СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДЕТАЛИ ИЗ ЧУГУНА ИЛИ СТАЛИ Российский патент 2024 года по МПК C23C28/02 C23C4/06 C23C4/134 

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники.

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).

Теплозащитные покрытия характеризуются более низкой теплопроводностью, но растрескиваются и отслаиваются при теплосменах под действием термомеханических нагрузок.

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.).

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.

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 коль- ца в гильзе и требует высокой точности изготовления колец. Из-за недостаточной толщины покрытия последующая обработка под геометрию гильзы достаточно затруднительна и трудоемка.

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.

Известен способ нанесения хромового покрытия на стальные детали (патент на изобретение 2269608, опубл. 10.02.2006 г, бюл. №4). В данном способе не повышена износостойкость покрытия, а увеличена адгезия покрытия и производительность.

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 тем- пературах (1000°С), что не является необходимым при работе деталей автотракторной техники.

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.

Наиболее близким техническим решением является способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали, включающий абразивно - струйную обработку карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, плазменное напыление подслоя Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония со стабилизирующей добавкой оксида иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %, нихром, алюминид никеля, молибден, при этом керметная композиция имеет состав: 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, 10-20 мас. % алюминида никеля, 60-20 мас. % молибдена (патент на изобретение РФ №2766627, опубл. 15.03.2022 г., бюл. №8), принятого за прототип. Изобретение обеспечивает стойкость покрытия к изнашиванию при трении, повышение прирабатываемости кольца в гильзе, антизадирных свойств, термостойкости, масловпитываемости, толщины покрытия, адгезии покрытия к сплаву основы.

Покрытие, получаемое таким образом, удовлетворительно работает на трение и изнашивание. Для увеличения толщины покрытия, его масловпитываемости, прирабатываемости, антизадирных свойств в состав покрытия введены большое количество алюминида никеля, молибдена, нихрома, что недостаточно для обеспечения хорошей износостойкости покрытия.

Для повышения стойкости покрытия к изнашиванию при трении необходимо повысить износостойкость покрытия за счет иных элементов, не снижая значительно концентрацию алюминида никеля, молибдена, нихрома для сохранения диапазона толщины покрытия, его масловпитываемости, прирабатываемости, антизадирных свойств.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости и долговечности деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники за счет применения теплозащитных износостойких покрытий (ТЗП).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на поверхность детали из чугуна или стали, включающем абразивно - струйную обработку карбидом кремния поверхности детали, плазменное напыление подслоя Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония со стабилизирующей добавкой оксида иттрия, нихром, алюминид никеля и молибден в состав керметной композиции дополнительно введен бор, при этом указанная керметная композиция имеет следующее соотношение компонентов: 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой в виде оксида иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %, 10-20 мас. % алюминида никеля, 50-12 мас. % молибдена и 10-8 мас. % бора.

Технический результат достигается за счет нового состава керметной композиции в нанесении покрытий, а именно введения в состав керметной смеси бора для повышения износостойкости покрытия (таблица 1).

Процентное содержание нихрома и диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, не изменилось и 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.

Процентное содержание молибдена снижено незначительно, на 8-10 мас. %, что не приводит к снижению пластичности покрытия, его масловпитываемости, прирабатываемости, высоких антизадирных свойств.

Введение 8-10 мас. % бора практически не снижает пластичности покрытия, его масловпитываемости, прирабатываемости, антизадирные свойства, но повышает износостойкость покрытия в 1,75-2,9 раза, как в условиях сухого трения, так и трения со смазкой. Низкие значения величины износа в условиях трения без смазки при постоянной нагрузке 300 Н и скорости скольжения 10 м/мин для покрытий, легированных бором в количестве 10 мас. % объясняется низким коэффициентом трения покрытия равным 0,176. Повышение концентрации бора в керметной смеси выше 10 мас. % приводит к плавному росту коэффициента трения до 0,22 (12 mac. % бора) и до 0,25 (16 mac. % бора).

Процентное содержание нихрома, диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, алюминида никеля, молибдена, бора оптимально для прочностных и пластичных свойств покрытия, что позволяет покрытию иметь как высокую износостойкость, так и прирабатываемость кольца в гильзе, изменять толщину покрытия с изменением его пористости.

На фиг. 1 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия с подслоем Co-Cr-Al-Y.

На фиг. 2 приведена зависимость адгезионной прочности покрытия со сплавом основы.

На фиг. 3 приведена зависимость адгезии масла к покрытию.

На фиг. 4 приведена зависимость износа при трении без смазочного материала (скорость скольжения - 10 м/мин, нагрузка - 80 Н, время - 60 с) прототипа и предлагаемого способа нанесения покрытия в зависимости от содержания бора в керметной композиции.

На фиг. 5 приведена зависимость износа при трении со смазочным материалом (масло М10 В, скорость скольжения - 10 м/мин, нагрузка - 80 Н, время - 60 с) прототипа и предлагаемого способа нанесения покрытия в зависимости от содержания бора в керметной композиции.

На фиг. 6 приведена зависимость интенсивности изнашивания предлагаемого способа нанесения покрытия от содержания бора в керметной композиции (скорость скольжения - 10 м/мин, нагрузка - 300 Н, время - 60 мин, трение без смазочного масла).

Пример конкретного выполнения (оптимальный)

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 96-112 НВ для серого или 100-112 НВ 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 тол- щиной 30-40 мкм. Использовали порошки диоксида циркония грануляцией 10-40 мкм и порошки нихрома, интерметаллида алюминида никеля, молибдена, бора с размером частиц 40-100 мкм.

При нанесении покрытий использовались следующие материалы:

- порошок интерметаллида алюминида никеля ПН85Ю15 соответствует требованиям изготовителя по ТУ 14-22-123-99;

- порошок ЦрОИ7; ТУ 48-0502-01-89;

- порошок ПХ20Н80-160-24; ГОСТ (ТУ)13084-88;

-порошок молибдена ПМ 99,95;

- порошок бора.

Производитель АО «Полема» - завод порошковой металлургии (г.Тула). Вся продукция сертифицирована.

Напыление покрытий по прототипу и предлагаемому способу осуществляли воздушным плазмотроном ПН-В1 при I=190-200 A, U=200 В. Толщина покрытий 150-600 мкм. Данные по толщинам слоев покрытия определяли на оптическом микроскопе «Neophot-21». Фазовый анализ покрытий: пористость - 6-15%, соотношение керамика - металл 34 - 67% в зависимости от состава смеси.

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. Сравнительную оценку износостойкости покрытий проводили на установке торцевого трения: контртело сплав ВК-6, рабочая часть - трубка толщиной стенки 1,5 мм. Величину износа определяли глубиной лунки с помощью профилографа-профилометра модели 252. За величину износа на образце принимали среднее значение пяти замеров по периметру протертой канавки.

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.

Испытания на стойкость к задиранию нанесенных покрытий проводились в паровой среде при температуре 350°С и удельном давлении 80-100 МПа на парогидравлическом стенде. Перед установкой испытуемых образцов в рабочую камеру измеряли твердость и шероховатость контактируемых напыленных 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 «Neophot-21». 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.

Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan - S-600» с микроанализатором «Link».

Проведенные сравнительные испытания образцов с покрытиями показали преимущество предлагаемого покрытия по адгезионной прочности покрытия со сплавом основы (фиг. 2), его износостойкости (фиг. 4, 5, 6). Использование способа наиболее эффективно для деталей цилиндропоршневой группы двигателей автотракторной техники в связи с их решающим влиянием на ресурс.

Изобретение относится к способу нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на поверхность детали из чугуна или стали. Проводят абразивно-струйную обработку карбидом кремния поверхности детали, плазменное напыление подслоя Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси. Упомянутая порошковая смесь содержит следующее соотношение компонентов: 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой в виде оксида иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %, 10-20 мас. % алюминида никеля, 50-12 мас. % молибдена и 10-8 мас. % бора. Обеспечивается повышение стойкости покрытия к изнашиванию при трении, антизадирных свойств, термостойкости и адгезии покрытия. 6 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на поверхность детали из чугуна или стали, включающий абразивно-струйную обработку карбидом кремния поверхности детали, плазменное напыление подслоя Co-Cr-Al-Y и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония со стабилизирующей добавкой в виде оксида иттрия, нихром, алюминид никеля и молибден, отличающийся тем, что в состав керметной композиции дополнительно введен бор, при этом указанная керметная композиция имеет следующее соотношение компонентов: 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой в виде оксида иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %, 10-20 мас. % алюминида никеля, 50-12 мас. % молибдена и 10-8 мас. % бора.