Использование при нанесении покрытий способом электродуговой металлизации проволок диаметром 0,8–1,2 мм стало возможным только при создании предприятием ООО «Термал-­Спрей-­Тек» новой сопловой системы металлизаторов, обеспечивающих сходимость проволок и нахождение точки сходимости проволок в канале подачи распыляющего газа.

 

Согласно ТУ 27.90.31-001-11344040-2018, новая конструкция металлизаторов получила обозначение С-(08,10,12)-СУ(Н)-СТ (ВСТ), где 08,10,12 — обозначение применяемого диаметра проволоки; Н — номер модификации металлизатора (в настоящее время их три, и разработки продолжаются); СТ — стационарный металлизатор; ВСТ — высокоскоростной металлизатор.

 

Диапазон рабочих токов металлизаторов 30–90 А при напряжении 20–32 В в зависимости от материала проволоки и ее диаметра. Расход газа 0,01–0,05 м³/секунду.

 

При нанесении покрытия новыми металлизаторами значительно снижается тепловложение в подложку и формирующееся покрытие. Снижение примерно в 2 раза в сравнении с классическими металлизаторами, использующими проволоку диаметром 1,6 мм. Сокращение тепловложения в подложку расширяет технологические возможности металлизации как по составу, так и геометрии подложки. Уменьшение тепловложения в покрытие уменьшает уровень термических напряжений в покрытии, увеличивается прочность покрытия и улучшается состав покрытия.

 

Для сопоставления структуры и микротвердости покрытий, получаемых по стандартной методике напыления на классической установке проволочной электродуговой металлизации с открытым профилем сопла С‑16-СУ-СТ, и покрытия, полученного на высокоскоростном металлизаторе С‑16-СУ-ВСТ, была использована проволока алюминиевого сплава Св.АК5 диаметром 1,6 мм (ГОСТ 7871–75).

 

Для анализа структуры и микротвердости покрытия, полученного на металлизаторе С‑12-СУ-СТ, была использована сварочная проволока Св.АМг6 диаметром 1,2 мм (ГОСТ 7871–75).
Проволочное электродуговое напыление на трех типах металлизаторов выполнили на пластины из низкоуглеродистой стали толщиной 5 мм.

 

Микроструктуру исследовали в поперечном сечении покрытия, вырезанного на проволочном электроэрозионном станке из пластин с напыленными покрытиями. Образцы после резки запрессовывались в электропроводящий пластик и шлифовались с использованием алмазной пасты тонкостью 1 мкм, далее оксида кремния тонкостью 50 нм на финишном этапе.

 

Квадратные образцы 10х10 мм вырезались для рентгеноструктурного анализа поверхности покрытия. Рентгенофазовый анализ был выполнен на дифрактометре «Дрон‑3» с использованием CoKα-излучения.
Перед исследованием структуры образцы протравливали в растворе HF-HNO₃-H₂O. Структуру анализировали на оптическом микроскопе «Альтами МЕТ5».

 

Для определения когезионной прочности на растяжение было выполнено напыление покрытия из проволоки Св.АМг6 диаметром 1,2 мм на составные цилиндрические образцы. Испытание на растяжение было выполнено на универсальной испытательной машине «Инстрон 3382». Анализ микротвердости проволоки и сечения покрытий был выполнен на микротвердомере ПМТ‑3 при нагрузке 100 гс, выдержка 10 с. Минимум 15 уколов алмазной пирамидой выполнялось для оценки средней величины микротвердости покрытия.

 

На рис. 1 представлена микроструктура поперечного сечения покрытий, полученных распылением проволоки из алюминиевых сплавов на трех типах металлизаторов: а, б — распыление металлизатором типа С‑16-СУ-СТ с классической открытой сопловой системой проволоки диаметром 1,6 мм воздухом; в, г — распыление высокоскоростным металлизатором типа С‑16-СУ-ВСТ (высокоскоростным) проволоки диаметром 1,6 мм воздухом; д, е — распыление металлизатором типа С‑12-СУ1-СТ проволоки диаметром 1,2 мм воздухом.

 

Рис. 1.

 

На рис. 1а, б покрытие имеет шероховатость 20–30 мкм, большое количество пор размером 10–20 мкм, пористость более 10%. На рис. 1в, г шероховатость покрытия 5–10 мкм, поры не более 10 мкм, пористость менее 3%. На рис. 1д, е шероховатость менее 10 мкм, пористость менее 2%, в структуре покрытия преобладают мелкие напыленные частицы.
Улучшение качества покрытий, иллюстрируемое приведенными рисунками, наблюдается у всех используемых проволок из различных материалов.

 

В таблице 1 представлены данные по микротвердости исходной проволоки, а также микротвердость поперечного сечения покрытий, полученных металлизацией на трех типах установок. После электродуговой металлизации по классической технологии на установке С‑16-СУ-СТ микротвердость покрытия из сплава АК5 увеличилась на 63% по отношению к твердости исходной проволоки, использованной для напыления. Такое повышение микротвердости определяется окислением поверхности напыляемых частиц в процессе взаимодействия расплава с кислородом воздуха. Окислы наблюдаются в сечении покрытия по границам напыленных частиц (рис. 1 а, б).

 

 

Таблица 1. Микротвердость проволоки и покрытий

Материал/Установка для напыления	Микротвердость, HV
Проволока Св. АК5	50,4±2,9
Св. АК5/С-16-СУ-СТ	82,3±8,1
Св. АК5/ С-16-СУ-ВСТ	99,7±10,7
Проволока Св.АМг6	100,1±3,5
Св.АМг6 /С-12-СУ1-СТ	82,1±10,4

 

 

Анализ дифрактограммы исходной проволоки (рис. 2, кривая 1) выявляет наличие кремния в сплаве АК5, а после электродуговой металлизации кремния в покрытии по данным рентгенофазового анализа не выявлено (рис. 2, кривая 2). Отсутствие кремния в составе напыленного покрытия может быть объяснено его взаимодействием с кислородом воздуха, что приводит к выгоранию кремния и формированию оксидных соединений, объем которых существенно меньше, чем разрешающая способность рентгеновского метода анализа. Также существует вероятность удаления таких соединений в процессе перемещения жидкой частицы в газовом потоке.

 

Микротвердость покрытия, полученного по методу высокоскоростного электродугового напыления на установке С‑16-СУ-ВСТ, повышается на 99%, что связано с уменьшением остаточной пористости в покрытии, снижением среднего диаметра напыленных частиц, что приводит к увеличению общего объема границ раздела в покрытии (рис. 1, в, г) и, как следствие, повышению твердости. В составе покрытия также не наблюдается кремний, что связано с аналогичными условиями окисления кремния при взаимодействии расплава АК5 с кислородом воздуха 
(рис. 2, кривая 3). Кроме того, повышение твердости покрытия как в случае классического метода напыления, так и высокоскоростного определяется измельчением кристаллитов в структуре напыленного покрытия, что подтверждается снижением интенсивности пиков, свидетельствующим о уменьшении размеров кристаллитов в структуре напыленных частиц по отношению к структуре исходной проволоки, что подтверждает формирование быстрозакаленной структуры в напыленных частицах. Снижение размера кристаллитов в покрытии, полученном методом высокоскоростного напыления в сравнении с классическим определяется повышенной скоростью кристаллизации напыляемых частиц.

 

Рис. 2. Дифрактограмма проволоки Св.АК5 и покрытий из нее
 

 

Анализ микротвердости покрытия, полученного напылением проволоки Св.АМг6 диаметром 1,2 мм на новой установке С‑12-СУ1-СТ, выявил снижение данного параметра по отношению к микротвердости исходной проволоки на 21%, что может быть связано как с наличием остаточных пор покрытии после напыления, так и рекристаллизацией наклепаной структуры, полученной в проволоке Св.АМг6 после волочения. Изменения структуры покрытия после электродугового напыления подтверждается изменением интенсивности пиков от рефлексов на дифрактограмме проволоки и покрытия (рис. 3), т. е. интенсивность пика на угле 38° после напыления повышается, а на угле 65° снижается. Распределение интенсивностей пиков от фазы Al на кривой, описывающей покрытие (рис. 3, кривая 2), соответствует рекристаллизованному алюминию, а на кривой, описывающей проволоку Св.АК5, подтверждает наличие наклепа. Поэтому повышение твердости напыленного покрытия можно добиться дополнительной поверхностной пластической деформацией, например, путем дробеструйной обработки.

 

Рис. 3. Дифрактограмма проволоки Св.АМг6 и покрытия из нее
 

 

Анализ механической прочности покрытия на разрыв, выполненный на составных цилиндрических образцах, оценивает когезионную прочность сцепления частиц в покрытии из сплава АМг6. Прочность покрытия после напыления на новой установке С‑12-СУ1-СТ составила 88±12МПа. Когезионная прочность покрытия, полученного на новом металлизаторе, имеет высокие механические свой­ства, но ниже прочности на разрыв исходной проволоки из-за наличия остаточной пористости.

 

Новые металлизаторы, использующие проволоку диаметром 0,8–1,2 мм, позволяют формировать покрытия, отличающиеся от классических электродуговых покрытий низкой пористостью, повышенными микротвердостью и прочностью, низкой шероховатостью. Улучшенные свой­ства покрытий повышают качество машиностроительных деталей.

 

Исследования свой­ств покрытий, получаемых новыми металлизаторами, и их технологические особенности продолжаются.

 

 

Сергей Николаевич Сарбучев
ООО «Термал-­Спрей-­Тек»
www.t-s-t.ru, info@t-s-t.ru, тел. (495)475-89-78
 

Александр Юрьевич Иванников
ИМЕТ РАН, ivannikov-a@mail.ru

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 10-2021