Способ плазменной наплавки порошков системы fe-cr-v-mo-c



Способ плазменной наплавки порошков системы fe-cr-v-mo-c
Способ плазменной наплавки порошков системы fe-cr-v-mo-c
Способ плазменной наплавки порошков системы fe-cr-v-mo-c

 


Владельцы патента RU 2557180:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к наплавке, а именно к плазменной порошковой наплавке плоских и цилиндрических поверхностей, и может быть использовано как при изготовлении новых, так и при восстановлении поверхностей изношенных деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и газоабразивного износа в сочетании с ударными нагрузками. В способе осуществляют уменьшение размеров частиц карбида ванадия и их равномерное распределение по объему аустенитно-мартенситной матрицы упрочненного слоя на основе системы Fe-Cr-V-Mo-C без пор, несплавлений и трещин. Изобретение позволяет значительно уменьшить износ покрытий. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к наплавке, а именно к плазменной порошковой наплавке плоских и цилиндрических поверхностей. Может быть использовано как при изготовлении новых, так и при восстановлении поверхностей изношенных деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и газоабразивного износа в сочетании с ударными нагрузками.

Известен способ плазменно-порошковой наплавки (Шевченко О.И. Закономерности изменения свойств и структуры покрытий системы Ni-Cr-B-C-Si при наплавке и термической обработке // Сварочное производство. - 2002. - №9. - С.19-27) на углеродистые (сталь 45), низко- (сталь 5ХНМ) и среднелегированные (сталь 4Х5МФС) стали, при котором сила тока плазменной дуги (I, А), скорость наплавки (V, м/ч) и предварительный подогрев назначаются такими, чтобы тепловложение в упрочняемую деталь было максимальным (I=240 A, V=7 м/ч, Т=300°C), а в наносимом покрытии формировалась дендритно-ячеистая структура, обеспечивающая высокую износостойкость и низкую склонность к трещинообразованию.

Недостатками данного способа являются:

- наличие предварительного подогрева;

- высокий уровень тепловложения в упрочняемую деталь, которое обеспечивает значительное разбавление металла покрытия основным металлом (доля основного металла в наплавленном составляет 30%), что приводит к неоднородному структурно-фазовому составу упрочненного слоя по его высоте;

- формирование грубых (до 90 мкм) частиц карбоборидов М7(С,В)3, которые в условиях ударно-абразивного износа будут интенсивно выкрашиваться и, следовательно, резко увеличивать износ покрытия;

- высокая себестоимость наплавляемых порошков на основе Ni.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является взятый в качестве прототипа способ плазменно-порошковой наплавки (Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А., Гордань Г.М. Высокованадиевые сплавы для плазменно-порошковой наплавки инструментов // Автоматическая сварка. - 2003. - №3. - С.21-25), в котором порошковые сплавы на основе системы Fe-Cr-V-Mo-C наплавляют током, минимальное значение которого обеспечивает гарантированное бездефектное сплавление наплавляемых валиков с основным металлом при заданной скорости наплавки, а верхнее значение - из условия получения доли основного металла в наплавленном не выше 10%. При скорости наплавки 2 м/ч рекомендуемая сила тока 140 А, при 2,5 м/ч - 150 А, при 3 м/ч - 165 А, при 3,5 - 180 А, при 4 м/ч - 195 А, при 5 м/ч - 210 А. После формирования упрочняющих слоев по указанным режимам они не содержат трещин, состоят из карбидов ванадия размером от 2 до 10 мкм, сложных карбидов типа М23С6 и М7С3, расположенных в мартенситно-аустенитной матрице.

Недостатком способа является обеспечение термического цикла формирования упрочняющего слоя, характеризующегося невысокой скоростью охлаждения, что приводит к выделению крупных частиц карбида ванадия размером до 10 мкм. Это дополнительно усугубляется перегревом наплавляемого порошка за счет его ввода в столб плазмы внутри плазмотрона. Кроме того, используемые значения силы тока и скорости наплавки обеспечивают относительно невысокую производительность процесса наплавки.

Основной задачей предлагаемого решения является повышение износостойкости наплавляемых изделий.

В способе плазменной порошковой наплавки высоколегированными хромом и ванадием порошковыми сплавами системы Fe-Cr-V-Mo-C присадочный порошок вводят в столб плазмы и ванну расплава на выходе из сопла плазмотрона. Параметры режима изменяют в узком интервале значений - силу тока от 220±5 до 240±5 А, скорость наплавки от 6±0,5 до 11±0,5 м/ч и скорость подачи присадочного порошка от 1,1±0,5 до 2,2±0,5 кг/ч.

Комбинации параметров в пределах указанных диапазонов задают такими, чтобы обеспечить высокую производительность, снизить потери присадочного порошка и исключить макродефекты упрочняющего слоя - трещины, несплавления и поры и сформировать в покрытии равномерную композиционную структуру, содержащую частицы карбида ванадия, средний диаметр которых не более 1,7 мкм. Частицы карбида ванадия равноосной формы, которая оценивается показателем фактора формы. Фактор формы - это отношение ортогональной максимальной проекции частицы к максимальной проекции частицы, который принимают равным не менее 0,74 и средней объемной долей не менее 8%. На фиксируемой площади шлифа в 104 мкм2 их не менее 300 штук, и расположены они внутри и по границам зерен матрицы. Эвтектический карбид Cr7C3 расположен по границам зерен матрицы, объемная доля не менее 18%. Матрица, состоящая из α- и γ-твердых растворов, в которой 60-80% аустенита, склонен к γ→α превращению в ходе изнашивания.

Таблица - Режимы плазменной порошковой наплавки, характеристики структуры и скорость изнашивания наплавленного покрытия.

Способ плазменной порошковой наплавки реализован на базе установки УПН-303УХЛ4 с водоохлаждаемым плазмотроном.

На фиг.1 показана схема процесса наплавки. Способ осуществляют следующим образом - зажигают плазменную дугу прямой полярности между плазмотроном 1 и наплавляемым изделием 2, обеспечиваемую источником 3 и плазмообразующим газом-аргоном 4. Кольцевой ввод Fe-Cr-V-Mo-C порошкового сплава в столб плазмы за пределами сопла плазмотрона осуществляют транспортирующим газом-аргоном 5. Защиту ванны расплава 6 и закристаллизовавшегося металла покрытия 7 от атмосферного воздуха осуществляют защитным газом - аргоном 8. Расстояние от плазмотрона до изделия устанавливают равным 10…15 мм. Основные параметры режима наплавки задают в узких интервалах, а именно силу тока в пределах от 220±5 А до 240±5 А, скорость наплавки от 6±0,5 до 11±0,5 м/ч и скорость подачи присадочного порошка от 1,1±0,5 до 2,2±0,5 кг/ч.

На фиг.2а, б, в, г показаны микроструктуры покрытий, выполненных на различных режимах ППН: а - 220 А, 6 м/ч, 1,9 кг/ч, режим №1; б - 260 А, 4,5 м/ч, 1,1 кг/ч, режим №15; в, г (в темном поле) - 220 А, 10 м/ч, 1,1 кг/ч, режим №6. На микроструктуре покрытий показаны: стрелка А - частицы VC вытянутой формы, стрелка В - частицы VC равноосной формы, стрелка С - эвтектический карбид Cr7C3, стрелка D - матрица.

В пределах вышеуказанных диапазонов получают наплавленный за проход слой шириной от 8 до 13 мм, высотой от 2 до 4,5 мм, площадью наплавленного металла от 10 до 40 мм2, доля основного металла в наплавленном покрытии от 2 до 23%. Композиционная микроструктура Fe-Cr-V-Mo-C покрытий представляет собой дисперсные частицы карбида ванадия вытянутой или равноосной формы VC (фиг.2, б, стрелки А и В), эвтектический дендритный карбид хрома Cr7C3 (стрелка С) в виде сетки по границам зерен матрицы (стрелка D), состоящей из γ- и α-твердых растворов. С изменением силы тока, скорости наплавки и скорости подачи присадочного порошка средний по сечению фактор формы частиц VC изменяется от 0,80 до 0,68, объемная доля от 12,1 до 8,6%, средний диаметр от 1,25 до 1,8 мкм и их число на фиксированной площади шлифа 104 мкм2 от 260 до 700 штук, средняя по сечению объемная доля карбида Cr7C3 от 25 до 14,5%.

Конкретные значения силы тока, скорости наплавки и скорости подачи присадочного порошка задают в пределах обозначенных диапазонов, выполняя следующие условия (см. таблицу, режимы 1-12, фиг.2, а, в, г):

1) доля основного металла в наплавленном покрытии - не более 17% (не наблюдается трещин в покрытии);

2) средняя объемная доля частиц карбида VC в покрытии не менее 8% - (скорость изнашивания 1,0…1,3 мг/мин);

3) средний фактор формы частиц карбида VC в покрытии не менее 0,74 - (скорость изнашивания 1,0…1,3 мг/мин);

4) средний диаметр частиц карбида VC в покрытии не более 1,7 мкм - (скорость изнашивания 1,0…1,3 мг/мин);

5) среднее число частиц VC на фиксируемой площади шлифа в 104 мкм2 не менее 300 штук;

6) средняя объемная доля карбида Cr7C3 в покрытии не менее 18% - (скорость изнашивания 1,0…1,3 мг/мин).

Однослойную плазменную наплавку пластин из Стали 20 осуществляют порошком ПР-Х18ФНМ (ПН-АН2) фракцией менее 200 мкм. Диаметр плазмообразующего сопла плазмотрона - 6 мм, расстояние от плазмотрона до холодного изделия 10…12 мм. В качестве плазмообразующего (расход 2…3 л/мин), транспортирующего (расход 12…16 л/мин) и защитного газов (до 10…16 л/мин) использован аргон.

Испытания на износ проведены по ГОСТ 23.208-79 в течение не менее 165 мин, с определением потери массы через каждые 15 мин. В качестве абразивного материала используют электрокорунд фракцией менее 400 мкм угловатой формы.

Положительный пример 1 (Таблица, режим №3). Сформированное при силе тока 220 А, скорости наплавки 8 м/ч, скорости подачи порошка 1,5 кг/ч покрытие характеризуется:

1) трещины, несплавления и поры - отсутствуют;

2) доля основного металла в наплавленном покрытии - 10%;

3) средняя объемная доля частиц карбида VC в покрытии - 10,9%;

4) средний фактор формы частиц карбида VC - 0,76;

5) средний диаметр частиц карбида VC - 1,47 мкм;

6) средняя объемная доля карбида Cr7C3 в покрытии - 22,7%;

7) скорость изнашивания - 1,1…1,2 мг/мин.

Положительный пример 2 (Таблица, режим №11). Сформированное при силе тока 240 А, скорости наплавки 10 м/ч, скорости подачи порошка 1,9 кг/ч покрытие характеризуется:

1) трещины, несплавления и поры - отсутствуют;

2) доля основного металла в наплавленном покрытии - 8,4%;

3) средняя объемная доля частиц карбида VC в покрытии - 11,4%;

4) средний фактор формы частиц карбида VC - 0,78;

5) средний диаметр частиц карбида VC - 1,49 мкм;

6) средняя объемная доля карбида Cr7C3 в покрытии - 22,9%;

7) скорость изнашивания - 1,1…1,2 мг/мин.

Сила тока прямой полярности менее 220 А (Таблица режимы №13, №14) при плазменной наплавке вызывает появление следующих негативных факторов:

1) увеличение объема подаваемого в ванну расплава присадочного материала до 1,5 кг/ч и более при использовании скорости 6 м/ч и выше может приводить к образованию макродефектов (несплавлений и пор), причем, чем ниже ток, выше скорость подачи присадочного порошка и скорость наплавки, тем выше размеры оговоренных дефектов;

2) сформированные покрытия характеризуются неравномерным распределением структурных составляющих по высоте покрытий из-за слабой степени нагрева присадочного порошка и ванны расплава;

3) процесс наплавки характеризуется высокими потерями присадочного порошка, увеличивающимися с ростом скорости наплавки, так как ванна расплава имеет малую ширину, слабо подтекает под столб плазмы, а присадочный материал слабо разогрет.

Отрицательный пример 3 (Таблица, режим №14). Сформированное при силе тока 200 А, скорости наплавки 6 м/ч, скорости подачи порошка 1,9 кг/ч покрытие характеризуется:

1) трещины и поры - отсутствуют;

2) несплавления с основным металлом и между смежными валиками - присутствуют;

3) доля основного металла в наплавленном покрытии - 3,8%;

4) средняя объемная доля частиц карбида VC в покрытии - 10,8%;

5) средний фактор формы частиц карбида VC - 0,81;

6) средний диаметр частиц карбида VC - 1,49 мкм;

7) средняя объемная доля карбида Cr7C3 в покрытии - 24,4%.

Увеличение силы тока до 260 А и более снижает ресурс работы электрода, приводит к интенсификации процесса выгорания легирующих элементов и повышению значений доли основного металла в наплавленном покрытии, а также трещинообразованию (Таблица, режимы №15, №16).

Наплавка со скоростями менее 6 м/ч увеличивает перегрев упрочняемых деталей, способствует вытягиванию (средний фактор формы 0,64, число частиц 152 на фиксированной площади 104 мкм2, режим №15, фиг.2, б) или росту (средний диаметр 2,1 мкм, средний фактор формы 0,77, число частиц 150 на фиксированной площади 104 мкм2) частиц VC, увеличению уровня остаточных напряжений и деформаций. В процессе наплавки со скоростями более 11 м/ч токами 240±5…260±5 А высока вероятность образования несплавлений между смежными валиками и подрезов, а при наплавке током 220±5 А еще и несплавления с металлом упрочняемой детали, а также пор.

Отрицательный пример 4 (Таблица, режим №16). Сформированное при силе тока 260 А, скорости наплавки 4,5 м/ч, скорости подачи порошка 1,5 кг/ч покрытие характеризуется следующим образом:

1) трещины, несплавления и поры - отсутствуют;

2) доля основного металла в наплавленном покрытии - 26,7%;

3) средняя объемная доля частиц карбида VC в покрытии - 8,2%;

4) средний фактор формы частиц карбида VC - 0,7;

5) средний диаметр частиц карбида VC - 1,89 мкм;

6) средняя объемная доля карбида Cr7C3 в покрытии - 13,2%;

7) скорость изнашивания - 1,5..1,7 мг/мин.

Способ плазменной порошковой наплавки высоколегированными хромом и ванадием порошковыми сплавами системы Fe-Cr-V-Mo-C, включающий ввод присадочного порошка в столб плазмы и ванну расплава на выходе из сопла плазматрона, отличающийся тем, что наплавку осуществляют с изменением силы тока от 220±5 до 240±5 А, скорости наплавки от 6±0,5 до 11±0,5 м/ч и скорости подачи присадочного порошка от 1,1±0,5 до 2,2±0,5 кг/ч и обеспечением формирования равномерной композиционной структуры покрытия с дисперсными выделениями частиц карбида ванадия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу электровзрывного напыления на поверхности трения композиционных покрытий системы TiB2-Mo. Осуществляют размещение порошковой навески из диборида титана между двумя слоями молибденовой фольги.

Изобретение относится к области плазменной обработки материалов, в частности для нанесения покрытий, и может найти применение в плазмометаллургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама, углеродистого вольфрама и меди, и может быть использовано в электротехнике.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама и меди, которые могут быть использованы в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы W-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к материалам для парогазовых установок на базе газотурбинных установок большой мощности и может быть использовано для защиты лопаток и других деталей газотурбинного двигателя от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе молибдена и меди, которые могут быть использованы в электротехнике в качестве электроэрозионностойких покрытий с высокой адгезией с основой на уровне когезии.

Изобретение относится к способу получения защитного упрочняющего покрытия на деталях запорной арматуры. Напыление производят высокоскоростным газопламенным методом со скоростью перемещения горелки относительно обрабатываемой поверхности 0,5÷1,0 м/с.

Группа изобретений относится к технологии детонационного напыления композиционных износостойких покрытий. Засыпают в детонационную установку дозированное количество смеси порошковых материалов для напыления покрытия и напыляют смесь на обрабатываемую поверхность с использованием энергии детонации.

Изобретение относится к способу получения композиционных покрытий из порошковых материалов и может быть использовано в машиностроительном производстве при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента.

Изобретение относится к формированию покрытий на медных электрических контактах и может быть использовано в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка диборида титана массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы TiB2-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.

Изобретение может быть использовано для нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность деталей почвообрабатывающих машин, имеющую форму косого клина с использованием сварки плавлением.
Изобретение может быть использовано для восстановления чугунных рабочих валков с поврежденной в процессе эксплуатации рабочей поверхностью. После механического съема поврежденного слоя производят нагрев валка до температуры 150-270°C.

Изобретение может быть использовано при нанесении наплавкой износостойких покрытий на детали почвообрабатывающих машин. На рабочую поверхность детали наплавляют износостойкий присадочной материал в виде полос с толщиной слоя 2-4 мм под углом к направлению перемещения рабочей поверхности детали.

Изобретение может быть использовано при восстановлении и упрочнении сваркой рабочих органов почвообрабатывающих машин, преимущественно лап культиваторов. Удаляют изношенную рабочую часть восстанавливаемой лапы.

Изобретение может быть использовано при нанесении плавлением износостойких покрытий на рабочую поверхность деталей почвообрабатывающих машин. Вдоль рабочей поверхности детали, имеющей обтекаемую форму, наплавляют износостойкий присадочный материал в виде параллельных друг другу одинаковых отрезков полос с толщиной слоя 2-4 мм, расположенных в шахматном порядке под прямым углом к направлению перемещения рабочей поверхности детали.

Изобретение может быть использовано при изготовлении стержней для наплавки поверхностей бурового инструмента, контактирующих со стенками скважины, например режущих и калибрующих поверхностей лопастных долот.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к наплавляемому материалу и детали с наплавленным металлом и может быть использовано в технологическом устройстве, требующем высокие показатели сопротивления коррозии и сопротивления изнашиванию.
Изобретение относится к способу упрочнения деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания. Осуществляют вибродуговую наплавку износостойкого материала на поверхность детали с использованием графитового электрода.

Изобретение относится к машиностроительной отрасли и может быть использовано для ремонта стальных подшипниковых колец опорно-поворотных устройств (ОПУ) стреловых кранов способом дуговой наплавки.

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к устройствам для смешивания порошков для наплавки, и может быть использовано при восстановлении и упрочнении деталей.

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к устройствам для смешивания порошков для наплавки, и может быть использовано при восстановлении и упрочнении деталей.
Наверх