СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ ИЗ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ
METHOD FOR APPLICATION OF CERAMIC COATING ONTO PARTS FROM CAST IRON AND STEEL

Изобретение относится к упрочнению деталей машин и инструмента из железоуглеродистых сплавов и может быть использовано при производстве деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, строительной и других отраслях промышленности, обладающих в 2-10 раз большим ресурсом работы.
Известен способ нанесения покрытий преимущественно на чугунные трубы, включающий нагрев упрочняемого изделия газовым пламенем максимальной скорости, имеющим направление, совпадающее с вертикальной осью пламени и ориентированным в сторону изделия, введение в пламя инжектором заданного количества плавкого материала покрытия, выбор максимальной скорости пламени и расстояния между изделием и пламенем из условия, чтобы в момент соприкосновения с изделием по меньшей мере часть количества плавкого материала покрытия находилась в расплавленном состоянии, нанесение плавкого материала на изделие путем напыления для формирования покрытия. Количество плавкого материала покрытия содержит порошок, при этом часть порошка представляет собой порошкообразные отходы. В качестве плавкого материала покрытия используют цинк или сплав на основе цинка, содержащий, мас.%: цинк 50-95; алюминий - остальное. Пламя имеет температуру, достаточно низкую, чтобы частицы порошка не испарялись, и достаточно высокую, чтобы частицы порошка, по меньшей мере, частично расплавлялись (патент RU 2353704, МПК С23С 4/12 (2006.01)).
Недостатками вышеописанного способа упрочнения являются низкая экономичность, обусловленная тем, что часть нерасплавившегося порошка разлетается и вследствие этого теряется, а детали с покрытиями, полученными по этому способу, обладают низкой износостойкостью (см. таблицу, №№ п/п 1, 2).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали, включающий одновременные нагрев упрочняемой детали и нанесение подслоя состава кобальт-хром-алюминий-иттрий путем плазменного напыления с использованием, например, аргонового плазмотрона, последующие одновременные нагрев упрочняемой детали с нанесенным подслоем и нанесение керамической композиции и металлов для формирования соответствующего покрытия путем плазменного напыления с использованием, например, воздушного плазмотрона, из механической порошковой смеси, содержащей нихром, диоксид циркония со стабилизирующей добавкой, карбид хрома, карбид вольфрама при следующем соотношении компонентов: нихром 5-20 мас.%; диоксид циркония со стабилизирующей добавкой 50-20 мас.%; карбид хрома 20 мас.%; карбид вольфрама 10 мас.%. В качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия в количестве 4-7 мас.% (патент RU 2425906, МПК С23С 4/04 (2006.01), С23С 30/00 (2006.01)).
Недостатками вышеописанного способа нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали являются пониженная экономичность вследствие необходимости применения дорогостоящего плазменного оборудования, требующего размещения в стационарных условиях, а также дорогостоящих наплавочных материалов на основе никеля, циркония и вольфрама, отсутствие мобильности вследствие реализации способа на стационарном плазменном оборудовании, пониженная стойкость, а именно коррозионная стойкость и износостойкость, деталей с покрытиями, нанесенными по этому способу (см. таблицу, №№ п/п 3, 4).
Задачей изобретения является повышение экономичности процесса нанесения керамического покрытия на детали из чугунов и сталей, обеспечение мобильности названного процесса, а также повышение стойкости, а именно коррозионной стойкости и износостойкости, деталей с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу.
Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения керамического покрытия на детали из чугунов и сталей, включающем нагрев упрочняемой детали и нанесение керамической композиции для формирования керамического покрытия, согласно изобретению в качестве керамической композиции используют обмазку, разведенную в воде до пастообразного состояния и содержащую диборид хрома, феррохром, карбид бора, мелкодисперсный графит, фторид натрия, хлорид аммония, при следующем соотношении компонентов, мас.%: диборид хрома 5-20; феррохром 5-20; карбид бора 34-75; мелкодисперсный графит 2-14; фторид натрия 1-5; хлорид аммония 1-3. Керамическую композицию наносят на упрочняемую деталь перед нагревом, затем производят сушку на воздухе до получения твердой корки. Последующий нагрев упрочняемой детали осуществляют газовым пламенем с выдержкой в нагретом состоянии в течение времени, необходимого для формирования керамического покрытия.
После выдержки упрочняемой детали можно проводить охлаждение с получением диффузионного слоя на поверхности детали.
Нанесение керамической композиции на упрочняемую деталь можно осуществлять краскопультом.
Нагрев упрочняемой детали можно вести до оплавления нанесенной обмазки.
Повышение экономичности процесса нанесения керамического покрытия обеспечивается введением нагрева упрочняемой детали с обмазкой газовым пламенем без разлета частиц упрочняющей среды при отсутствии применения для напыления дорогостоящего плазменного оборудования, а также введением пастообразной обмазки в качестве керамической композиции, которую наносят на упрочняемую деталь тонким слоем, причем малый расход насыщающей обмазки достигается за счет однократного закрепления насыщающей среды непосредственно на упрочняемом изделии и исключения, таким образом, потерь упрочняющей среды в результате разлета частиц.
Обеспечение мобильности процесса нанесения керамического покрытия оборудования обеспечивается применением нагрева обмазки газовым пламенем, что позволяет проводить упрочнение как части изделия, так и всего изделия в полевых условиях с применением стандартного газобаллонного оборудования, вместо использования плазменного напыления, требующего стационарных условий. Такой набор оборудования позволяет проводить упрочнение как части изделия, так и всего изделия в полевых условиях.
Повышение стойкости, а именно коррозионной стойкости и износостойкости, деталей с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, обеспечивается формированием на поверхности упрочняемой детали многослойного покрытия, состоящего в нижней части из столбчатых кристаллов боридной фазы, имеющей высокие показатели твердости, прочности и износостойкости, и боридной эвтектики в верхней части покрытия, обладающей повышенной твердостью, пластичностью и коррозионной стойкостью вследствие почти полного перехода компонентов упрочняющей обмазки в упрочняемую поверхность. Повышение износостойкости также обеспечивается за счет формирования высокотвердых износостойких покрытий, состоящих из боридов железа и легирующих элементов. Повышение коррозионной стойкости также обеспечивается за счет высокой химической стойкости поверхности покрытия, имеющей максимальную износостойкость.
Содержание в обмазке диборида хрома в количестве 5-20 мас.% является оптимальным, так как при содержании в обмазке диборида хрома в количестве менее 5 мас.% наблюдается отслоение обмазки при сушке, а при содержании в обмазке диборида хрома в количестве более 20 мас.% необоснованно повышается стоимость обмазки ввиду высокой стоимости диборида хрома.
Содержание в обмазке феррохрома хрома в количестве 5-20 мас.% является оптимальным, так как при содержании в обмазке феррохрома в количестве менее 5 мас.% образуется хрупкий диффузионный слой, обладающий значительно меньшим ресурсом, а при содержании в обмазке феррохрома в количестве более 20 мас.% наблюдаете сильное снижение твердости и износостойкости полученного слоя.
Содержание в обмазке карбида бора в количестве 34-75 мас.% оптимально по причине того, что при более низком содержании, чем 34 мас.% в обмазке карбида бора, образуются слои незначительной толщины, кроме того, обмазка не растворяется в расплавленном поверхностном слое металла, что приводит к неточности геометрической формы готового изделия, а содержание в обмазке карбида бора в количестве более 75 мас.% приводит к образованию в поверхностном слое детали хрупких составляющих, выкрашивающихся в процессе эксплуатации, что приводит к снижению ресурса работы упрочненной детали и ее катастрофическому износу.
Содержание в обмазке мелкодисперсного графита в количестве 2-14 мас.% оптимально потому, что при меньшем, чем 2 мас.%, содержании в обмазке мелкодисперсного графита затруднено образование защитной атмосферы, состоящей из оксидов углерода, вблизи поверхности обмазки, а при содержании мелкодисперсного графита в обмазке более 14 мас.% происходит интенсивное порообразование в объеме насыщающей обмазки в результате чрезмерного образования оксидов углерода, а данные факторы приводят к ухудшению геометрической точности изготовленной по предлагаемой технологии детали.
Содержание в обмазке фторида натрия в количестве 1-5 мас.% оптимально по причине того, что при содержании в обмазке фторида натрия меньшем, чем 1 мас.%, происходит недостаточно полное растворение упрочняющей обмазки в поверхности детали, что приводит к получению тонких диффузионных слоев, обладающих малым ресурсом работы, а при увеличении содержания фторида натрия большем, чем 5 мас.%, возможно образование раковин с неметаллическими включениями и прогар насыщающей обмазки, что приводит к ухудшению геометрической точности изготовленной детали.
Содержание в обмазке хлорида аммония в количестве 1-3 мас.% является оптимальным, так как при содержании в обмазке хлорида аммония менее 1 мас.% происходит сажеобразование на поверхности жидкого металла и формирование прослойки углерода между металлом и упрочняющей обмазкой, в результате чего диффузионно упрочненных слоев не наблюдается, а при превышении содержания хлорида аммония более 3 мас.% происходит повышенное газообразование, в результате чего геометрическая точность изделия ухудшается из-за наличия на поверхности изготовленного изделия газовых раковин.
Предложенное изобретение поясняется таблицей, в которой приведены результаты испытаний на стойкость лапы культиватора для предпосевной обработки почвы.
Способ нанесения керамического покрытия на детали из чугунов и сталей осуществляется следующим образом. Предварительно керамическую композицию, в качестве которой используют обмазку, содержащую диборид хрома, феррохром, карбид бора, мелкодисперсный графит, фторид натрия, хлорид аммония, при следующем соотношении компонентов, мас.%: диборид хрома 5-20; феррохром 5-20; карбид бора 34-75; мелкодисперсный графит 2-14; фторид натрия 1-5; хлорид аммония 1-3, разводят в воде до пастообразного состояния. Приготовленную обмазку наносят на рабочую поверхность упрочняемой детали краскопультом, после чего сушат на воздухе до получения твердой корки. Затем осуществляют нагрев упрочняемой детали газовым пламенем до светло-желтого свечения упрочняемой поверхности в направлении от краев к середине с выдержкой в нагретом состоянии в течение времени, необходимого для формирования керамического покрытия.
Нагрев упрочняемой детали можно вести до оплавления нанесенной обмазки. После выдержки упрочняемой детали можно проводить охлаждение с получением диффузионного слоя на поверхности детали.
После остывания детали могут подвергаться очистке от остатков обмазки с помощью дробеструйной обработки. В результате на рабочей поверхности упрочненной таким образом детали образуется керамическое покрытие, содержащее бориды железа и легирующие элементы.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Упрочняли лапу культиватора для предпосевной обработки почвы. Обмазку, содержащую диборид хрома, феррохром, карбид бора, мелкодисперсный графит, фторид натрия, хлорид аммония (см. таблицу, №№ п/п 5-16), разводили в воде до пастообразного состояния. Приготовленную обмазку наносили на предварительно обезжиренную и очищенную рабочую кромку лапы слоем от 0,5 до 0,7 мм краскопультом, после чего сушили на воздухе в течение 20-30 минут до получения твердой корки. Высушенную лапу нагревали слабоокислительным газовым пламенем стандартного газобаллонного оборудования, состоящего из баллона с горючим газом, баллона с окислителем и газовой горелки с соединительными шлангами, сначала по всей упрочняемой поверхности в течение 5-7 минут, после чего лапу нагревали слабоокислительным газовым пламенем до светло-желтого свечения упрочняемой поверхности в направлении от краев к середине таким образом, чтобы нагретые области были выдержаны при температуре от 950°С до 1200°С - от оранжевого до светло-желтого свечения - в течение 15 минут. После окончания насыщения осуществляли охлаждение упрочненной лапы в воде. При этом на поверхности было получено керамическое упрочненное покрытие толщиной 0,5-1,0 мм с микротвердостью 12000-14000 МПа, содержащее бориды и карбобориды хрома и железа сложного состава (см. таблицу, №№ п/п 8-9, 12, 15). Стойкость лапы культиватора с керамическим покрытием определяли по площади обработанной земли.
Также осуществляли процесс упрочнения лапы культиватора из стали 45 в соответствии со способом нанесения покрытий, выбранным в качестве аналога (см. таблицу, №№ п/п 1, 2), способом нанесения теплозащитного износостойкого покрытия на детали из чугуна и стали, выбранным в качестве прототипа (см. таблицу, №№ п/п 3, 4), и способом упрочнения рабочей кромки лапы культиватора из стали 65Г сормайтовой наплавкой (см. таблицу, № п/п 17).
Как следует из приведенных в таблице данных, при упрочнении деталей из обмазки с содержанием компонентов за заявленными пределами стойкость упрочненных слоев снижается и происходит искажение геометрической формы упрочненного изделия, приводящее к браку (см. таблицу, №№ п/п 5-7, 10-11). Стойкость изготовленной в соответствии с изобретением лапы культиватора для предпосевной обработки почвы возросла в 1,48 раз по сравнению с прототипом.
Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет повысить износо- и коррозионную стойкость, экономичность процесса, а также производить упрочнение в полевых условиях. Данный способ может быть использован на любом предприятии, имеющем оборудование для газовой сварки.
Таблица
Результаты испытаний на стойкость лапы культиватора для предпосевной обработки почвы
№ п/п
Упрочнение с применением пасты состава, мас.%
Стойкость, га<sup>*</sup>
NiCr
В<sub>4</sub>С
ZrO<sub>2</sub>
FeCr
NH<sub>4</sub>Cl
CrB<sub>2</sub>
NaF
Графит
Cr<sub>n</sub>C<sub>m</sub>
WC
Al
Zn
АНАЛОГ
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
100
-
7
2
-
-
-
-
-
-
-
-
-
70
30
4
ПРОТОТИП
3
20
50
-
-
-
20
10
-
-
16
4
50
20
-
-
-
20
10
-
-
12
ИЗОБРЕТЕНИЕ
5
-
30
-
24
5
22
5
14
-
-
-
-
8
6
-
76
-
5
2
4
3
10
-
-
-
-
6
7
-
60
-
10
2
10
3
15
-
-
-
-
10
8
-
34
-
12
3
20
5
8
-
-
-
-
22
9
-
52
-
20
3
10
3
12
-
-
-
-
23,6
10
-
55
-
25
0,5
15
1,5
3
-
-
-
-
5
11
-
55
-
13
2,5
17
0,5
12
-
-
-
-
7
12
-
75
-
5
3
5
5
7
-
-
-
-
21
13
-
60
-
18
2
16
2
2
-
-
-
-
17
14
-
47
-
18
1,5
18
1,5
14
-
-
-
-
15,8
15
-
50
-
15
2
20
1
12
-
-
-
-
17,5
16
-
51
-
20
1
15
3
10
-
-
-
-
16
17
Серийная лапа, изготавливаемая из стали 65Г, упрочнением рабочей кромки сормайтовой наплавкой
10
<sup>*</sup> стойкость определялась по обработанной площади, га
Режим работы лапы культиватора из стали 45: почва со средним содержанием мелких абразивных частиц (песок) на уровне 45% и содержанием крупных абразивных частиц (камни) - 10-12%.