Теория и практика комбинированных электротехнологий создания защитных покрытий

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 
КОМБИНИРОВАННЫХ 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ 
ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Â.Ñ. ×ÅÐÅÄÍÈ×ÅÍÊÎ
Ì.Â. ÐÀÄ×ÅÍÊÎ
Ò.Á. ÐÀÄ×ÅÍÊÎ
Þ.Î. ØÅÂÖÎÂ

Под общей редакцией академика Академии 
электротехнических наук Российской Федерации, 
доктора технических наук  В.С. Чередниченко

Москва
ИНФРА-М
2020

 

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.793(075.4)
ББК 34.663
 
Ч46

Чередниченко В. С.
Ч46 
 
Теория и практика комбинированных электротехнологий создания 
защитных покрытий : монография / B.C. Чередниченко, M.В. Радченко, Т.Б. Радченко, Ю.О. Шевцов ; под общ. ред. В.С. Чередниченко. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 258 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/monography_5a40b0d27f59e3.14333080.

ISBN 978-5-16-013684-4 (print)
ISBN 978-5-16-106343-9 (online)
В монографии изложен комплекс теоретических и экспериментальных 
исследований эксплуатационных свойств защитных покрытий, создаваемых путем последовательного нанесения покрытий на металлы с использованием комбинированных электротехнологий, в том числе комплекса 
операций первичного нанесения покрытий различными методами и его 
последующей электротехнологической обработки электронно-лучевым 
способом. Обобщены результаты работ, выполненных в Новосибирском 
государственном техническом университете и Алтайском государственном 
техническом университете им. И.И. Ползунова. Приводятся результаты 
промышленного использования комбинированных покрытий с различными сочетаниями первичных технологий с последующей обработкой электронно-лучевым методом. 
Книга предназначена для инженерно-технических работников, связанных с электротехнологическими процессами в машиностроении, электронной технике и других областях промышленности. Может быть полезна 
студентам, магистрантам и аспирантам.

УДК 621.793(075.4)
ББК 34.663

Р е ц е н з е н т ы:
Васильев А.С., д-р техн. наук, профессор, отделение «Электротехнологии» Академии электротехнических наук РФ, заслуженный деятель 
науки и техники РФ, академик-секретарь АЭН РФ;
Первухин Л.Б., д-р техн. наук, профессор

ISBN 978-5-16-013684-4 (print)
ISBN 978-5-16-106343-9 (online)

© Чередниченко В. С., Радченко М. В., 
Радченко Т. Б., Шевцов Ю.О., 2004, 
2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..............................................................................................................5

Глава 1. Способы нанесения покрытий и критерии выбора 
последовательных электротехнологий создания комбинированных 
защитных покрытий..............................................................................................9

1.1. Существующие способы нанесения защитных покрытий.....................9
1.2. Современные тенденции в построении систем управления

электронно-лучевыми способами создания защитных 
покрытий.......................................................................................................................34

Глава 2. Технологические параметры комбинированных способов 
создания защитных покрытий........................................................................ 42

2.1. Влияние температуры нагрева защитных покрытий

в процессе вторичной обработки на их качество................................... 45

2.2. Взаимодействие защитных покрытий с технологической

средой..............................................................................................................................58

2.3. Экспериментальные исследования испарения металлов

из покрытий................................................................................................................68

2.4. Факторы, определяющие качество защитных покрытий

при вторичной обработке электронным лучом в вакууме.................75

Глава 3. Физико-механические свойства комбинированных 
защитных покрытий...........................................................................................97

3.1. Оборудование и материалы для реализации комбинированных

электротехнологий ................................................................................................... 97

3.2. Подготовка поверхности изделий и материалов, используемых

для нанесения покрытий.....................................................................................105

3.3. Структура, физико-механические свойства и основные

технологические параметры комбинированного процесса 
нанесения покрытий.............................................................................................108

3

Глава 4. Управление качеством покрытий, получаемых 
комбинированными электротехнологическими способами............... 125

4.1. Алгоритм построения регрессионных зависимостей

прогнозирования свойств защитных покрытий.....................................130

4.2. Математическая модель многофункциональных

связей в системе «качество покрытий — электротехнологические 
параметры процесса»........................................................................................... 140

4.3. Исследование процессов создания комбинированных

защитных покрытий..............................................................................................149

Глава 5. Формирование защитных покрытий методом 
электронно-лучевой наплавки сплавов в вакууме................................. 169

5.1. Оборудование и материалы для наплавки................................................169
5.2. Структура и свойства покрытий, наплавленных проволочными

и ленточными материалами..............................................................................173

5.3. Наплавка порошковых сплавов электронным лучом в вакууме ... 179
5.4. Теплофизические процессы наплавки порошковых сплавов

электронным лучом в вакууме........................................................................186

5.5. Характер изменения структуры, твердости и микротвердости

наплавленных слоев металла........................................................................... 192

5.6. Износостойкость наплавленных защитных покрытий.......................201
5.7. Коррозионное изнашивание защитных порошковых

покрытий .................................................................................................................... 210

5.8. Твердость и пластичность наплавленных слоев.................................... 213
5.9. Влияние параметров процесса электронно-лучевой наплавки

на геометрию наплавленных покрытий..................................................... 228

Глава 6. Практическая реализация комбинированных 
электротехнологий.............................................................................................235

6.1. Аппаратура для реализации комбинированных

электротехнологий для защитных покрытий..........................................235

6.2. Промышленная эксплуатация защитных покрытий,

выполненных по комбинированным электротехнологиям..............239

Литература.............................................................................................................242

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

(Ткачество поверхности деталей машин и инструмента наряду с прочностными характеристиками основного материала является определяющим 
критерием их долговечности при различных условиях 
эксплуатации. При этом упрочняющие и защитные 
покрытия, наносимые на поверхность с использованием электротехнологических процессов, нередко становятся единственным эффективным резервом существенного повышения таких характеристик поверхности, как износостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и т.п.

Для разработки и нанесения упрочняющих и защитных покрытий используются различные электротехнологические процессы, которые практически можно разделить на две большие группы: способы и технологии нанесения и закрепления напыленных покрытий и способы и технологии наплавки.

Среди напылительных процессов наиболее существенную роль выполняют: газопламенное, струйно-плазменное, газодетонационное напыление и метод, активно развивающийся в последние годы, -  газодинамическое напыление. Всем методам напыления защитных покрытий присущ ряд преимуществ перед 
наплавочными процессами -  это возможность напыления широкой гаммы материалов на одном типе оборудования, простота и относительная дешевизна, достаточно высокая производительность (до 20 кг/ч) при 
относительно небольшой трудоемкости и др.

Однако серьезными ограничениями использования 
напылительных процессов являются: невысокая прочность сцепления наносимых материалов с защищаемой поверхностью (при наличии ярко выраженной 
границы сцепления), которая составляет величину по5

рядка 40 МПа (для А1, напыленного газодинамическим 
способом, -  до 60 МПа), относительно высокая пористость, шероховатость поверхности и появление зоны 
разупрочнения металла основы. Необходимо отметить, 
что управление качеством напыленных покрытий значительно ограничивается принципиальными особенностями механизма процесса напыления.

Наплавочные процессы с использованием различных источников теплоты (электрические дуги, газовые 
и плазменные струи, импульсно-индукционный нагрев, лазерное, световое излучение, электронные пучки 
в вакууме и в атмосфере воздуха и др.) существенно 
отличаются от процессов напыления прежде всего высокой прочностью сцепления и получаемым качеством 
покрытий. Плотность и другие характеристики качества наплавленных покрытий намного выше, а пористость ниже, чем у напыленных.

Но при этом газодинамические и гидродинамические процессы, происходящие в жидкой металлической ванне при наплавке покрытий, имеют индивидуальный характер протекания. Это значительно осложняет получение покрытий высокого качества, особенно 
при использовании новой номенклатуры наплавочных 
материалов. Существует целый ряд напыляемых износостойких материалов, которые невозможно наплавить, или не удается получить при их наплавке удовлетворительное качество (например, окисел алюминия 
АЬОз).

Дополнительными факторами рационального выбора метода и технологии создания защитных покрытий 
являются мощность теплового источника нагрева, в 
частности, плотность мощности в пятне нагрева, и используемая технологическая среда. Эти важные параметры напрямую влияют на эффективность протекания процессов нагрева и охлаждения покрытий, что в 
конечном итоге определяет степень упрочнения или 
разупрочнения материала защищаемой поверхности, 
производительность процесса напыления или наплавки, возможности управления качеством покрытий через повышение их металлургических параметров. Следует отметить, что в последние годы все большее 
предпочтение 
отдается 
высококонцентрированным

6

источникам нагрева. К ним относятся 
импульсноиндукционная, лазерная, электронно-лучевая обработки.

В рамках каждой из электротехнологий ведется 
плодотворная работа по улучшению качества защитных покрытий. Становится очевидным, что при формировании первичного покрытия 
зачастую невозможно освободиться от пористости, повышенного газосодержания, наличия сопутствующих примесей и 
неметаллических включений. Снижение влияния перечисленных факторов на эксплуатационные качества 
одностадийнонанесенных покрытий возможно за счет 
повторной электротехнологической обработки.

Именно комплекс операций первичного нанесения 
покрытия и его последующая обработка названы в работе комбинированной электротехнологией. Следует 
отметить тот факт, что повторная обработка первично 
нанесенного покрытия должна осуществляться высококонцентрированным источником нагрева. Эти электротехнологические методы 
обеспечивают возможность обработки покрытий с плотностями мощности 
порядка 105... 10бВт/см2.

Для иллюстрации перспективы и эффективности 
разработки новых комбинированных электротехнологий нанесения защитных покрытий в настоящей работе используется электронно-лучевая обработка. Как 
показали проведенные исследования, дополнительная 
обработка электронным лучом 
увеличивает эксплуатационные свойства покрытий в 5...6 раз, что, безусловно, определяет актуальность разработки новых 
электротехнологий, охватывающих как первичное нанесение покрытий, так и последующее улучшение 
свойств покрытий и наплавленных слоев.

С учетом преимуществ, присущих напылению и наплавке, становится явной необходимость использования комбинации электротехнологических процессов, в 
рамках которой каждый отдельный способ и технология наиболее полно влияют на задачи улучшения 
свойств получаемых покрытий.

Первый способ и технология -  напыление каким- 
либо из известных методов требуемого защитного материала (чистых металлов, их сплавов или в виде карбидов, боридов Fe, W, Со, окислов металлов, более

7

сложных соединений, не используемых для наплавки) 
на обрабатываемую поверхность.

Второй способ и технология -  оплавление покрытия, предварительно закрепленного тем или иным методом, позволяющее повысить качество покрытия:

• устранить внешнюю открытую пористость;
• уменьшить шероховатость и возможность сколов, 
например, при работе в паре трения;

• ликвидировать внутреннюю пористость, повысить плотность покрытия после оплавления и ликвидировать микротрещины;

• увеличить прочность сцепления нанесенного покрытия и подложки вплоть до создания монолитного 
соединения.

Возможность управления глубиной оплавленного 
слоя в закрепленном покрытии позволяет создавать 
композиционные покрытия с переменной регулируемой плотностью, пористостью или даже химическим 
составом, и, следовательно, принципиально новыми 
защитными свойствами и качеством.

Однако отсутствие обобщающего теоретического анализа, научно обоснованного выбора комбинированного 
способа и технологии создания защитных покрытий, а 
значит, и концепции управления качеством покрытий 
при очевидной многовариантности технологических решений сдерживает рациональное использование существующих электротехнологических установок и процессов для их широкомасштабного использования в 
промышленности. Анализ и решение этой актуальной 
проблемы явились центральной задачей представленной работы.

Значительный объем монографии основывается на 
теоретических и экспериментальных исследованиях 
эксплуатационных свойств комбинированных защитных покрытий, разработке алгоритма создания покрытий с использованием комплекса электротехнологических способов их нанесения.

Монография подготовлена на основе комплексных 
исследований рассматриваемой проблемы, выполненных в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова и Новосибирском государственном техническом университете.

8

т Г л а в а  1

СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ 
И КРИТЕРИИ ВЫБОРА
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ 
СОЗДАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ 
ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

1.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ

НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

прочности конструкционных материалов за счет их совершенствования практически исчерпаны. Поэтому создание покрытий на поверхностях деталей машин и инструменте видится логичным выходом из создавшегося 
положения. Направление -  создание защитных и упрочняющих покрытий -  одно из закономерных решений 
достаточно серьезной проблемы, с которой столкнулось 
современное машиностроение индустриально развитых

Основные задачи, которые должны и могут выполнять защитные покрытия, -  это защитные функции от 
коррозии, абразивного, эрозионного, адгезионного и вибрационного изнашиваний.

При этом использование методов нанесения защитных покрытий обеспечивает получение специальных 
свойств поверхности деталей и инструмента, увеличение 
конструктивной прочности как основы создания композиционных материалов и возможность сочетания различных физико-механических свойств деталей и покрытий 
при эксплуатации (износостойкости и трещиностойкости, коррозионностойкости и жаропрочности и т.д.) [104].

настоящее время приходится учитывать тот 
факт, что в основном возможности увеличения

стран.

9

Наряду с этим нанесение покрытий позволяет решить 
чисто экономические задачи: значительно снизить потребности в запасных частях и дорогостоящих легирующих материалах [100].

Методы нанесения защитных покрытий позволяют 
формировать покрытия из различных материалов и 
обеспечивать широкий спектр физико-механических и 
потребительских свойств. Характеристики материалов, 
используемых для нанесения защитных покрытий, охватывают большой диапазон их свойств.

В группе материалов для нанесения покрытий можно 
выделить неметаллические и металлические материалы, 
которые могут быть в виде проволоки, ленты, порошка.

Для создания покрытий, эксплуатация которых не 
включает изгибающей нагрузки и серьезного механического истирания, чаще всего используются окислы легких металлов (например, алюминия, титана). Для аналогичных условий, но как противодействие технологическому истиранию, используют карбиды, бориды, карбо- 
бориды тугоплавких металлов (WC, W2C, ТаС, NbC). Они 
обладают, как правило, очень высокой твердостью и 
сами являются абразивом.

Для создания покрытий деталей, работающих в комплексных условиях (знакопеременная нагрузка, механическое истирание, окисление и износ при повышенных температурах), разработаны самофлюсующиеся порошковые 
сплавы на основе никеля, например, ПР-Н70Х17С4Р4, 
где 70 % составляет Ni; 17 -  Сг; 4 -  Si; 4 -  В, и интерме- 
таллиды (AlTi, N13AI, NiAl).

В отличие от защитных, упрочняющие покрытия получают путем изменения свойств самой поверхности 
материала детали, т.е. обрабатывается поверхность выбранным электротехнологическим способом без использования какого-либо другого дополнительного материала.

На современном этапе развития все более активно 
исследуются и промышленно применяются процессы 
создания упрочняющих и защитных покрытий на поверхности деталей машин и инструмента с использованием не только традиционных, но и нетрадиционных 
источников энергии. Так, наряду с методом термичес10

кой, химико-термической обработки поверхностей известны работы по изучению возможного использования 
для этих целей энергии солнечных лучей [199], воздействия высокочастотной плазмы [189], применения магнитного поля [221].

Некоторые работы посвящены исследованию структурных и металлофизических особенностей нанесения 
защитных покрытий с использованием ударных волн 
или энергии взрыва. Установлено, что процесс получения покрытий из порошковых сталей типа Х18Н15 сопровождается высокими скоростями охлаждения расплава -  104...10б °С/с, что позволяет обеспечить высокие 
эксплуатационные свойства таких покрытий [61].

Проблеме поверхностного упрочнения 
(например, 
быстрорежущих инструментальных сталей типа Р6М5) с 
помощью эрозионной обработки с энергией импульса 
0,001...0,004 Дж и длительностью импульса 3...12 мкс 
посвящена работа [192]. Покрытия, полученные таким 
способом, обладают малой толщиной (20...30 мкм) при 
закалке основного металла, а при использовании комбинированной технологии (предварительно нанесенного 
защитного материала и его локального оплавления) могут достигать размера десятых долей миллиметра.

Известны работы по использованию метода ионнолучевой обработки поверхности. Этот метод позволяет 
повысить износостойкость деталей в довольно широком 
диапазоне: у среднеуглеродистых сталей -  в 2...3 раза, а 
у форм, изготовленных из штамповых сталей и предназначенных для литья пластиков, -  в 20 раз [176].

Конкурентоспособность метода ионной имплантации 
основывается на использовании достаточно низких 
температур протекания процесса с отсутствием коробления основы и необходимости доводочных операций. 
Из-за недостаточной изученности самого процесса, высокой стоимости и незначительной распространенности 
оборудования эти процессы пока не получили широкого 
использования в отечественной промышленности.

Среди различных технологий нанесения защитных 
покрытий, способствующих повышению ресурса работы

11

и восстановлению деталей машин и механизмов, наиболее известны следующие:

• термические способы (нагрев без оплавления или 
с ним);

• дробеструйная обработка;
• холодная прокатка;
• обработка ультразвуковым воздействием;
• термодиффузионные способы:

-  цементирование, азотирование и другие виды химико-термической обработки;

-  ионное азотирование, карбонитрация и т.п.;
-  газотермические (газопламенное напыление, металлизация поверхности);

• газодетонационные методы;
• плазменные (струйно-плазменные и дуговые);
• ионно-плазменное напыление;
• высокочастотные индукционные методы (закалка, 
наплавка);

• лазерные методы (закалка, напыление, наплавка);
• электронно-лучевые методы:

-  в вакууме или вне вакуума;
-  низко- или высокоэнергетическими пучками.

Особое место в этом ряду занимают электротехнологические процессы. Практически все эти процессы 
можно разделить на три группы:

• способы и технологии наплавки;
• способы и технологии нанесения покрытий;
• способы и технологии закрепления покрытий.
Существенный вклад в научное обоснование и практическое развитие этих методов и технологий обработки 
внесли ведущие научные и учебные центры России, Украины и других стран СНГ:

• Институт электросварки им Е.О. Патона НАН Украины (газопламенные, плазменные, светолучевые, лазерные, 
электронно-лучевые, 
газодетонационные технологии) ;

• Московский государственный технический университет им. Баумана (лазерные, плазменные, светолучевые 
технологии);

12