ПОРОШКОВАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2003 года по МПК C23C4/04 

Изобретение относится к области газотермического напыления, а именно к напыляемым материалам в виде проволоки для нанесения износостойкого электродугового покрытия на рабочие поверхности деталей машин и механизмов, работающих в условиях жидкостного (гидродинамического) и полужидкостного (сухого или граничного) трения (т.е. при полном или частичном разделении трущихся поверхностей слоем смазки, когда большая часть нагрузки воспринимается трущейся поверхностью через слой смазки), например, шейки коленчатого вала, опорные шейки распределительного вала двигателя внутреннего сгорания (карбюраторного или дизельного).

Газотермические покрытия для этих нужд должны удовлетворять трем трудно совместимым требованиям: иметь высокие износостойкость, прочность и прочность сцепления с основой, чтобы выдерживать высокие нагрузки, в том числе цикличные.

Раздельное выполнение этих требований не представляет особых затруднений. Например, известны различные материалы, которые наносятся на выработанные после интенсивного трения поверхности узлов и деталей машин методом электродугового напыления, в виде проволок сплошного сечения (см. В.С. Ивашко, И.Л. Куприянов, А.И Шевцов. Электротермическая технология нанесения защитных покрытий. - Минск: Навука i технiка, 1996, с.218-223) и порошковых проволок (см. Роянов В.А., Псарас Г.Г., Рубайло В.К. Ремонт машин с применением сварки и родственных технологий. - Мариуполь: ПГТУ, 1999, с.157-186).

Стремление совместить в покрытии противоречивые требования привело к появлению порошковых проволок, состоящих из стальной оболочки и сердечника, включающего смеси порошков металлов, сплавов и неорганических соединений.

Качество электродуговых покрытий, характеризуемое пористостью, прочностью, прочностью сцепления с основой, фазовым составом, структурой и воспроизводимостью указанных свойств, зависит от используемых проволоки и оборудования для напыления. Известны устройства (cм. Unger R.H., Belashchenko V.E., Kratochvil W.R. A new arc spray system to spray high density low oxide coatings/ Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. Nice, France 25-29 May, 1998, Volume 2, p.1489-1493), обеспечивающие получение покрытий с низкой пористостью 1,6-1,9% (стандартные - 4,5-10%) и степенью окисленности 3,6-9% (стандартные - 7,5-13%), но невысокой прочностью сцепления покрытия с основой - 28-31 МПа.

Таким образом, в рамках традиционных процессов электродугового напыления с использованием порошковых проволок качество покрытий остается недостаточным для работы в условиях тяжелого нагружения и повышенного износа.

Наиболее перспективным для решения задачи качественного нанесения износостойких покрытий является метод электродугового напыления в сверхзвуковом потоке продуктов сгорания метана (см. Петров С.В., Сааков А.Г. Плазма продуктов сгорания в инженерии поверхности. - ТОПАС, Киев, 2000, с.175-208) при условии, что порошковая проволока разрабатывается с учетом особенностей процесса напыления.

Из числа известных порошковых проволок по технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близка порошковая проволока для получения покрытий по 2048273, МПК 7 С 23 С 4/06, 20.11.1995 (прототип), состоящая из стальной оболочки и сердечника.

Данная порошковая проволока обеспечивает повышенные прочность и прочность сцепления покрытия с основой, стабильность дугового разряда, достаточную износостойкость в условиях жидкостного и полужидкостного трения. Однако покрытия, нанесенные с ее использованием, имеют пористость, что отрицательно сказывается на их износостойкости. Достигаемая прочность сцепления на отрыв недостаточна для работы тяжело нагруженных дизельных коленвалов.

Недостатком указанного состава также является отсутствие в шихте компонентов - катализаторов, которые бы, с одной стороны, ускоряли бы протекание экзотермических реакций на стадии плавления и транспортировки капли, а с другой стороны, снижали бы вязкость расплава, что ведет к росту размеров капли на стадии ее формирования и, как следствие, увеличению пористости покрытия, формируемого такими частицами. А с увеличением скорости обдувающего потока (переходом на сверхзвуковое истечение сжатого газа) снижается время нахождения материала проволок в расплавленном состоянии. Это обстоятельство препятствует завершению химических превращений в каплях на стадии полета до основы, соответственно требуемые структура и фазовый состав покрытия в этом случае не могут быть получены.

Задачей изобретения является повышение износостойкости, прочности сцепления с основой и прочности электродугового покрытия, получаемого из порошковой проволоки.

Эта задача решается за счет совершенствования состава порошкового сердечника, порошковой проволоки с учетом интенсификации газодинамического дробления расплавленных капель, увеличения скорости их полета и сопутствующих снижению пористости покрытия, повышению однородности его структуры, а именно порошковая проволока для электродугового напыления износостойких покрытий состоит из стальной оболочки и сердечника, материал которого содержит алюминий, железо, феррохром и дополнительно включает гематит и перманганат калия при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%: алюминий - 4,0... 6,0; железо - 17,0...19,0; феррохром - 5,0...7,0; гематит - 1,5...1,9; перманганат калия - 0,3...0,7 и остальное стальная оболочка.

В данном техническом решении содержание алюминия в количестве 4,0...6,0% способствует протеканию изотермической реакций по схеме
3МеО + 2АL --> Аl₂О₃ + 3Ме + Q,
где МеО - оксид металла, а Q - тепловая энергия, выделяющаяся при прохождении реакции.

Выделение тепла в результате протекания таких реакций в слабо окислительной атмосфере продуктов сгорания воздуха с метаном способствует повышению температуры напыляемых частиц и, как следствие, повышению прочности сцепления напыленных покрытий с основой. Кроме того, оксид Аl₂О₃, являющийся результатом таких реакций, представляет прочную и плотную пленку, которая располагаясь на поверхности напыляемых частиц, препятствует насыщению материала частицы во время ее полета к основе газами из окружающей атмосферы. С другой стороны, Аl₂O₃ способствует образованию сложных шпинелеобразных оксидов, типа Аl₂О₃•Сr₂О₃, которые повышают прочность сцепления покрытия с основой. Причем применение проволоки с содержанием алюминия менее 4,0% приводит к снижению экзотермического эффекта реакций, уменьшению количества шпинелеобразных оксидов, насыщению материала частиц газами из окружающей атмосферы и, как следствие, снижению прочности сцепления покрытия с основой, с одной стороны. С другой стороны, недостаточное количество алюминия отрицательно сказывается на выделение в структуре материала покрытия углерода в виде графита, что ухудшает триботехнические свойства покрытия и уменьшает их износостойкость. Содержание Аl более 6,0% приводит к чрезмерному количеству выделяющегося углерода (образующегося как из продуктов распада метана, так и феррохрома) в виде графита, что снижает твердость покрытия и соответственно его износостойкость. Железо, вводимое в шихту в виде порошка, в количестве 17,0. . .19,0% применяется с целью обеспечения экзотермических реакций его с кислородом, с последующим взаимодействием полученных оксидов железа с алюминием и выделением дополнительной теплоты, о чем говорилось выше. Введение железа менее 17,0% не обеспечивает достаточного количества оксидов железа для последующих реакций с алюминием и, как следствие, понижает термический эффект реакции алюминотермии, а следовательно, понижает прочность сцепления покрытия с основой. Содержание железа более 19,0% приводит к излишнему количеству как оксидов, так и чистого железа (с учетом состава газовой атмосферы распыляющего потока) и нарушению оптимального соотношения между количеством оксидов и раскислителя, уменьшению количества выделяющейся теплоты и, как следствие, понижению прочности сцепления покрытия с основой.

Высокоуглеродистый (до 8,0% С) феррохром вводится с целью повышения прочности покрытия, является основным источником ввода углерода, а так же, как указывалось выше, способствует образованию сложных шпинелеобразных оксидов. Содержание феррохрома менее 5,0% понижает прочность покрытия, а следовательно, и его износостойкость, не обеспечивая введения достаточного количества углерода, т.е. понижается количество свободного углерода в виде графита в структуре покрытия, а следовательно, ухудшаются триботехнические свойства и понижается износостойкость, кроме того, не обеспечивается образование достаточного количества оксидов Сr₂О₃ для получения шпинелей, что понижает прочность сцепления.

Содержание феррохрома более 7,0% приводит к избыточному количеству в структуре покрытия свободного углерода в виде графита, что понижает твердость, т.е. ухудшает износостойкость.

В данном техническом решении введение гематита (следовательно, и кислорода) обусловлено необходимостью образования в ходе плавления шихты проволоки сложных шпинелеобразных оксидов. Содержание гематита менее 1,5% не обеспечивает образования достаточного количества простых и сложных оксидов по реакциям
2Сr + Fe₂O₃ --> Сr₂O₃ + 2Fe + Q₁;
2Аl + Fe₂O₃ --> Аl₂О₃ + Fе + Q₂.

Это понижает количество дополнительно выделяемой теплоты, что в конечном счете понижает прочность сцепления покрытия с основой.

Повышение содержания гематита более 1,9% приводит к избыточному содержанию оксидов железа Fe₂О₃ в структуре покрытия, снижению его прочности, а следовательно, износостойкости.

Перманганат калия в данном техническом решении вводится как катализатор экзотермических реакций МnО₂ в расплаве и служит для повышения полноты их протекания в сверхзвуковом распыляющем потоке и повышения количества выделяющегося тепла, а следовательно, повышения прочности сцепления. Попутно уменьшается вязкость расплава на стадии плавления шихты проволоки, что приводит к снижению размеров капель напыляемого материала, а следовательно, повышению прочности покрытия и соответственно увеличению его износостойкости. Перманганат калия при нагревании разлагается по следующей схеме
2КМnO₄ --> К₂О + 2МnО₂ + 3/2О₂;
К₂О --> 2K⁺ + О₂ ^2-.

Образующиеся ионы калия К⁺ благоприятно влияют на процесс стабилизации горения дуги, обдуваемой сверхзвуковым потоком продуктов сгорания воздуха с метаном.

Введение в шихту КМnО₄ менее 0,3% не обеспечивает достаточного количества катализатора, что негативно сказывается в конечном счете на прочности сцепления покрытия с основой. Наличие более 0,7% КМnО₄ ведет к появлению в расплаве шихты проволоки избыточного количества кислорода и, в конечном счете, понижает прочность покрытия и его износостойкость.

Примеры осуществления изобретения
Заявляемая порошковая проволока разработана для нанесения износостойких покрытий методом электродугового напыления на тяжело нагруженные детали. Покрытие напыляли на шейки локомотивного коленчатого вала Ganz Mavag дизеля 12VFE17/24.

1. Оптимальный традиционный процесс электродугового напыления.

Режим напыления: обдувающий газ-воздух; температура обдувающего газа - 20^oС; скорость обдувающего газа - 330 м/с; число Маха - 1; расход воздуха - 80 м³/ч; ток дуги - 260 А; напряжение на дуге - 36 В; дистанция напыления - 120 мм; скорость полета расплавленных капель - 80 м/с.

Свойства покрытия:
толщина покрытия - 2,0 мм;
пористость покрытия - 8,0%;
прочность сцепления покрытия с основой - 45 МПа;
степень избыточной окисленности - 7,5%;
средняя микротвердость - 320 H_μ;
максимальная микротвердость - 800 H_μ;
износостойкость по отношению к ст.45 - 1,5.

2. Оптимальный процесс электродугового напыления в сверхзвуковом потоке продуктов сгорания метана с воздухом.

Режим напыления:
обдувающий газ - продукты сгорания воздуха с метаном;
температура обдувающего газа - 1600^oС;
скорость обдувающего газа - 1100 м/с;
число Маха - 1,4;
расход смеси - 30 м³/ч;
ток дуги - 200 А;
напряжение на дуге - 37 В;
дистанция напыления - 220 мм;
скорость полета расплавленных капель - 300 м/с.

Свойства покрытия:
толщина покрытия - 2,0 мм;
пористость покрытия - 1,5 %;
прочность сцепления покрытия с основой - 65 МПа;
степень избыточной окисленности - 2,0 %;
средняя микротвердость - 400 H_μ;
максимальная микротвердость - 1000 H_μ;
износостойкость по отношению к ст.45 - 2,0.

Заявляемый состав порошковой проволоки обеспечивает повышенные (в 1,5... 2,0 раза) служебные характеристики покрытия, полученного методом электродугового напыления. Восстановленные коленчатые валы дизеля 12VFE17/24 в количестве 50 шт. наработали ресурс 600-800 тыс. километров, что в 1,5-2 раза превышает ресурс нового коленчатого вала.

Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей машин и механизмов, работающих в условиях жидкостного и полужидкостного трения. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и сердечника. Материал сердечника содержит алюминий, феррохром, железо, гематит и перманганат калия при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%: алюминий - 4,0-6,0; феррохром - 5,0-7,0; железо - 17,0-19,0; гематит - 1,5-1,9; перманганат калия - 0,3-0,7; стальная оболочка - остальное. Проволока обеспечивает нанесение покрытий, обладающих высокими износостойкостью и прочностью сцепления.

Порошковая проволока для электродугового напыления износостойких покрытий, состоящая из стальной оболочки и сердечника, отличающаяся тем, что материал сердечника содержит алюминий, феррохром, железо, гематит и перманганат калия при следующих соотношениях компонентов, мас. %:
Алюминий - 4,0-6,0
Феррохром - 5,0-7,0
Железо - 17,0-19,0
Гематит - 1,5-1,9
Перманганат калия - 0,3-0,7
Стальная оболочка - Остальное