плазменное напыление железного металлического порошка

Когда говорят про плазменное напыление железного металлического порошка, многие сразу представляют себе что-то вроде 'распылил — и готово', но на практике это редко бывает просто. Даже с железом, которое кажется предсказуемым материалом. Сам по себе процесс — это не магия, а цепь решений, где каждое влияет на слой. И железный порошок здесь — не просто сырьё, а переменная с характером.

Что на самом деле значит 'железный порошок' для напыления

В спецификациях часто пишут просто 'железный порошок', но это обманчиво. Я имею в виду не химическую чистоту — с ней как раз более-менее ясно. Речь о морфологии частиц. Если взять сферический порошок, полученный распылением, и сравнить его с дроблёным, разница в поведении в плазменной струе будет колоссальной. Сферические частицы лучше ускоряются, но иногда хуже сцепляются. Дроблёные — наоборот. И это только начало.

Ещё момент — фракционный состав. Слишком мелкая фракция (скажем, -20 мкм) может просто испариться в плазме или дать чрезмерное окисление. Слишком крупная (+80 мкм) — не успеет полноценно расплавиться, получится включения. Оптимум для многих задач лежит где-то в районе 40-60 мкм, но это не догма. Приходилось работать с порошком, где был широкий разброс, от 20 до 100 мкм. Казалось бы, брак. Но для некоторых износостойких покрытий на неровных поверхностях такой 'неидеальный' состав дал лучшее заполнение неровностей. Пришлось подбирать параметры, конечно.

И окисление. Железо активно окисляется даже в следовых количествах кислорода. Вроде бы все знают, что нужна защитная атмосфера или правильные сопла. Но на деле, когда работаешь на изношенном оборудовании, где уплотнения уже не те, или при напылении крупногабаритных деталей, когда полную камеру не поставишь, добиться действительно низкой пористости и минимальных оксидов — это отдельное искусство. Иногда видишь в микроструктуре тёмные включения — это они и есть. Снижают и адгезию, и однородность свойств.

Оборудование и его 'причуды': не только горелка

Говорят, что ключ — это плазмотрон. Согласен, но лишь отчасти. Да, стабильность дуги, конструкция сопла и охлаждение — критичны. Но я бы выделил систему подачи порошка. С железом часто возникают проблемы из-за его плотности и сыпучести. Не все дозаторы одинаково хорошо работают. Вибрационные податчики иногда 'залипают', особенно если порошок слегка отсырел. Роторные — надёжнее, но требуют точной настройки скорости. Ошибка в скорости подачи всего на 10-15% — и ты уже получаешь не расчётную толщину или шероховатость.

У нас в цеху стоит установка, которую мы заказывали у ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования. Не буду рекламировать, но отмечу деталь: их инженеры изначально предложили доработать тракт подачи именно под плотные металлические порошки, включая железо. Это была не стандартная конфигурация. Речь шла о другом угле ввода порошка в факел и диаметре каналов. После доработки стабильность потока улучшилась, что сразу снизило разброс по толщине покрытия на длинных валах, которые мы часто обрабатываем. Информацию об их подходе к разработке можно найти на https://www.lijiacoating.ru — они как раз позиционируют себя как компания, профессионально занимающаяся не только оборудованием, но и исследованиями в области термического напыления. В нашем случае это выразилось в том, что они прислали не просто аппарат, а рекомендации по режимам именно для нашего типа работ.

И ещё про охлаждение детали. При напылении железа на стальную основу тепловложение большое. Если не отводить тепло, возникают высокие остаточные напряжения. Это может привести к отслаиванию покрытия уже на этапе остывания, а не под нагрузкой. Мы используем воздушное охлаждение с соплами, но иногда, для ответственных деталей, приходится идти на хитрость — напылять короткими сериями, с паузами. Производительность падает, но качество соединения важнее.

Адгезия: где кроется главная проблема

Сцепление железного покрытия с основой — это, пожалуй, самый частый источник головной боли. Пескоструйная обработка — обязательна, это аксиома. Но и здесь есть нюансы. Грубость анкеров — это хорошо, но если перестараться, можно создать микротрещины в поверхностном слое основы. Покрытие ляжет, но под нагрузкой трещина пойдёт дальше. Оптимальную шероховатость подбирали экспериментально, записывая параметры пескоструйки (давление, абразив, угол, расстояние) и потом проводя тесты на отрыв.

Есть ещё один приём, который не всегда описывают в учебниках, — промежуточный подслой. Иногда, для улучшения адгезии железа к высоколегированной стали или чугуну, мы наносим очень тонкий подслой никеля или молибдена. Он работает как переходный, компенсируя разницу в коэффициентах термического расширения. Но это удорожает процесс, и клиенты не всегда готовы. Приходится доказывать, что без этого ресурс детали будет в два раза меньше.

Контроль адгезии — отдельная тема. Мы используем тест на отрыв (по ASTM C633 или его аналогам), но он, конечно, выборочный. На глаз адгезию не определишь. Были случаи, когда покрытие выглядело идеально, а при тесте отходило пластами. Причина чаще всего — не в самом напылении, а в подготовке поверхности или в скрытых загрязнениях (масло, конденсат). Теперь перед напылением обязательно обезжириваем и прогреваем деталь горелкой прямо перед подачей порошка, даже если она сухая на вид.

Структура покрытия и эксплуатационные свойства

Что мы в итоге получаем? Слой, который по структуре отличается и от литого железа, и от основного материала. Он слоистый, с чередованием полностью расплавленных зон и частично спечённых частиц. При правильных параметрах оксидных включений мало, пористость низкая (2-4%). Такое покрытие хорошо работает на абразивный износ, особенно сухой. Но ударную нагрузку переносит хуже — может растрескаться из-за хрупкости оксидных прослоек.

Интересный момент с твёрдостью. Твёрдость железного покрытия после плазменного напыления может быть выше, чем у исходного порошка, за счёт наклёпа и быстрого охлаждения. Но она неоднородна по глубине. Поэтому указывать одно число по HRC или HV — некорректно. Мы всегда делаем замеры по сечению шлифа, строим график. Клиентов это иногда удивляет, но так честнее.

Коррозионная стойкость — слабое место чистого железного покрытия. Оно ржавеет. Поэтому для работы в агрессивных средах его почти не используют без последующей герметизации или нанесения защитного лакокрасочного слоя. Либо идут на варианты с легированием порошка (хромом, например), но это уже другая история и другой процесс.

Практический кейс и выводы, которые не в справочниках

Расскажу про один проект — восстановление посадочных мест под подшипники на большом валу из конструкционной стали. Вал был длинный, около трёх метров, и биение после напыления и шлифовки должно было быть минимальным. Использовали железный порошок средней фракции. Основная сложность — обеспечить равномерную толщину по всей длине при вращении вала. Даже небольшая неравномерность подачи порошка или колебание расстояния 'факел-деталь' давали разницу в несколько десятых миллиметра, что после шлифовки приводило к локальному 'протиранию' до основы.

Пришлось делать несколько пробных проходов на стальной гильзе, замерять толщину профилометром и корректировать скорость перемещения горелки и вращения детали. Это заняло почти день. Но в итоге наработали режим, который потом использовали для серии таких валов. Ключевым было не просто выставить параметры по паспорту, а 'поймать' взаимосвязь между скоростью вращения, температурой поверхности в зоне напыления и визуальным видом формируемого слоя (его цветом и блеском). Это уже чисто опыт, который в цифры не всегда переведёшь.

В целом, плазменное напыление железного металлического порошка — это не базовая, а вполне продвинутая технология, требующая понимания физики процесса и массы практических навыков. Оборудование, подобное тому, что производит ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, может стать хорошим фундаментом, но оно не отменяет необходимости экспериментировать и накапливать свои собственные данные. Главный вывод, который я сделал: успех определяется не на стадии основного процесса, а на стадиях подготовки (порошка, поверхности, режима) и контроля. И железо, при всей его кажущейся простоте, — материал, который требует уважения и внимания к деталям.