Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры (варианты)

 

Изобретение относится к области формирования защитных износо- и коррозионно-стойких покрытий на деталях запорной арматуры, например шаровых и иных затворах, посадочно-уплотнительных элементов, корпусах кранов. Способ включает формирование слоя алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава и микродуговое оксидирование, при этом после формирования слоя его механически обрабатывают до восстановления геометрии поверхности, причем слой формируют со сквозной пористостью не более 8%, с размером пор не более 1 мкм, а микродуговое оксидирование ведут в слабощелочном электролите, содержащем 3 г/л КОН и 10 г/л жидкого стекла, при плотности тока 10-15 А/дм² и температуре электролита 40-60^oС до получения слоя оксида алюминия толщиной 100-250 мкм. Кроме того, в случае изготовления детали из алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава подслой из алюминия не наносят, а им служит поверхность непосредственного изделия. Технический результат: получение прочного износо- и коррозионно-стойкого покрытия на деталях из любого конструкционного материала или сплава, повышение адгезии, микротвердости и стойкости к термоциклическим нагрузкам, при этом покрытие не склонно к растрескиванию и осыпанию. 2 с.п.ф-лы.

Изобретение относится к области формирования защитных износо - и коррозионно-стойких покрытий на деталях. Основное, но не единственное применение таких покрытий состоит в использовании на деталях запорной арматуры, например, шаровых и иных затворах, посадочно-уплотнительных элементов, корпусах кранов.

Известен способ получения защитного покрытия на подложке (патент RU 2142520 МПК: С 23 С 28/00, 22.07.1994 г., включающий нанесение покрытия путем осаждения металлической матрицы Ml из ванны, содержащей частицы СrАlМ2 для того, чтобы соосадить частицы с матрицей, в котором M1 является, по крайней мере, одним элементом, выбранным из группы, состоящей из Ni, Co и Fe, a M2 является, по крайней мере, одним элементом, выбранным из группы, состоящей из У, Si, Ti, Hf, Та, Nb, Mn, Pt и редкоземельных элементов. Отличия способа в том, что перед осаждением осуществляют алюминирование, хромирование или силицирование подложки, а осаждение проводят электролизное или безэлектролизное. Дополнительно проводят тепловую обработку алюминированной, силицированной или хромированной подложки в вакууме до и после соосаждения M1 CrAlM2, причем если тепловую обработку проводят перед соосаждением, то ее ведут при температуре около 1100^oС в течение приблизительно 1 ч, а если тепловую обработку проводят после соосаждения, то ее ведут при температуре около 1100^oС в течение 1 ч.

Недостатком способа является низкая износостойкость и коррозионостойкость наносимого покрытия.

Известен способ создания защитного покрытия в арматуре типа шарового крана путем создания слоя керамического покрытия на шаровом затворе из сплава на алюминиевой основе толщиной, например, 0,1-0,5 мм (Патент RU 2104434 МПК: F 16 К 5/06 от 21.03.1996). Создание керамического покрытия подразумевает использование технологии керамик: составление шихты, формирование и обжиг ("Словарь - справочник по порошковой металлургии", Киев, Наукова Думка, 1982, стр.84).

Обжиг керамики производят при температуре выше 800^oС, в то время как температура плавления алюминиевых сплавов составляет 660^oС. Это делает процесс формирования керамического покрытия весьма сложным и трудно реализуемым по причине расплавления материала основы (алюминиевого сплава) шарового затвора.

Известен также способ защиты поверхности слитков покрытием слоя алюминия (Патент RU 2145981 МПК: С 23 С 4/08). Покрытие формируют за один проход металлизатора толщиной 0,1-0,3 мм при величине сквозной пористости не более 6-8%, при этом содержание алюминия в материале покрытия не менее 90-93%, а прочность сцепления не менее 30-50 МПа. Покрытие можно наносить на необточенную обезжиренную поверхность. Плотность материала покрытия достигает плотности литого алюминия (2,35-2,41 г/см³. Для нанесения покрытия используют проволоку с содержанием алюминия более 99%, диаметром 2,0-2,3 мм).

Недостатком вышеназванного способа является низкая износостойкость алюминиевого покрытия.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ, описанный в учебном пособии "Ремонт деталей из алюминия и его сплавов" Новиков Н.А., г. Орел, ОГСХА, 1997, с.32-33. Он заключается в том, что поверхность? подлежащая ремонту, механически обрабатывается, затем подвергается микродуговому оксидированию, в результате чего формируется керамическое покрытие. Электролит для осуществления керамического покрытия содержит нерастворимые порошковые материалы в виде взвеси. Однако этот способ по причине использования порошков в условиях серийного производства не обеспечивает стабильного повторения результата из-за быстрого изменения состава электролита как за счет выработки нерастворимых компонентов, так и за счет выпадения компонентов взвеси в осадок. Кроме того, такие покрытия имеют склонность к растрескиванию, отслоению и осыпанию из-за отсутствия химических связей (химического сродства) между наносимым оксидом и материалом детали. Адгезия таких покрытий невелика.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего формировать защитные покрытия, коррозионно- и износостойкие, на деталях запорной арматуры, изготовленных из различных материалов: конструкционных металлов и сплавов, графитов и термостойких пластмасс.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры для газовых и жидких потоков, включающем формирование слоя алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава и микродуговое оксидирование, после формирования слоя его механически обрабатывают до восстановления геометрии поверхности, причем слой формируют со сквозной пористостью не более 8%, с размером пор не более 1 мкм, а микродуговое оксидирование ведут в слабощелочном электролите, содержащем 3 г/л КОН, 10 г/л жидкого стекла, при плотности тока 10-15 А/дм² и температуре электролита 40-60^oС, до получения слоя оксида алюминия толщиной 100-250 мкм.

Кроме того, сущность второго варианта способа заключается в том, что в способе формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры для газовых и жидких потоков, включающем микродуговое оксидирование, детали изготавливают из алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава с пористостью не более 8%, с размером пор не более 1мкм, а микродуговое оксидирование ведут в слабощелочном электролите, содержащем 3 г/л КОН, 10 г/л жидкого стекла, при плотности тока 10-15 А/дм² и температуре электролита 40-60^oС, до получения слоя оксида алюминия толщиной 100-250 мкм.

Технический результат заявляемого способа заключается в получении прочного износо- и коррозионно-стойкого покрытия на деталях практически из любого конструкционного металла или сплава, например из: стали, чугуна, бронзы, латуни, силумина и т.д. и даже из графита или термостойкой пластмассы. Получаемые покрытия обладают высокой, до 2500 кг/см² адгезией, микротвердостью до 2900 кг/мм², стойкостью к термоциклическим нагрузкам. Покрытия несклонны к растрескиванию и осыпанию.

Заявляемый способ формирования защитных покрытий на изделиях, преимущественно запорной арматуре для газовых и жидких потоков, заключается в следующем.

Для первого варианта реализации способа, когда наносят слой алюминия, полученный технический результат объясняется тем, что реализуемая двухслойная структура имеет химическое средство и, кроме того, более мягкий и пластичный алюминиевый слой выполняет роль своеобразного демпфирующего элемента, согласующего и сглаживающего возникающие напряжения, которые могли бы привести к растрескиванию и разрушению оксидного слоя покрытия.

Для второго варианта реализации способа высокая адгезия защитного оксидного покрытия является результатом химического сродства алюминия и оксида алюминия, а высокая износостойкость - результат "сотовой" кристаллической структуры слоя оксида алюминия, получаемого в процессе МДО.

Кроме того, именно сотовая структура оксида позволила "согласовать" коэффициент термического расширения металла и оксида.

После изготовления заготовки ее поверхность подвергают обезжириванию и затем наносят слой алюминия любым известным способом: напылением, погружением в расплав алюминия, набрызгиванием из капельно-жидкой фазы и т.д. Толщина покрытия алюминием контролируется любым из существующих способов: ультразвуковыми, токовихревыми и т.д. толщиномерами, датчиками и т.д.

Температурный режим нанесения алюминиевого слоя обусловливается выбранным способом покрытия. Покрытие формируют одинаковой толщины по всей поверхности детали, не допуская непокрытых участков. Допускается сквозная пористость не более 8% с размером пор не более 1 мкм. Покрытие алюминия наносят толщиной слоя 0,4-0,5 мм. Для восстановления профиля и размеров детали проводят механическую обработку, улучшающую поверхность и качество покрытия - опрессовывание в форме или токарную обработку, или шлифовку, или все операции вместе при необходимости до нужной шероховатости, как правило, <2,5 мкм.

Контролируют толщину покрытия на всем этапе формирования алюминиевого слоя, не допуская толщины его к завершающему этапу менее 0,3 мм.

Затем окислением алюминия формируют внешний слой из оксида алюминия, обладающего высокой коррозионной и износостойкостью, для чего предварительно деталь с нанесенным слоем алюминия толщиной 0,3 мм очищают и обезжиривают. Деталь крепят на токопровод и помещают в ванну с электролитом, преимущественно в слабощелочной, содержащий, например, 2 г/л КОН или NaOH или 3 г/л КОН и 10 г/л жидкого стекла.

Подают напряжение и проводят микродуговое оксидирование при плотности тока 10-15 А/дм² при температуре электролита 40-60^oС до получения оксидного слоя толщиной 100-150 мкм.

Технология данного этапа формирования покрытия на детали обеспечивает одинаковую толщину, прочность, шероховатость, износостойкость на всей поверхности.

С целью получения заданного качества чистоты поверхности после микродугового оксидирования рабочие трущиеся поверхности окончательно шлифуют или полируют. В результате на детали получается двухслойное покрытие: внутренний слой - толщиной 0,1-0,2 мм - алюминий, наружный слой - 0,07-0,13 мм - оксид алюминия.

Механизм получения двухслойного покрытия на рабочих поверхностях изложенным способом отличается от аналогов тем, что в процессе формирования слоев покрытия на изделие внутренняя кристаллическая структура изделия не претерпевает изменения, что не характерно для технологии получения шарового крана с керамическими покрытиями. От наиболее близкого аналога отличия заключаются в том, что добавляются операции, превращающие защитный слой алюминия, подверженный коррозии, и обладающего малой износостойкостью, в антикоррозионные и износостойкие слой и структуру.

Пример Способ получения защитного покрытия на затворе шарового крана ДУ-50. Операции и режимы проводят в соответствии с порядком, изложенном выше. На местах излома контуров поверхностей контролируют дополнительно сплошность и при необходимости проводят повторно нанесение алюминия вдоль линии излома. Затем обрабатывают полученную поверхность алюминиевого покрытия для получения необходимых геометрии и размеров. Затем после обезжиривания помещают затвор в электролитическую ванну и проводят микродуговое оксидирование алюминиевого слоя с получением слоя оксида алюминия толщиной 100 мкм. Для этого микродуговое оксидирование ведут при плотности тока от 10-15 А/дм² в течение 1 ч. Электролит, используемый при микродуговом оксидировании, - слабощелочной, состава 3 г/л КОН, 10 г/л раствор жидкого стекла (клей канцелярский силикатный). Температура электролита в процессе поддерживалась в пределах 40-60^oС. Охлаждение электролитической ванны осуществляли прокачкой воды через рубашку водяного охлаждения электролитической ячейки. Перемешивание электролита во время процесса осуществляли воздушным барботированием.

Полученная структура внешнего слоя при анализе на микроскопе характеризуется "сотовым" строением, дополнительно упрочняющим покрытие.

Формула изобретения

1. Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры для газовых и жидких потоков, включающий формирование слоя алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава и микродуговое оксидирование, отличающийся тем, что после формирования слоя его механически обрабатывают до восстановления геометрии поверхности, причем слой формируют со сквозной пористостью не более 8%, с размером пор не более 1 мкм, а микродуговое оксидирование ведут в слабощелочном электролите, содержащем 3 г/л КОН и 10 г/л жидкого стекла, при плотности тока 10-15 А/дм² и температуре электролита 40-60^oС до получения слоя оксида алюминия толщиной 100-250 мкм.

2. Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры для газовых и жидких потоков, включающий микродуговое оксидирование, отличающийся тем, что детали изготавливают из алюминия или анодируемого алюминиевосодержащего сплава с пористостью не более 8%, с размером пор не более 1 мкм, а микродуговое оксидирование ведут в слабощелочном электролите, содержащем 3 г/л КОН и 10 г/л жидкого стекла, при плотности тока 10-15 А/дм² и температуре электролита 40-60^oС до получения слоя оксида алюминия толщиной 100-250 мкм.