Способ получения многослойного покрытия

 

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, в частности к способу получения многослойного покрытия на стальной или чугунной поверхности. Предложенный способ включает напыление подслоя из нихрома на материал-основу и последующее напыление керамического слоя. После напыления керамического слоя проводят азотирование, при этом глубина азотированного слоя материала-основы составляет 20...70% от суммарной толщины слоя напыленного покрытия. В частных воплощениях изобретения толщина металлического подслоя составляет 15...40% от суммарной толщины напыленного покрытия, при этом максимальная толщина керамического слоя не превышает 350 мкм; азотирование проводят при температуре диффузионного насыщения материала-основы. Техническим результатом изобретения является создание многослойного покрытия, обеспечивающего повышение прочности сцепления, абразивной и эрозионной стойкости. 2 з.п.ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, в частности к способу получения многослойного покрытия на стальной или чугунной поверхности.

Известен способ газопламенного напыления керамического покрытия Аl ₂O₃ на стальную поверхность [Э.Кречмар “Напыление металлов, керамики и пластмасс”. Машиностроение, Москва, 1966 г., с.358-360]. Недостатком данного способа является высокая пористость покрытия, низкая прочность сцепления покрытия с основой (прочность при растяжении 25-70 кг/см² для покрытия из Аl₂O₃ толщиной 0,3 мм); наличие высоких остаточных напряжений, возникающих вследствие различия коэффициентов температурного расширения покрытия и основы, что приводит к снижению термостойкости покрытия; недолговечность покрытия, обусловленная вышеназванными факторами.

Известен способ газотермического напыления металлокерамического покрытия составом 15-16 мас.% титана, остальное окись алюминия (Авторское свидетельство СССР №1528810 МПК С 23 С 4/04). Недостатком данного способа является недостаточно высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой, не позволяющая получить высокую стойкость покрытия к абразивному и эрозионному износу.

Известен способ газотермического напыления на металлическую основу керамического материала и последующее диффузионное насыщение легирующими элементами (никель, хром, окись алюминия и йодистый аммоний) за счет выдержки в шихте при постоянной температуре в течение времени, достаточного для образования в поверхностном слое непрерывного ряда насыщенных твердых растворов легирующих элементов (Патент РФ №2109843 МПК С 23 С 4/08). За счет диффузионного насыщения приповерхностного слоя адгезионная прочность и износостойкость возрастают в несколько раз по сравнению с покрытием АI₂О₃ без насыщения. К недостатку данного способа относится высокая температура процесса диффузионного насыщения (925°С), что делает его малопригодным для изготовления прецизионных деталей.

Известен способ напыления многослойного покрытия: АI₂О₃ толщиной 0,3 мм с подслоем из 75% Ni, 20% Cr (Э.Кречмар “Напыление металлов, керамики и пластмасс”. Машиностроение, Москва, 1966 г., с.363-364). Использование нихромового покрытия в качестве подслоя при напылении керамического покрытия окиси алюминия приводит к увеличению теплостойкости и устойчивости к температурным колебаниям, повышению износостойкости и прочности сцепления по сравнению с однослойным покрытием АI ₂О₃. Недостатком данного способа является недолговечность указанного покрытия, особенно для работы в условиях высокоскоростного газового или жидкостного потока, что обусловлено недостаточно высокой эрозионной стойкостью в газовых и жидких средах, и недостаточно высокой прочностью сцепления покрытия с основой.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании многослойного покрытия на стальной или чугунной поверхности, обеспечивающего повышение прочности сцепления, абразивной и эрозионной стойкости, в том числе при повышенных температурах, без применения специальных высокотемпературных режимов диффузионного отжига или диффузионного насыщения металлами, приводящих к значительной деформации деталей.

Технический результат достигается за счет напыления подслоя из нихрома на материал-основу и последующее напыление керамического слоя, после чего проводят азотирование, при этом глубина азотированного слоя материала-основы составляет 20...70% от суммарной толщины слоя напыленного покрытия, толщина металлического подслоя составляет 15...40% от суммарной толщины напыленного покрытия, при этом максимальная толщина керамического слоя не превышает 350 мкм. Кроме того, азотирование проводят при температуре диффузионного насыщения материала - основы.

Проведение азотирования после двухслойного плазменного напыления по сравнению с двухслойным напылением без азотирования повышает прочность сцепления покрытия на 50-100% и увеличивает долговечность покрытия работы в условиях высокоскоростного газового или жидкостного потока в 2-4 раза, что обусловлено снижением пористости, повышением когезионной и адгезионной прочности сцепления и повышением твердости нихромового подслоя. При этом в связи с незначительным и прогнозируемым изменением размеров деталей возможно уменьшение или исключение финишных шлифовочных операций, что особенно важно для прецизионных, сложнопрофильных или крупногабаритных деталей.

Способ многослойного покрытия заключается в том, что после предварительной подготовки поверхности (обдувки карбидом кремния для обеспечения адгезионной прочности покрытия с основой) и напыления подслоя 75-80% Ni 20-25% Cr (повышающего прочность сцепления) напыляют основной слой керамики, например, АI₂О₃, причем для повышения прочности сцепления максимальная толщина керамического слоя не должна превышать 350 мкм, а толщина металлического подслоя составляет 15...40% от суммарной толщины напыленного покрытия, после чего проводится диффузионное насыщение напыленных слоев и основы азотом на глубину 20-70% от суммарной толщины слоя напыленной композиции при температуре диффузионного насыщения материала-основы.

Ограничение максимальной толщины керамического слоя до 350 мкм и верхнего предела глубины азотированного слоя до 70% определяется требованиями сохранения достаточной вязкости многослойного покрытия. При глубине азотированного слоя менее 20% и толщины металлического подслоя менее 15% и более 40% от суммарной толщины напыленного покрытия не достигается требуемый уровень прочности сцепления. Указанные признаки позволяют получить наилучшее сочетание прочности сцепления, пористости, кавитационной и эрозионной стойкости при незначительном и прогнозируемом изменении размеров.

Пример

Поверхность образцов и деталей плунжерной пары “сепаратор-плунжер” из стали марки 20X13 обрабатывали по следующей схеме:

- обдувка черным карбидом кремния марки 53С или марки 54С, зернистостью 125...100;

- плазменное напыление порошком нихрома ПХ20Н80-160-24 фракцией 40…100 мкм;

- плазменное напыление оксида алюминия (глинозем марки Г-00, Г-0) фракцией 40…100 мкм;

- газовое азотирование в присутствии хлористого аммония при температуре диффузионного насыщения для стали 20Х13 (560°С в течение 15-30 часов) при степени диссоциации аммиака 20-40%.

В качестве критерия работоспособности покрытия использовали следующие методы:

1. Испытания покрытия на прочность сцепления с основой. Для испытаний использовали по 2 цилиндрических образца (D=6 mm, h=75 мм) с одинаковым видом покрытия. Образцы склеивали клеем К-300-61 и испытывали на одноосное растяжение с постоянной нагрузкой. Искомую прочность на разрыв определяли по уравнению σ=4F/(πdD ²}, где F - растягивающая сила, D - диаметр образца.

2. Испытания микротвердости и определение глубины слоя покрытий для испытаний использовали цилиндрические образцы (D=6 mm, f=75 мм).

3. Испытание на стойкость к абразивному износу. Для испытаний использовали детали-имитаторы дроссельной пары, работающие в режиме дросселирования при перепаде давлений 6 атм. Рабочая среда воздух с абразивными включениями (электрокорунд зернистостью 60-80 мкм).

4. Контроль размеров до и после нанесения покрытий. Контроль выполняли на цилиндрических образцах и деталях “сепаратор-плунжер”.

В таблицах 1 и 2 представлены данные по металлографическому исследованию, испытанию микротвердости и механических свойств образцов с многослойным покрытием. Как видно из данных таблицы 1, диффузионное насыщение азотом происходит как на поверхности стали, так и в напыленном слое Х20Н80+Аl ₂O₃, что приводит к снижению скорости диффузии (и, как следствие, к уменьшению глубины азотированного слоя) на стальной поверхности после плазменного покрытия и к увеличению твердости нихромового подслоя. Проведение диффузионного насыщения азотом по сравнению с известным способом снижает пористость плазменного покрытия, повышает когезионную и адгезионную прочность, при этом на 50-100% повышается прочность сцепления покрытия и на 40-50% увеличивается твердость нихромового подслоя, за счет чего в 2-4 раза увеличивается долговечность покрытия работы в условиях высокоскоростного газового или жидкостного потока. Как видно из таблицы 2, наилучшие результаты сочетания механических свойств и абразивной стойкости обеспечиваются для вариантов 3-10.

В таблицах 3, 4 представлены данные по контролю размеров. Как видно из приведенных результатов, изменение размеров при нанесении многослойного покрытия даже на сложнопрофильных крупногабаритных деталях приводит к незначительному искажению геометрии и прогнозируемому приросту размеров, что позволяет уменьшить объем заключительных шлифовочных операций на поверхностях высокой точности и полностью исключить их на других поверхностях.

Таким образом, оценка механических свойств и абразивной стойкости предлагаемого и известного способа покрытия свидетельствует о том, что покрытие, обладая высоким уровнем прочности сцепления, имеет повышенную абразивную стойкость и достаточно высокое сопротивление эрозии в газовых и жидких средах, что позволяет использовать его, например, в нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для изготовления плунжерных пар, поршневых штоков плунжерных насосов и других прецизионных, в том числе крупногабаритных, деталей.

Формула изобретения

1. Способ получения многослойного покрытия, включающий напыление подслоя из нихрома на материал-основу и последующее напыление керамического слоя, отличающийся тем, что после напыления керамического слоя проводят азотирование, при этом глубина азотированного слоя материала-основы составляет 20-70% от суммарной толщины слоя напыленного покрытия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина металлического подслоя составляет 15-40% от суммарной толщины напыленного покрытия, при этом максимальная толщина керамического слоя не превышает 350 мкм.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что азотирование проводят при температуре диффузионного насыщения материала основы.