RU2613118C2 - Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии - Google Patents

Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии Download PDF

Info

Publication number
RU2613118C2
RU2613118C2 RU2015119083A RU2015119083A RU2613118C2 RU 2613118 C2 RU2613118 C2 RU 2613118C2 RU 2015119083 A RU2015119083 A RU 2015119083A RU 2015119083 A RU2015119083 A RU 2015119083A RU 2613118 C2 RU2613118 C2 RU 2613118C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coatings
cored wire
flux cored
boron
yttrium
Prior art date
Application number
RU2015119083A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015119083A (ru
Inventor
Юрий Станиславович Коробов
Станислав Владимирович Невежин
Валентин Иванович Шумяков
Александр Николаевич Балин
Анатолий Адольфович Вишневский
Артур Миннахматович Кашфуллин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2015119083A priority Critical patent/RU2613118C2/ru
Publication of RU2015119083A publication Critical patent/RU2015119083A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2613118C2 publication Critical patent/RU2613118C2/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/14—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying for coating elongate material
    • C23C4/16—Wires; Tubes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Nonmetallic Welding Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковым проволокам для нанесения покрытий, и может быть использовано для защиты поверхности деталей, работающих в условиях воздействия частиц абразива и высоких температур. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащего, мас. %: хром 5,0-15,0, бор 1,0-5,0, алюминий 2,0-12,0, углерод 0,2-1,0, иттрий 0,5-1,0, железо остальное. Полученные покрытия имеют высокие характеристики микротвердости и жаростойкости. Повышается износостойкость и коррозионная стойкость деталей, работающих в условиях воздействия частиц абразива и высоких температур. 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области материалов для получения покрытий методами газотермического напыления, а именно к порошковым проволокам для получения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии, с использованием процесса дуговой металлизации, и может быть использовано для защиты поверхности деталей, работающих в условиях воздействия частиц абразива и высоких температур, например труб топочных экранов бойлеров тепловых электростанций.
Известна порошковая проволока [1], включающая оболочку из стали и сердечник, выполненный из шихты, в состав которой в различных сочетаниях введены порошок хрома металлического, железа и карбида бора, причем карбид бора содержит, мас. %: бора 88 и углерода 12. Химический состав указанной порошковой проволоки, мас. %: хром 18-28, бор 4-10, железо - основа.
В структуре покрытий, получаемых при дуговой металлизации данной проволокой, присутствуют, преимущественно, железо и хром Fe и Cr и в меньшей степени бориды Fe2B и оксиды Fe3O4. Указанные покрытия имеют микротвердость 708-800 HV100. Жаростойкость покрытий (показатель, обратный приросту массы) в 5 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали. Однако этого недостаточно для указанных выше областей применения [2]. Низкая жаростойкость обусловлена наличием в покрытии, получаемом при дуговой металлизации данной проволокой, преимущественно структурных составляющих с низкими защитными свойствами, боридов Fe2B и оксидов Fe3O4.
В качестве прототипа выбрана порошковая проволока [3], включающая оболочку из стали и сердечник, выполненный из шихты, химический состав указанной порошковой проволоки, мас. %: хром 5,5-9,0, бор 1,2-4,0, алюминий 2,5-10,0, железо - основа.
В структуре покрытий, получаемых при дуговой металлизации данной проволокой, присутствуют, преимущественно, железо и хром Fe и Cr, в меньшей степени оксиды Fe3O4 и Al2O3. Указанные покрытия имеют микротвердость 324-394 HV100. Микротвердость покрытий в 2-4 раза ниже в сравнении с показателями микротвердости и, соответственно, износостойкости покрытий [2]. Жаростойкость покрытий в 20 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали. К недостаткам прототипа относится низкая износостойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации данной проволокой.
Задачей технического решения является повышение износо- и коррозионной стойкости деталей, работающих в условиях воздействия частиц абразива и высоких температур.
Поставленная задача решается методом дуговой металлизации порошковой проволоки для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии, состоящей из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащей хром, бор, алюминий и отличающаяся тем, что дополнительно введены углерод и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %: хром 5,0-15,0%, бор 1,0-5,0%, алюминий 2,0-12,0%, углерод 0,2-1,0%, иттрий 0,5-1,0%, железо - основа.
В отличие от прототипа в состав шихты дополнительно введены углерод и иттрий, а также увеличено содержание хрома, бора и алюминия.
За счет введения в шихту углерода, хрома и бора покрытия, получаемые при дуговой металлизации предлагаемой порошковой проволокой, обладают высокой износостойкостью, так как в их структуре присутствуют в качестве упрочняющих фаз комплексные карбобориды (Fe, Cr)2(B, C). Данные карбобориды характеризуются высокой способностью противостоять разрушению абразивными частицами за счет высокой силы межатомных связей входящих в них элементов [4], характеризуемой теплотой образования, свободной энергией образования, температурой плавления и микротвердостью упрочняющих фаз.
Введение указанных легирующих в шихту в количествах, обеспечивающих содержание углерода, хрома и бора менее чем 0,2%, 5,0% и 1,0 мас. % соответственно, по результатам исследований [5] не позволяет обеспечить формирование в структуре металлизационных покрытий в достаточном количестве упрочняющих фаз комплексных карбоборидов, в результате они обладают низкой микротвердостью и, соответственно, износостойкостью.
В то же время введение указанных тугоплавких компонентов шихты (для компонентов содержащих хром, температура плавления от 1855°С, бор - от 2075°С [6]) в количествах, обеспечивающих содержание углерода, хрома и бора более чем 1,0%, 15,0% и 5,0 мас. % соответственно не позволяет обеспечить равномерный характер плавления порошковой проволоки при металлизации покрытий, в результате они обладают низкой жаростойкостью.
За счет введения в шихту алюминия и иттрия покрытия, получаемые при дуговой металлизации предлагаемой порошковой проволокой, обладают высокой жаростойкостью из-за большого сродства алюминия и иттрия к кислороду (свободная энергия образования оксидов легирующих элементов, кДж/моль: Y2O3 - 1300; Al2O3 - 1120 [7]), что способствует снижению степени окисления частиц распыляемого материала и улучшению условий взаимодействия в контакте «частица-подложка». При нагреве на поверхности покрытий формируются комплексные оксиды (Fe, Al, Y)2O3 [8]. Данные оксиды характеризуются высокой температурой плавления, химической и термической стабильностью, низкой скоростью роста, высокой прочностью сцепления с основным металлом в процессе циклических нагревов (теплосмен).
Введение указанных легирующих в шихту в количествах, обеспечивающих содержание алюминия и иттрия менее чем 2,0% и 0,5 мас. % соответственно, по результатам исследований [9] не позволяет снизить степень окисления частиц распыляемого материала и обеспечить формирование на поверхности при нагреве металлизационных покрытий в достаточном количестве комплексных оксидов, в результате они обладают низкой жаростойкостью.
В то же время введение указанных легирующих в шихту в количествах, обеспечивающих содержание алюминия и иттрия более чем 12,0%, и 1,0 мас. % соответственно, согласно данным различных авторов способствует снижению микротвердости покрытий и, соответственно, их износостойкости [10, 11].
Пример конкретного выполнения
По предложенному техническому решению изготовлена порошковая проволока с сердечником из шихты, в состав которой введены (в долях от массы проволоки): феррохром высокоуглеродистый ФХ650А 3-6%, ферро-хромбор ФХБ-1 6-26%, порошок алюминиевый ПА4 2-12%, алюмоиттрий АИ65 0,8-1,6%.
Покрытие толщиной 1,0 мм нанесено методом дуговой металлизации из разработанной проволоки (аппарат АДМ-10, ток 320 А, напряжение 34 В) на призмы 10×10×50 мм из стали Ст 3.
Микротвердость с поверхности металлизационных покрытий измеряли согласно ГОСТ 9450 на микротвердомере Leica VMHT AUTO при нагрузке 100 г, индентором служила алмазная пирамида с углом между противоположными гранями 136°.
Жаростойкость образцов покрытий определяли согласно ГОСТ 9.312 как величину, обратную приросту массы в результате выдержки в течение 100 часов при температуре 700°С.
Износостойкость определяли для образцов покрытий с размерами 10×10 мм путем совершения возвратно-поступательных движений по шлифовальной бумаге 14А по ГОСТ 6456 на основе электрокорунда. Путь трения образца за одно испытание при скорости движения 0,158 м/с устанавливался равным 60 м, нормальная удельная нагрузка на образец - равной 1 МПа, величина поперечного смещения шлифовальной бумаги на один двойной ход образца - равной 0,0012 м. Износостойкость образцов покрытий определяли как величину, обратную потере массы по результатам трех испытаний.
Техническим результатом является повышение микротвердости и жаростойкости покрытий, получаемых при дуговой металлизации из разработанной проволоки по сравнению с покрытиями, получаемыми из проволоки-прототипа в 4 и 3 раза соответственно.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в Таблице 1.
Для условий изнашивания с преимущественным разрушением поверхностного слоя под действием твердых абразивных частиц материалы с высокой твердостью отличаются также и высокой износостойкостью [12].
Авторами изобретения установлено, что для покрытий с высокой микротвердостью, получаемых при дуговой металлизации из разработанной порошковой проволоки, износостойкость на порядок выше, чем у низкоуглеродистых сталей. Так, потеря массы для стали Ст3 по результатам испытаний составляет 1,00 г, а для покрытия - 0,16 г.
Figure 00000001
Литература
1. CN 102703849 A Cored wire for preparing FeCrB coating through electric arc spraying and coating preparation method.
2. Wielage В., Pokhmurska H., Student M., Gvozdeckii V., Stupnyckyj Т., Pokhmurskii V. Iron-based coatings arc-sprayed with cored wires for applications at elevated temperatures. Surface Coatings Technology, 2013, 220, pp. 27-35.
3. CN 103233195 A Powder-core wire for preparing iron-base corrosion-resistant coating by arc spraying and preparation method of coating.
4. Крагельский, И.В. Трение и износ. - М.: Машгиз, 1962. - 383 с.
5. Коробов Ю.С., Невежин С.В., Верхорубов B.C., Ример Г.А., Кашфуллин A.M. Исследование влияния технологических параметров дуговой металлизации на адгезионную прочность покрытий. Сварка и диагностика, 2015, №1, с. 24-26.
6. Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.
7. Кулик А.Я., Борисов Ю.С. Газотермическое напыление композиционных порошков. - Л.: Машиностроение, 1985. - 199 с.
8. Невежин С.В. Совершенствование состава проволок для дуговой металлизации жаростойких покрытий на основе нейросетевого моделирования. Автореф. дис. канд. тех. наук. - Екатеринбург, 2014. - 24 с.
9. Коробов Ю.С., Невежин С.В., Верхорубов B.C., Ример Г.А. Разработка порошковых проволок для дуговой металлизации жаростойких покрытий на основе нейросетевого моделирования. Сварка и диагностика, 2014, №5, с. 18-23.
10. Похмурский В.И., Студент М.М., Довгунык В.М., Сидорак И.И. Порошковые проволоки систем FeCrB+Al и FeCr+Al+C для электродуговой металлизации. Автоматическая сварка, 2002, №3, с. 32-35.
11. Не D.Y., Jiang J.M., Sha P., Li X.Y., Shi Y.W. Effect of Rare Earth Elements on the Wear Resistance of Iron-Based Thermal Sprayed Coatings. ITSC 2004. ASM International. 2004. pp. 1463-1466.
12. Тененбаум M.M. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. - М.: Машиностроение, 1966. - 322 с.

Claims (4)

  1. Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии, состоящая из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащей железо, хром, бор и алюминий, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит углерод и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
  2. хром 5,0-15,0 бор 1,0-5,0 алюминий 2,0-12,0 углерод 0,2-1,0
  3. иттрий 0,5-1,0
  4. железо основа
RU2015119083A 2015-05-20 2015-05-20 Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии RU2613118C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015119083A RU2613118C2 (ru) 2015-05-20 2015-05-20 Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015119083A RU2613118C2 (ru) 2015-05-20 2015-05-20 Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015119083A RU2015119083A (ru) 2016-12-10
RU2613118C2 true RU2613118C2 (ru) 2017-03-15

Family

ID=57759887

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015119083A RU2613118C2 (ru) 2015-05-20 2015-05-20 Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2613118C2 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5635255A (en) * 1995-05-31 1997-06-03 Samsung Heavy Industries Co., Ltd. Method for producing corrosion and wear resistant member by coating substrate with an iron alloy material powder
RU2215817C2 (ru) * 2001-09-07 2003-11-10 Общество с ограниченной ответственностью ТОПАС Порошковая проволока для электродугового напыления износостойкого покрытия
RU2394936C2 (ru) * 2008-10-09 2010-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Центр трансферта технологий" Способ получения газотермических покрытий из порошковых проволок
US20130052361A1 (en) * 2010-03-19 2013-02-28 Marcella Wilson Croopnick Iron-chromium-molybdenum-based thermal spray powder and method of making of the same
CN103233195A (zh) * 2013-04-25 2013-08-07 北京工业大学 一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的粉芯丝材及涂层制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5635255A (en) * 1995-05-31 1997-06-03 Samsung Heavy Industries Co., Ltd. Method for producing corrosion and wear resistant member by coating substrate with an iron alloy material powder
RU2215817C2 (ru) * 2001-09-07 2003-11-10 Общество с ограниченной ответственностью ТОПАС Порошковая проволока для электродугового напыления износостойкого покрытия
RU2394936C2 (ru) * 2008-10-09 2010-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Центр трансферта технологий" Способ получения газотермических покрытий из порошковых проволок
US20130052361A1 (en) * 2010-03-19 2013-02-28 Marcella Wilson Croopnick Iron-chromium-molybdenum-based thermal spray powder and method of making of the same
CN103233195A (zh) * 2013-04-25 2013-08-07 北京工业大学 一种用于电弧喷涂制备铁基耐腐蚀涂层的粉芯丝材及涂层制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015119083A (ru) 2016-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Buytoz et al. In situ synthesis of SiC reinforced MMC surface on AISI 304 stainless steel by TIG surface alloying
Tong et al. Thermal fatigue resistance of non-smooth cast iron treated by laser cladding with different self-fluxing alloys
Wang et al. Microstructure and properties of laser cladding FeCrBSi composite powder coatings with higher Cr content
Gülenç et al. Wear behaviour of bulldozer rollers welded using a submerged arc welding process
CN110004392B (zh) 一种耐高温腐蚀耐磨损的非晶态热喷涂材料
Feifei et al. Effect of rare earth oxides on the morphology of carbides in hardfacing metal of high chromium cast iron
Abdolahi et al. Improvement of the corrosion behavior of low carbon steel by laser surface alloying
Li et al. Microstructure and high-temperature oxidation behavior of wire-arc sprayed Fe-based coatings
Jian et al. Effect of RE oxide on growth dynamics of primary austenite grain in hardfacing layer of medium-high carbon steel
Yang et al. Mechanical properties of the hypereutectoid Fe–Cr–C hardfacing coatings with different nano-Y2O3 additives and the mechanism analysis
Sharma et al. Surface hardening by in-situ grown composite layer on microalloyed steel employing TIG arcing process
Varbai et al. Effects of active fluxes in gas metal arc welding
RU2613118C2 (ru) Порошковая проволока для нанесения покрытий, стойких к абразивному износу и высокотемпературной коррозии
Luo et al. Oxidation behavior of arc-sprayed FeMnCrAl/Cr3C2–Ni9Al coatings deposited on low-carbon steel substrates
Hou et al. Fe–0.4 wt.% C–6.5 wt.% Cr hardfacing coating: Microstructures and wear resistance with La2O3 additive
CN109355656A (zh) 一种用于激光熔覆的药芯焊丝
Sharma et al. Surface modification of microalloyed steel by silicon carbide reinforcement using tungsten inert gas arcing
RU206282U1 (ru) Порошковая проволока для наплавки деталей, подверженных высокому абразивному износу
Luo et al. Thermal shock resistance of FeMnCrAl/Cr3C2–Ni9Al coatings deposited by high velocity arc spraying
JP2010275581A (ja) 鉄系溶射被膜
Eremin et al. The properties of chromium steel overlaying used as a hardening coating for stop valve sealing surface
RU2781578C1 (ru) Порошковая проволока для нанесения жаростойкого покрытия на основе алюминида железа на поверхность изделий, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии
Weglowski et al. Remelting of thermal spraying coatings-technologies, properties and applications
Röttger et al. Influence of post-treatment on the microstructural evolution of thermally sprayed Fe-base MMC containing TiC and Cr3C2
戴红 et al. Effect of the heat input on microstructure and properties of submerged arc welded joint of 08Cr19MnNi3Cu2N stainless steel

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180521

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190827