Способ формирования износостойкого покрытия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белоцерковский Марат Артемович Басинюк Владимир Леонидович Камко Александр Иванович Леванцевич Михаил Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56)2234382 2, 2004.8528 1, 2006.10711 1, 2008. НИНБУРГ А.К. Газопламенная обработка металлов с использованием газов - заменителей ацетилена. - М. Машиностроение, 1976. - С. 30-31. БЕЛОЦЕРКОВСКИЙ М.А. и др. Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения. Сборник научных трудов. УП Технопринт, Полоцкий государственный университет, 2001. С. 255-258.(57) Способ формирования износостойкого покрытия, включающий предварительную подготовку поверхности детали, нагрев до плавления проволоки из алюминия или его сплава,ее распыление газовым потоком с образованием струи частиц, их осаждение в виде слоя на деталь, механическую обработку и микродуговое оксидирование слоя, отличающийся тем, что нагрев до плавления и распыление проволоки осуществляют одним газовым потоком, образованным продуктами сгорания пропано-воздушной смеси при объемном соотношении воздуха и пропана (16-20)1. Изобретение относится к технологии восстановления-упрочнения быстроизнашивающихся деталей машин. Оно может быть использовано для нанесения износостойких, антифрикционных и коррозионно-стойких покрытий на рабочую поверхность элементов трибосопряжений для повышения срока службы деталей, контактирующих с абразивосодержащими средами. Известен способ формирования защитного, износостойкого покрытия 1, заключающийся в нагреве до плавления и распылении металлической проволоки, подаваемой по оси высокотемпературного факела, окруженного основным и дополнительным обжимающими газовыми потоками, сходящимися в направлении распыления, в которых генерируют ультразвуковые колебания, причем основной обжимающий газовый поток взаимодействует с плавящимся участком проволоки, дополнительный взаимодействует с потоком распыленных частиц и в него подают порошок наполнителя. 17832 1 2013.12.30 Недостатками данного способа являются относительно низкие твердость и износостойкость формируемых покрытий по сравнению с покрытиями, полученными, например,напылением порошков самофлюсующихся сплавов на никелевой основе (твердость до 65), порошков оксидов или плакированных карбидов (твердость выше 70 ). Несмотря на возможность введения твердых и износостойких наполнителей, твердость основы покрытий не превышает 43 и их нельзя использовать для упрочнения-восстановления деталей, работающих в контакте с абразивом или с агрессивными абразивосодержащими средами, при сухом трении и высоких скоростях скольжения (например, в контакте с нитями и химическими волокнами, полимерами, эмалями). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ формирования износостойкого покрытия 2, включающий предварительную подготовку поверхности детали, нагрев до плавления металлической проволоки из алюминия и его сплавов, ее распыление основным газовым потоком с образованием струи расплавленных частиц, введение в струю порошка наполнителя дополнительным газовым потоком, осаждение частиц в виде слоя требуемых размеров на поверхность детали, механическую обработку и последующее микродуговое оксидирование напыленного слоя. Недостатком данного способа является необходимость использования многоструйного проволочного термораспылителя, в котором первая струя образуется за счет сгорания рабочего газа (пропана или ацетилена) в кислороде и служит для расплавления проволоки, а вторая струя (спутный поток относительно первой) служит для распыления расплавленного материала проволоки, для чего в проволочных термораспылителях известных конструкций используется воздух 1, с. 99. Кроме того, толщина оксидированного слоя на газопламенном покрытии составляет не более 70 мкм и значительно уступает толщине слоя,полученного на литом материале ( 200 мкм), что снижает срок эксплуатации деталей с покрытиями. Это обусловлено наличием большого количества оксидов в покрытии, образующихся на частицах алюминия, расплавленного и распыленного в окислительной среде. При использовании установки газопламенного проволочного напыления ТЕРКО 2 с расходом распыляющего воздуха 24 м 3/ч толщина слоя 23 после микродугового оксидирования составила 58-66 мкм, а при использовании для распыления аппарата электродуговой металлизации с расходом распыляющего воздуха до 60 м 3/ч толщина оксидированного слоя не превысила 30 мкм, что значительно снизило срок службы детали с покрытием. Задачей изобретения является создание способа, позволяющего формировать покрытия с повышенными эксплуатационными свойствами за счет увеличения толщины оксидированного износостойкого слоя. Для решения поставленной задачи в способе формирования износостойкого покрытия,включающем предварительную подготовку поверхности детали, нагрев до плавления проволоки из алюминия или его сплава, ее распыление газовым потоком с образованием струи частиц, их осаждение в виде слоя на деталь, механическую обработку и микродуговое оксидирование слоя, согласно изобретению, нагрев до плавления и распыление проволоки осуществляют одним газовым потоком, образованным продуктами сгорания пропановоздушной смеси при объемном соотношении воздуха и пропана (16-20)1. Использование одного газового потока, образованного продуктами сгорания пропановоздушной смеси, в качестве источника нагрева для плавления проволоки и ее последующего распыления позволяет не только упростить схему реализации процесса за счет исключения потребности в кислороде, но и осуществлять необходимую регулировку состава горючей смеси. При использовании так называемого восстановительного пламени, когда объемное соотношение воздуха и пропана в смеси составляет (16-20)1, отсутствует интенсивное окисление распыленных частиц, что значительно снижает количество оксидов в покрытии и обусловливает увеличение толщины оксидированного слоя. При использовании соотношения воздуха и пропана в смеси менее чем 161 наблюдается неустойчивое горение, факел снижает свои динамические характеристики и появляется копоть. При 2 17832 1 2013.12.30 увеличении соотношения более чем 201 (по терминологии, принятой в газовой сварке, нормальное пламя), наблюдается резкий рост количества окислов в покрытии (таблица). Заявляемый способ реализован с применением термораспылителей, использующих один газовый факел как для нагрева, так и для распыления проволок из легкоплавких материалов. При этом используется камера микрофакельного сжигания смеси горючий газ воздух 3. В таблице приведены данные о содержании 23 в алюминиевых покрытиях, напыленных газовоздушными смесями различного состава, а также о толщине оксидированного слоя. Материал распыляемой проволоки - СВА-95 (ГОСТ 11069-74). Оксидирование осуществлялось при напряжении 420 В и плотности тока 20 А/дм 2 в растворе жидкого стекла в дистиллированной воде с добавлением гидрооксида калия в количестве 3 г/л. Время обработки 140 мин. Определение количества оксида алюминия осуществлялось рентгенографическим методом. Состав смеси (объемное соотношение воздуха и пропана) 151 161 171 191 201 211 231 Количество 23 в Средняя толщина оксидированпокрытии, об.ного слоя, мкм Покрытие не сформировано 0,6 200 0,7 200 0,9 185 1,3 180 2,2 105 2,9 70 Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что зависимость толщины оксидированного слоя от количества оксида алюминия в покрытии носит нелинейный характер и максимальное снижение толщины наблюдается при изменении пламени от восстановительного на нормальное. Распыление алюминиевых проволок необходимо осуществлять только восстановительным пламенем. Пример. Покрытия наносили на поверхность первой партии осей диаметром 26 мм и длиной 118 мм из стали 20 с использованием экспериментальной установки для распыления легкоплавких, в том числе и полимерных, проволок 4. Оси предназначены для эксплуатации в крышках печей обжига кирпича и керамики. Предварительную подготовку поверхности перед напылением осуществляли струйно-абразивным методом с использованием порошка корунда размером 0,6-0,8 мм, давление воздуха, подаваемого в камеру струйноабразивной обработки, составляло 0,5 МПа. Нагрев до плавления и распыление осуществляли термораспылителем для напыления покрытий из полимерных шнуров 3. Материал распыляемой проволоки - СВА-95 (ГОСТ 11069-74). Объемное соотношение воздуха и пропана в горючей смеси 191. Механическую обработку покрытия выполняли на токарном станке. Микродуговое оксидирование проводили при напряжении 420 В и плотности тока 20 А/дм 2. Время обработки 120 мин. Замеры модифицированного слоя показали, что его толщина составила 175-185 мкм. Оси испытывались на стенде для ускоренных триботехнических испытаний при сухом трении скольжения в паре с вкладышем из стали У 8 А(57 ) со скоростью 1,5 м/с, при удельной нагрузке 4 МПа, температуре 130-140 С и наличии абразива размером 50 мкм. Продолжительность испытаний до полного износа оксидированного слоя составила 40-45 мин. Аналогичным образом испытывалась вторая партия осей с покрытиями, полученными газопламенным распылением проволоки СВА-95 на установке ТЕРКО при расходе рабочих газов в нагревающем до плавления потоке пропан - 1 м 3/ч, кислород - 3,5 м 3/ч в распыляющем потоке воздух - 24 м 3/ч. Режимы оксидирования те же, что и для первой 3 17832 1 2013.12.30 партии осей. Замеры модифицированного слоя показали, что его толщина составила менее 70 мкм. Продолжительность испытаний до полного износа оксидированного слоя составила около 15 мин. Таким образом, реализация технологии формирования износостойкого покрытия на быстроизнашиваемых деталях по заявляемому способу позволяет получить твердый поверхностный слой толщиной, более чем в 2 раза превышающей толщину слоя, полученного по прототипу, и обеспечивает тем самым большую долговечность деталей. Источники информации 1. Белоцерковский М.А. Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий. - Минск. Технопринт, 2004. - 200 с. 2.2234382, МПК 05 5/08,05 7/18, 2004. 3. Белоцерковский М.А., Чекулаев А.В. Исследование процесса нанесения защитных покрытий, получаемых газотермическим распылением полимерных экструдатов // Сварка и родственные технологии. - 2005. -7. - С. 77-81. 4. Белоцерковский М.А., Чекулаев А.В. Нанесение покрытий высокоскоростным газопламенным распылением полимерных шнуров // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. -8. - . 16-22. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4