RU2215817C2 - Порошковая проволока для электродугового напыления износостойкого покрытия - Google Patents
Порошковая проволока для электродугового напыления износостойкого покрытия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2215817C2 RU2215817C2 RU2001134155/02A RU2001134155A RU2215817C2 RU 2215817 C2 RU2215817 C2 RU 2215817C2 RU 2001134155/02 A RU2001134155/02 A RU 2001134155/02A RU 2001134155 A RU2001134155 A RU 2001134155A RU 2215817 C2 RU2215817 C2 RU 2215817C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- wear
- iron
- hematite
- aluminum
- Prior art date
Links
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей машин и механизмов, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и сердечника. Материал сердечника содержит алюминий, феррохром, железо, гематит и перманганат калия при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%: алюминий - 4,0-6,0; феррохром - 5,0-7,0; железо - 17,0-19,0; гематит - 1,5-1,9; перманганат калия - 0,3-0,7; стальная оболочка - остальное. Проволока обеспечивает нанесение покрытий, обладающих высокими износостойкостью и прочностью сцепления.
Description
Изобретение относится к области газотермического напыления, а именно к напыляемым материалам в виде проволоки для нанесения износостойкого электродугового покрытия на рабочие поверхности деталей машин и механизмов, работающих в условиях жидкостного (гидродинамического) и полужидкостного (сухого или граничного) трения (т.е. при полном или частичном разделении трущихся поверхностей слоем смазки, когда большая часть нагрузки воспринимается трущейся поверхностью через слой смазки), например, шейки коленчатого вала, опорные шейки распределительного вала двигателя внутреннего сгорания (карбюраторного или дизельного).
Газотермические покрытия для этих нужд должны удовлетворять трем трудно совместимым требованиям: иметь высокие износостойкость, прочность и прочность сцепления с основой, чтобы выдерживать высокие нагрузки, в том числе цикличные.
Раздельное выполнение этих требований не представляет особых затруднений. Например, известны различные материалы, которые наносятся на выработанные после интенсивного трения поверхности узлов и деталей машин методом электродугового напыления, в виде проволок сплошного сечения (см. В.С. Ивашко, И.Л. Куприянов, А.И Шевцов. Электротермическая технология нанесения защитных покрытий. - Минск: Навука i технiка, 1996, с.218-223) и порошковых проволок (см. Роянов В.А., Псарас Г.Г., Рубайло В.К. Ремонт машин с применением сварки и родственных технологий. - Мариуполь: ПГТУ, 1999, с.157-186).
Стремление совместить в покрытии противоречивые требования привело к появлению порошковых проволок, состоящих из стальной оболочки и сердечника, включающего смеси порошков металлов, сплавов и неорганических соединений.
Качество электродуговых покрытий, характеризуемое пористостью, прочностью, прочностью сцепления с основой, фазовым составом, структурой и воспроизводимостью указанных свойств, зависит от используемых проволоки и оборудования для напыления. Известны устройства (cм. Unger R.H., Belashchenko V.E., Kratochvil W.R. A new arc spray system to spray high density low oxide coatings/ Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. Nice, France 25-29 May, 1998, Volume 2, p.1489-1493), обеспечивающие получение покрытий с низкой пористостью 1,6-1,9% (стандартные - 4,5-10%) и степенью окисленности 3,6-9% (стандартные - 7,5-13%), но невысокой прочностью сцепления покрытия с основой - 28-31 МПа.
Таким образом, в рамках традиционных процессов электродугового напыления с использованием порошковых проволок качество покрытий остается недостаточным для работы в условиях тяжелого нагружения и повышенного износа.
Наиболее перспективным для решения задачи качественного нанесения износостойких покрытий является метод электродугового напыления в сверхзвуковом потоке продуктов сгорания метана (см. Петров С.В., Сааков А.Г. Плазма продуктов сгорания в инженерии поверхности. - ТОПАС, Киев, 2000, с.175-208) при условии, что порошковая проволока разрабатывается с учетом особенностей процесса напыления.
Из числа известных порошковых проволок по технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близка порошковая проволока для получения покрытий по 2048273, МПК 7 С 23 С 4/06, 20.11.1995 (прототип), состоящая из стальной оболочки и сердечника.
Данная порошковая проволока обеспечивает повышенные прочность и прочность сцепления покрытия с основой, стабильность дугового разряда, достаточную износостойкость в условиях жидкостного и полужидкостного трения. Однако покрытия, нанесенные с ее использованием, имеют пористость, что отрицательно сказывается на их износостойкости. Достигаемая прочность сцепления на отрыв недостаточна для работы тяжело нагруженных дизельных коленвалов.
Недостатком указанного состава также является отсутствие в шихте компонентов - катализаторов, которые бы, с одной стороны, ускоряли бы протекание экзотермических реакций на стадии плавления и транспортировки капли, а с другой стороны, снижали бы вязкость расплава, что ведет к росту размеров капли на стадии ее формирования и, как следствие, увеличению пористости покрытия, формируемого такими частицами. А с увеличением скорости обдувающего потока (переходом на сверхзвуковое истечение сжатого газа) снижается время нахождения материала проволок в расплавленном состоянии. Это обстоятельство препятствует завершению химических превращений в каплях на стадии полета до основы, соответственно требуемые структура и фазовый состав покрытия в этом случае не могут быть получены.
Задачей изобретения является повышение износостойкости, прочности сцепления с основой и прочности электродугового покрытия, получаемого из порошковой проволоки.
Эта задача решается за счет совершенствования состава порошкового сердечника, порошковой проволоки с учетом интенсификации газодинамического дробления расплавленных капель, увеличения скорости их полета и сопутствующих снижению пористости покрытия, повышению однородности его структуры, а именно порошковая проволока для электродугового напыления износостойких покрытий состоит из стальной оболочки и сердечника, материал которого содержит алюминий, железо, феррохром и дополнительно включает гематит и перманганат калия при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%: алюминий - 4,0... 6,0; железо - 17,0...19,0; феррохром - 5,0...7,0; гематит - 1,5...1,9; перманганат калия - 0,3...0,7 и остальное стальная оболочка.
В данном техническом решении содержание алюминия в количестве 4,0...6,0% способствует протеканию изотермической реакций по схеме
3МеО + 2АL --> Аl2О3 + 3Ме + Q,
где МеО - оксид металла, а Q - тепловая энергия, выделяющаяся при прохождении реакции.
3МеО + 2АL --> Аl2О3 + 3Ме + Q,
где МеО - оксид металла, а Q - тепловая энергия, выделяющаяся при прохождении реакции.
Выделение тепла в результате протекания таких реакций в слабо окислительной атмосфере продуктов сгорания воздуха с метаном способствует повышению температуры напыляемых частиц и, как следствие, повышению прочности сцепления напыленных покрытий с основой. Кроме того, оксид Аl2О3, являющийся результатом таких реакций, представляет прочную и плотную пленку, которая располагаясь на поверхности напыляемых частиц, препятствует насыщению материала частицы во время ее полета к основе газами из окружающей атмосферы. С другой стороны, Аl2O3 способствует образованию сложных шпинелеобразных оксидов, типа Аl2О3•Сr2О3, которые повышают прочность сцепления покрытия с основой. Причем применение проволоки с содержанием алюминия менее 4,0% приводит к снижению экзотермического эффекта реакций, уменьшению количества шпинелеобразных оксидов, насыщению материала частиц газами из окружающей атмосферы и, как следствие, снижению прочности сцепления покрытия с основой, с одной стороны. С другой стороны, недостаточное количество алюминия отрицательно сказывается на выделение в структуре материала покрытия углерода в виде графита, что ухудшает триботехнические свойства покрытия и уменьшает их износостойкость. Содержание Аl более 6,0% приводит к чрезмерному количеству выделяющегося углерода (образующегося как из продуктов распада метана, так и феррохрома) в виде графита, что снижает твердость покрытия и соответственно его износостойкость. Железо, вводимое в шихту в виде порошка, в количестве 17,0. . .19,0% применяется с целью обеспечения экзотермических реакций его с кислородом, с последующим взаимодействием полученных оксидов железа с алюминием и выделением дополнительной теплоты, о чем говорилось выше. Введение железа менее 17,0% не обеспечивает достаточного количества оксидов железа для последующих реакций с алюминием и, как следствие, понижает термический эффект реакции алюминотермии, а следовательно, понижает прочность сцепления покрытия с основой. Содержание железа более 19,0% приводит к излишнему количеству как оксидов, так и чистого железа (с учетом состава газовой атмосферы распыляющего потока) и нарушению оптимального соотношения между количеством оксидов и раскислителя, уменьшению количества выделяющейся теплоты и, как следствие, понижению прочности сцепления покрытия с основой.
Высокоуглеродистый (до 8,0% С) феррохром вводится с целью повышения прочности покрытия, является основным источником ввода углерода, а так же, как указывалось выше, способствует образованию сложных шпинелеобразных оксидов. Содержание феррохрома менее 5,0% понижает прочность покрытия, а следовательно, и его износостойкость, не обеспечивая введения достаточного количества углерода, т.е. понижается количество свободного углерода в виде графита в структуре покрытия, а следовательно, ухудшаются триботехнические свойства и понижается износостойкость, кроме того, не обеспечивается образование достаточного количества оксидов Сr2О3 для получения шпинелей, что понижает прочность сцепления.
Содержание феррохрома более 7,0% приводит к избыточному количеству в структуре покрытия свободного углерода в виде графита, что понижает твердость, т.е. ухудшает износостойкость.
В данном техническом решении введение гематита (следовательно, и кислорода) обусловлено необходимостью образования в ходе плавления шихты проволоки сложных шпинелеобразных оксидов. Содержание гематита менее 1,5% не обеспечивает образования достаточного количества простых и сложных оксидов по реакциям
2Сr + Fe2O3 --> Сr2O3 + 2Fe + Q1;
2Аl + Fe2O3 --> Аl2О3 + Fе + Q2.
2Сr + Fe2O3 --> Сr2O3 + 2Fe + Q1;
2Аl + Fe2O3 --> Аl2О3 + Fе + Q2.
Это понижает количество дополнительно выделяемой теплоты, что в конечном счете понижает прочность сцепления покрытия с основой.
Повышение содержания гематита более 1,9% приводит к избыточному содержанию оксидов железа Fe2О3 в структуре покрытия, снижению его прочности, а следовательно, износостойкости.
Перманганат калия в данном техническом решении вводится как катализатор экзотермических реакций МnО2 в расплаве и служит для повышения полноты их протекания в сверхзвуковом распыляющем потоке и повышения количества выделяющегося тепла, а следовательно, повышения прочности сцепления. Попутно уменьшается вязкость расплава на стадии плавления шихты проволоки, что приводит к снижению размеров капель напыляемого материала, а следовательно, повышению прочности покрытия и соответственно увеличению его износостойкости. Перманганат калия при нагревании разлагается по следующей схеме
2КМnO4 --> К2О + 2МnО2 + 3/2О2;
К2О --> 2K+ + О2 2-.
2КМnO4 --> К2О + 2МnО2 + 3/2О2;
К2О --> 2K+ + О2 2-.
Образующиеся ионы калия К+ благоприятно влияют на процесс стабилизации горения дуги, обдуваемой сверхзвуковым потоком продуктов сгорания воздуха с метаном.
Введение в шихту КМnО4 менее 0,3% не обеспечивает достаточного количества катализатора, что негативно сказывается в конечном счете на прочности сцепления покрытия с основой. Наличие более 0,7% КМnО4 ведет к появлению в расплаве шихты проволоки избыточного количества кислорода и, в конечном счете, понижает прочность покрытия и его износостойкость.
Примеры осуществления изобретения
Заявляемая порошковая проволока разработана для нанесения износостойких покрытий методом электродугового напыления на тяжело нагруженные детали. Покрытие напыляли на шейки локомотивного коленчатого вала Ganz Mavag дизеля 12VFE17/24.
Заявляемая порошковая проволока разработана для нанесения износостойких покрытий методом электродугового напыления на тяжело нагруженные детали. Покрытие напыляли на шейки локомотивного коленчатого вала Ganz Mavag дизеля 12VFE17/24.
1. Оптимальный традиционный процесс электродугового напыления.
Режим напыления: обдувающий газ-воздух; температура обдувающего газа - 20oС; скорость обдувающего газа - 330 м/с; число Маха - 1; расход воздуха - 80 м3/ч; ток дуги - 260 А; напряжение на дуге - 36 В; дистанция напыления - 120 мм; скорость полета расплавленных капель - 80 м/с.
Свойства покрытия:
толщина покрытия - 2,0 мм;
пористость покрытия - 8,0%;
прочность сцепления покрытия с основой - 45 МПа;
степень избыточной окисленности - 7,5%;
средняя микротвердость - 320 Hμ;
максимальная микротвердость - 800 Hμ;
износостойкость по отношению к ст.45 - 1,5.
толщина покрытия - 2,0 мм;
пористость покрытия - 8,0%;
прочность сцепления покрытия с основой - 45 МПа;
степень избыточной окисленности - 7,5%;
средняя микротвердость - 320 Hμ;
максимальная микротвердость - 800 Hμ;
износостойкость по отношению к ст.45 - 1,5.
2. Оптимальный процесс электродугового напыления в сверхзвуковом потоке продуктов сгорания метана с воздухом.
Режим напыления:
обдувающий газ - продукты сгорания воздуха с метаном;
температура обдувающего газа - 1600oС;
скорость обдувающего газа - 1100 м/с;
число Маха - 1,4;
расход смеси - 30 м3/ч;
ток дуги - 200 А;
напряжение на дуге - 37 В;
дистанция напыления - 220 мм;
скорость полета расплавленных капель - 300 м/с.
обдувающий газ - продукты сгорания воздуха с метаном;
температура обдувающего газа - 1600oС;
скорость обдувающего газа - 1100 м/с;
число Маха - 1,4;
расход смеси - 30 м3/ч;
ток дуги - 200 А;
напряжение на дуге - 37 В;
дистанция напыления - 220 мм;
скорость полета расплавленных капель - 300 м/с.
Свойства покрытия:
толщина покрытия - 2,0 мм;
пористость покрытия - 1,5 %;
прочность сцепления покрытия с основой - 65 МПа;
степень избыточной окисленности - 2,0 %;
средняя микротвердость - 400 Hμ;
максимальная микротвердость - 1000 Hμ;
износостойкость по отношению к ст.45 - 2,0.
толщина покрытия - 2,0 мм;
пористость покрытия - 1,5 %;
прочность сцепления покрытия с основой - 65 МПа;
степень избыточной окисленности - 2,0 %;
средняя микротвердость - 400 Hμ;
максимальная микротвердость - 1000 Hμ;
износостойкость по отношению к ст.45 - 2,0.
Заявляемый состав порошковой проволоки обеспечивает повышенные (в 1,5... 2,0 раза) служебные характеристики покрытия, полученного методом электродугового напыления. Восстановленные коленчатые валы дизеля 12VFE17/24 в количестве 50 шт. наработали ресурс 600-800 тыс. километров, что в 1,5-2 раза превышает ресурс нового коленчатого вала.
Claims (1)
- Порошковая проволока для электродугового напыления износостойких покрытий, состоящая из стальной оболочки и сердечника, отличающаяся тем, что материал сердечника содержит алюминий, феррохром, железо, гематит и перманганат калия при следующих соотношениях компонентов, мас. %:
Алюминий - 4,0-6,0
Феррохром - 5,0-7,0
Железо - 17,0-19,0
Гематит - 1,5-1,9
Перманганат калия - 0,3-0,7
Стальная оболочка - Остальное
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA2001096178 | 2001-09-07 | ||
| UA2001096178A UA66911C2 (en) | 2001-09-07 | 2001-09-07 | A powdered wire for electric arc spraying of wear-resistant coatings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2215817C2 true RU2215817C2 (ru) | 2003-11-10 |
Family
ID=34391188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001134155/02A RU2215817C2 (ru) | 2001-09-07 | 2001-12-19 | Порошковая проволока для электродугового напыления износостойкого покрытия |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2215817C2 (ru) |
| UA (1) | UA66911C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485213C1 (ru) * | 2012-04-24 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВПО ОрелГАУ) | Способ нанесения покрытий |
| RU2613118C2 (ru) * | 2015-05-20 | 2017-03-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии |
-
2001
- 2001-09-07 UA UA2001096178A patent/UA66911C2/xx unknown
- 2001-12-19 RU RU2001134155/02A patent/RU2215817C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485213C1 (ru) * | 2012-04-24 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВПО ОрелГАУ) | Способ нанесения покрытий |
| RU2613118C2 (ru) * | 2015-05-20 | 2017-03-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| UA66911C2 (en) | 2004-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2099396C (en) | Thermally spraying metal/solid lubricant composites using wire feedstock | |
| Herman et al. | Thermal spray: current status and future trends | |
| CN1172864A (zh) | 将热喷涂层粘合到非粗糙铝表面的方法 | |
| US20060193993A1 (en) | High temperature spray dried composite abradable powder for combustion spraying and abradable barrier coating produced using same | |
| US9487660B2 (en) | Wire-like spray material, functional layer which can be produced therewith and process for coating a substrate with a spray material | |
| US20020051851A1 (en) | Method of applying a ferrous coating to a substrate serving as a cylinder working surface of a combustion engine block | |
| Gui et al. | Aluminum hybrid composite coatings containing SiC and graphite particles by plasma spraying | |
| JPH0796700B2 (ja) | ア−クガン溶射用の複合ワイヤ | |
| GB2148166A (en) | A process for treating the surface of a metallic material | |
| JPH10280120A (ja) | フラックス入りワイヤーを用いた金属被覆の溶射方法 | |
| Vespa et al. | Analysis of WC/Ni-based coatings deposited by controlled short-circuit MIG welding | |
| US10721813B2 (en) | Arrangement and process for thermal spray coating vehicle components with solid lubricants | |
| EP0163020A1 (en) | Aluminium and cobalt coated thermal spray powder | |
| Morks et al. | Splat morphology and microstructure of plasma sprayed cast iron with different preheat substrate temperatures | |
| JPH01222040A (ja) | 耐磨耗性被覆物質 | |
| EP0254324B1 (en) | A thermal spray wire | |
| Ahn et al. | Improvement of wear resistance of plasma-sprayed molybdenum blend coatings | |
| US20060014032A1 (en) | Thermal spray coating process and thermal spray coating materials | |
| RU2215817C2 (ru) | Порошковая проволока для электродугового напыления износостойкого покрытия | |
| CN112281105B (zh) | 一种金属陶瓷复合涂层及其制备方法和应用 | |
| CN116516275A (zh) | 一种高耐腐蚀性Al基合金涂层、制备方法及其应用 | |
| JP4570549B2 (ja) | ブレーキ用ディスクロータ | |
| JP2003138367A (ja) | 溶射皮膜、溶射皮膜の形成方法及び溶射原料粉末 | |
| Verpoort et al. | Thermal spraying of nano-crystalline coatings for Al-cylinder bores | |
| Bang et al. | Understanding of microstructures and mechanical properties of thermal sprayed Ni-based coatings with Al and Mo addition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20041220 |