высоко- интерметал-
плавленным производи- лических фаз
металлом, вы- телен. 151.
держивают в 2:Ограничено
нем в течение производство
определенного керамических
времени, после ванн для рас-
чего извлекают плава алюми-
и охлаждают ния.
121. 3.Узкие диа-
пазоны тол-
щины по-
крытия и ос-
новы.
4.Возможно
нанесение
только двух-
стороннего
покрытия.
Кроме погружения в расплав широко используются гальванический способ нанесения покрытия (табл. 1.2) и диффузионного насыщения (табл. 1.3).
13
Характеристика гальванического способа
Таблица 1.2
Толщина покрытия, мкм Температура, °С Операции
10-30 15-30 Изделия, на которые необходимо нанести покрытие, помещают в электролит, содержащий ионы осаждающегося металла и соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока (катодом); анодами служат пластинки или прутки из того металла, которым покрывают изделие. Нанесение покрытий осуществляют в стационарных ваннах. Осаждение металла происходит по следующей схеме: Мп++ пе —»М (катодный процесс), М-ne—»МП+ (анодный процесс). Под воздействием электрического поля катионы Мп+двигаются по направлению к катоду, а анионы — по направлению к аноду. На электродах ионы разряжаются и превращаются в нейтральные атомы. На катоде выделяется металл или водород, а анод растворяется или на его поверхности выделяется кислород /2/.
Таблица 1.3 Характеристика процесса диффузионного насыщения в порошковых смесях
Порошковая смесь Температура процесса, °С Состав и толщина покрытия, мкм Оборудование
Fe -62 масс. %, А1 или Fe -35 масс. %, А1, порошок спеченного AI2O3 и NH4C1 /8/. 900-1150 (А1) Fe3Al, FeAl, FeAl3; 80-100 Обработка осуществляется в цилиндрических контейнерах из горячекатаной стали или в муфелях (для труб).
Zn - порошок, инертный разбавитель (кварцевый песок, измельченный шамот, технический оксид А1, пемза и т.д.)/2/. 450-500(Zn) Отвечает однофазным областям диаграммы состояния Fe-Zn
14
Однако эти процессы имеют ряд существенных недостатков, связанных с нарушением экологии, сложностью в эксплуатации и высокой стоимостью оборудования, необходимостью нанесения покрытия постоянной толщины и т.д.
Газотермическое напыление обладает рядом преимуществ по сравнению с указанными выше способами.
1. Напылением можно наносить различные покрытия на изделия из самых разнообразных материалов.
2. Ничем не лимитируются размеры покрываемых деталей и возможно напыление локальных и односторонних покрытий.
3. Напыление наиболее эффективно, когда необходимо увеличить размеры детали при восстановлении и ремонте, т.к. позволяет наносить слой до нескольких миллиметров.
4. Стандартное оборудование для напыления является сравнительно компактным и дешевым.
5. Можно напылять различные материалы в несколько слоев, что позволяет получить покрытия со специальными характеристиками.
6. Не требуется нагревать основу до высокой температуры.
7. Технологический процесс напыления позволяет получать требуемую производительность нанесения покрытия и характеризуется относительно небольшой трудоемкостью.
1.2. Технологические основы нанесения металлических покрытий газотермическим способом
Процесс металлизации напылением разделяется на три основные последовательные стадии 191:
1. подготовка поверхности;
15
2. нанесение покрытия; 3. обработка покрытия.
Поверхность необходимо подготовить потому, что соединение напыленного покрытия с основой осуществляется в основном за счет механического сцепления напыляемых частиц с выступами и впадинами на поверхности основы. Кроме того, соединение осуществляется за счет физических связей, проявляющихся в виде молекулярных в случае, когда напыляемый материал и материал основы имеют решетки приблизительно одинакового размера. На участках основы, поверхность которых имеет повышенную активность, характер соединения определяется диффузионными процессами 131.
Способы нанесения ГТП представлены в табл. 1.4
Таблица 1.4 Способы нанесения ГТП/3,10,11/
Тип напыления Сущность процесса Преимущества Недостатки
1 2 3 4
Газопламенное напыление Напыляемый материал, имеющий форму прутка или проволоки, подают через центральное отверстие горелки и расплавляют пламенем горючей смеси. Расплавленные частицы металла подхватываются струей сжатого воздуха и в мелко распыленном виде направляются на поверхность изделия. При напылении порошком последний поступает из бункера через отверстие, разгоняется потоком транспортирующего газа (смесью кислорода с горючим газом) и на выходе из сопла попадает в пламя, где происходит его нагрев. 1.Простая технология. 2.Низкая стоимость оборудования. 3.Низкие затраты. 1.Невозможность напыления тугоплавких материалов. 2.Низкая прочность сцепления покрытия и основы.
16
Продолжение табл. 1.4
1 2 3 4
Детонационное напыление В камеру водоохлаждаемо-го ствола установки диаметром 25,4 мм подается кислород и ацетилен в строго определенных количествах; ствол направляется на обрабатываемую деталь. Затем азотом подается порошок напыляемого материала. Газовую смесь с порошком, находящимся -во взвешенном состоянии, поджигают электрической искрой. В результате взрыва смеси образуется ударная волна, которая разогревает и разгоняет частицы порошка. 1.Очень высокие плотность и прочность сцепления покрытий с основой. 1. Может возникнуть остаточная деформация от действия взрывной волны. 2.Большой до(140ДБ) шум. З.Высокая-стоимость оборудования.
Электродуговая металлизация Через два канала в метал-лизаторе непрерывно подают две проволоки (диаметром 1,5-3,2 мм), между концами которых возбуждается дуга и происходит расплавление проволоки. Расплавленный металл подхватывается струей сжатого газа, чаще всего воздуха, истекающего из центрального сопла элек-трометаллизатора, и в мелкодисперсном виде переносится на поверхность основного металла (рис.1.1). 1.Высокая производительность. 2.Возможность получения смесей. 3. Низкие эксплуатационные расходы. 1 .Опасность перегрева и окисления напыляемого материала при малых скоростях подачи проволоки. 2.3начи-тельное выгорание легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав.
17
Продолжение табл. 1.4
1 2. 3 4
Плазменное Между катодом (W или 1.Возможность 1. Низкая
напыление W+2% Th) и медным водо- напыления ту- производи-
охлаждаемым соплом, гоплавких ма- тельность.
служащим анодом, возни- териалов. 2. Шум.
кает дуга, нагревающая по- 2.Широкий ди- 3.Интен-
ступающий в сопло горел- апазон напы- сивное ульт-
ки рабочий газ, который ляемых мате- рафиолето-
истекает из сопла в виде риалов (метал- вое из-
плазменной струи. В каче- лы, керамика, лучение.
стве рабочего газа ис- органические 4.Высокая
пользуют Аг, N2, к кото- материалы). стоимость
рым иногда добавляют Н2. 3.Очень высо- оборудова-
Порошковый наплавочный кая плотность и ния.
материал подается в сопло прочность сце- 5.Большие
струей транспортирующего пления покры- эксплуата-
газа, нагревается плазмой и тия с основой. ционные за-
с ускорением переносится траты.
на поверхность основного
материала для образования
покрытия.
Среди способов нанесения ГТП следует выделить электродуговую металлизацию, отличающуюся сравнительно высокой производительностью и низкой стоимостью нанесения покрытия /4,12/. Кроме того, покрытия, нанесенные электродуговым способом, обладают большей коррозионной стойкостью, чем нанесенные газопламенным способом 121.
Из оборудования наиболее распространенным для механизированного нанесения покрытия является электрометаллизатор ЭМ-12М. Его номинальная производительность по алюминию СвАМЦ 02,0 мм (ГОСТ 7871— 83) при рабочем напряжении дуги 23 В и рабочем токе дуги 500 А составляет 14,0 кг/ч. Диаметр распыляемой проволоки находится в пределах 1,5-2,5 мм, а скорость ее подачи - 3,4-14,2 м/мин. Коэффициент использования материала (по алюминию) составляет 0,75. |
