EA039515B1

EA039515B1 - Method for hardening a part of a sliding friction unit

Info

Publication number: EA039515B1
Application number: EA202000055A
Authority: EA
Inventors: Марат Артёмович Белоцерковский; Владимир Аркадьевич Кукареко; Александр Николаевич Григорчик; Евгений Викторович Астрашаб; Алексей Валерьевич Сосновский
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2022-02-04
Also published as: EA202000055A1

Abstract

The objective of the invention is to improve physical and mechanical properties of the coatings used in sliding friction units, and to increase the scope of application of thermal sprayed coatings. The invention relates to the technology for restoration and hardening the surface of parts in sliding friction units using a thermal spraying method, in particular, hypersonic electrometallization. The method includes application of a thermal sprayed coating using the hypersonic electrometallization method on two wire steels. Chrome-bearing steel with chrome content of up to 25 wt.% is used as the material for the first wire, and an aluminum alloy with aluminum content of at least 80 wt.% is used as the second wire, wherein diameter thereof is selected depending on the amount of chrome in steel wire. The method allows for improvement of the part wear resistance by 15-25%.

Description

Изобретение относится к технологии нанесения износостойких покрытий на детали триботехнического назначения, работающие при высоких удельных нагрузках и в слабоагрессивных средах. Может быть использовано при восстановлении опор скольжения, валов, цилиндрических сочленениях, применяемых в машиностроении, станкостроении, текстильной и металлургической промышленности.The invention relates to a technology for applying wear-resistant coatings to tribotechnical parts operating at high specific loads and in slightly aggressive environments. It can be used in the restoration of sliding bearings, shafts, cylindrical joints used in mechanical engineering, machine tool building, textile and metallurgical industries.

Одним из наиболее традиционных и эффективных путей решения задачи восстановления узлов трения и обеспечения их требуемой износостойкости является формирование на рабочих поверхностях пар трения газотермических покрытий с необходимым комплексом физико-механических характеристик.One of the most traditional and effective ways of solving the problem of restoring friction units and ensuring their required wear resistance is the formation of gas-thermal coatings on the working surfaces of friction pairs with the necessary set of physical and mechanical characteristics.

Известен способ получения газотермических покрытий из порошковых проволок, включающий электродуговую металлизацию порошковой проволоки определенного состава и последующую термическую обработку, в виде закалки и отпуска [1]. Недостатками данного способа являются использование дорогостоящей порошковой проволоки определенного состава и термическая обработка покрытий с достаточно высокой температурой нагрева (840°C). Закалка газотермических покрытий с температуры 840°C будет способствовать возникновению дополнительных напряжений между покрытием и подложкой за счет различных коэффициентов линейного расширения при нагреве, что будет приводить к снижению прочностных свойств покрытий.A known method for producing gas-thermal coatings from flux-cored wires, including electric arc metallization of a flux-cored wire of a certain composition and subsequent heat treatment, in the form of quenching and tempering [1]. The disadvantages of this method are the use of expensive flux-cored wire of a certain composition and heat treatment of coatings with a sufficiently high heating temperature (840°C). Hardening of gas-thermal coatings from a temperature of 840°C will contribute to the appearance of additional stresses between the coating and the substrate due to different coefficients of linear expansion during heating, which will lead to a decrease in the strength properties of the coatings.

Известен способ получения износостойких покрытий, согласно которому напыление проводится плазменным методом, при этом вводится дисперсный керамический порошок через кольцевую щель в воздушно-плазменную струю [2]. Недостатком данного способа является использование дорогостоящего метода плазменного напыления, а также использование дисперсных частиц Al₂O₃ (20-40 мкм и менее).A known method of obtaining wear-resistant coatings, according to which the spraying is carried out by the plasma method, while dispersed ceramic powder is introduced through the annular slot into the air-plasma jet [2]. The disadvantage of this method is the use of an expensive method of plasma spraying, as well as the use of dispersed particles of Al ₂ O ₃ (20-40 μm or less).

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на металлическую подложку, в котором напыляют композиционные проволоки, заполненные частицами износостойкого наполнителя, расплавляют и переносят частицы посредством газовой струи [3]. Недостатками известного способа является использование дорогостоящей композиционной проволоки.There is a known method of applying a wear-resistant coating on a metal substrate, in which composite wires filled with wear-resistant filler particles are sprayed, melted and the particles are transferred by means of a gas jet [3]. The disadvantages of the known method is the use of expensive composite wire.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения покрытия гиперзвуковой металлизацией, принятый за прототип, согласно которому проводят гиперзвуковую металлизацию пропано-воздушной смесью расплавленных электрической дугой двух проволок с различной температурой плавления [4]. При этом, более тугоплавкая проволока является анодом. Диаметр легкоплавкой проволоки выбирают по формуле. Недостатком известного способа является его трудоемкость и сложность подбора режимов напыления, а также пониженные триботехнические свойства покрытий.The closest in technical essence is a method of obtaining a coating by hypersonic plating, taken as a prototype, according to which hypersonic plating is carried out with a propane-air mixture of two wires melted by an electric arc with different melting temperatures [4]. In this case, a more refractory wire is the anode. The diameter of the fusible wire is chosen according to the formula. The disadvantage of the known method is its complexity and the complexity of the selection of spraying modes, as well as reduced tribological properties of coatings.

Задачей изобретения является повышение физико-механических свойств покрытий деталей, использующихся в узлах трения скольжения, а также расширение области их применения.The objective of the invention is to improve the physical and mechanical properties of the coatings of parts used in sliding friction units, as well as to expand the scope of their application.

Для решения поставленной задачи, в способе изготовления детали узла трения скольжения, состоящем из распыления расплавленных электрической дугой проволочных материалов, на предварительно подготовленную поверхность детали, послойном осаждении частиц, механической обработки сформированного покрытия, согласно изобретению, в качестве материала одной проволоки выбирают хромистую сталь с содержанием хрома до 25 мас.%, а в качестве материала другой проволоки используют алюминиевый сплав с содержанием алюминия не менее 80 мас.%, причем диаметр проволоки алюминиевого сплава выбирают в зависимости от количества хрома в стальной проволоке. Максимальное содержание хрома и минимальное алюминия при этом в проволоках обусловлено необходимостью образования определенной структуры покрытия, а также доступностью проволочных материалов.To solve this problem, in the method of manufacturing a part of a sliding friction unit, consisting of spraying wire materials melted by an electric arc onto a pre-prepared surface of the part, layer-by-layer deposition of particles, mechanical processing of the formed coating, according to the invention, chromium steel with a content of chromium up to 25 wt.%, and an aluminum alloy with an aluminum content of at least 80 wt.% is used as the material of the other wire, and the diameter of the aluminum alloy wire is selected depending on the amount of chromium in the steel wire. The maximum content of chromium and minimum aluminum in the wires is due to the need to form a certain structure of the coating, as well as the availability of wire materials.

В заявленном способе для обеспечения повышения износо- и коррозионной стойкости покрытия, предусматривается газотермическое распыление методом гиперзвуковой металлизации, пропановоздушной смесью стальных и алюминиевых частиц. При напылении такого псевдосплава (распыление стальной и алюминиевой проволок) формируется покрытие, содержащее пониженное количество оксидов, по сравнению со стальным покрытием. Низкое содержание оксидов железа в напыленном псевдосплаве связано с предотвращением окисления частиц железа за счет их обволакивания легкоплавким алюминием в процессе металлизации, а также с восстановлением оксидов железа алюминием. В результате этого, распыляемые частицы стали при охлаждении в полёте практически не контактируют с кислородом воздуха, и, как следствие, в покрытиях регистрируется пониженное количество оксидов железа. При этом образование тонкой пленки оксида Al₂O₃ защищает от интенсивного окисления алюминиевые частицы.In the claimed method, in order to improve the wear and corrosion resistance of the coating, gas-thermal spraying is provided by the method of hypersonic metallization, with a propane-air mixture of steel and aluminum particles. When spraying such a pseudo-alloy (sputtering of steel and aluminum wires), a coating is formed containing a reduced amount of oxides compared to a steel coating. The low content of iron oxides in the deposited pseudo-alloy is associated with the prevention of the oxidation of iron particles due to their enveloping with low-melting aluminum during the metallization process, as well as with the reduction of iron oxides by aluminum. As a result, the sprayed steel particles during cooling in flight practically do not come into contact with atmospheric oxygen, and, as a result, a reduced amount of iron oxides is recorded in the coatings. In this case, the formation of a thin film of Al ₂ O ₃ oxide protects aluminum particles from intense oxidation.

Напыление газотермических покрытий из высокохромистых сталей, методом гиперзвуковой металлизации сопровождается окислением легирующих элементов, и в частности, хрома, в напыляемых проволочных материалах. В результате этого, в сформированных стальных покрытиях из высокохромистых сталей регистрируется пониженная концентрация хрома, и как следствие, снижение их коррозионной стойкости. Вместе с тем, напыление газотермических покрытий методом гиперзвуковой металлизации двумя проволочными материалами (высокохромистая сталь и алюминиевый сплав) будет приводить к практически полному предотвращению окисления легирующих элементов стальной проволоки, за счет формирования тонких пленок оксида алюминия на поверхности напыленных частиц, что в свою очередь приведет к существенному возрастанию износо- и коррозионной стойкости газотермических покрытий.The spraying of gas-thermal coatings from high-chromium steels by the method of hypersonic metallization is accompanied by the oxidation of alloying elements, and in particular, chromium, in the sprayed wire materials. As a result, in the formed steel coatings from high-chromium steels, a reduced concentration of chromium is recorded, and as a result, a decrease in their corrosion resistance. At the same time, the deposition of gas-thermal coatings by the hypersonic metallization method with two wire materials (high-chromium steel and aluminum alloy) will lead to almost complete prevention of the oxidation of steel wire alloying elements due to the formation of thin aluminum oxide films on the surface of the deposited particles, which in turn will lead to a significant increase in the wear and corrosion resistance of gas-thermal coatings.

Для формирования псевдосплавных покрытий гиперзвуковой металлизацией использовалась установка АДМ-10 и проволоки различных диаметров из хромсодержащих сталей 30ХГС, 40X13, 95X18 иFor the formation of pseudo-alloy coatings by hypersonic metallization, an ADM-10 installation and wires of various diameters from chromium-containing steels 30KhGS, 40X13, 95X18 and

- 1 039515 алюминиевых сплавов АК12, АД-1. Исследовалась структура, фазовый состав, а также триботехнические свойства напыленных покрытий. Металлографические исследования проводились с помощью микроскопа АЛЬТАМИ MET 1MT с использованием программного обеспечения AltamiStudio 3.3, фазовый состав покрытий исследовался с использованием дифрактометра ДРОН-3.0. Триботехнические испытания проводились по схеме возвратно-поступательного движения призматического образца с газотермическим покрытием (8x6x5 мм) по пластинчатому контртелу из закаленной стали У8, при средней скорости взаимного перемещения «0,1 м/с. Номинальная нагрузка составляла при граничном трении 10 МПа, путь трения «1200 м.- 1 039515 aluminum alloys AK12, AD-1. The structure, phase composition, and tribotechnical properties of sprayed coatings were studied. Metallographic studies were carried out using an ALTAMI MET 1MT microscope using AltamiStudio 3.3 software; the phase composition of the coatings was studied using a DRON-3.0 diffractometer. Tribotechnical tests were carried out according to the scheme of reciprocating motion of a prismatic sample with a gas-thermal coating (8x6x5 mm) along a plate counterbody made of hardened steel U8, at an average speed of mutual displacement of ≈0.1 m/s. The rated load was 10 MPa at the boundary friction, the friction path was “1200 m.

Проводилось напыление покрытий из указанных сталей, а также псевдосплавов 30ХГС+АК12, 40Х13+АК12, 95Х18+АД-1 с различными соотношениями диаметра стальной и алюминиевой проволоки (табл. 1). В результате исследований структурно-фазового состава и триботехнических свойств напыленных покрытий установлено, что покрытия напыленные из псевдосплавов (сталь-алюминиевый сплав) обладают пониженным содержанием оксидов и повышенной износостойкостью при трении в смазочном материале по сравнению с покрытиями из аналогичной стали, но без алюминиевого сплава. При этом, износостойкость псевдосплавов повышается при содержании в покрытиях определенного количества стали и алюминия.Coatings were deposited from these steels, as well as pseudo-alloys 30KhGS + AK12, 40Kh13 + AK12, 95Kh18 + AD-1 with different ratios of the diameter of steel and aluminum wire (Table 1). As a result of studies of the structural-phase composition and tribological properties of sprayed coatings, it was found that coatings sprayed from pseudo-alloys (steel-aluminum alloy) have a reduced content of oxides and increased wear resistance during friction in the lubricant compared to coatings from similar steel, but without aluminum alloy. At the same time, the wear resistance of pseudoalloys increases with the content of a certain amount of steel and aluminum in the coatings.

Таблица 1. Износостойкость и качественные характеристики напыленных газотермических покрытий из псевдосплавов ___ ___Table 1. Wear resistance and quality characteristics of sprayed gas-thermal coatings from pseudo-alloys ___ ___

Материал покрытия Coating material Соотношение диаметра стальной и алюминиевой проволоки, D]/ D₂ The ratio of the diameter of steel and aluminum wire, D] / D ₂ Интенсивность линейного изнашивания при трении в смазочном материале I_h, хЮ’¹⁰ The intensity of linear wear during friction in the lubricant I _h , xO' ¹⁰ Пористо сть, не более % Porosity, no more than % Наличие трещин Presence of cracks Хромсодер жащая сталь пая прово лока, Di Chrome steel soldering wire, Di Алюмини евая прово лока, D₂ Aluminum wire, D ₂ ЗОХГС ZOHGS АК12 AK12 1,5 1.5 4,42 4.42 2-5 2-5 Да Yes 1,3 1.3 4,20 4.20 2-3 2-3 Да Yes 1,1 1.1 3,80 3.80 1-3 1-3 Нет Not 1 one 3,86 3.86 2-4 2-4 Нет Not 0,9 0.9 4,27 4.27 2-4 2-4 Нет Not 0,8 0.8 4,46 4.46 2-4 2-4 Да Yes 40X13 40X13 АК12 AK12 1,5 1.5 2,94 2.94 2-5 2-5 Нет Not 1,4 1.4 2,77 2.77 2-3 2-3 Нет Not 1,3 1.3 2,91 2.91 2-4 2-4 Нет Not 1,2 1.2 3,00 3.00 2-4 2-4 Нет Not 1,1 1.1 3,11 3.11 2-5 2-5 Да Yes 1,0 1.0 3,20 3.20 3-6 3-6 Да Yes 95X18 95X18 АД-1 AD-1 1,5 1.5 1,65 1.65 2-5 2-5 Да Yes 1,4 1.4 1,60 1.60 2-4 2-4 Нет Not 1,3 1.3 1,69 1.69 3-5 3-5 Нет Not 1,2 1.2 1,71 1.71 3-5 3-5 Нет Not 1,1 1.1 1,80 1.80 3-5 3-5 Нет Not 1,0 1.0 1,86 1.86 2-6 2-6 Да Yes

Анализ и математическая обработка результатов показали, что диаметры стальной и алюминиевой проволок находятся в следующей зависимости:Analysis and mathematical processing of the results showed that the diameters of steel and aluminum wires are in the following relationship:

D₂=D|/k, (1) где D1 - диаметр стальной проволоки, мм; D₂ - диаметр проволоки алюминиевого сплава, мм; k - коэффициент, зависящий от содержания хрома в стальной проволоке.D ₂ =D|/k, (1) where D1 - steel wire diameter, mm; D ₂ - aluminum alloy wire diameter, mm; k is a coefficient depending on the chromium content in the steel wire.

к=1,51-0,53*0,87^х, где x - содержание хрома в стальной проволоке, %.k \u003d 1.51-0.53 * 0.87 ^x , where x is the chromium content in steel wire,%.

Пример реализации способа.An example of the implementation of the method.

Для обеспечения требуемой работоспособности шпиндель 5М150 зубодолбёжного станка должен обладать повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью при трении в жидких смазочных материалах. Ранее деталь восстанавливалась методом гиперзвуковой металлизации путем напыления покрытия из стали 40X13. При эксплуатации восстановленной детали было выявлено, что покрытие из стали обладает недостаточной коррозионной стойкостью и износостойкостью в среде жидкого смазочно го материала.To ensure the required performance, the 5M150 spindle of a gear shaping machine must have increased corrosion resistance and wear resistance during friction in liquid lubricants. Previously, the part was restored by hypersonic metallization by spraying a coating of steel 40X13. During the operation of the restored part, it was revealed that the steel coating has insufficient corrosion resistance and wear resistance in a liquid lubricant medium.

Был выбран шпиндель 5М150 зубодолбёжного станка с изношенной рабочей поверхностью диаметром 132 мм, выполненный из стали У9. На рабочей поверхности выбранной детали формировали покрытие на основе хромсодержащей стали и алюминиевого сплава путем нагрева до плавления в электрической дуге двух проволок и их распыления продуктами сгорания пропано-воздушной смеси, движущимися со сверхзвуковой скоростью, осаждения в виде покрытия расплавленного материала на рабочей по- 2 039515 верхности. Подготовка поверхности под нанесение покрытия осуществлялась в виде струйно-абразивной обработки дробленой чугунной крошкой ДЧК 1,8 ГОСТ 11964-81 с размером частиц 1,0-1,8 мм. Толщина покрытия 1,1-1,2 мм. Обработку покрытия осуществляли шлифованием кругом КЗ зернистостью М40, твердостью СМ1-СТ1 и следующими режимами: скорость круга 28-30 м/с; поперечная подача 0,0160,006 мм/дв.ход (0,016 - при предварительном шлифовании; 0,006 - при чистовом).The spindle 5M150 of a gear shaping machine with a worn working surface with a diameter of 132 mm, made of U9 steel, was chosen. A coating based on chromium-containing steel and an aluminum alloy was formed on the working surface of the selected part by heating two wires to melting in an electric arc and spraying them with the combustion products of a propane-air mixture moving at supersonic speed, depositing the molten material in the form of a coating on the working surface. surfaces. Surface preparation for coating was carried out in the form of jet-abrasive treatment with crushed iron chips DCHK 1.8 GOST 11964-81 with a particle size of 1.0-1.8 mm. Coating thickness 1.1-1.2 mm. The coating was processed by grinding with a KZ wheel with a grain size of M40, hardness of CM1-ST1 and the following modes: wheel speed 28-30 m/s; cross feed 0.0160.006 mm / two stroke (0.016 - for preliminary grinding; 0.006 - for finishing).

Покрытие наносили с использованием установки для электродуговой металлизации АДМ-10. При этом, в качестве хромсодержащей стальной проволоки использовали проволочную сталь 40X13 с содержанием хрома 13 мас.% диаметром 2 мм, а в качестве второй алюминиевый сплав АК12 с содержанием алюминия более 84 мас.%, диаметром из расчета по выражению (1), т.е. равным 1,4 мм (при этом к=1,42). Режим напыления: давление пропан-бутановой смеси 0,37 МПа, давление сжатого воздуха 0,35 МПа, напряжении на дуге 30 В, ток дуги 170 А.The coating was applied using an ADM-10 electric arc metallization unit. At the same time, wire steel 40X13 with a chromium content of 13 wt.% with a diameter of 2 mm was used as a chromium-containing steel wire, and as the second aluminum alloy AK12 with an aluminum content of more than 84 wt.%, with a diameter calculated according to expression (1), i.e. e. equal to 1.4 mm (with k=1.42). Spray mode: propane-butane mixture pressure 0.37 MPa, compressed air pressure 0.35 MPa, arc voltage 30 V, arc current 170 A.

Испытания детали узла трения скольжения проводились в течение 100 ч наработки с промежуточными визуальными осмотрами и измерением интенсивности линейного изнашивания напыленных покрытий. Установлено, что износостойкость покрытия напыленного по заявляемому способу на 15-25% выше износостойкости покрытий, напыленных известными способами. Также отмечено, что твердость заявленного покрытия выше. Это связано с пониженным удельным объемом алюминиевых частиц в заявленном покрытии. Необходимо отметить, что покрытие из псевдосплава обладает повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с покрытием из одной стали.Testing of the sliding friction unit part was carried out for 100 hours of operation with intermediate visual inspections and measurement of the intensity of linear wear of the sprayed coatings. It has been established that the wear resistance of the coating sprayed according to the claimed method is 15-25% higher than the wear resistance of coatings sprayed by known methods. It is also noted that the hardness of the claimed coating is higher. This is due to the reduced specific volume of aluminum particles in the claimed coating. It should be noted that the pseudo-alloy coating has an increased corrosion resistance compared to the coating of steel alone.

Источники информацииSources of information

1. Способ получения газотермических покрытий из порошковых проволок: пат. №RU 2 394 936С2, МПК С23С 4/04, С23С 4/18 / А.К. Кычкин,1. Method for obtaining gas-thermal coatings from flux-cored wires: Pat. No. RU 2 394 936S2, IPC S23S 4/04, S23S 4/18 / A.K. Kychkin,

Г.Г. Винокуров, Н.Ф. Стручков; заявитель ООО «Центр трансферта технологий» - №2008140238/02, заявл. 09.10.2008; опубл: 20.07.2010 Бюл № 20.G.G. Vinokurov, N.F. Pods; applicant LLC "Center for Technology Transfer" - No. 2008140238/02, applicant. 09.10.2008; Published: 20.07.2010 Bulletin No. 20.

2. Способ плазменного напыления износостойких покрытий: пат.2. The method of plasma spraying of wear-resistant coatings: Pat.

RU2 462 533C2, МПК С23С 4/10, С23С 4/12 / В. И. Кузмин, А.А.RU2 462 533C2, IPC C23C 4/10, C23C 4/12 / V.I. Kuzmin, A.A.

Михальченко, Е.В. Картаев, Н.А. Руденская, Н.В. Соколов; заявитель ИТПМMikhalchenko, E.V. Kartaev, N.A. Rudenskaya, N.V. Sokolov; ITAM applicant

СО РАН - № 2011116526/02; заявл. 26.04.2011; опубл. 27.09.2012 Бюл. №27.SB RAS - No. 2011116526/02; dec. 04/26/2011; publ. 27.09.2012 Bull. No. 27.

3. Способ нанесения износостойкого покрытия на металлическую подложку: пат. № 20975, С23С4/123, B05D7/00 / М. А. Белоцерковский, А. А.3. Method for applying a wear-resistant coating to a metal substrate: Pat. No. 20975, С23С4/123, B05D7/00 / M. A. Belotserkovsky, A. A.

Дюжев, А. С. Прядко, А. Е. Черепко, А. В. Сосновский; заявитель ОИМ НАНDyuzhev, A. S. Pryadko, A. E. Cherepko, A. V. Sosnovsky; Applicant OIM NAS

Беларуси -№ а20140295; заявл. 23.05.2014опубл. 30.04.2017.Belarus - No. a20140295; dec. 05/23/2014publ. 04/30/2017.

4. Способ получения покрытия гиперзвуковой металлизацией: пат.4. The method of obtaining a coating by hypersonic metallization: Pat.

BY№22381, В05В 7/20, С23С 4/00 / М.А. Белоцерковский, А.В. Сосновский,BY No. 22381, B05B 7/20, C23C 4/00 / M.A. Belotserkovsky, A.V. Sosnovsky,

Н.Ф. Соловей, А.И. Камко; заявитель ОИМ НАН Беларуси - № а20170327;N.F. Nightingale, A.I. Camco; applicant OIM NAS of Belarus - No. a20170327;

заявл. 05.09.2017; опубл. 28.02.2019.dec. 09/05/2017; publ. 02/28/2019.

Claims

CLAIM

A method for hardening a part of a sliding friction unit, which includes forming a coating on the working surface of the part based on chromium-containing steels and aluminum alloys by heating two wires to melt in an electric arc and their subsequent spraying by combustion products of a propane-air mixture moving at supersonic speed, deposition in the form of a coating molten material on the working surface of the part, machining of the coating, characterized in that chromium-containing steel with a chromium content of up to 25 wt.% is used as the material of one wire, and an aluminum alloy with an aluminum content of at least 80 wt.% is used as the other wire, moreover, its diameter is selected depending on the amount of chromium in the chromium-containing steel wire, using the following expression:

D ₂ =Di/k, mm, where Di is the diameter of the chromium-containing steel wire, mm; D _{2 -} aluminum alloy wire diameter, mm; k - coefficient depending on the chromium content in the steel wire;

k \u003d 1.51-0.53x0.87 ^x , where x is the chromium content in steel wire, wt.%.

Eurasian Patent Organization, EAPO

Russia, 109012, Moscow, Maly Cherkassky per., 2