Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали. Проводят абразивно-струйную обработку деталей карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм. Затем осуществляют плазменное напыление подслоя, имеющего состав Co-Cr-Al-Y, и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, 10-20 мас. % никельалюминия и 60-20 мас. % молибдена. В качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют 4-7 мас. % оксида иттрия. Обеспечивается повышение стойкости покрытия к изнашиванию при трении, прирабатываемости кольца в гильзе, антизадирных свойств, термостойкости и адгезии покрытия к сплаву основы. 7 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники.

Известны способы нанесения конденсационных и диффузионных покрытий, каждый из которых имеет свои разновидности (см. Коломыцев П.Т. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1991 г. 236 с.).

Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок.

Для обеспечения работоспособности деталей цилиндропоршневой группы эффективно применяются электролитические хромовые покрытия и теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления или плазменного осаждения на воздухе или в вакууме (см. Повышение износостойкости деталей двигателей внутреннего сгорания. М.М. Хрущев, - М. Машиностроение, 1972 г.).

Электролитические хромовые покрытия в основном удовлетворяют указанным требованиям действующих производств. Твердость указанных покрытий находится на уровне 900-1000 HV, адгезионная прочность - до 700 кг/см², сравнительно низкий коэффициент трения, удовлетворительная прирабатываемость и масловпитываемость, высокая теплопроводность.

Однако из-за невозможности нанесения электролитических хромовых осадков более 200 мкм ресурс их порой ниже ресурса двигателей до 1-го ремонта. А повышение твердости покрытия снижает прирабатываемость кольца в гильзе и требует высокой точности изготовления колец. Из-за недостаточной толщины покрытия последующая обработка под геометрию гильзы достаточно затруднительна и трудоемка.

Электролитический хром неудовлетворительно работает на трение и изнашивание при высоких температурах из-за резкого снижения твердости (при 300°C твердость составляет 800 кг/мм², а при 700°C - 200 кг/мм²). Так как полиморфного превращения в хромовых осадках нет, то термообработкой твердость покрытий не повышается. Если покрытие имеет недостаточную пористость, то при температуре свыше 300°C твердый хром в условиях неудовлетворительной смазки неработоспособен - возникают прижоги, задиры. Локальное повышение температуры приводит к интенсивному размягчению, схватыванию, скалыванию покрытий. В процессе наработки пористый слой значительно разупрочняется из-за усталостного изнашивания в условиях повышенных температур. Так как температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) хромовых покрытий ниже материала кольца (чугун, сталь), то в покрытии могут возникать растягивающие напряжения, способствующие термоциклическому и коррозионному растрескиванию покрытий. В дизельных двигателях, в результате присутствия в топливе серы возможно образование серной кислоты, что может привести к влажной коррозии и образовании при контакте с цилиндром гальванической пары.

Известен способ нанесения хромового покрытия на стальные детали (патент на изобретение 2269608, опубл. 10.02.2006 г, бюл. №4). В данном способе не повышена износостойкость покрытия, а увеличена адгезия покрытия и производительность.

Известен способ нанесения высокотемпературного композиционного материала для уплотнительного покрытия (патент на изобретение РФ №2303649, опубл. 27.07.2007 г., бюл. №21), содержащий диоксид циркония стабилизированный оксидом иттрия с добавлением нитрида бора и нихромовое волокно. Данное покрытие повышает термостойкость при высоких температурах (1000°C), что не является необходимым при работе деталей автотракторной техники.

Известно жаростойкое металлокерамическое покрытие (патент на изобретение РФ №2309194, опубл. 20.06.2006 г., бюл. №30) с чередующимися жаростойкими и жаропрочными слоями металлокерамики для противодействия ударно-термическому воздействию, но очень дорогое и не эффективное при работе на трение и изнашивание.

Наиболее близким техническим решением является способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий на основе композиции ZrO₂ и NiCr, включающий плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50-80 вес. % диоксида циркония и 50-20 вес. % нихрома, при этом для напыления керметной композиции используют механическую смесь, содержащую порошки диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10-40 и 40-100 мкм соответственно, подачу порошковой смеси осуществляют под срез плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, а в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид кальция с содержанием 4-6 вес. % (патент на изобретение РФ №2283363, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25), принятого за прототип. Изобретение обеспечивает повышение эрозионностойкости, термостойкости и адгезионной прочности покрытия за счет состава и создания зоны фазового перехода.

Покрытие, получаемое таким образом, имеет недостаточную толщину, неудовлетворительную прирабатываемость, антизадирные свойства, неудовлетворительно работает на трение и изнашивание. Нанесение в одном цикле и подслоя и керметной композиции технологично, но приводит к снижению эксплуатационных свойств покрытия. Использование нихрома в качестве подслоя не эффективно из-за отсутствия специальных элементов, повышающих адъезионную прочность. В способе частично решен вопрос адгезионной прочности подслоя и керметной части покрытия, но не решены проблемы адгезии подслоя к сплаву основы. Использование оксида кальция в качестве стабилизирующей добавки снижает не только себестоимость покрытия, но и его качество по сравнению с использованием в качестве стабилизирующей добавки оксида иттрия.

Для повышения стойкости покрытия к изнашиванию при трении необходимо повысить адгезию покрытия к сплаву основы, увеличить толщину покрытия, его масловпитываемость, прирабатываемость, антизадирные свойства.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости и долговечности деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники за счет применения теплозащитных износостойких покрытий (ТЗП).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали, включающем плазменное напыление подслоя и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония со стабилизирующей добавкой и нихром, перед плазменным напылением проводят абразивно-струйную обработку карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, подслой имеет состав Co-Cr-Al-Y а в состав керметной композиции дополнительно введены никельалюминий и молибден, при этом керметная композиция имеет состав 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, 10-20 мас. % никельалюминия, 60-20 мас. % молибдена, а в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %.

Технический результат достигается за счет проведения перед плазменным напылением абразивно-струйной обработки карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, нового состава подслоя, керметной композиции и стабилизирующих веществ в нанесении покрытий, а именно подслоя состава Co-Cr-Al-Y повышающего адъезионную прочность покрытия и сплава основы, введения в состав керметной смеси никельалюминия и молибдена для увеличения толщины покрытия, повышения его масловпитываемости, прирабатываемости, антизадирных свойств, использование в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония оксида иттрия, с целью исключения полиморфных превращений при забросах температур и повышения термостойкости покрытия.

Процентное содержание нихрома, диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, никельалюминия, молибдена оптимально для прочностных и пластичных свойств покрытия, что позволяет покрытию иметь как высокую износостойкость, так и прирабатываемость кольца в гильзе, изменять толщину покрытия от 100 до 600 мкм с изменением его пористости от 6-8 до 12-15% при повышении концентрации диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, с 20 до 40 мас. %. Снижение пористости ниже 6% ухудшает характеристики смачиваемости колец маслом, что приводит к росту температуры в зоне контакта кольца с гильзой, прижогам, задирам, скалыванию покрытия.

На фиг. 1 приведены поршневые кольца автотракторной техники с теплозащитным покрытием.

На фиг. 2 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия.

На фиг. 3 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия с подслоем Co-Cr-Al-Y.

На фиг. 4 приведена зависимость адгезионной прочности покрытия со сплавом основы от состава подслоя.

На фиг. 5 приведена зависимость интенсивности изнашивания от состава покрытия.

На фиг. 6 приведена зависимость адгезии масла к покрытию прототипа и предлагаемого способа в зависимости от концентрации элементов в керметной смеси.

На фиг. 7 приведена зависимость нагрузки, вызывающей задир более 10 мкм от концентрации молибдена в керметной смеси.

Пример конкретного выполнения (оптимальный)

Предполагаемый способ нанесения комбинированного покрытия реализован следующим способом. Покрытие наносили на компрессионные и маслосъемные поршневые кольца автотракторной техники. Материал поршневых колец - чугун марки СЧ (серый) или ВЧ (высокопрочный) с твердостью 96-112НВ для серого или 100-112НВ для высокопрочного чугуна с микроструктурой в соответствии со шкалами: Г1, Г2 … для графита, П1, П2 … для перлита (ГОСТ 3443-87). Маслосъемное кольцо стальное пластинчатое. Кольцевые диски изготовлены из высокоуглеродистой стальной (сталь У8А) ленты размером 0,7-4,0 мм. Для напыления использовалась установка воздушно-плазменного напыления типа УПН-40 в составе источника питания АПР-404, плазмотрона ПН-В1, дозатора подачи Д-40(М). Напыление осуществлялось в камере снабженной вращателем с системой центросмещения и устройством перемещения плазмотрона. Перед напылением покрытий проводилась абразивно-струйная обработка карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм. Подслой Co-Cr-Al-Y наносили аргоновым плазмотроном толщиной 30-40 мкм. Использовали порошок диоксида циркония грануляцией 10-40 мкм и порошки нихрома, никельалюминия и молибдена, с размером частиц 40-100 мкм.

Напыление покрытий по прототипу и предлагаемому способу осуществляли воздушным плазмотроном ПН-В1 при I=190-200 A, U=200 В. Толщина покрытий 150-600 мкм. Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе «Neophot-21». Фазовый анализ покрытий: пористость - 6-15%, соотношение керамика-металл 34-67% в зависимости от состава смеси.

Прочность сцепления износостойкого покрытия с основным металлом оценивалась согласно ГОСТ 621-87. Испытания на изнашивание проводились на установке типа Армслера (машина трения МТ-2) при нагрузке, исключающий задир (р=3.42 Мпа; V=2.5 м/с; t=10 часов). Линейный износ образцов определяли на оптиметре по разности его показаний до и после испытаний. Интенсивность изнашивания определяли как отношение линейного износа к пройденному пути образцами за время испытаний.

Для определения адгезии смазочного материала основывались на замерах давления растекания капли масла по образцу. Маслоудерживающая способность покрытий характеризовалась работой адгезии смазки, полученной суммированием давления растекания и удвоенной поверхностной энергии масла. Для моторного масла его поверхностная энергия (натяжение) принята равной 30,3⋅10^-3 Н/м.

Испытания на стойкость к задиранию нанесенных покрытий проводились в паровой среде при температуре 350°C и удельном давлении 80-100 МПа на парогидравлическом стенде Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института атомного машиностроения (ОАО ВНИИАМ). Перед установкой испытуемых образцов в рабочую камеру измеряли твердость и шероховатость контактируемых наплавленных поверхностей на твердомере ТК-2 по шкале HRC и профилометре М-201 по параметру Ra. Для экспериментов отбирали пары образцов, имеющие колебания твердости не более ±3 ед. HRC и отклонения Ra в пределах одного класса шероховатости Ra=0.16 мкм. Температуру и давление контролировали потенциометром типа КСП-4 и манометром с классом точности ±0,5 соответственно. Средняя скорость вращения образцов составляла 3,5 м/с, общая длина перемещения образцов за каждый цикл испытаний -15,7 мм. Минимальная удельная нагрузка, при которой начинали испытания, составляла 10 МПа, с повышением нагрузки ступенчато через 10 МПа до наступления задира или достижения заданной величины удельного давления. После испытания определяли площадь контакта (трения) образцов и глубину задирания. Измерения проводили с помощью микроскопа МИС-11. Критерием стойкости к задиранию условно принимали появление на рабочей (контактной) поверхности образцов задиров глубиной 10 мкм и более. Удельную нагрузку, вызывающую задир указанной величины, считали максимально допустимой для данного покрытия.

Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan-S-600» с микроанализатором «Link».

Проведенные сравнительные испытания образцов с покрытиями показали преимущество предполагаемого покрытия по адгезионной прочности покрытия со сплавом основы (фиг. 4), его износостойкости (фиг. 5) и задиростойкости (фиг. 7).

Использование способа наиболее эффективно для деталей цилиндропоршневой группы двигателей автотракторной техники в связи с их решающим влиянием на ресурс.

Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали, включающий плазменное напыление подслоя и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония со стабилизирующей добавкой и нихром, отличающийся тем, что перед плазменным напылением проводят абразивно-струйную обработку деталей карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, подслой имеет состав Co-Cr-Al-Y, а в состав керметной композиции дополнительно вводят никельалюминий и молибден, при этом керметная композиция имеет состав 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, 10-20 мас. % никельалюминия и 60-20 мас. % молибдена, а в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %.