Способ получения антифрикционного восстановительного покрытия на стальном изделии (варианты)

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам получения антифрикционных восстановительных покрытий методом газодинамического напыления на стальных изделиях, используемых в технологических процессах восстановления деталей в узлах машин и в авиационной технике. Осуществляют ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле потоком нагретого газа и проводят нанесение на поверхность изделия порошкового материала в виде смеси мелкодисперсных порошков, содержащей следующие компоненты, мас.%: корунд - не более 1/4 части объема смеси, алюминий - не более 1/10 части объема смеси, медь - остальное или корунд - не более 1/4 части объема смеси, олово - не более 1/10 части объема смеси, медь - остальное. После нанесения упомянутого порошкового материала проводят отжиг в течение 24-48 часов при температуре 180-220°C. В частных случаях осуществления изобретения в смесь вводят TiC в количестве не более 0,17 части объема смеси. Обеспечивается получение недорогого и качественного антифрикционного покрытия с хорошей адгезией на стальных изделиях. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам для создания антифрикционных и восстановительного покрытий методом газодинамического напыления на подложках из сталей, применяемых в технологических процессах восстановления деталей в узлах машин, в том числе, и авиационной техники.

Классическим примером антифрикционных покрытий служит бронза. Классическая бронза представляет собой сплав меди с оловом (с различным процентным содержанием обоих компонентов). В промышленности чаще всего используется бронза с различными примесями, такими как фосфор, никель, марганец, алюминий. Антикоррозионные и антифрикционные свойства бронз позволяют использовать покрытия из них для защиты от коррозии и для снижения коэффициентов трения [1].

К наиболее распространенным методам получения антифрикционных и восстановительного покрытий относятся наплавка и напыление. Такие методы отличаются высокой производительностью и пригодны для получения покрытий на наружных поверхностях. Электроконтактная наплавка позволяет наплавлять материалы различной формы, с различными физико-механическими свойствами (стальные ленты, порошки, проволоки толщиной наплавленного слоя от 0,2-1,5 мм). Однако при наплавке медных сплавов данный способ не используется [2]. Получаемые вибродуговой наплавкой покрытия характеризуется возможностью нанесения слоев толщиной 0,5-3 мм на наружные и внутренние поверхности стальных изделий, однако неравномерны по структуре и имеют большую пористость. Наплавка под слоем флюса - высокопроизводительный процесс получения слоев с необходимыми физико-механическими свойствами. Возможно получение наплавленных слоев толщиной 0,8-10 мм. При этом в процессе наплавки происходит высокий нагрев детали и значительное перемешивание основного и присадочного металлов. Наплавка плавящимся электродом характеризуется повышенным разбрызгиванием металла (до 15%) и значительным перемешиванием основного и присадочного металлов [3], по отношению к наплавке неплавящимся электродом. Использование аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки позволяет получить меньшее термическое влияние, чем при вибродуговой наплавке [4]. Газопламенное и плазменное напыление и металлизация наиболее эффективно применяется при нанесении тонких слоев 0,02-0,3 мм. Твердость исходного металла выше твердости покрытия, что объясняется наличием окисных прослоек между частицами и неоднородностью покрытия. Покрытия обладают высокой пористостью [3]. Плазменная наплавка характеризуется высокой производительностью процесса, при этом в зависимости от выбранной схемы ведения процесса возможно получение меньшей глубины проплавления, чем при дуговых способах наплавки. Однако при этом способе значителен расход плазмообразующего газа [5].

Использование наплавки при получении бронзовых покрытий на стали является довольно сложным процессом. Основными проблемами при этом методе являются: образование оксидных включений (из-за высокой температуры сплавообразования), и как следствие, зарождение газовых пор и пористость полученных покрытий. При наплавке, из-за различий в температурном интервале кристаллизации, часто возникают трещины, особенно велика вероятность их возникновения в приграничных слоях подложка - покрытие [6]. Возникновение кристаллизационных трещин в процессе наплавки бронзы на сталь, в значительной степени, связано с содержанием железа в шве, что отрицательно сказывается на характере кристаллизации сплава, из-за превышения критической величины растягивающих напряжений.

Метод газодинамического нанесения покрытий является хорошей альтернативой при нанесении покрытий. Такой метод нанесения позволяет создавать покрытия без значительного нагревания напыляемого порошка. Благодаря особенностям газодинамического формирования полученные покрытия обладают низкой пористостью. Известен способ получения антифрикционного покрытия (7), который включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле, потоком газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков, один из которых алюминий или медь. Данный аналог наиболее близкий, т.е. прототип. Но полученные таким способом покрытия имеют ограничение, так как при напылении в качестве одного из компонентов порошкового материала используют материал подложки, и данный способ не применим при создании антифрикционного и восстановительных покрытия на подложке, например, из стали 30ХГСА. А часто требуется покрывать детали другим металлом с другими свойствами, из которого они изготовлены, например металлом, который в паре трения работает лучше, чем основной.

Задача, на которую направлено данное изобретение, - получение недорогого и качественного антифрикционного и восстановительного покрытия с хорошей адгезией на подложках из сталей, применимых в технологических процессах восстановления деталей и узлов машин, в том числе, авиационной техники.

Данная задача решается тем, что способ получения антифрикционного и восстановительного покрытия, по варианту 1, включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле потоком нагретого газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков, один из которых алюминий или медь. Отличия в том, что смесь состоит из порошков Сu, Аl и Аl₂O₃, причем корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, алюминий - не более 1/10 части по объему в смеси, а медь остальное; с последующим в течение 24-48 часов отжигом детали с напыленным покрытием при температуре 180-220°C, в результате чего на поверхности детали образуется сплав типа бронзы.

Способ получения антифрикционного и восстановительного покрытия, по варианту 2, включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле, потоком нагретого газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков, один из которых алюминий или медь. Отличия в том, что смесь состоит из порошков Сu, Sn и Аl₂О₃, причем корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, олово - не более 1/4 части по объему в смеси, а медь остальное, с последующим в течение 24-48 часов отжигом детали с напыленным покрытием при температуре 180-220°C, в результате чего на поверхности детали образуется сплав типа бронзы.

Дополнительное отличие способа получения антифрикционного и восстановительного покрытия по варианту 3 в том, что в смесь, изготовленную по варианту 2, введен TiC в количестве не более 0,17 ее части по объему в смеси.

Данный способ позволяет получать недорогие антифрикционное и восстановительное покрытие, состоящее из твердых структурных составляющих в виде крупинок корунда и карбида титана, равномерно распределенных в мягкой, пластичной основной массе. Данное полученное антифрикционное покрытие по своим свойствам близко к бронзе.

Одновременное нанесение Сu и Аl показало наличие процесса окисления напыляемого материала при высоких температурах и недостаточную адгезию покрытия к основе при низких температурах нанесения газопорошковой смеси. Для улучшения адгезионных свойств, при низких температурах напыления покрытий, использовались добавки электрокорунда. При внедрении небольшого количества не более 1/4 части смеси частиц корунда, обладающих высокой твердостью, они обеспечивают роль твердых частиц в пластичной матрице. Полученные образцы покрытий с добавкой электрокорунда к смеси в количестве не более 25% показали удовлетворительную адгезию и были исследованы на микротвердость. Увеличение концентрации электрокорунда более 25% по объему привело к ограничению толщины напыляемых покрытий. В этом случае частицы Аl₂О₃ начинают действовать как абразив, разрушая ранее полученное покрытие.

Эмпирическим путем получено, что оптимальная температура термической обработки покрытий, полученных данным способом, лежит в интервале 180-220°C. Дальнейшее увеличение температуры отжига приводит к снижению микротвердости покрытий. Оптимальное время термообработки лежит в диапазоне 24-48 часов. При этом антифрикционное покрытие обладает высокой адгезией.

Предложенное изобретение по варианту 1 осуществляется следующим способом. Методом гидродинамического напыления ускоряют порошковый материал в сверхзвуковом сопле, потоком нагретого в пределах 300-320°C газа и при давлении сжатого воздуха в 6 атм. и наносят на поверхность изделия из стали 30ХГСА порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков Сu, Аl и Аl₂О₃. Корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, алюминий - не более 1/10 части по объему в смеси, а медь остальное. Далее производят отжиг полученного покрытия в течение 24-48 часов. Температура отжига составляет 180-220°C.

Предложенное изобретение по варианту 2 осуществляется следующим способом. Методом гидродинамического напыления ускоряют порошковый материал в сверхзвуковом сопле, потоком нагретого в пределах 300-320°С газа и при давлении сжатого воздуха в 6 атм, и наносят на поверхность изделия из стали 30ХГСА порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков Сu, Sn и Аl₂О₃. Корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, олово - не более 1/10 части по объему в смеси, а медь остальное. Далее производят отжиг полученного покрытия в течение 24-48 часов. Температура отжига составляет 180-220°С. Предложенные покрытия по вариантам 1 и 2 по своим свойствам близки к бронзе.

Для увеличения твердости покрытия (вариант 3) в смесь по варианту 2 введен TiC в количестве не более 0,17 ее части по объему в смеси, при этом средняя микротвердость такого покрытия соответствует твердости материала подложки (сталь 30ХГСА).

Введение термической обработки позволяет полученным покрытиям выдерживать максимальные нагрузки при испытаниях на трехточечный изгиб, по сравнению с образцами без термической обработки. Максимальная нагрузка, выдерживаемая термообработанными образцами при испытаниях на трехточечный изгиб, увеличивается почти в два раза.

Полученные таким способом покрытия имеют высокую адгезию покрытия к подложке из стали. Покрытия из порошкового материала по варианту 3 обладают микротвердостью - до 2600 МПа.

Разработанный способ нанесения антифрикционных и восстановительных покрытий на подложках из сталей позволяет снизить себестоимость ремонта с одновременным повышением качества покрытий.

Источники информации

1. Газоплазменное напыление медью и сплавами // официальный сайт компании ЗАО «Плакарт» [Электронный pecуpс], 2009. Режим доступа: http://www.plackart.com/coatings/copper.html. Дата доступа: 20.12.2009.

2. Дубровский, В.А. Восстановление деталей путевых машин электроконтактной наплавкой / В.А. Дубровский, В.В. Булычев, В.Н. Хабаров / Путь и путевое хозяйство. - 2001. - №2. - С.13-15.

3. Хасуи, А. Наплавка и напыление / А. Хасуи, О. Моригаки. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

4. Багрянский, К.В. Теория сварочных процессов / К.В. Багрянский, З.А. Добротина, К.К. Хренов. - М.: Высшая школа, 1976. - 424 с.

5. Вайнерман, А.Е. Плазменная наплавка металлов / А.Е. Вайнерман. - Л.: Машиностроение, 1969. - 192 с.

6. Петров, Г.Л. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов / Г.Л. Петров, Н.Г. Буров, В.Р. Абрамович. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978. - 277 с. 7. Патент №2062820, России опубл. 27.06.1996 г. - прототип.

1. Способ получения антифрикционного восстановительного покрытия на стальном изделии, включающий ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле потоком нагретого газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала в виде смеси мелкодисперсных порошков, содержащей медь, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит мелкодисперсные порошки алюминия и корунда Аl₂O₃, причем корунд составляет не более 1/4 части объема смеси, алюминий - не более 1/10 части объема смеси, а медь - остальное, при этом после нанесения упомянутого порошкового материала проводят отжиг в течение 24-48 часов при температуре 180-220°C.

2. Способ получения антифрикционного восстановительного покрытия на стальном изделии, включающий ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле потоком нагретого газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала в виде смеси мелкодисперсных порошков, содержащей медь, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит мелкодисперсные порошки олова и корунда Аl₂O₃, причем корунд составляет не более 1/4 части объема смеси, олово - не более 1/10 части объема смеси, а медь - остальное, при этом после нанесения упомянутого порошкового материала проводят отжиг в течение 24-48 часов при температуре 180-220°C.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в смесь вводят TiC в количестве не более 0,17 части объема смеси.