RU2780616C1 - Method for application of heat-proof wear-resistant coating on cast iron and steel parts - Google Patents
Method for application of heat-proof wear-resistant coating on cast iron and steel parts Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780616C1 RU2780616C1 RU2022107667A RU2022107667A RU2780616C1 RU 2780616 C1 RU2780616 C1 RU 2780616C1 RU 2022107667 A RU2022107667 A RU 2022107667A RU 2022107667 A RU2022107667 A RU 2022107667A RU 2780616 C1 RU2780616 C1 RU 2780616C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- wear
- heat
- cast iron
- carbide
- Prior art date
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 8
- 229910001208 Crucible steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 33
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N Chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims abstract description 13
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N Tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 10
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910018138 Al-Y Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- -1 45-35 Chemical compound 0.000 claims abstract 2
- 238000005270 abrasive blasting Methods 0.000 claims description 5
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 6
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005296 abrasive Methods 0.000 abstract 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 10
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 7
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 238000011068 load Methods 0.000 description 5
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium monoxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical group [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001141 Ductile iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000677 High-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015621 MoO Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N N#B Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910000476 molybdenum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010705 motor oil Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N oxomolybdenum Chemical compound [Mo]=O PQQKPALAQIIWST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010451 perlite Substances 0.000 description 1
- 235000019362 perlite Nutrition 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники.The invention relates to the field of chemical-thermal treatment of metals and alloys and can be used in mechanical engineering to improve the wear resistance of parts of the cylinder-piston group of automotive equipment.
Известны способы нанесения конденсационных и диффузионных покрытий, каждый из которых имеет свои разновидности (см. Коломыцев П.Т. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1991 г. 236 с).Known methods of applying condensation and diffusion coatings, each of which has its own varieties (see Kolomytsev PT High-temperature protective coatings for nickel alloys. M.: Metallurgy, 1991, 236 s).
Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок.Heat-shielding coatings are characterized by lower thermal conductivity, but crack and flake off during thermal cycles under the action of thermomechanical loads.
Для обеспечения работоспособности деталей цилиндропоршневой группы эффективно применяются электролитические хромовые покрытия и теплозащитные покрытия, полученные методом электронно-лучевого напыления или плазменного осаждения на воздухе или в вакууме (см. Повышение износостойкости деталей двигателей внутреннего сгорания. М.М.Хрущев, - М. Машиностроение, 1972 г.).To ensure the performance of parts of the cylinder-piston group, electrolytic chromium coatings and heat-shielding coatings obtained by electron beam spraying or plasma deposition in air or in vacuum are effectively used (see Improving the wear resistance of internal combustion engine parts. M.M. Khrushchev, - M. Mashinostroenie, 1972).
Электролитические хромовые покрытия в основном удовлетворяют указанным требованиям действующих производств. Твердость указанных покрытий находится на уровне 900-1000 HV, адгезионная прочность - до 700 кг/см2, сравнительно низкий коэффициент трения, удовлетворительная прирабатываемость и масловпитываемость, высокая теплопроводность.Electrolytic chromium coatings generally meet the specified requirements of existing industries. The hardness of these coatings is at the level of 900-1000 HV, adhesive strength - up to 700 kg/cm 2 , relatively low coefficient of friction, satisfactory run-in and oil absorption, high thermal conductivity.
Однако из-за невозможности нанесения электролитических хромовых осадков более 200 мкм ресурс их порой ниже ресурса двигателей до 1-го ремонта. А повышение твердости покрытия снижает прирабатываемость кольца в гильзе и требует высокой точности изготовления колец. Из-за недостаточной толщины покрытия последующая обработка под геометрию гильзы достаточно затруднительна и трудоемка.However, due to the impossibility of applying electrolytic chromium deposits of more than 200 microns, their resource is sometimes lower than the engine resource before the 1st repair. And an increase in the hardness of the coating reduces the run-in of the ring in the sleeve and requires high precision in the manufacture of rings. Due to the insufficient thickness of the coating, subsequent processing to the geometry of the sleeve is rather difficult and time-consuming.
Электролитический хром неудовлетворительно работает на трение и изнашивание при высоких температурах из-за резкого снижения твердости (при 300°С твердость составляет 800 кг/мм2, а при 700°С - 200 кг/мм2). Так как полиморфного превращения в хромовых осадках нет, то термообработкой твердость покрытий не повышается. Если покрытие имеет недостаточную пористость, то при температуре свыше 300°С твердый хром в условиях неудовлетворительной смазки неработоспособен - возникают прижоги, задиры. Локальное повышение температуры приводит к интенсивному размягчению, схватыванию, скалыванию покрытий. В процессе наработки пористый слой значительно разупрочняется из-за усталостного изнашивания в условиях повышенных температур. Так как температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) хромовых покрытий ниже материала кольца (чугун, сталь), то в покрытии могут возникать растягивающие напряжения, способствующие термоциклическому и коррозионному растрескиванию покрытий. В дизельных двигателях, в результате присутствия в топливе серы, возможно образование серной кислоты, что может привести к влажной коррозии и образовании при контакте с цилиндром гальванической пары.Electrolytic chromium works poorly on friction and wear at high temperatures due to a sharp decrease in hardness (at 300°C, the hardness is 800 kg/mm 2 , and at 700°C - 200 kg/mm 2 ). Since there is no polymorphic transformation in chromium deposits, the hardness of the coatings does not increase by heat treatment. If the coating has insufficient porosity, then at temperatures above 300 ° C, hard chromium is inoperable under conditions of poor lubrication - burns and scuffs occur. A local increase in temperature leads to intense softening, setting, and chipping of coatings. In the process of operating time, the porous layer is significantly weakened due to fatigue wear at elevated temperatures. Since the temperature coefficient of linear expansion (TCLE) of chromium coatings is lower than the material of the ring (cast iron, steel), tensile stresses can occur in the coating, which contribute to thermal cycling and corrosion cracking of the coatings. In diesel engines, as a result of the presence of sulfur in the fuel, the formation of sulfuric acid is possible, which can lead to wet corrosion and the formation of galvanic couples on contact with the cylinder.
Известен способ нанесения высокотемпературного композиционного материала для уплотнительного покрытия (патент на изобретение РФ №2303649, опубл. 27.07.2007 г., бюл. №21), содержащий диоксид циркония стабилизированный оксидом иттрия с добавлением нитрида бора и нихромовое волокно. Данное покрытие повышает термостойкость при высоких температурах (1000°С), что не является необходимым при работе деталей автотракторной техники.A method is known for applying a high-temperature composite material for a sealing coating (patent for the invention of the Russian Federation No. 2303649, publ. 07.27.2007, bull. No. 21), containing zirconium dioxide stabilized with yttrium oxide with the addition of boron nitride and nichrome fiber. This coating increases heat resistance at high temperatures (1000°C), which is not necessary for the operation of automotive parts.
Известно жаростойкое металлокерамическое покрытие (патент на изобретение РФ №2309194, опубл. 20.06.2006 г., бюл. №30) с чередующимися жаростойкими и жаропрочными слоями металлокерамики для противодействия ударно-термическому воздействию, но очень дорогое и не эффективное при работе на трение и изнашивание.A heat-resistant cermet coating is known (patent for the invention of the Russian Federation No. 2309194, publ. 20.06.2006, bull. No. 30) with alternating heat-resistant and heat-resistant layers of cermet to counteract shock-thermal effects, but very expensive and ineffective when working on friction and wear.
Известен способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий на основе композиции ZrO2 и NiCr, включающий плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50-80 вес. % диоксида циркония и 50-20 вес. % нихрома, имеющий в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония оксид кальция содержанием 4-6 вес. % (патент на изобретение РФ №2283363, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25). Изобретение обеспечивает повышение эрозионностойкости, термостойкости и адгезионной прочности покрытия, но имеет низкую износостойкость, так как содержит недостаточно износостойкие элементы в составе покрытия.A known method for producing erosion-resistant heat-shielding coatings based on the composition of ZrO 2 and NiCr, including plasma spraying of a nichrome sublayer and subsequent spraying of a cermet composition from a mechanical powder mixture containing 50-80 wt. % zirconium dioxide and 50-20 wt. % nichrome, having calcium oxide as a stabilizing additive in zirconium dioxide powder with a content of 4-6 wt. % (patent for the invention of the Russian Federation No. 2283363, published on September 10, 2006, bull. No. 25). The invention provides an increase in erosion resistance, heat resistance and adhesive strength of the coating, but has low wear resistance, since it contains insufficiently wear-resistant elements in the coating composition.
Наиболее близким техническим решением является способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали включающий плазменное напыление подслоя состава Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из порошковой смеси состава 20-50 вес. % нихрома, 50-20 вес. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, 20 вес. % карбида хрома, 10 вес. % карбида вольфрама, а в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет 4-7 вес. % (патент на изобретение РФ №2425906, опубл. 10.08.2011 г., бюл. №22), принятого за прототип.The closest technical solution is a method of applying a heat-resistant wear-resistant coating on parts made of cast iron and steel, including plasma spraying of a Co-Cr-Al-Y sublayer and subsequent spraying of a cermet composition from a powder mixture of composition 20-50 wt. % nichrome, 50-20 wt. % zirconia with a stabilizing additive, 20 wt. % chromium carbide, 10 wt. % of tungsten carbide, and as a stabilizing additive in zirconium dioxide powder, yttrium oxide is used, the content of which is 4-7 wt. % (patent for the invention of the Russian Federation No. 2425906, published on August 10, 2011, bull. No. 22), taken as a prototype.
Покрытие, получаемое таким образом, удовлетворительно работает на трение и изнашивание, имеет высокую твердость, недостаточную пластичность, низкие антизадирные свойства, неудовлетворительную прирабатываемость. Введение в состав смеси карбида хрома и карбида вольфрама в данных концентрациях снижает обрабатываемость изделий после нанесения покрытия, приводит к выкрошиванию карбидов в процессе эксплуатации, невозможности нанесения покрытий толщиной более 200 мкм, что является необходимым условием для повышения долговечности деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники.The coating obtained in this way satisfactorily works on friction and wear, has high hardness, insufficient plasticity, low anti-seize properties, and unsatisfactory running-in properties. The introduction of chromium carbide and tungsten carbide in these concentrations into the composition of the mixture reduces the workability of products after coating, leads to chipping of carbides during operation, the impossibility of applying coatings with a thickness of more than 200 microns, which is a necessary condition for increasing the durability of parts of the cylinder-piston group of automotive equipment.
Для повышения стойкости покрытия к изнашиванию при трении необходимо повысить износостойкость покрытия за счет иных элементов, снижая концентрацию карбидов, повысить пластичность, прирабатываемость, антизадирные свойства, адгезию покрытия к сплаву основы.To increase the resistance of the coating to wear during friction, it is necessary to increase the wear resistance of the coating due to other elements, reducing the concentration of carbides, to increase the ductility, run-in, anti-seize properties, and adhesion of the coating to the base alloy.
Технической задачей изобретения является повышение износостойкости и долговечности деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники за счет применения теплозащитных износостойких покрытий (ТЗП).The technical objective of the invention is to increase the wear resistance and durability of parts of the cylinder-piston group of automotive equipment through the use of heat-protective wear-resistant coatings (HWP).
Сущность изобретения заключается в том, что в способе нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали, включающем плазменное напыление подслоя состава Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, нихром, карбид хрома и карбид вольфрама перед плазменным напылением проводят абразивно-струйную обработку карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, а напыление керметной композиции осуществляют из механической порошковой смеси, дополнительно содержащей оксид алюминия и молибден, при следующем соотношении компонентов, мас. %: нихром 20-30, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, 45-35, оксид алюминия 20-15, молибден 5-10, карбид хрома 5, карбид вольфрама 5.The essence of the invention lies in the fact that in a method for applying a heat-resistant wear-resistant coating on parts made of cast iron and steel, including plasma spraying of a Co-Cr-Al-Y sublayer and subsequent spraying of a cermet composition from a mechanical powder mixture containing zirconium dioxide stabilized with yttria, nichrome, chromium carbide and tungsten carbide before plasma spraying, abrasive blasting is carried out with silicon carbide with a particle size of 1.5 mm, and the spraying of the cermet composition is carried out from a mechanical powder mixture, additionally containing aluminum oxide and molybdenum, in the following ratio of components, wt. %: nichrome 20-30, yttria stabilized zirconia 45-35, aluminum oxide 20-15, molybdenum 5-10, chromium carbide 5, tungsten carbide 5.
Технический результат достигается за счет нового действия и нового состава керметной композиции при нанесении покрытий, а именно: абразивно-струйной обработки деталей карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм перед плазменным напылением, повышающим адгезионную прочность покрытия и сплава основы, введения в состав керметной смеси оксида алюминия при одновременном снижении концентрации карбида хрома и вольфрама для повышения износостойкости покрытия и молибдена для повышения пластичности, прирабатываемости, антизадирных свойств покрытия.The technical result is achieved due to the new action and the new composition of the cermet composition during coating, namely: abrasive blasting of parts with silicon carbide with a particle size of 1.5 mm before plasma spraying, which increases the adhesion strength of the coating and base alloy, introduction into the composition of the cermet mixture aluminum oxide while reducing the concentration of chromium and tungsten carbide to increase the wear resistance of the coating and molybdenum to increase the ductility, run-in, anti-seize properties of the coating.
Процентное содержание карбида хрома и вольфрама снижена до 5 мас. %, так как оксид алюминия более эффективен для повышения износостойкости покрытия, но достаточно для обеспечения его прочности, твердости и износостойкости. Введение в состав механической смеси оксида алюминия, с образованием γ-Al2O3 и α-Al2O3 фаз в покрытиях примерно в одинаковых пропорциях, сохраняет высокие характеристики прочности, твердости и износостойкости покрытия, при этом улучшается обрабатываемость покрытия, обеспечивается равномерности покрытия по толщине с возможностью напыления покрытия до 500 мкм. Повышение содержания Al2O3 выше 20 мас. % приводит к образованию непроплавившихся части оксида алюминия, которые служат центрами образования трещин в покрытии.The percentage of chromium and tungsten carbide is reduced to 5 wt. %, since aluminum oxide is more effective in increasing the wear resistance of the coating, but sufficient to ensure its strength, hardness and wear resistance. The introduction of aluminum oxide into the composition of the mechanical mixture, with the formation of γ-Al 2 O 3 and α-Al 2 O 3 phases in coatings in approximately the same proportions, retains high characteristics of strength, hardness and wear resistance of the coating, while improving the machinability of the coating, ensuring uniformity of the coating in thickness with the possibility of coating up to 500 microns. The increase in the content of Al 2 O 3 above 20 wt. % leads to the formation of unmelted parts of aluminum oxide, which serve as centers for the formation of cracks in the coating.
Процентное содержание нихрома и диоксида циркония снижена, но достаточно для обеспечения термостойкости покрытия в пределах рабочих температур 20-400°С, исключения полиморфных превращений при забросах температур, необходимой пористости для обеспечения характеристик смачиваемости деталей маслом в зоне трибосопряжений.The percentage of nichrome and zirconium dioxide is reduced, but sufficient to ensure the thermal stability of the coating within operating temperatures of 20-400°C, the exclusion of polymorphic transformations during temperature overshoots, the necessary porosity to ensure the wettability of parts with oil in the tribological interface zone.
Введение в состав покрытия молибдена снижает пористость покрытия, повышает прирабатываемость, антизадирные свойства покрытия. Молибден содержится в покрытии в чистом виде в количестве около 10 мас. %. На рентгенограмме кроме линии чистого молибдена выявлены линии оксида молибдена MoO3, который образуется в небольшом количестве в результате поверхностного окисления молибдена при прохождении частиц через плазменную струю. Повышение концентрации молибдена выше 10 мас. % приводит к резкому снижению пористости покрытия с 10-12% до 5-6%, что даже при сохранении концентрации диоксида циркония, обеспечивающего пористость покрытия, снижает смачиваемости покрытия маслом и повышает интенсивность изнашивания.The introduction of molybdenum into the composition of the coating reduces the porosity of the coating, increases the running-in, anti-seize properties of the coating. Molybdenum is contained in the coating in its pure form in an amount of about 10 wt. %. In addition to the line of pure molybdenum, the X-ray diffraction pattern revealed lines of molybdenum oxide MoO 3 , which is formed in a small amount as a result of surface oxidation of molybdenum during the passage of particles through the plasma jet. Increasing the molybdenum concentration above 10 wt. % leads to a sharp decrease in the porosity of the coating from 10-12% to 5-6%, which, even if the concentration of zirconium dioxide, which provides the porosity of the coating, reduces the wettability of the coating with oil and increases the wear rate.
Процентное содержание в мас. %: нихрома 20-30, диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, 45-35, оксида алюминия 20-15,молибдена 5-10,карбида хрома 5, карбида вольфрама 5 оптимально для прочностных и пластичных свойств покрытия, что позволяет покрытию иметь как высокую износостойкость, так и прирабатываемость кольца в гильзе. Повышение данных концентраций приводит к резкому повышению твердости покрытия, снижению пластичности и пористости. Снижение пористости ухудшает характеристики смачиваемости колец маслом, что приводит к росту температуры в зоне контакта кольца с гильзой, прижогам, задирам, скалыванию покрытия. Снижение процентного содержания нихрома, оксида алюминия, карбида хрома, карбида вольфрама, исключение из состава смеси карбида хрома, карбида вольфрама, приводит к снижению микротвердости покрытия и повышению интенсивности изнашивания.Percentage in wt. %: nichrome 20-30, zirconium dioxide stabilized with yttria 45-35, aluminum oxide 20-15, molybdenum 5-10, chromium carbide 5, tungsten carbide 5 is optimal for the strength and ductility properties of the coating, which allows the coating to have both high wear resistance and run-in of the ring in the sleeve. An increase in these concentrations leads to a sharp increase in the hardness of the coating, a decrease in plasticity and porosity. A decrease in porosity worsens the wettability characteristics of the rings with oil, which leads to an increase in temperature in the zone of contact between the ring and the sleeve, burns, scuffing, and chipping of the coating. The decrease in the percentage of nichrome, aluminum oxide, chromium carbide, tungsten carbide, the exclusion from the mixture of chromium carbide, tungsten carbide, leads to a decrease in the microhardness of the coating and an increase in wear intensity.
На фиг. 1 приведены поршневые кольца автотракторной техники с теплозащитным покрытием.In FIG. 1 shows the piston rings of automotive equipment with a heat-shielding coating.
На фиг. 2 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия с подслоем Co-Cr-Al-Y.In FIG. Figure 2 shows the microstructure of a heat-shielding wear-resistant coating with a Co-Cr-Al-Y sublayer.
На фиг. 3 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия.In FIG. Figure 3 shows the microstructure of a heat-shielding wear-resistant coating.
На фиг. 4 приведена зависимость адгезионной прочности покрытия со сплавом основы от абразивно-струйной обработки деталей карбидом кремния перед плазменным напылением.In FIG. Figure 4 shows the dependence of the adhesion strength of the coating with the base alloy on the abrasive blasting of parts with silicon carbide before plasma spraying.
На фиг. 5 приведена зависимость интенсивности изнашивания от состава покрытия.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the wear intensity on the composition of the coating.
На фиг. 6 приведена зависимость адгезии масла к покрытию от концентрации молибдена в керметной смеси.In FIG. Figure 6 shows the dependence of the adhesion of oil to the coating on the concentration of molybdenum in the cermet mixture.
На фиг. 7 приведена зависимость нагрузки, вызывающей задир более 10 мкм от концентрации молибдена в керметной смеси.In FIG. 7 shows the dependence of the load that causes tearing more than 10 microns on the concentration of molybdenum in the cermet mixture.
Пример конкретного выполнения (оптимальный)Example of a specific implementation (optimal)
Предлагаемый способ нанесения комбинированного покрытия реализован следующим способом. Покрытие наносили на компрессионные и маслосъемные поршневые кольца автотракторной техники. Материал поршневых колец - чугун марки СЧ (серый) или ВЧ (высокопрочный) с твердостью 96-112НВ для серого или 100-112НВ для высокопрочного чугуна с микроструктурой в соответствии со шкалами: Г1, Г2… для графита, П1, П2… для перлита (ГОСТ 3443-87). Маслосъемное кольцо стальное пластинчатое. Кольцевые диски изготовлены из высокоуглеродистой стальной (сталь У8А) ленты размером 0,7 - 4,0 мм. Для напыления использовалась установка воздушно - плазменного напыления типа УПН-40 в составе источника питания АПР-404, плазмотрона ПН-В1, дозатора подачи Д-40(М). Напыление осуществлялось в камере снабженной вращателем с системой центросмещения и устройством перемещения плазмотрона. Перед напылением покрытий проводилась абразивно-струйная обработка карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм. Подслой Co-Cr-Al-Y наносили аргоновым плазмотроном толщиной 20-30 мкм. Использовали порошок диоксида циркония и оксида алюминия грануляцией 10-40 мкм и порошки нихрома, карбида хрома, вольфрама и молибдена с размером частиц 40-100 мкм. Напыление покрытий по прототипу и предлагаемому способу осуществляли воздушным плазмотроном ПН-В1 при I = 190-200 A, U = 200 В. Толщина покрытий 120-150 мкм. Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе «Neophot-21». Фазовый анализ покрытий: пористось - 10%, соотношение керамика - металл 38-55% в зависимости от состава смеси.The proposed method of applying a combined coating is implemented in the following way. The coating was applied to compression and oil scraper piston rings of automotive equipment. The material of the piston rings is cast iron of the SCh (gray) or VCh (high-strength) grade with a hardness of 96-112HB for gray or 100-112HB for ductile iron with a microstructure in accordance with the scales: G1, G2 ... for graphite, P1, P2 ... for perlite ( GOST 3443-87). The oil scraper ring is steel lamellar. Ring discs are made of high-carbon steel (U8A steel) tape 0.7 - 4.0 mm in size. For spraying, an air-plasma spraying unit of the UPN-40 type was used as part of the APR-404 power source, the PN-V1 plasma torch, and the D-40 (M) feed dispenser. The deposition was carried out in a chamber equipped with a rotator with a centrifugal system and a device for moving the plasma torch. Before spraying the coatings, abrasive blasting was carried out with silicon carbide with a particle size of 1.5 mm. The Co-Cr-Al-Y sublayer was applied with an argon plasma torch 20-30 µm thick. Used powder of zirconium dioxide and aluminum oxide granulation 10-40 microns and powders of nichrome, chromium carbide, tungsten and molybdenum with a particle size of 40-100 microns. The deposition of coatings according to the prototype and the proposed method was carried out with an air plasma torch PN-V1 at I = 190-200 A, U = 200 V. The thickness of the coatings is 120-150 μm. The data on the thicknesses of the coating layers were determined using a Neophot-21 optical microscope. Phase analysis of coatings: porosity - 10%, the ratio of ceramics - metal 38-55%, depending on the composition of the mixture.
Прочность сцепления износостойкого покрытия с основным металлом оценивалась согласно ГОСТ 621-87. Испытания на изнашивание проводились на установке типа Армслера (машина трения МТ-2) при нагрузке, исключающий задир (р = 3.42 Мпа; V = 2.5 м/с; t = 10 часов). Линейный износ образцов определяли на оптиметре по разности его показаний до и после испытаний. Интенсивность изнашивания определяли как отношение линейного износа к пройденному пути образцами за время испытаний.The adhesion strength of the wear-resistant coating with the base metal was evaluated according to GOST 621-87. Wear tests were carried out on an Armsler-type unit (MT-2 friction machine) at a load that excludes scuffing (p = 3.42 MPa; V = 2.5 m/s; t = 10 hours). The linear wear of the samples was determined on the optimeter by the difference between its readings before and after testing. The wear intensity was determined as the ratio of linear wear to the distance traveled by the samples during testing.
Для определения адгезии смазочного материала основывались на замерах давления растекания капли масла по образцу. Маслоудерживающая способность покрытий характеризовалась работой адгезии смазки, полученной суммированием давления растекания и удвоенной поверхностной энергии масла. Для моторного масла его поверхностная энергия (натяжение) принята равной 30,3⋅10-3 Н/м.To determine the adhesion of the lubricant, they were based on measurements of the spreading pressure of a drop of oil over the sample. The oil-retaining capacity of the coatings was characterized by the adhesion work of the lubricant obtained by summing the spreading pressure and twice the surface energy of the oil. For engine oil, its surface energy (tension) is assumed to be 30.3⋅10 -3 N/m.
Рентгеноструктурные исследования осуществлялись с использованием пакета прикладных программ «ARCANAL» для автоматизированной обработки данных рентгеноструктурного анализа. Проведение съемок выполнялось на дифрактометре ДРОН-3 при скорости поворота образца 1 град/мин в медном монохроматизированном излучении.X-ray diffraction studies were carried out using the ARCANAL software package for automated processing of X-ray diffraction analysis data. The surveys were carried out on a DRON-3 diffractometer at a sample rotation rate of 1 deg/min in copper monochromatic radiation.
Испытания на стойкость к задиранию нанесенных покрытий проводились в паровой среде при температуре 350°С и удельном давлении 80-100 МПа на парогидравлическом стенде Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института атомного машиностроения (ОАО ВНИИАМ). Перед установкой испытуемых образцов в рабочую камеру измеряли твердость и шероховатость контактируемых наплавленных поверхностей на твердомере ТК-2 по шкале HRC и профилометре М-201 по параметру Ra. Для экспериментов отбирали пары образцов, имеющие колебания твердости не более ±3 ед. HRC и отклонения Ra в пределах одного класса шероховатости Ra = 0.16 мкм. Температуру и давление контролировали потенциометром типа КСП-4 и манометром с классом точности ±0,5 соответственно. Средняя скорость вращения образцов составляла 3,5 м/с, общая длина перемещения образцов за каждый цикл испытаний - 15,7 мм. Минимальная удельная нагрузка, при которой начинали испытания, составляла 10 МПа, с повышением нагрузки ступенчато через 10 МПа до наступления задира или достижения заданной величины удельного давления. После испытания определяли площадь контакта (трения) образцов и глубину задирания. Измерения проводили с помощью микроскопа МИС-11. Критерием стойкости к задиранию условно принимали появление на рабочей (контактной) поверхности образцов задиров глубиной 10 мкм и более. Удельную нагрузку, вызывающую задир указанной величины, считали максимально допустимой для данного покрытия.Tests for resistance to scuffing of the applied coatings were carried out in a vapor environment at a temperature of 350°C and a specific pressure of 80-100 MPa on a steam-hydraulic stand of the All-Russian Research and Design Institute of Nuclear Engineering (OAO VNIIAM). Before installing the test specimens in the working chamber, the hardness and roughness of the contacted deposited surfaces were measured on a TK-2 hardness tester on the HRC scale and on an M-201 profilometer on the Ra parameter. For experiments, pairs of samples were selected with hardness fluctuations of no more than ±3 units. HRC and Ra deviations within one roughness class Ra = 0.16 µm. The temperature and pressure were controlled by a KSP-4 potentiometer and a manometer with an accuracy class of ±0.5, respectively. The average rotation speed of the samples was 3.5 m/s, the total length of movement of the samples for each test cycle was 15.7 mm. The minimum specific load at which the tests started was 10 MPa, with the load increasing stepwise through 10 MPa until the onset of scuffing or reaching the specified value of the specific pressure. After the test, the area of contact (friction) of the samples and the depth of tearing were determined. The measurements were carried out using a MIS-11 microscope. The criterion of resistance to scuffing conditionally accepted the appearance on the working (contact) surface of the samples of scuffs with a depth of 10 µm or more. The specific load causing tearing of the specified value was considered the maximum allowable for this coating.
Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan-S-600» с микроанализатором « Link».The chemical composition was determined by the X-ray microspectral method on the Stereoscan-S-600 electron microscope with the Link microanalyzer.
Проведенные сравнительные испытания образцов с покрытиями показали преимущество предлагаемого покрытия по адгезионной прочности покрытия со сплавом основы (фиг. 4), интенсивности изнашивания (фиг. 5) и адгезии масла (фиг. 6) и задиростойкости (фиг. 7).Comparative tests of samples with coatings showed the advantage of the proposed coating in terms of adhesion strength of the coating with the base alloy (Fig. 4), wear rate (Fig. 5) and oil adhesion (Fig. 6) and scratch resistance (Fig. 7).
Использование способа наиболее эффективно для деталей цилиндропоршневой группы двигателей автотракторной техники в связи с их решающим влиянием на ресурс.The use of the method is most effective for parts of the cylinder-piston group of engines of automotive equipment due to their decisive influence on the resource.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2780616C1 true RU2780616C1 (en) | 2022-09-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2185696A1 (en) * | 1972-05-22 | 1974-01-04 | Union Carbide Corp | |
| RU2283363C2 (en) * | 2003-07-15 | 2006-09-10 | ОАО "Композит" | Method of making erosion-resistant heat-protective coats |
| RU2425906C1 (en) * | 2010-01-25 | 2011-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Эверест-124" | Procedure for application of heat protecting wear resistant coating on items of iron and steel |
| RU2534714C2 (en) * | 2013-03-15 | 2014-12-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" | Production of erosion- and heat-resistant coatings |
| RU2751499C1 (en) * | 2020-10-20 | 2021-07-14 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова" | Method for applying heatproof wear-resistant coating to cast iron and steel parts |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2185696A1 (en) * | 1972-05-22 | 1974-01-04 | Union Carbide Corp | |
| RU2283363C2 (en) * | 2003-07-15 | 2006-09-10 | ОАО "Композит" | Method of making erosion-resistant heat-protective coats |
| RU2425906C1 (en) * | 2010-01-25 | 2011-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Эверест-124" | Procedure for application of heat protecting wear resistant coating on items of iron and steel |
| RU2534714C2 (en) * | 2013-03-15 | 2014-12-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" | Production of erosion- and heat-resistant coatings |
| RU2751499C1 (en) * | 2020-10-20 | 2021-07-14 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова" | Method for applying heatproof wear-resistant coating to cast iron and steel parts |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Bonding and sliding wear behaviors of the plasma sprayed NiCrBSi coatings | |
| RU2425906C1 (en) | Procedure for application of heat protecting wear resistant coating on items of iron and steel | |
| RU2521780C1 (en) | Application method of heat-protective wear-resistant coating onto parts from cast iron and steel | |
| Krishnamurthy et al. | A study of parameters affecting wear resistance of alumina and yttria stabilized zirconia composite coatings on Al‐6061 substrate | |
| Vencl | Tribological behavior of ferrous-based APS coatings under dry sliding conditions | |
| Kumar et al. | Tribological and mechanical performance of coatings on piston to avoid failure—a review | |
| CN111279008A (en) | Internal combustion engine component with dynamic thermal barrier coating and methods of making and using such coating | |
| Christy et al. | Influence of graphite and polytetrafluoroethylene dispersions on mechanical, abrasive, and erosive wear performance of thermal spray coatings | |
| de Medeiros Castro et al. | Laser remelting of WC-CoCr surface coated by HVOF: Effect on the tribological properties and energy efficiency | |
| Tiwari et al. | Tribological analysis of thermal spray coatings of Ni and Al2O3 with dispersion of solid lubricants in erosive wear modes | |
| Bochenek et al. | Microstructure, mechanical, and wear properties of NiCr-Re-Al2O3 coatings deposited by HVOF, atmospheric plasma spraying, and laser cladding | |
| RU2780616C1 (en) | Method for application of heat-proof wear-resistant coating on cast iron and steel parts | |
| RU2766627C1 (en) | Method for applying heat-protective wear-resistant coating on cast iron and steel parts | |
| RU2751499C1 (en) | Method for applying heatproof wear-resistant coating to cast iron and steel parts | |
| Vencl et al. | Correlation of microstructures and tribological properties of ferrous coatings deposited by atmospheric plasma spraying on Al-Si cast alloy substrate | |
| Liborius et al. | Influence of dovetail microstructures on adhesive tensile strength and morphology of thermally sprayed metal coatings | |
| ChandraYadaw et al. | Comparative study of surface coating for automotive application—a review | |
| Srinivas et al. | The investigations on aluminium substrates coated with micro-sized WC-CO/Cr3C2-nicr multi-layered hard coating | |
| Fernández et al. | Comparison of wear behaviour of plasma-sprayed Al2O3 coatings with and without laser treatment | |
| Reddy et al. | Solid particle erosion behaviour of plasma-sprayed (WC–Co)/(Cr3C2–NiCr) coatings | |
| Ceschini et al. | Tribological behavior of components for radial piston hydraulic motors: Bench tests, failure analysis and laboratory dry sliding tests | |
| Liborius et al. | Influence of cutting speed on the surface properties in turning of Fe17Cr2Ni0. 2C iron based thermally sprayed coatings | |
| Boopathi et al. | Tribological Properties of Coated and Uncoated Materials for Piston Ring Applications | |
| Pathem et al. | Corrosion and cavitation erosion properties of sub-micron WC-Co/Cr 3 C 2-NiCr multi-layered coating on aluminium substrates | |
| Ranjan et al. | Morphological, microstructural, and mechanical study of FGM coatings prepared using the HVOF technique |