EA025873B1

EA025873B1 - Способ нанесения износостойкого покрытия

Info

Publication number: EA025873B1
Application number: EA201400292A
Authority: EA
Inventors: Марат Артемович Белоцерковский; Андрей Анисимович Дюжев; Александр Сергеевич Прядко; Александр Евгеньевич Черепко; Алексей Валерьевич Сосновский
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2017-02-28
Also published as: EA201400292A1

Abstract

Предлагаемое изобретение относится к области газотермического нанесения износостойких покрытий, в частности к способам электродуговой металлизации, в ходе которых осуществляют распыление стальных проволок или композиционных проволочных материалов и осаждение распыленных частиц на быстроизнашивающиеся детали машин и элементы конструкций. Предложен способ напыления износостойких покрытий с использованием композиционных порошковых проволок, позволяющий выбирать скорость распыляющей струи в зависимости от грануляции порошкового наполнителя. Осуществление заявленного способа позволяет повысить коэффициент использования материала наполнителя, содержащегося в порошковой проволоке. При этом повышается износостойкость напыляемого покрытия.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области газотермического нанесения износостойких покрытий, в частности, к способам электродуговой металлизации, в ходе которых осуществляют распыление стальных проволок или композиционных проволочных материалов, и осаждение распыленных частиц на быстроизнашивающиеся детали машин и элементы конструкций.

Известен способ нанесения износостойких покрытий [1], включающий нагрев и плавление в электрической дуге металлических проволок, распыление расплавленного материала проволок газовой струей, перенос распыленного материала к подготовленной поверхности покрываемой детали.

Основным недостатком известного способа является невозможность получения покрытий твердостью выше 53-56 НКС_э, поскольку это максимальная твердость, обеспечиваемая при распылении проволок, полученных волочением монолитных сталей.

Известен способ нанесения износостойких покрытий [2], наиболее близкий по совокупности существенных признаков к заявляемому способу, принятый за прототип, включающий нагрев и плавление в электрической дуге композиционных проволок, состоящих из стальной оболочки, заполненной частицами порошков металлов и износостойкого наполнителя, распыление расплавленного материала проволок газовой струей и перенос при этом распыленного материала на поверхность покрываемой детали.

Данный способ позволяет формировать покрытия, обладающие высокими значениями стойкости против различных видов изнашивания, поскольку в состав распыляемых проволок входят частицы оксидов, карбидов, нитридов и других износостойких наполнителей.

Недостатком известного способа является низкий коэффициент использования материала в формируемом покрытии (наполнителя остается менее 0,45), особенно при использовании порошковых проволок с крупными (более 160 мкм) частицами и скоростями струй 150-330 м/с, что обусловлено отсутствием рекомендаций по выбору динамических параметров (скорости) распыляющей газовой струи в зависимости от размера частиц наполнителей.

Задачей изобретения является создание способа, при котором наносимое покрытие имеет повышенные износостойкость и твердость за счет повышения коэффициента использования материала.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе нанесения износостойкого покрытия, включающем нагрев и плавление в электрической дуге композиционных проволок, состоящих из стальной оболочки, заполненной частицами порошков металлов и износостойкого наполнителя, распыление расплавленного материала проволок газовой струей и при этом перенос распыленного материала на поверхность покрываемой детали, согласно изобретению, скорость газовой струи выбирают в зависимости от максимального размера частиц износостойкого наполнителя в проволоке, используя следующее выражение:

У_в < ν<Α·β~°’⁰² (1) где V - скорость газовой струи, м/с;

ν₀ - минимально возможная скорость газовой струи, обеспечивающая диспергирование металлической оболочки проволоки с образованием покрытия;

А - коэффициент, численно равный 1470, м/с; е - основание натурального логарифма;

- величина, численно равная максимальному диаметру в микронах частиц износостойкого наполнителя композиционной проволоки.

Установленный эмпирически коэффициент А показывает максимальную величину скорости газовой струи при распылении проволок с порошковыми наполнителями от 5 до 400 мкм.

Используемые для металлизации порошковые проволоки изготовлены, как правило, для процессов вибродуговой наплавки и имеют в своем составе частицы наполнителей относительно больших размеров (160-300 мкм) [3]. Если для наплавки размер наполнителя практически не оказывает влияния на его содержание в конечном продукте - покрытии, то при электрометаллизации этот параметр играет очень важную роль. Чем больше скорость эвакуации частиц наполнителя из зоны дуги и скорость их движения в струе, тем меньше степень их прогрева и тем больше вероятность отскока от упрочняемой поверхности детали, что снижает коэффициент использования материала, а, соответственно, и интегральную твердость и износостойкость покрытий. Коэффициент использования материала - это отношение количества наполнителя в покрытии к количеству наполнителя в проволоке и характеризует степень перехода наполнителя из напыляемого материала в покрытие.

Для того, чтобы обеспечить достаточно высокое содержание наполнителя в покрытии, необходимо установить оптимальную скорость движения распыляющей струи в зависимости от максимального размера частиц наполнителя в порошковой проволоке. При этом необходимо учитывать, что минимально возможная скорость газовой струи, обеспечивающая диспергирование металлической оболочки проволоки с образованием покрытия, составляет 60 м/с [4].

При осуществлении заявляемого способа применяют известное оборудование электродуговой металлизации, каждому из которых соответствовали свои значения скорости распыляющей струи. Традиционная электрометаллизация осуществлялась на установке ЭМ-14 [5] при расходах воздуха около 36-43 м³/ч и давлении 0,40-0,54 МПа, что позволяло получить скорость распыляющей воздушной струи от 80

- 1 025873 до 150 м/с. Увеличение давления воздуха до 0,65 МПа и расхода до 150 м³/ч на металлизаторе модели ЭМ-15 [6] позволило повысить скорость воздушной струи до 320 м/с. Гиперзвуковой металлизатор конструкции Объединенного института машиностроения НАН Беларуси [5] позволил распылять струей, летящей со скоростью до 1500 м/с. Скорость струи измерялась с помощью прибора ИССО-1.

Для нанесения покрытий использовали следующие порошковые проволоки: ПП-Нп-ПСТ 350Т (изготовитель ЗАО Спецсплав, Украина), ΌυΚ-МАТ Ά8-815 (изготовитель ΌυκυΜ, Германия), ИППМ-6 и ПП-Нп-19ГСТ (изготовитель ООО Северстальметиз, РФ), 8и1хсг Мс1со 8297 (изготовитель 8и1/сг Мс1со 1пс., США), экспериментальная проволока ПП-ОИМ-ГМ (разработчик ОИМ НАН Беларуси, изготовитель ЗАО Спецсплав). Характеристики проволок приведены в табл. 1.

Таблица 1

Марка проволоки	Диаметр проволок, мм	Наполнители	Размер частиц наполнителей, мкм
ПП-Нп-ПСТ 350Т	1,6-1,8	УК, Сг_эС₂,Т1С	120-350
ϋυΚΜΑΤ АЗ-815	1,62	Сг₃С₂, В4С, 8ΐΟ	40- 100
ПП-ПМ-6	1,8	\УС, В₄С	100-250
ПП-Нп-19ГСТ	1,6-1,8	карбоборид хрома	80-160
Зи1гег Ме1со 8297	1,62	\¥С'., 31С, ПС	40-60
ПП-ОИМ-ГМ	1,8	8ΐΟ, Сг₃С₂	5-20

Оценка коэффициента использования материала (сохранения наполнителя) осуществлялась на образцах-свидетелях методом количественной металлографии при исследовании шлифов покрытий на растровом электронном микроскопе 1ЕОБ6610 и микроскопе №соп ΕρίρΠοΙ 200. На данном оборудовании осуществлялось изучение шлифов с последующим морфометрическим анализом с помощью специализированного программного обеспечения [7], что позволило определять планиметрические и стереометрические параметры микроструктуры.

Износостойкие покрытия наносили на изношенные рабочие поверхности упорных пластин штамповой оснастки для изготовления керамических плиток. Упорные пластины размером 500x500x5 (мм) изготавливали из стали 20Х и до эксплуатации подвергались цементации. Износ после 43-45 рабочих смен составил около 1 мм. Перед восстановлением рабочая поверхность пластин подготавливалась струйноабразивным методом.

На первые восемь пластин (№№ 1-8 в табл. 2) покрытия наносили, используя предлагаемый метод. Напыление осуществлялось следующим образом. Две порошковые проволоки расплавлялись электрической дугой, а расплавленный металл распылялся газовой струёй на поверхность напыляемой детали. По формуле (1) определяли максимально возможную скорость газовой струи в зависимости от размера порошкового наполнителя в напыляемом проволочном материале. Например, при использовании проволоки марки ПП-ПМ-6 выбор метода напыления покрытий осуществляли следующим образом.

Наибольший диаметр частиц порошкового наполнителя данной проволоки составляет ά = 250 мкм. По формуле 1 рассчитываем наибольшую скорость распыления У=1470-е^-0’⁰²'⁽²⁵⁰⁾=198,9. В соответствии с формулой 1 выбираем способ напыления, имеющего скорость распыляющей струи в диапазоне от 60 до 198,9 м/с. Для данного диапазона скоростей наиболее приемлемым является метод традиционной электродуговой металлизации. Это основано на том, что скорость распыляющей струи данного метода составляет 95 м/с, что является наиболее близким значением к величине, рассчитанной по формуле 1. Таким же образом выбирали технологию металлизации для других типов проволок.

На пластины №№ 9-14 покрытия наносили по способу-прототипу.

Восстановленные таким образом пластины устанавливались в штамповую оснастку и осуществлялся процесс изготовления керамических плиток. Срок службы оценивался в количествах отработанных смен по достижении износа 1 мм.

Результаты приведены в табл. 2.

Анализ полученных результатов показывает, что покрытия, полученные по заявляемому способу имеют большую износостойкость (срок службы), что обусловлено более высоким коэффициентом использования материала наполнителя, содержащегося в порошковой проволоке.

- 2 025873

Таблица 2

№ пластины	Марка проволо- ки	Размер частиц наполнителя, мкм	Скорость газовой струи, м/с	Метод металлизации	Коэфф. использования материала	Срок службы пластин, смены
¹	пп-пм- 6	100 - 250	95	традици- онная	0,70-0,80	63
2	Нп- 19ГСТ	80 - 160	95	традици- онная	0,85-0,90	68
3	А8-815	40 - 100	190	с избыт, воздуха	0,75-0,85	62
4	Ме1со 8297	40-60	1100	гиперзву- ковая	0,85 - 0,90	69
5	Мехсо 8297	40-60	780	активиро- ванная	0,80 - 0,85	64
6	Метсо 8297	40-60	190	с избыт, воздуха	0,85 - 0,90	69
7	пп- оим-гм	5-20	1100	гиперзву- ковая	0,85 - 0,90	70
8	пп- оим-гм	5-20	780	активиро- ванная	0,80-0,85	62
9	Нп-ПСТ 350Т	120-350	1100	гиперзву- ковая	0,15-0,20	31
10	Нп-ПСТ 350Т	120-350	780	активиро- ванная	0,20-0,25	34
11	Нп-ПСТ 350Т	120-350	95	традици- онная	0,65-0,75	51
12	ПП-ПМ- 6	100-250	780	активиро- ванная	0,20-0,30	35
13	Нп- 19ГСТ	80-160	780	активиро- ванная	0,30 - 0,35	37
14	А8-815	40-100	780	активиро- ванная	0,55 - 0,65	52

Источники информации

1) Восстановление деталей машин: справочник/Ф. И. Пантелеенко [и др.]; под ред. В. П. Иванова. Москва: Машиностроение, 2003, 672 с.

2) Лебедев М.П., Винокуров Г.Г., Кычкин А.К., Стручков Н.Ф., Лебедев Д.И. Исследование износостойких электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок с минеральными модифицирующими добавками//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Сер. Недра и их использование, т. 11, №1(2), 2009, с. 223-226. (Электронный ресурс: \у\у\у.55С.5И1Г.Ц1/и1еШа/|оигпа15/1/уе5йа/2009/2009_1_2_223_226.|р1Г. Дата доступа: 15.10.2013).

3) Фрумин И.И. Автоматическая электродуговая наплавка/И.И. Фрумин. - Харьков: Металлургиздат, 1961, 421 с.

4) Хокинг М. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства и применение/М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки. - Москва: Мир, 2000, 518 с.

5) Основы дуговой металлизации. Физико-химические закономерности/В.Н. Бронников, Ю.С. Коробов: [монография]. - Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та: Университетское изд-во, 2012, 268 с.

6) Балдаев Л.Х., Борисов В.Н., Вахалин В.А. и др. Газотермическое напыление - М.: Маркет ДС, 2007, 344 с.

7) Пантелеев В. Г. Егорова О.В., Клыкова Е.И. Компьютерная микроскопия - М.: Техносфера, 2005,

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ нанесения износостойкого покрытия, включающий нагрев и плавление в электрической дуге композиционных проволок, состоящих из стальной оболочки, заполненной частицами порошков металлов и износостойкого наполнителя, распыление расплавленного материала проволок газовой струей, перенос распыленного материала к подготовленной поверхности покрываемой детали, отличающийся тем, что скорость газовой струи выбирают в зависимости от максимального размера частиц износостойкого наполнителя в проволоке, используя следующее выражение:

ν₀ < ν<Α·ε°’^ϋ2ί1 (1) где V - скорость газовой струи, м/с;

ν₀ - минимально возможная скорость газовой струи, обеспечивающая диспергирование металлической оболочки проволоки с образованием покрытия;

А - коэффициент, численно равный 1470, м/с; е - основание натурального логарифма;

ά - величина, численно равная максимальному диаметру в микронах частиц износостойкого наполнителя.