Плакирование металлов: методы нанесения

Соединение разнородных металлов в единую конструкцию без потери их индивидуальных свойств успешно решает плакирование. В отличие от простого напыления или гальваники, способ создаёт металлургическую связь между слоями, исключая расслоение даже при интенсивных нагрузках. Плакирование металлов — это востребованный метод в авиации, судостроении, химическом машиностроении, производстве бытовой техники.

Плакировка: понятие и методы

Чтобы понять, что такое плакирование, достаточно представить два листа разных металлов, соединённых так плотно, что граница между ними становится почти незаметной; каждый лист сохраняет собственную структуру. Плакировка — это соединение в твёрдой фазе либо через расплав без применения клеев или припоев, где металлургическая связь возникает за счёт диффузии атомов на границе раздела.

Существует несколько методов плакировки:

• Горячая прокатка — заготовки очищают, нагревают, пропускают через валки; давление сдавливает поверхности и активирует диффузию. Так получают биметаллические листы для теплообменников и посуды.
• Взрывное плакирование — заряд взрывчатки разгоняет один лист до сверхзвуковой скорости, ударная волна прижимает его к другому; соединение возникает за микросекунды без нагрева, что позволяет плакировать металлы с сильно различающимися температурами плавления.
• Диффузионная сварка — выполняется в вакууме с нагревом и давлением.
• Литьевое плакирование — расплав одного металла заливают на подложку другого.

Прокатка даёт большие объёмы плоского проката; взрывной метод незаменим для крупногабаритных изделий; диффузионный подход используют для прецизионных деталей; литьё — для толстостенных труб, сосудов. Выбор технологии зависит от толщины покрытия, формы изделия, совместимости сплавов.

Для чего и где применяется плакирование?

Главное назначение плакировки — наделить основной конструкционный материал свойствами, которых ему недостаёт, сохранив механическую прочность. Наносят тонкий слой нержавейки или алюминия — стальной лист получает защиту от агрессивных сред. Алюминий лёгок, но мягок. Если плакировать его более твёрдым сплавом, изделие становится износостойким.

В авиастроении плакированные панели — стандарт: обшивка самолёта несёт ветровые нагрузки, перепады температур, а слой чистого алюминия на дюралевой основе защищает от коррозии при минимальной массе крыла.

В судостроении судовые валы делают из стали с наплавкой бронзы в местах контакта с водой — так уменьшают износ.

В химической промышленности реакторы плакируют титаном или танталом для работы с агрессивными кислотами.

В быту плакирование встречается на сковородах с алюминиевым сердечником, стальным внешним слоем для индукционных плит, на биметаллических монетах, декоративных фасадах. Метод применяют также для восстановления изношенных деталей, увеличивая их ресурс в несколько раз при малых затратах.

Какие материалы используются при плакировании

Обычно в роли основы выступает конструкционная сталь, которую плакируют нержавеющими сталями, медью, никелем, титаном или алюминием. Плакировочный металл обеспечивает коррозионную стойкость, износостойкость, жаростойкость, декоративный вид.

Алюминий занимает особое место. Этот лёгкий материал используют как основу, так как покрытие. Алюминиевые листы плакируют чистым для улучшения коррозионной стойкости авиационных сплавов. Сталь покрывают металлом для защиты от окалины, атмосферной коррозии. Алюминий хорошо сочетается с медью, цинком, кремнием. Плакирование алюминия медью даёт токопроводящие шины с высокой электропроводностью.

Медь с её сплавами служит покрытием для стальных деталей в условиях трения или высокой теплопроводности. Плакированная латунью сталь идёт на гильзы, радиаторы, подшипники скольжения.

Никель защищает оборудование в пищевой промышленности, в химической.

Титан незаменим в судостроении, медицине. Каждая пара металлов требует индивидуального подхода к очистке, нагреву, давлению; перед запуском линии проводят лабораторные испытания на сдвиг, изгиб, растяжение.

Одностороннее и двустороннее плакирование

По количеству плакируемых поверхностей различают одностороннее и двустороннее нанесение. В первом случае защитный слой находится только с одной стороны листа. Так изготавливают кровельную сталь, листы для фасадов, внутреннюю обшивку химических ёмкостей. Односторонняя плакировка позволяет сэкономить дорогой металл — покрывается лишь рабочая зона, а обратная сторона остаётся из простого материала для сварки или крепления.

Двустороннее плакирование необходимо, когда изделие контактирует с агрессивной средой с обеих сторон (как в пластинах теплообменников) либо когда нужна симметрия свойств. Двусторонний плакированный лист сложнее в производстве: требуется синхронизация нагрева, давления, скорости подачи верхнего и нижнего слоёв.

Технологические нюансы связаны с разницей коэффициентов термического расширения. Если плакировать алюминием сталь с двух сторон, при нагреве алюминий расширяется сильнее — возникают внутренние напряжения, коробление. Поэтому перед этим рассчитывают толщины для минимизации напряжений. Взрывной метод обходит эту проблему, поскольку соединение происходит мгновенно. Для горячей прокатки применяют промежуточные отжиги, медленное охлаждение. При обжатии края листа могут схватываться хуже центра; для двусторонних заготовок используют приварку технологических планок по периметру.

Свойства алюминиевых и латунных покрытий

Алюминий на поверхности конструкционного металла проявляет пассивацию: тонкая оксидная плёнка самовосстанавливается при повреждениях, не пропускает влагу и кислород — поэтому сталь под слоем алюминия не ржавеет даже в морской воде. Алюминиевое покрытие легче большинства антикоррозионных сплавов, хорошо отражает тепло, свет; это важно для транспорта, светильников. Материал совместим с пищевыми продуктами, не боится ультрафиолета, перепадов температуры.

У латуни другие преимущества: высокое сопротивление износу, хорошую антифрикцию. Пара «сталь — латунь» работает в подшипниках скольжения, направляющих, плунжерных парах. Латунь хорошо полируется до зеркального блеска, поэтому плакированная латунью сталь подходит для декора дверных ручек, смесителей. Металл устойчив к органическим кислотам, нейтральным средам, но слабее алюминия в морской воде. Для теплообменников, радиаторов выбирают алюминиевое покрытие благодаря высокой теплопроводности; для высоконагруженных узлов трения — латунное.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли плакировать металлы в домашних условиях? Нет, плакировка требует промышленного оборудования: мощных прессов, валковых станов, взрывных полигонов, вакуумных печей.

Как проверить качество плакированного изделия? Проводят ультразвуковой контроль границы раздела, механические испытания на изгиб, выдавливание, сдвиг. Качественная плакировка не должна расслаиваться при штамповке, ковке, термической обработке.

Какая толщина покрытия нужна? Диапазон — от 0,05 мм для декоративных целей до 5 мм для химических аппаратов; конкретное значение задаётся условиями работы.

Влияет ли плакировка на свариваемость? Да, такой лист требует специальной подготовки кромок: удаления плакирующего слоя в зоне сварки на 2–5 мм, затем варки основного металла, наплавки защитного слоя.

Чем отличается плакирование от наплавки? При наплавке слой наносят дугой или пламенем в виде расплавленных капель; при плакировании соединение происходит без расплавления всей массы — только диффузия или локальный нагрев.

Можно ли повторно плакировать изношенную деталь? Да, старый слой удаляют механически, затем наносят новый плакировочный слой тем же или иным методом; важно сохранить допуски геометрии.