СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ ИЗ ЧУГУНА И СТАЛИ
METHOD FOR APPLYING HEAT-PROTECTIVE WEAR-RESISTANT COATING ON CAST IRON AND STEEL PARTS

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 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 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
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, имеет недостаточную толщину, неудовлетворительную прирабатываемость, антизадирные свойства, неудовлетворительно работает на трение и изнашивание. 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 адгезию покрытия к сплаву основы, увеличить толщину покрытия, его масловпитываемость, прирабатываемость, антизадирные свойства.
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, перед плазменным напылением проводят абразивно-струйную обработку карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, подслой имеет состав Co-Cr-Al-Y а в состав керметной композиции дополнительно введены никельалюминий и молибден, при этом керметная композиция имеет состав 10-20 мас. % нихрома, 20-40 мас. % диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, 10-20 мас. % никельалюминия, 60-20 мас. % молибдена, а в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид иттрия, содержание которого составляет 4-7 мас. %.
Технический результат достигается за счет проведения перед плазменным напылением абразивно-струйной обработки карбидом кремния с размером частиц 1,5 мм, нового состава подслоя, керметной композиции и стабилизирующих веществ в нанесении покрытий, а именно подслоя состава Co-Cr-Al-Y повышающего адъезионную прочность покрытия и сплава основы, введения в состав керметной смеси никельалюминия и молибдена для увеличения толщины покрытия, повышения его масловпитываемости, прирабатываемости, антизадирных свойств, 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 нихрома, диоксида циркония со стабилизирующей добавкой, никельалюминия, молибдена оптимально для прочностных и пластичных свойств покрытия, что позволяет покрытию иметь как высокую износостойкость, так и прирабатываемость кольца в гильзе, изменять толщину покрытия от 100 до 600 мкм с изменением его пористости от 6-8 до 12-15% при повышении концентрации диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, с 20 до 40 мас. %. Снижение пористости ниже 6% ухудшает характеристики смачиваемости колец маслом, что приводит к росту температуры в зоне контакта кольца с гильзой, прижогам, задирам, скалыванию покрытия.
На фиг. 1 приведены поршневые кольца автотракторной техники с теплозащитным покрытием.
На фиг. 2 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия.
На фиг. 3 приведена микроструктура теплозащитного износостойкого покрытия с подслоем Co-Cr-Al-Y.
На фиг. 4 приведена зависимость адгезионной прочности покрытия со сплавом основы от состава подслоя.
На фиг. 5 приведена зависимость интенсивности изнашивания от состава покрытия.
На фиг. 6 приведена зависимость адгезии масла к покрытию прототипа и предлагаемого способа в зависимости от концентрации элементов в керметной смеси.
На фиг. 7 приведена зависимость нагрузки, вызывающей задир более 10 мкм от концентрации молибдена в керметной смеси.
Пример конкретного выполнения (оптимальный)
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 96-112НВ для серого или 100-112НВ 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 толщиной 30-40 мкм. Использовали порошок диоксида циркония грануляцией 10-40 мкм и порошки нихрома, никельалюминия и молибдена, 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 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.
-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.
Испытания на стойкость к задиранию нанесенных покрытий проводились в паровой среде при температуре 350°C и удельном давлении 80-100 МПа на парогидравлическом стенде Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института атомного машиностроения (ОАО ВНИИАМ). Перед установкой испытуемых образцов в рабочую камеру измеряли твердость и шероховатость контактируемых наплавленных 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 МИС-11. 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 предполагаемого покрытия по адгезионной прочности покрытия со сплавом основы (фиг. 4), его износостойкости (фиг. 5) и задиростойкости (фиг. 7).
Использование способа наиболее эффективно для деталей цилиндропоршневой группы двигателей автотракторной техники в связи с их решающим влиянием на ресурс.