СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ ИЗ ЧУГУНА И СТАЛИ
PROCEDURE FOR APPLICATION OF HEAT PROTECTING WEAR RESISTANT COATING ON ITEMS OF IRON AND STEEL

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.).
2
Электролитические хромовые покрытия в основном удовлетворяют указанным требованиям действующих производств. Твердость указанных покрытий находится на уровне 900-1000 HV, адгезионная прочность - до 700 кг/см, 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 кольца в гильзе и требует высокой точности изготовления колец. Из-за недостаточной толщины покрытия последующая обработка под геометрию гильзы достаточно затруднительна и трудоемка.
2
2
Электролитический хром неудовлетворительно работает на трение и изнашивание при высоких температурах из-за резкого снижения твердости (при 300°C твердость составляет 800 кг/мм, а при 700°C - 200 кг/мм). Так как полиморфного превращения в хромовых осадках нет, то термообработкой твердость покрытий не повышается. Если покрытие имеет недостаточную пористость, то при температуре свыше 300°C 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 образованию 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 температурах (1000°C), 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.
2
2
3
Известен способ нанесения комбинированного жаростойкого покрытия на лопатки турбин, включающий хромоалитирование в порошковой смеси с последующей термовакуумной обработкой, после чего проводят электронно-лучевое напыление слоя керамики ZrO-8YO на входные кромки лопаток с последующим отжигом для окончательного формирования покрытия (см. патент на изобретение РФ №2272089, кл.C23C 28/00, опубл.20.03.2006 г., бюл. №8), состав которого соответствует условиям работы наружной поверхности рабочих лопаток ГТД и неприемлем для деталей цилиндропоршневой группы автотракторной техники.
2
Наиболее близким техническим решением является способ получения эрозионностойких теплозащитных покрытий на основе композиции ZrO 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, при этом для напыления керметной композиции используют механическую смесь, содержащую порошки диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10-40 и 40-100 мкм соответственно, подачу порошковой смеси осуществляют под срез плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, а в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид кальция с содержанием 4-6 вес.% (патент на изобретение РФ №2283363, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25), принятого за прототип. Изобретение обеспечивает повышение эрозионностойкости, термостойкости и адгезионной прочности покрытия за счет состава и создания зоны фазового перехода.
Покрытие, получаемое таким образом, неудовлетворительно работает на трение и изнашивание, имеет недостаточную твердость, неудовлетворительную прирабатываемость. Нанесение в одном цикле и подслоя, и керметной композиции технологично, но приводит к снижению эксплуатационных свойств покрытия. Использование нихрома в качестве подслоя не эффективно из-за отсутствия специальных элементов, повышающих адъезионную прочность. В способе частично решен вопрос адгезионной прочности подслоя и керметной части покрытия, но не решены проблемы адгезии подслоя к сплаву основы. Использование оксида кальция в качестве стабилизирующей добавки снижает не только себестоимость покрытия, но и его качество по сравнению с использованием в качестве стабилизирующей добавки оксида иттрия.
Для повышения стойкости покрытия к изнашиванию при трении необходимо повысить твердость покрытия, термостойкость, адгезию покрытия к сплаву основы.
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 детали из чугуна и стали, включающем плазменное напыление подслоя и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей диоксид циркония со стабилизирующей добавкой и нихром, подслой имеет состав Co-Cr-Al-Y, а в состав керметной композиции дополнительно введены добавки карбида хрома и вольфрама, при этом керметная композиция имеет состав 20-50 вес.% нихрома, 50-20 вес.% диоксида циркония, 20 вес.% карбида хрома, 10 вес.% карбида вольфрама, при этом в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет 4-7 вес.%.
Технический результат достигается за счет нового состава подслоя, керметной композиции и стабилизирующих веществ в нанесении покрытий, а именно подслоя состава Co-Cr-Al-Y, повышающего адгезионную прочность покрытия и сплава основы, введения в состав керметной смеси карбида хрома и вольфрама для повышения прочности, твердости и износостойкости покрытия, использование в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония оксида иттрия с целью исключения полиморфных превращений при забросах температур и повышения термостойкости покрытия.
Процентное содержание карбида хрома и вольфрама (20 вес.% карбида хрома, 10 вес.% карбида вольфрама) 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.
На фиг.1 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия.
На фиг.2 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия с подслоем Co-Cr-Al-Y.
На фиг.3 приведена зависимость адгезионной прочности покрытия со сплавом основы от состава подслоя.
На фиг.4 приведена зависимость интенсивности изнашивания от состава покрытия.
На фиг.5 приведена зависимость адгезии масла к покрытию от концентрации карбида хрома и вольфрама в керметной смеси.
Пример конкретного выполнения (оптимальный)
1
Предполагаемый 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: Г, Г2 … для графита, П1, П2 … для перлита (ГОСТ 3443-77). 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 30-40 мкм. Использовали порошок диоксида циркония грануляцией 10-40 мкм и порошки нихрома, карбида хрома и вольфрама 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: пористость 12%, соотношение керамика-металл 38-50% 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, исключающей задир (p=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.
-3
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 Н/м. Химический состав определялся микрорентгеноспектральным способом на электронном микроскопе «Stereoscan-S-600» с микроанализатором «Link».
Проведенные сравнительные испытания образцов с покрытиями показали преимущество предполагаемого покрытия по адгезионной прочности покрытия со сплавом основы (фиг.3), его износостойкости (фиг.4) и адгезии масла (фиг.5).
Использование способа наиболее эффективно для деталей цилиндропоршневой группы двигателей автотракторной техники в связи с их решающим влиянием на ресурс.