СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2004 года по МПК C23C28/00 C23C26/00 C23C4/04 C23C4/18 C23C8/24 

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, в частности к способу получения многослойного покрытия на стальной или чугунной поверхности.

Известен способ газопламенного напыления керамического покрытия Аl₂O₃ на стальную поверхность [Э.Кречмар “Напыление металлов, керамики и пластмасс”. Машиностроение, Москва, 1966 г., с.358-360]. Недостатком данного способа является высокая пористость покрытия, низкая прочность сцепления покрытия с основой (прочность при растяжении 25-70 кг/см² для покрытия из Аl₂O₃ толщиной 0,3 мм); наличие высоких остаточных напряжений, возникающих вследствие различия коэффициентов температурного расширения покрытия и основы, что приводит к снижению термостойкости покрытия; недолговечность покрытия, обусловленная вышеназванными факторами.

Известен способ газотермического напыления металлокерамического покрытия составом 15-16 мас.% титана, остальное окись алюминия (Авторское свидетельство СССР №1528810 МПК С 23 С 4/04). Недостатком данного способа является недостаточно высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой, не позволяющая получить высокую стойкость покрытия к абразивному и эрозионному износу.

Известен способ газотермического напыления на металлическую основу керамического материала и последующее диффузионное насыщение легирующими элементами (никель, хром, окись алюминия и йодистый аммоний) за счет выдержки в шихте при постоянной температуре в течение времени, достаточного для образования в поверхностном слое непрерывного ряда насыщенных твердых растворов легирующих элементов (Патент РФ №2109843 МПК С 23 С 4/08). За счет диффузионного насыщения приповерхностного слоя адгезионная прочность и износостойкость возрастают в несколько раз по сравнению с покрытием АI₂О₃ без насыщения. К недостатку данного способа относится высокая температура процесса диффузионного насыщения (925°С), что делает его малопригодным для изготовления прецизионных деталей.

Известен способ напыления многослойного покрытия: АI₂О₃ толщиной 0,3 мм с подслоем из 75% Ni, 20% Cr (Э.Кречмар “Напыление металлов, керамики и пластмасс”. Машиностроение, Москва, 1966 г., с.363-364). Использование нихромового покрытия в качестве подслоя при напылении керамического покрытия окиси алюминия приводит к увеличению теплостойкости и устойчивости к температурным колебаниям, повышению износостойкости и прочности сцепления по сравнению с однослойным покрытием АI₂О₃. Недостатком данного способа является недолговечность указанного покрытия, особенно для работы в условиях высокоскоростного газового или жидкостного потока, что обусловлено недостаточно высокой эрозионной стойкостью в газовых и жидких средах, и недостаточно высокой прочностью сцепления покрытия с основой.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании многослойного покрытия на стальной или чугунной поверхности, обеспечивающего повышение прочности сцепления, абразивной и эрозионной стойкости, в том числе при повышенных температурах, без применения специальных высокотемпературных режимов диффузионного отжига или диффузионного насыщения металлами, приводящих к значительной деформации деталей.

Технический результат достигается за счет напыления подслоя из нихрома на материал-основу и последующее напыление керамического слоя, после чего проводят азотирование, при этом глубина азотированного слоя материала-основы составляет 20...70% от суммарной толщины слоя напыленного покрытия, толщина металлического подслоя составляет 15...40% от суммарной толщины напыленного покрытия, при этом максимальная толщина керамического слоя не превышает 350 мкм. Кроме того, азотирование проводят при температуре диффузионного насыщения материала - основы.

Проведение азотирования после двухслойного плазменного напыления по сравнению с двухслойным напылением без азотирования повышает прочность сцепления покрытия на 50-100% и увеличивает долговечность покрытия работы в условиях высокоскоростного газового или жидкостного потока в 2-4 раза, что обусловлено снижением пористости, повышением когезионной и адгезионной прочности сцепления и повышением твердости нихромового подслоя. При этом в связи с незначительным и прогнозируемым изменением размеров деталей возможно уменьшение или исключение финишных шлифовочных операций, что особенно важно для прецизионных, сложнопрофильных или крупногабаритных деталей.

Способ многослойного покрытия заключается в том, что после предварительной подготовки поверхности (обдувки карбидом кремния для обеспечения адгезионной прочности покрытия с основой) и напыления подслоя 75-80% Ni 20-25% Cr (повышающего прочность сцепления) напыляют основной слой керамики, например, АI₂О₃, причем для повышения прочности сцепления максимальная толщина керамического слоя не должна превышать 350 мкм, а толщина металлического подслоя составляет 15...40% от суммарной толщины напыленного покрытия, после чего проводится диффузионное насыщение напыленных слоев и основы азотом на глубину 20-70% от суммарной толщины слоя напыленной композиции при температуре диффузионного насыщения материала-основы.

Ограничение максимальной толщины керамического слоя до 350 мкм и верхнего предела глубины азотированного слоя до 70% определяется требованиями сохранения достаточной вязкости многослойного покрытия. При глубине азотированного слоя менее 20% и толщины металлического подслоя менее 15% и более 40% от суммарной толщины напыленного покрытия не достигается требуемый уровень прочности сцепления. Указанные признаки позволяют получить наилучшее сочетание прочности сцепления, пористости, кавитационной и эрозионной стойкости при незначительном и прогнозируемом изменении размеров.

Пример

Поверхность образцов и деталей плунжерной пары “сепаратор-плунжер” из стали марки 20X13 обрабатывали по следующей схеме:

- обдувка черным карбидом кремния марки 53С или марки 54С, зернистостью 125...100;

- плазменное напыление порошком нихрома ПХ20Н80-160-24 фракцией 40…100 мкм;

- плазменное напыление оксида алюминия (глинозем марки Г-00, Г-0) фракцией 40…100 мкм;

- газовое азотирование в присутствии хлористого аммония при температуре диффузионного насыщения для стали 20Х13 (560°С в течение 15-30 часов) при степени диссоциации аммиака 20-40%.

В качестве критерия работоспособности покрытия использовали следующие методы:

1. Испытания покрытия на прочность сцепления с основой. Для испытаний использовали по 2 цилиндрических образца (D=6 mm, h=75 мм) с одинаковым видом покрытия. Образцы склеивали клеем К-300-61 и испытывали на одноосное растяжение с постоянной нагрузкой. Искомую прочность на разрыв определяли по уравнению σ=4F/(πdD²}, где F - растягивающая сила, D - диаметр образца.

2. Испытания микротвердости и определение глубины слоя покрытий для испытаний использовали цилиндрические образцы (D=6 mm, f=75 мм).

3. Испытание на стойкость к абразивному износу. Для испытаний использовали детали-имитаторы дроссельной пары, работающие в режиме дросселирования при перепаде давлений 6 атм. Рабочая среда воздух с абразивными включениями (электрокорунд зернистостью 60-80 мкм).

4. Контроль размеров до и после нанесения покрытий. Контроль выполняли на цилиндрических образцах и деталях “сепаратор-плунжер”.

В таблицах 1 и 2 представлены данные по металлографическому исследованию, испытанию микротвердости и механических свойств образцов с многослойным покрытием. Как видно из данных таблицы 1, диффузионное насыщение азотом происходит как на поверхности стали, так и в напыленном слое Х20Н80+Аl₂O₃, что приводит к снижению скорости диффузии (и, как следствие, к уменьшению глубины азотированного слоя) на стальной поверхности после плазменного покрытия и к увеличению твердости нихромового подслоя. Проведение диффузионного насыщения азотом по сравнению с известным способом снижает пористость плазменного покрытия, повышает когезионную и адгезионную прочность, при этом на 50-100% повышается прочность сцепления покрытия и на 40-50% увеличивается твердость нихромового подслоя, за счет чего в 2-4 раза увеличивается долговечность покрытия работы в условиях высокоскоростного газового или жидкостного потока. Как видно из таблицы 2, наилучшие результаты сочетания механических свойств и абразивной стойкости обеспечиваются для вариантов 3-10.

В таблицах 3, 4 представлены данные по контролю размеров. Как видно из приведенных результатов, изменение размеров при нанесении многослойного покрытия даже на сложнопрофильных крупногабаритных деталях приводит к незначительному искажению геометрии и прогнозируемому приросту размеров, что позволяет уменьшить объем заключительных шлифовочных операций на поверхностях высокой точности и полностью исключить их на других поверхностях.

Таким образом, оценка механических свойств и абразивной стойкости предлагаемого и известного способа покрытия свидетельствует о том, что покрытие, обладая высоким уровнем прочности сцепления, имеет повышенную абразивную стойкость и достаточно высокое сопротивление эрозии в газовых и жидких средах, что позволяет использовать его, например, в нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для изготовления плунжерных пар, поршневых штоков плунжерных насосов и других прецизионных, в том числе крупногабаритных, деталей.

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, в частности к способу получения многослойного покрытия на стальной или чугунной поверхности. Предложенный способ включает напыление подслоя из нихрома на материал-основу и последующее напыление керамического слоя. После напыления керамического слоя проводят азотирование, при этом глубина азотированного слоя материала-основы составляет 20...70% от суммарной толщины слоя напыленного покрытия. В частных воплощениях изобретения толщина металлического подслоя составляет 15...40% от суммарной толщины напыленного покрытия, при этом максимальная толщина керамического слоя не превышает 350 мкм; азотирование проводят при температуре диффузионного насыщения материала-основы. Техническим результатом изобретения является создание многослойного покрытия, обеспечивающего повышение прочности сцепления, абразивной и эрозионной стойкости. 2 з.п.ф-лы, 4 табл.

1. Способ получения многослойного покрытия, включающий напыление подслоя из нихрома на материал-основу и последующее напыление керамического слоя, отличающийся тем, что после напыления керамического слоя проводят азотирование, при этом глубина азотированного слоя материала-основы составляет 20-70% от суммарной толщины слоя напыленного покрытия.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина металлического подслоя составляет 15-40% от суммарной толщины напыленного покрытия, при этом максимальная толщина керамического слоя не превышает 350 мкм.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что азотирование проводят при температуре диффузионного насыщения материала основы.