EA039515B1

EA039515B1 - Способ упрочнения детали узла трения скольжения

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

Задачей изобретения является повышение физико-механических свойств покрытий использующихся в узлах трения скольжения, а также расширение области применения газотермических покрытий. Изобретение относится к технологии восстановления и упрочнения поверхности деталей узлов трения скольжения методом газотермического напыления, а именно гиперзвуковой электрометаллизацией. Способ включает нанесение газотермического покрытия методом гиперзвуковой электрометаллизации двух проволочных сталей. В качестве материала одной проволоки используют хромсодержащую сталь с содержанием хрома до 25 мас.%, а в качестве другой проволоки используют алюминиевый сплав с содержанием алюминия не менее 80 мас.%, причем ее диаметр выбирают в зависимости от количества хрома в стальной проволоке. Способ позволяет повысить износостойкость детали на 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.

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.

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.

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).

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.

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.

Задачей изобретения является повышение физико-механических свойств покрытий деталей, использующихся в узлах трения скольжения, а также расширение области их применения.

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.

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.

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.

Для формирования псевдосплавных покрытий гиперзвуковой металлизацией использовалась установка АДМ-10 и проволоки различных диаметров из хромсодержащих сталей 30ХГС, 40X13, 95X18 и

- 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.

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.

Таблица 1. Износостойкость и качественные характеристики напыленных газотермических покрытий из псевдосплавов ___ ___

Материал покрытия	Соотношение диаметра стальной и алюминиевой проволоки, D]/ D₂	Интенсивность линейного изнашивания при трении в смазочном материале I_h, хЮ’¹⁰	Пористо сть, не более %	Наличие трещин
Хромсодер жащая сталь пая прово лока, Di	Алюмини евая прово лока, D₂
ЗОХГС	АК12	1,5	4,42	2-5	Да
1,3	4,20	2-3	Да
1,1	3,80	1-3	Нет
1	3,86	2-4	Нет
0,9	4,27	2-4	Нет
0,8	4,46	2-4	Да
40X13	АК12	1,5	2,94	2-5	Нет
1,4	2,77	2-3	Нет
1,3	2,91	2-4	Нет
1,2	3,00	2-4	Нет
1,1	3,11	2-5	Да
1,0	3,20	3-6	Да
95X18	АД-1	1,5	1,65	2-5	Да
1,4	1,60	2-4	Нет
1,3	1,69	3-5	Нет
1,2	1,71	3-5	Нет
1,1	1,80	3-5	Нет
1,0	1,86	2-6	Да

Анализ и математическая обработка результатов показали, что диаметры стальной и алюминиевой проволок находятся в следующей зависимости:

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.

к=1,51-0,53*0,87^х, где x - содержание хрома в стальной проволоке, %.

Пример реализации способа.

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.

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).

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.

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.

Источники информации

1. Способ получения газотермических покрытий из порошковых проволок: пат. №RU 2 394 936С2, МПК С23С 4/04, С23С 4/18 / А.К. Кычкин,

Г.Г. Винокуров, Н.Ф. Стручков; заявитель ООО «Центр трансферта технологий» - №2008140238/02, заявл. 09.10.2008; опубл: 20.07.2010 Бюл № 20.

2. Способ плазменного напыления износостойких покрытий: пат.

RU2 462 533C2, МПК С23С 4/10, С23С 4/12 / В. И. Кузмин, А.А.

Михальченко, Е.В. Картаев, Н.А. Руденская, Н.В. Соколов; заявитель ИТПМ

СО РАН - № 2011116526/02; заявл. 26.04.2011; опубл. 27.09.2012 Бюл. №27.

3. Способ нанесения износостойкого покрытия на металлическую подложку: пат. № 20975, С23С4/123, B05D7/00 / М. А. Белоцерковский, А. А.

Дюжев, А. С. Прядко, А. Е. Черепко, А. В. Сосновский; заявитель ОИМ НАН

Беларуси -№ а20140295; заявл. 23.05.2014опубл. 30.04.2017.

4. Способ получения покрытия гиперзвуковой металлизацией: пат.

BY№22381, В05В 7/20, С23С 4/00 / М.А. Белоцерковский, А.В. Сосновский,

Н.Ф. Соловей, А.И. Камко; заявитель ОИМ НАН Беларуси - № а20170327;

заявл. 05.09.2017; опубл. 28.02.2019.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ упрочнения детали узла трения скольжения, включающий формирование на рабочей поверхности детали покрытия на основе хромсодержащих сталей и алюминиевых сплавов путем нагрева до плавления в электрической дуге двух проволок и их последующего распыления продуктами сгорания пропано-воздушной смеси, движущимися с сверхзвуковой скоростью, осаждение в виде покрытия расплавленного материала на рабочей поверхности детали, механическую обработку покрытия, отличающийся тем, что в качестве материала одной проволоки используют хромсодержащую сталь с содержанием хрома до 25 мас.%, а в качестве другой проволоки используют алюминиевый сплав с содержанием алюминия не менее 80 мас.%, причем ее диаметр выбирают в зависимости от количества хрома в хромсодержащей стальной проволоке, используя следующее выражение:

D₂=Di/k, мм, где Di - диаметр хромсодержащей стальной проволоки, мм; D₂ -диаметр проволоки алюминиевого сплава, мм; к - коэффициент, зависящий от содержания хрома в стальной проволоке;

к= 1,51-0,53x0,87^х, где х - содержание хрома в стальной проволоке, мас.%.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2