RU2532653C2

RU2532653C2 - Method for manufacturing of antifriction recovery coating at steel product (versions)

Info

Publication number: RU2532653C2
Application number: RU2012146048/02A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Юркевич; Виктор Владимирович Яснов
Original assignee: Открытое акционерное общество "558 Авиационный ремонтный завод" (ОАО "558 АРЗ")
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-11-10
Also published as: RU2012146048A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: powdered material is accelerated in a convergent-divergent nozzle by a heated gas stream and applied to the product surface as the mixture of fine powders containing the following components, wt %: corundum - 1/4 at most of the mixture volume, aluminium - 1/10 at most of the mixture volume, copper - the remaining volume or corundum - 1/4 at most of the mixture volume, stannum - 1/10 at most of the mixture volume, copper - the remaining volume. Upon application of the above powdered material annealing is performed during 24-48 hours at temperature of 180-220°C. In particular embodiments of the invention TiC is introduced to the mix in quantity less than 0.17 of the mixture volume.

EFFECT: manufacturing of inexpensive and high-grade antifriction coating with good adhesion to steel products.

3 cl

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам для создания антифрикционных и восстановительного покрытий методом газодинамического напыления на подложках из сталей, применяемых в технологических процессах восстановления деталей в узлах машин, в том числе, и авиационной техники.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to methods for creating anti-friction and restoration coatings by gas-dynamic spraying on steels made of steel, used in technological processes for the restoration of parts in machine components, including aircraft.

Классическим примером антифрикционных покрытий служит бронза. Классическая бронза представляет собой сплав меди с оловом (с различным процентным содержанием обоих компонентов). В промышленности чаще всего используется бронза с различными примесями, такими как фосфор, никель, марганец, алюминий. Антикоррозионные и антифрикционные свойства бронз позволяют использовать покрытия из них для защиты от коррозии и для снижения коэффициентов трения [1].A classic example of anti-friction coatings is bronze. Classical bronze is an alloy of copper with tin (with different percentages of both components). In industry, bronze with various impurities, such as phosphorus, nickel, manganese, and aluminum, is most often used. The anticorrosion and antifriction properties of bronzes allow the use of coatings from them to protect against corrosion and to reduce friction coefficients [1].

К наиболее распространенным методам получения антифрикционных и восстановительного покрытий относятся наплавка и напыление. Такие методы отличаются высокой производительностью и пригодны для получения покрытий на наружных поверхностях. Электроконтактная наплавка позволяет наплавлять материалы различной формы, с различными физико-механическими свойствами (стальные ленты, порошки, проволоки толщиной наплавленного слоя от 0,2-1,5 мм). Однако при наплавке медных сплавов данный способ не используется [2]. Получаемые вибродуговой наплавкой покрытия характеризуется возможностью нанесения слоев толщиной 0,5-3 мм на наружные и внутренние поверхности стальных изделий, однако неравномерны по структуре и имеют большую пористость. Наплавка под слоем флюса - высокопроизводительный процесс получения слоев с необходимыми физико-механическими свойствами. Возможно получение наплавленных слоев толщиной 0,8-10 мм. При этом в процессе наплавки происходит высокий нагрев детали и значительное перемешивание основного и присадочного металлов. Наплавка плавящимся электродом характеризуется повышенным разбрызгиванием металла (до 15%) и значительным перемешиванием основного и присадочного металлов [3], по отношению к наплавке неплавящимся электродом. Использование аргонодуговой наплавки неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки позволяет получить меньшее термическое влияние, чем при вибродуговой наплавке [4]. Газопламенное и плазменное напыление и металлизация наиболее эффективно применяется при нанесении тонких слоев 0,02-0,3 мм. Твердость исходного металла выше твердости покрытия, что объясняется наличием окисных прослоек между частицами и неоднородностью покрытия. Покрытия обладают высокой пористостью [3]. Плазменная наплавка характеризуется высокой производительностью процесса, при этом в зависимости от выбранной схемы ведения процесса возможно получение меньшей глубины проплавления, чем при дуговых способах наплавки. Однако при этом способе значителен расход плазмообразующего газа [5].The most common methods for producing anti-friction and restoration coatings include surfacing and spraying. Such methods are characterized by high performance and are suitable for producing coatings on external surfaces. Electrical contact surfacing allows surfacing of materials of various shapes, with different physical and mechanical properties (steel tapes, powders, wires with a deposited layer thickness of 0.2-1.5 mm). However, when surfacing copper alloys, this method is not used [2]. The coatings obtained by vibration arc surfacing are characterized by the possibility of applying layers of a thickness of 0.5-3 mm on the outer and inner surfaces of steel products, however, they are uneven in structure and have a large porosity. Surfacing under a flux layer is a high-performance process for producing layers with the necessary physical and mechanical properties. It is possible to obtain deposited layers with a thickness of 0.8-10 mm. At the same time, in the process of surfacing there is a high heating of the part and significant mixing of the base and filler metals. Surfacing with a consumable electrode is characterized by increased spraying of metal (up to 15%) and significant mixing of the base and filler metals [3], in relation to surfacing with a consumable electrode. The use of argon-arc surfacing with a non-consumable electrode with filler wire feed allows to obtain a lower thermal effect than with a vibro-arc surfacing [4]. Gas-flame and plasma spraying and metallization are most effectively used when applying thin layers of 0.02-0.3 mm. The hardness of the starting metal is higher than the hardness of the coating, which is explained by the presence of oxide interlayers between the particles and the heterogeneity of the coating. Coatings have high porosity [3]. Plasma surfacing is characterized by high productivity of the process, and depending on the selected process control scheme, it is possible to obtain a lower penetration depth than with arc welding methods. However, with this method, the consumption of plasma-forming gas is significant [5].

Использование наплавки при получении бронзовых покрытий на стали является довольно сложным процессом. Основными проблемами при этом методе являются: образование оксидных включений (из-за высокой температуры сплавообразования), и как следствие, зарождение газовых пор и пористость полученных покрытий. При наплавке, из-за различий в температурном интервале кристаллизации, часто возникают трещины, особенно велика вероятность их возникновения в приграничных слоях подложка - покрытие [6]. Возникновение кристаллизационных трещин в процессе наплавки бронзы на сталь, в значительной степени, связано с содержанием железа в шве, что отрицательно сказывается на характере кристаллизации сплава, из-за превышения критической величины растягивающих напряжений.The use of surfacing in obtaining bronze coatings on steel is a rather complicated process. The main problems with this method are: the formation of oxide inclusions (due to the high temperature of alloy formation), and as a result, the nucleation of gas pores and the porosity of the resulting coatings. During surfacing, due to differences in the temperature range of crystallization, cracks often arise, and the probability of their occurrence in the boundary layers of the substrate - coating is especially high [6]. The occurrence of crystallization cracks in the process of bronze deposition on steel is, to a large extent, related to the iron content in the weld, which negatively affects the character of crystallization of the alloy, due to exceeding the critical value of tensile stresses.

Метод газодинамического нанесения покрытий является хорошей альтернативой при нанесении покрытий. Такой метод нанесения позволяет создавать покрытия без значительного нагревания напыляемого порошка. Благодаря особенностям газодинамического формирования полученные покрытия обладают низкой пористостью. Известен способ получения антифрикционного покрытия (7), который включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле, потоком газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков, один из которых алюминий или медь. Данный аналог наиболее близкий, т.е. прототип. Но полученные таким способом покрытия имеют ограничение, так как при напылении в качестве одного из компонентов порошкового материала используют материал подложки, и данный способ не применим при создании антифрикционного и восстановительных покрытия на подложке, например, из стали 30ХГСА. А часто требуется покрывать детали другим металлом с другими свойствами, из которого они изготовлены, например металлом, который в паре трения работает лучше, чем основной.The gas-dynamic coating method is a good alternative to coating. This method of application allows you to create coatings without significant heating of the sprayed powder. Due to the features of gas-dynamic formation, the resulting coatings have low porosity. A known method of obtaining an antifriction coating (7), which includes accelerating a powder material in a supersonic nozzle by a gas stream and applying a powder material containing a mixture of fine powders, one of which is aluminum or copper, to the surface of the product. This analogue is the closest, i.e. prototype. But the coatings obtained in this way have a limitation, since when spraying, the substrate material is used as one of the components of the powder material, and this method is not applicable when creating antifriction and restorative coatings on the substrate, for example, from 30KhGSA steel. And often it is required to cover parts with another metal with different properties from which they are made, for example metal, which works better in friction pair than the main one.

Задача, на которую направлено данное изобретение, - получение недорогого и качественного антифрикционного и восстановительного покрытия с хорошей адгезией на подложках из сталей, применимых в технологических процессах восстановления деталей и узлов машин, в том числе, авиационной техники.The task to which this invention is directed is to obtain an inexpensive and high-quality anti-friction and restoration coating with good adhesion on steels made of steel, applicable in the technological processes of restoration of machine parts and assemblies, including aircraft.

Данная задача решается тем, что способ получения антифрикционного и восстановительного покрытия, по варианту 1, включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле потоком нагретого газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков, один из которых алюминий или медь. Отличия в том, что смесь состоит из порошков Сu, Аl и Аl₂O₃, причем корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, алюминий - не более 1/10 части по объему в смеси, а медь остальное; с последующим в течение 24-48 часов отжигом детали с напыленным покрытием при температуре 180-220°C, в результате чего на поверхности детали образуется сплав типа бронзы.This problem is solved in that the method for producing an antifriction and recovery coating, according to embodiment 1, involves accelerating the powder material in the supersonic nozzle with a stream of heated gas and applying powder material containing a mixture of fine powders, one of which is aluminum or copper, to the surface of the product. The differences are that the mixture consists of powders of Cu, Al and Al ₂ O ₃ , and corundum is not more than 1/4 part by volume in the mixture, aluminum is not more than 1/10 part by volume in the mixture, and the rest is copper; followed by annealing of the part with a spray coating at a temperature of 180-220 ° C for 24-48 hours, as a result of which an alloy of the bronze type is formed on the surface of the part.

Способ получения антифрикционного и восстановительного покрытия, по варианту 2, включает ускорение порошкового материала в сверхзвуковом сопле, потоком нагретого газа и нанесение на поверхность изделия порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков, один из которых алюминий или медь. Отличия в том, что смесь состоит из порошков Сu, Sn и Аl₂О₃, причем корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, олово - не более 1/4 части по объему в смеси, а медь остальное, с последующим в течение 24-48 часов отжигом детали с напыленным покрытием при температуре 180-220°C, в результате чего на поверхности детали образуется сплав типа бронзы.The method of producing an anti-friction and reconditioning coating, according to embodiment 2, involves accelerating a powder material in a supersonic nozzle with a stream of heated gas and applying a powder material containing a mixture of fine powders, one of which is aluminum or copper, to the surface of the product. The differences are that the mixture consists of Cu, Sn, and Al ₂ O ₃ powders, with corundum making up no more than 1/4 part by volume in the mixture, tin no more than 1/4 part by volume in the mixture, and the rest with s followed by annealing of the part with a spray coating at a temperature of 180-220 ° C for 24-48 hours, as a result of which a bronze-type alloy is formed on the surface of the part.

Дополнительное отличие способа получения антифрикционного и восстановительного покрытия по варианту 3 в том, что в смесь, изготовленную по варианту 2, введен TiC в количестве не более 0,17 ее части по объему в смеси.An additional difference between the method of obtaining the antifriction and recovery coating according to option 3 is that TiC is added to the mixture made according to option 2 in an amount of not more than 0.17 part by volume in the mixture.

Данный способ позволяет получать недорогие антифрикционное и восстановительное покрытие, состоящее из твердых структурных составляющих в виде крупинок корунда и карбида титана, равномерно распределенных в мягкой, пластичной основной массе. Данное полученное антифрикционное покрытие по своим свойствам близко к бронзе.This method allows to obtain inexpensive antifriction and recovery coating, consisting of solid structural components in the form of grains of corundum and titanium carbide, uniformly distributed in a soft, plastic bulk. This anti-friction coating obtained is close in its properties to bronze.

Одновременное нанесение Сu и Аl показало наличие процесса окисления напыляемого материала при высоких температурах и недостаточную адгезию покрытия к основе при низких температурах нанесения газопорошковой смеси. Для улучшения адгезионных свойств, при низких температурах напыления покрытий, использовались добавки электрокорунда. При внедрении небольшого количества не более 1/4 части смеси частиц корунда, обладающих высокой твердостью, они обеспечивают роль твердых частиц в пластичной матрице. Полученные образцы покрытий с добавкой электрокорунда к смеси в количестве не более 25% показали удовлетворительную адгезию и были исследованы на микротвердость. Увеличение концентрации электрокорунда более 25% по объему привело к ограничению толщины напыляемых покрытий. В этом случае частицы Аl₂О₃начинают действовать как абразив, разрушая ранее полученное покрытие.Simultaneous deposition of Cu and Al showed the presence of a process of oxidation of the sprayed material at high temperatures and insufficient adhesion of the coating to the substrate at low temperatures of applying the gas-powder mixture. To improve the adhesive properties, at low coating spraying temperatures, additives of electrocorundum were used. When introducing a small amount of not more than 1/4 of a mixture of corundum particles having high hardness, they provide the role of solid particles in a plastic matrix. The obtained coating samples with the addition of electrocorundum to the mixture in an amount of not more than 25% showed satisfactory adhesion and were tested for microhardness. An increase in the concentration of electrocorundum by more than 25% by volume led to a limitation of the thickness of the sprayed coatings. In this case, Al ₂ O ₃ particles begin to act as an abrasive, destroying the previously obtained coating.

Эмпирическим путем получено, что оптимальная температура термической обработки покрытий, полученных данным способом, лежит в интервале 180-220°C. Дальнейшее увеличение температуры отжига приводит к снижению микротвердости покрытий. Оптимальное время термообработки лежит в диапазоне 24-48 часов. При этом антифрикционное покрытие обладает высокой адгезией.Empirically, it was found that the optimum temperature of the heat treatment of coatings obtained by this method lies in the range of 180-220 ° C. A further increase in the annealing temperature leads to a decrease in the microhardness of the coatings. The optimal heat treatment time lies in the range of 24-48 hours. Moreover, the antifriction coating has high adhesion.

Предложенное изобретение по варианту 1 осуществляется следующим способом. Методом гидродинамического напыления ускоряют порошковый материал в сверхзвуковом сопле, потоком нагретого в пределах 300-320°C газа и при давлении сжатого воздуха в 6 атм. и наносят на поверхность изделия из стали 30ХГСА порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков Сu, Аl и Аl₂О₃. Корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, алюминий - не более 1/10 части по объему в смеси, а медь остальное. Далее производят отжиг полученного покрытия в течение 24-48 часов. Температура отжига составляет 180-220°C.The proposed invention according to option 1 is carried out in the following way. The method of hydrodynamic spraying accelerates the powder material in a supersonic nozzle, a stream of gas heated within 300-320 ° C and at a pressure of compressed air of 6 atm. and applied to the surface of a product made of 30KhGSA steel powder material containing a mixture of finely divided powders Cu, Al and Al ₂ O ₃ . Corundum is not more than 1/4 part by volume in the mixture, aluminum is not more than 1/10 part by volume in the mixture, and the rest is copper. Next, annealing the resulting coating is carried out for 24-48 hours. The annealing temperature is 180-220 ° C.

Предложенное изобретение по варианту 2 осуществляется следующим способом. Методом гидродинамического напыления ускоряют порошковый материал в сверхзвуковом сопле, потоком нагретого в пределах 300-320°С газа и при давлении сжатого воздуха в 6 атм, и наносят на поверхность изделия из стали 30ХГСА порошкового материала, содержащего смесь мелкодисперсных порошков Сu, Sn и Аl₂О₃. Корунд составляет не более 1/4 части по объему в смеси, олово - не более 1/10 части по объему в смеси, а медь остальное. Далее производят отжиг полученного покрытия в течение 24-48 часов. Температура отжига составляет 180-220°С. Предложенные покрытия по вариантам 1 и 2 по своим свойствам близки к бронзе.The proposed invention according to option 2 is carried out in the following way. The method of hydrodynamic spraying accelerates the powder material in a supersonic nozzle, a stream of gas heated within 300-320 ° C and a compressed air pressure of 6 atm, and a powder material containing a mixture of finely dispersed powders Cu, Sn and Al ₂ is applied to the surface of a product made of 30KhGSA steel. About ₃ . Corundum is not more than 1/4 part by volume in the mixture, tin is not more than 1/10 part by volume in the mixture, and the rest is copper. Next, annealing the resulting coating is carried out for 24-48 hours. The annealing temperature is 180-220 ° C. The proposed coatings according to options 1 and 2 are close in their properties to bronze.

Для увеличения твердости покрытия (вариант 3) в смесь по варианту 2 введен TiC в количестве не более 0,17 ее части по объему в смеси, при этом средняя микротвердость такого покрытия соответствует твердости материала подложки (сталь 30ХГСА).To increase the hardness of the coating (option 3), TiC was added to the mixture according to option 2 in an amount of no more than 0.17 of its part by volume in the mixture, while the average microhardness of such a coating corresponds to the hardness of the substrate material (30KhGSA steel).

Введение термической обработки позволяет полученным покрытиям выдерживать максимальные нагрузки при испытаниях на трехточечный изгиб, по сравнению с образцами без термической обработки. Максимальная нагрузка, выдерживаемая термообработанными образцами при испытаниях на трехточечный изгиб, увеличивается почти в два раза.The introduction of heat treatment allows the resulting coatings to withstand maximum loads when tested for three-point bending, compared with samples without heat treatment. The maximum load withstand heat-treated samples when tested for three-point bending, almost doubles.

Полученные таким способом покрытия имеют высокую адгезию покрытия к подложке из стали. Покрытия из порошкового материала по варианту 3 обладают микротвердостью - до 2600 МПа.The coatings obtained in this way have high adhesion to the steel substrate. Coatings of powder material according to option 3 have a microhardness of up to 2600 MPa.

Разработанный способ нанесения антифрикционных и восстановительных покрытий на подложках из сталей позволяет снизить себестоимость ремонта с одновременным повышением качества покрытий.The developed method for applying anti-friction and restoration coatings on substrates made of steel allows to reduce the cost of repairs while improving the quality of coatings.

Источники информацииInformation sources

1. Газоплазменное напыление медью и сплавами // официальный сайт компании ЗАО «Плакарт» [Электронный pecуpс], 2009. Режим доступа: http://www.plackart.com/coatings/copper.html. Дата доступа: 20.12.2009.1. Gas plasma spraying of copper and alloys // official website of the company Plakart CJSC [Electronic Resources], 2009. Access mode: http://www.plackart.com/coatings/copper.html. Access date: 12/20/2009.

2. Дубровский, В.А. Восстановление деталей путевых машин электроконтактной наплавкой / В.А. Дубровский, В.В. Булычев, В.Н. Хабаров / Путь и путевое хозяйство. - 2001. - №2. - С.13-15.2. Dubrovsky, V.A. Restoration of details of track machines by electrical contact surfacing / V.A. Dubrovsky, V.V. Bulychev, V.N. Khabarov / Way and track facilities. - 2001. - No. 2. - S.13-15.

3. Хасуи, А. Наплавка и напыление / А. Хасуи, О. Моригаки. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.3. Khasui, A. Surfacing and spraying / A. Khasui, O. Morigaki. - M.: Mechanical Engineering, 1985 .-- 240 p.

4. Багрянский, К.В. Теория сварочных процессов / К.В. Багрянский, З.А. Добротина, К.К. Хренов. - М.: Высшая школа, 1976. - 424 с.4. Bagryansky, K.V. Theory of welding processes / K.V. Bagryansky, Z.A. Dobrotina, K.K. Fucking. - M .: Higher school, 1976.- 424 p.

5. Вайнерман, А.Е. Плазменная наплавка металлов / А.Е. Вайнерман. - Л.: Машиностроение, 1969. - 192 с.5. Weinerman, A.E. Plasma metal surfacing / A.E. Weinerman. - L .: Engineering, 1969 .-- 192 p.

6. Петров, Г.Л. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов / Г.Л. Петров, Н.Г. Буров, В.Р. Абрамович. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978. - 277 с. 7. Патент №2062820, России опубл. 27.06.1996 г. - прототип.6. Petrov, G.L. Technology and equipment for flame treatment of metals / G.L. Petrov, N.G. Burov, V.R. Abramovich. - L .: Mechanical engineering, Leningrad branch, 1978. - 277 p. 7. Patent No. 2062820, Russian publ. 06/27/1996, the prototype.

Claims

1. A method of obtaining an anti-friction restorative coating on a steel product, comprising accelerating a powder material in a supersonic nozzle with a stream of heated gas and applying a powder material in the form of a mixture of fine powders containing copper on the surface of the product, characterized in that the mixture additionally contains fine powders of aluminum and Al corundum ₂ O _3, the alumina is not more than 1/4 of the volume mixture of aluminum - not more than 1/10 of the volume mixture of copper and - the rest, while after application mentioned of the powder material to anneal for 24-48 hours at a temperature of 180-220 ° C.

2. A method of obtaining an anti-friction restorative coating on a steel product, comprising accelerating a powder material in a supersonic nozzle with a stream of heated gas and applying a powder material in the form of a mixture of fine powders containing copper on the surface of the product, characterized in that the mixture additionally contains fine powders of tin and corundum Al ₂ O ₃ , moreover, corundum is not more than 1/4 of the volume of the mixture, tin is not more than 1/10 of the volume of the mixture, and copper is the rest, while after applying the above pores The sinter material is annealed for 24-48 hours at a temperature of 180-220 ° C.

3. The method according to claim 2, characterized in that TiC is added to the mixture in an amount of not more than 0.17 part of the mixture volume.