Защитные покрытия

Защитные слои

Двухслойная сталь представляет собой прокат, состоящий из плакирующего (например, коррозионностойкого) и основного (не коррозионностойкого) слоев. В качестве первого применяют нержавеющие высоколегированные стали или сплавы. Основной слой - углеродистая или низколегированная конструкционная сталь. Соотношение между толщинами этих слоев колеблется в больших пределах. Толщина плакирующего слоя может достигать 10 ... 12 мм, а основного - 150 мм и более. Двухслойные стали позволяют резко уменьшить потребление дефицитных высоколегированных материалов без снижения работоспособности конструкций.

Сварку двухслойных сталей производят раздельно. Основной слой сваривают по обычной для данной конструкционной стали технологии, а коррозионностойкий слой - в один или несколько проходов, в зависимости от его толщины. Чтобы обеспечить минимальное разбавление аустенитного и неаустенитного металлов при переходе от основного слоя к облицовочному и наоборот, сварку производят с принятием мер, обеспечивающих наименьшее проплавление нижележащего слоя. К таким мерам относится, например, сварка сдвоенным или ленточным электродом, сварка на спуск, сварка с колебаниями электрода, и др.

При сварке толстого биметалла со стороны высоколегированного коррозионного слоя возможно значительное разбавление металла шва углеродистым металлом и, в связи с этим, образование закалочных структур с низкой пластичностью и коррозионной стойкостью. При сварке таких сталей рекомендуется наплавка разделительного слоя с соблюдением определенного порядка выполнения швов (см. рисунок ниже).

В первую очередь выполняется разделительный слой (1) проволокой, обеспечивающей аустенитную или аустенитно-ферритную структуру шва. Второй шов (2) выполняется со стороны основного слоя до полного заполнения разделки по технологии, принятой для сварки класса материала в зависимости от марки сталей. Последним (шов 3) выполняется коррозионностойкий (плакирующий) шов. Этот порядок обусловлен требованием не подвергать повторному нагреву высоколегированный шов и обеспечить его коррозионную стойкость.

Порядок выполнения швов при сварке двухслойных ста-лей (цифры обозначают очередность выполнения швов).

Если по техническим причинам необходимо выполнять в первую очередь коррозионностойкий шов, целесообразно использовать проволоку с минимальным (менее 0,03%) содержанием углерода, либо повышенным количеством стабилизаторов - титана и ниобия.

Двухслойные стали с плакирующим коррозионностойким слоем толщиной до 20 мм при отсутствии требований к стойкости против межкристаллитной коррозии можно сваривать в два прохода без разделки кромок. Первый проход выполняется со стороны конструкционной углеродистой или низколегированной стали, второй - со стороны высоколегированной.

В последнее время большое практическое значение для создания композитных сталей алюминиевых конструкций имеет биметалл сталь - алюминий. Этот биметалл позволяет наиболее эффективно использовать основные качества обоих металлов: высокую прочность стали и малый вес алюминиевых сплавов, что чрезвычайно важно с точки зрения экономии металлов и снижения конструкционной металлоемкости изделий. Сварка такого металла может производиться по следующей схеме (см. рисунок). Предварительно стыкующиеся кромки (а) обрабатываются в соответствии с эскизом на (б). Затем свариваются кромки на стали аргонодуговой (неплавящимся или плавящимся электродом) или электродуговой сваркой (в). Далее, в случае необходимости снимается усиление швов (г) и поверхность стали, обращенная к алюминиевой плакировке, покрывается цинком (д). Покрытие цинком (толщина слоя 8...10 мкм) осуществляется металлизацией, гальваническим способом, либо путем горячего покрытия. После покрытия цинком осуществляют аргонодуговую наплавку валиков на оцинкованную поверхность стали (е).

Схема сварки стыка биметалла

Облицовка. Применяется в качестве защитных антикоррозионных покрытий, а также покрытий на основе эпоксидно-полиамидных смол с цинковой пылью и поливинилбутерола с добавками алюминия и цинка. Наибольшее распространение для облицовки получили горячее или гальваническое цинкование, обеспечивающее максимальную коррозионную стойкость.

Наибольшее применение имеет оцинкованная сталь толщиной 1,6 ... 6,5 мм. Средняя толщина цинкового покрытия составляет при толщине металла 1,6 мм - около 50 мкм, при 3,6 мм – 85 ... 90 мкм, при 6,5 мм и более - 100 … 110 мкм.

При сварке оцинкованного металла возникает ряд затруднений:

1) пары цинка чрезвычайно токсичны, в связи с чем сварку оцинкованного металла нужно производить только при наличии местной вентиляции;
2) при попадании цинка в металл сварочной ванны существует опасность образования дефектов в виде пор и трещин.

Чтобы избежать образования дефектов, перед сборкой под сварку кромки пластин следует очищать от покрытия. Удалять цинк можно механически (строганием или абразивной обработкой) или нагревом газовой горелкой. Однако следы цинка остаются. Сборку стыковых и тавровых соединений производят с увеличенным зазором в 1,5 и более раз превышающим зазор при сварке металла без покрытия. Для дополнительной очистки кромок от следов цинка сварку рекомендуется производить с колебанием электрода вдоль шва. В связи с чем скорость сварки оцинкованного металла уменьшается на 10...20%.

Чтобы повысить стойкость металла шва против образования трещин при сварке оцинкованного металла рекомендуется снижать содержание кремния в шве за счет применения специальных сварочных материалов. Для ручной дуговой сварки предпочтительны электроды с рутиловым покрытием, обеспечивающие минимальное содержание кремния в металле шва. Качество швов обеспечивается такое же, как и при сварке металла без покрытия.

После окончания сварочных работ требуется нанести защитный слой на поверхность шва и восстановить его на участке околошовной зоны, на котором был нарушен. Защитный слой должен хорошо удерживаться на основном металле и иметь коррозионную стойкость, не уступающую оцинкованному металлу. Этим требованиям удовлетворяет несколько видов покрытий. Краска, содержащая не менее 94% цинковой пыли, изготовленная на ноомыляемых смолистых синтетических связывающих веществах (полистерин, хлорированный каучук, эпоксидная смола и т.п.). Ее легко наносить кистью, она не стекает на вертикальной плоскости. Применяют также наплавку цинково-кадмиевыми прутками, или цинковой проволокой, содержащей 99,99% цинка.

Обработка поверхности. Износостойкие и коррозионностойкие слои. Износостойкие и коррозионностойкие слои могут быть нанесены различными методами обработки поверхности (горячим и холодным прессованием - плакированием, различными способами наплавки и напыления). Наиболее распространенный диапазон толщин слоев характерен для их получения электродуговой наплавкой. Для повышения износостойкости главной задачей является правильный выбор для конкретного вида изнашивания рациональной системы легирования и оптимального содержания легирующих элементов.

Противодействовать влиянию абразивной среды может металл, который имеет твердую составляющую (карбиды, бориды, нитриды, интерметаллические соединения). Во многих случаях эти функции может выполнять мартенсит. Наплавленный металл мартенситного класса может быть получен при наплавке средне- или высокоуглеродистой сталью.

Кроме мартенсита и феррита (в том числе ферритно-цементитной смеси - сорбита, перлита) матрицами износостойкого наплавленного металла могут быть аустенит и ледебурит. Аустенит имеет больше высокую вязкость и прочность, чем феррит. Это оказывает содействие, с одной стороны улучшению содержания частиц твердой фазы, а с другой, - общему повышению износостойкости, в особенности при ударно-абразивном изнашивании. Кроме того, аустенит может превращаться на мартенсит при пластическом деформировании, что сопровождает процесс изнашивания. Это также оказывает содействие дополнительному повышению износостойкости. Примером аустенитного износостойкого наплавленного металла является высокомарганцевая сталь Гадфильда 110Г13Л.

В условиях эксплуатации наплавленного изделия при высоких температурах, наряду с высокой износостойкостью, наплавленный металл должен иметь и высокую теплостойкость. Это достигается дополнительным легированием сильными карбидообразующими элементами - вольфрамом, молибденом, ванадием. Распространены сплавы мартенситно-карбидного класса системы Fe-C-Cr-W.

Высокой коррозионной стойкостью, особенно в агрессивных средах вместе с высокой жаростойкостью, устойчивостью к задирам при трении металла о металл и износостойкостью, отличаются сплавы никеля с хромом и бором, а также с молибденом. К жаропрочным сплавам с высокой стойкостью к износу и окислению при температурах до 1000°С относятся кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом. К ним принадлежат, например, стеллиты. Содержание железа не должно превышать 4%, поэтому наплавка осуществляется в режиме "сварка - пайка".

В износостойких слоях, полученных методами газотермического напыления, при выборе износостойких покрытий необходимо учитывать характер взаимодействия трущихся пар. Во всех сочетаниях необходимо стремиться к выбору покрытия с минимальным коэффициентом трения. На износ достаточно хорошо работают покрытия, содержащие твердые частицы и пластичную связку. Износостойкость покрытий повышается с увеличением их твердости при образовании оксидных пленок или при введении твердых компонентов, таких как карбиды и бориды. Высокая плотность газотермических покрытий позволяет использовать их для защиты основы от коррозионного разрушения. Исследование коррозионной стойкости газотермических покрытий, в особенности из композиционных материалов, свидетельствуют об отсутствии сквозной пористости, что позволяет агрессивной среде проникать к основе. Эффективность коррозионной защиты определяется составом покрытия и может быть изменена за счет его механической, термической и химической обработки.

Покрытия

Стали с поверхностными покрытиями

Покрытия на материалах получают не только плакированием при горячем и холодном прессовании, наплавкой, газотермическим напылением, но и химико-термической обработкой поверхности, а также электрохимической обработкой (гальванические процессы). Из видов химико-термической обработки поверхности наибольшее распространение получили процессы газофазного осаждения и диффузионного насыщения. При газофазном осаждении покрытия образуются в результате химических реакций вблизи от поверхности, на поверхности или в приповерхностном слое основы. Исходными продуктами являются газообразные галогениды, карбонилы или металлоорганического состава, при разложении или взаимодействии которых с другими газообразными составными смесей (водородом, аммиаком, углеводородами, оксидом углерода и пр.) могут создаваться и осаждаться на обрабатываемой поверхности нужны материалы. Газофазное осаждение осуществляют термическим разложением, восстановлением, гидролизом, высокотемпературным прямым окислением.

Свойства газофазных покрытий определяются, прежде всего, возможностью получения более экономно легированного поверхностного слоя на основном металле. Для условий работы на износ могут быть полученные мартенситные поверхностные слои, которые состоят из нитридов или карбидов. При обогащении низкоуглеродистой стали хромом достигается устойчивость против коррозии и окалиностойкость. При газовом азотировании, как и цементации, можно получить твердые поверхностные износостойкие слои, которые имеют высокое сопротивление усталости. На малоуглеродистых сталях можно получить коррозионностойкий слой хрома, а на материалах с больше высоким содержанием углерода - износостойкий слой карбидов хрома.

Насыщением из растворов солей получают покрытие хрома, бора, алюминия. Необходимый элемент вводится в состав солевой ванны в металлическом виде или в виде соли насыщаемого металла. Процесс проводят при изотермической выдержке в ванне с электролизом или без него. Для повышения износостойкости используют разнообразные способы насыщения, которые делят на две группы насыщение химическими элементами (однокомпонентные, двухкомпонентные и многокомпонентные покрытия); покрытие химическими соединениями (карбидами, нитридами, окислами).

Композиционные электрохимические покрытия (КЭП). Это покрытия, полученные гальваническим методом и состоящие из металлической матрицы и тонкодисперсных частей второй фазы, распределенной в ее объеме. Размер таких частиц колеблется в пределах 0,01... 50 мкм, количество - от 1 до 50 объемных процентов. В качестве дисперсной фазы используют порошки отдельных элементов, но часто применяют химические соединения на органической или неорганической основе - безкислородные тугоплавкие соединения, оксиды, полимеры и др. Преимущества формирования покрытий из растворов состоят в относительной простоте технологического процесса и невысоких температурах его реализации. Тонкодисперсные частицы в необходимом количестве вводят в электрохимические ванны, которые в процессе электролиза осаждаются на катоде и заращиваются ионами металлов, которые выделяются на катоде. В зависимости от свойств и количества дисперсной фазы (КЭП) могут иметь высокие значения твердости и износостойкости, жаропрочности, жаро- и коррозионной стойкости, анти- и фрикционные свойства и прочие необходимые эксплуатационные характеристики.

Окраска. Технология окраски состоит из следующих операций: подготовка поверхности (промывка, снятие старой краски, удаление коррозии), грунтование, шпатлевание, шлифование, нанесение слоев краски, сушки. Старую краску удаляют несколькими способами: механическим, химическим и растворителями. Грунтование проводят для защиты окрашенной поверхности от коррозии и для повышения ее сцепляемости с краской. Шпатлевание проводят для выравнивания углублений и неровностей на окрашенных областях после нанесения на них грунтовки. Лакокрасочные материалы наносят вручную волосяной кистью, или механизировано распыляя или окуная ею деталь. Большое распространение получила окраска с помощью краскораспылителей. Для экономии лакокрасочных материалов, воздух со взвешенной в нем распыленной краской отсасывают через щель окрасочной камеры, имеющей водяную завесу. После этого краска осаждается и отделяется от воды. После каждого слоя проводят сушку. Сушку производят в сушильных камерах или естественным путем на воздухе.

Соединения заготовок с покрытиями предусматривает технологию сварки, при которой предварительно производится зачистка поверхности от слоя покрытия и сварка основного материала по технологии, принятой для материалов каждого класса. При этом основной трудностью является удаление покрытия в месте сварки.

Большинство износостойких покрытий имеют высокие физико-механические свойства и содержат в своем составе оксиды, карбиды, бориды, нитриды различных металлов, твердость которых имеет тот же порядок, что и твердость абразивных зерен из электрокорунда и карбида кремния. Поэтому, например, при точении перед сваркой поверхности с покрытием в цилиндрических заготовках рекомендуется применять инструментальные материалы на базе безвольфрамовых твердых сплавов, керамики, поликристаллических материалов и киборита. Для подготовки поверхности с покрытиями, основным методом обработки является шлифование, особенно покрытий высокой твердocти.

В настоящее время для обработки износостойких покрытий все шире используют шлифовальные круги из синтетических алмазов, характеризующиеся высокой стойкостью и повышающие качество и производительность обработки. Преимущества синтетических алмазов по сравнению с обычными абразивными материалами при обработке покрытий объясняется более высокими механическими и теплофизическими свойствами алмазных зерен.