RU2112815C1

RU2112815C1 - Method of forming coatings from self-fluxing powdered materials on iron-carbon alloy articles

Info

Publication number: RU2112815C1
Application number: RU97105253A
Authority: RU
Inventors: М.П. Лебедев; Н.П. Болотина
Original assignee: Якутский государственный университет
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: restoration coatings. SUBSTANCE: invention relates to applying powder coatings by gas-thermal methods and can be used in mechanical engineering to restore and reinforce machine parts. Surface of part is heated to 60-80 C and thin layer (0.1 mm) of coating is then laid to prevent surface from oxidation before intensive heating. The latter is accomplished by the aid of two different-action plasmatrons to 600-750 C, the part itself serving as anode for direct-action plasmatron. Thereafter, principal layer is sprayed down from the same powder to desired thickness. This layer, when contacted with thermally prepared surface, is self-melted in the course if coating formation while simultaneously forming strong chemical linkage with substrate and preserving its original structural state. EFFECT: facilitated formation of coating and increased its adhesion to part surface. 2 dwg

Description

Изобретение относится к нанесению покрытий газотермическими методами, в частности к плазменному напылению, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в том числе при восстановлении и упрочнении изношенных поверхностей деталей машин. The invention relates to coating by thermal methods, in particular to plasma spraying, and can be used in various branches of engineering, including the restoration and hardening of worn surfaces of machine parts.

Для упрочнения и восстановления поверхностей, подвергающихся износу, применяют метод плазменного нанесения покрытий из порошкового материала системы Ni-Cr-B-Si. Однако широкое применение метода ограничивается невысоким значением прочности сцепления покрытия с основой. For hardening and restoration of surfaces subject to wear, the method of plasma coating of the powder material of the Ni-Cr-B-Si system is used. However, the widespread use of the method is limited by the low value of adhesion of the coating to the base.

Известны способы увеличения прочности сцепления покрытий из самофлюсующихся сплавов, заключающиеся в оплавлении напыленной поверхности газопламенной горелкой, плазмой, в расплаве солей. Процесс упрочнения получается состоящим из независимых технологических операций: нанесения покрытия на основу и оплавления покрытия. Тем самым процесс получается очень сложным. Known methods for increasing the adhesion strength of coatings of self-fluxing alloys, which include melting the sprayed surface with a gas flame burner, plasma, and molten salts. The hardening process is obtained consisting of independent technological operations: coating the base and melting the coating. Thus, the process is very complicated.

Недостатком этих способов является то, что процесс получается двустадийным. The disadvantage of these methods is that the process is a two-stage process.

Для увеличения адгезии применяют также предварительный подогрев до 250-370^oC обрабатываемой поверхности. Разница температур основы и напыляемой частицы достаточно высокая, учитывая, что процесс происходит при комнатной температуре. Поэтому необходимо повысить температуру основы. Однако дальнейший подогрев основы приводит к окислению поверхности, образованию окалины и отслоению покрытия. Следует учесть, что нагрев основы из железоуглеродистых сплавов приводит к изменению ее структурного исходного состояния. При более высоком нагреве образуется окалина и покрытие отслаивается.To increase adhesion, preheating is also used to 250-370 ^o C the treated surface. The temperature difference between the base and the sprayed particle is quite high, given that the process occurs at room temperature. Therefore, it is necessary to increase the temperature of the base. However, further heating of the substrate leads to surface oxidation, scale formation and coating peeling. It should be noted that heating the base from iron-carbon alloys leads to a change in its structural initial state. With higher heating, scale forms and the coating peels off.

Наиболее близким к предполагаемому техническому решению является способ получения напыленного покрытия из никелевых самофлюсующихся сплавов, включающий предварительный подогрев до 160-200^oC, затем наносят слой покрытия и производят нагрев до 1100^oC. После чего производят нанесение покрытия в интервале температур 1100-1250^oC, но данный способ предусматривает нагрев основы до высокой температуры (1100^oC), что приводит к структурному изменению всего объема основы.Closest to the proposed technical solution is a method of producing a sprayed coating of nickel self-fluxing alloys, including preheating to 160-200 ^o C, then apply a coating layer and produce heating up to 1100 ^o C. After that, the coating is applied in the temperature range 1100-1250 ^o C, but this method involves heating the base to a high temperature (1100 ^o C), which leads to a structural change in the entire volume of the base.

Однако этот способ отличается температурой предварительного нагрева и пределом температур, при котором происходит оплавление. However, this method is characterized by a preheating temperature and a temperature limit at which reflow occurs.

Задачей изобретения является получение качественного покрытия при его оплавлении в процессе формирования. The objective of the invention is to obtain high-quality coatings when melted during formation.

Техническое решение задачи достигается тем, что после термической активации до 60-80^oC поверхности железоуглеродистых сплавов для предотвращения окисления наносят тонкий защитный слой из напыляемого самофлюсующегося сплава (0,1 мм), отключают подачу порошка при дальнейшем нагреве поверхности плазмой без окисления до 600-750^oC, подают порошок и наносят необходимый слой покрытия, который, попадая на термически подготовленную поверхность, самооплавляется в процессе формирования с образованием прочной химической связи между подложкой и покрытием. Причем после нанесения защитного слоя нагрев основы производят также и вторым плазмотроном прямого воздействия. Плазменная струя непосредственно нагревает поверхность, так как анодом в данном случае является само изделие из железоуглеродистого сплава. При этом обеспечивается сохранение исходного химического состава и получение качественного покрытия, способ не требует защитной атмосферы. Охлаждение детали проводится в песке, масле.The technical solution to the problem is achieved by the fact that after thermal activation to 60-80 ^o C the surface of iron-carbon alloys is applied to prevent oxidation by applying a thin protective layer of a sprayed self-fluxing alloy (0.1 mm), the powder supply is switched off when the surface is further heated by plasma without oxidation to 600- 750 ^o C, the powder is fed and the desired coating layer is applied, which, coming into contact with the thermally prepared surface samooplavlyaetsya in the formation to form a strong chemical bond between the substrate and cover iem. Moreover, after applying the protective layer, the base is also heated by the second direct-acting plasmatron. The plasma jet directly heats the surface, since the anode in this case is the product itself from the iron-carbon alloy. This ensures the preservation of the initial chemical composition and obtaining high-quality coatings, the method does not require a protective atmosphere. Part cooling is carried out in sand, oil.

Пример. Обезжиренный образец из стали 3, имеющий цилиндрическую форму, подвергают термической активации плазмой до 60 - 80^oC в течение 15 - 20 с. Наносят защитный слой из порошкового материала ПГ - СР 4 (системы Ni - Cr - B - Si) за один проход. Толщина покрытия составляет 0,1 мм. Прекращая подачу порошка, проводят интенсивный нагрев поверхности образца до 600 - 700^oC в течение 2 - 3 мин двумя различными плазмотронами прямого и косвенного действия. Причем для плазмотрона прямого действия анодом является сам образец. Затем включают подачу порошка и наносят основное покрытие в течение 30 - 40 с толщиной от 0,4 до 1,5 мм, которое самооплавляется с образованием прочной связи с основой.Example. A defatted sample of steel 3, having a cylindrical shape, is subjected to thermal activation by plasma up to 60 - 80 ^o C for 15 - 20 s. Apply a protective layer of PG - CP 4 powder material (Ni - Cr - B - Si systems) in one pass. The coating thickness is 0.1 mm. Stopping the supply of powder, conduct intensive heating of the surface of the sample to 600 - 700 ^o C for 2 to 3 minutes with two different plasmatrons of direct and indirect action. Moreover, for a direct-acting plasmatron, the sample itself is the anode. Then, the powder supply is turned on and the main coating is applied for 30–40 with a thickness of 0.4 to 1.5 mm, which self-melts to form a strong bond with the base.

Охлаждение проводят в песке. Металлографически контролировали сцепление: пор, трещин, отслоений не обнаружено, покрытие химически связано с основой (фиг. 1 и 2). Cooling is carried out in the sand. The adhesion was metallographically controlled: no pores, cracks, delaminations were detected, the coating was chemically bonded to the substrate (Figs. 1 and 2).

Структура мелкозернистая. Рентгеноструктурный анализ показал, что напыленные покрытия состоят из твердого раствора на основе Ni с упрочняющими фазами Cr₇B, Cr₇C₃. Соединения кремния не обнаруживали. После оплавления в твердом растворе на основе Ni фиксируются фазы Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, которые вносят основной вклад в износостойкость покрытий.The structure is fine-grained. X-ray diffraction analysis showed that the sprayed coatings consist of a Ni-based solid solution with hardening phases Cr ₇ B, Cr ₇ C ₃ . No silicon compounds were detected. After melting in a solid solution based on Ni, the phases Cr ₂₃ C ₆ , Cr ₇ C ₃ are fixed, which make the main contribution to the wear resistance of the coatings.

Контролируемый нагрев позволяет регулировать физико-химическое взаимодействие материала подложки и покрытия в момент формирования слоя покрытия. Интервал температур нагрева 600-750^oC обусловлен толщиной получаемого покрытия и предотвращает его от нагрева и стекания при оплавлении. Увеличение числа проходов (толщины покрытия) увеличивает время нахождения покрытия под плазмой и позволяет достичь температуры плавления материала покрытия. В табл. 1 приведены температуры нагрева и соответствующие им толщины покрытий с учетом тепловых эффектов при напылении для материала ПГ-СР-4, полученные по предлагаемому способу.Controlled heating allows you to adjust the physico-chemical interaction of the substrate material and the coating at the time of formation of the coating layer. The temperature range of heating 600-750 ^o C due to the thickness of the resulting coating and prevents it from heating and draining during reflow. An increase in the number of passes (coating thickness) increases the residence time of the coating under the plasma and allows the melting temperature of the coating material to be reached. In the table. 1 shows the heating temperature and the corresponding thickness of the coatings, taking into account thermal effects during spraying for the material PG-SR-4, obtained by the proposed method.

Контроль качества образцов, напыленных по предполагаемому способу (1 режим) в сравнении с напыленным без оплавления (2 режим), оценивают по методу обкатки цилиндрических образцов роликом под нагрузкой, определяемой расчетно-аналитическим методом. Результаты приведены в табл. 2. The quality control of samples sprayed by the proposed method (1 mode) in comparison with sprayed without reflow (2 mode) is evaluated by the method of rolling cylindrical samples with a roller under load, determined by the analytical method. The results are shown in table. 2.

По разработанной технологии восстановлены детали ходовой части бульдозера Д-9Н и автомобильной техники. Экономические расчеты показывают, что затраты на восстановление оказываются на уровне 60-70% от стоимости запасных частей. Причем износостойкость увеличивается в 2 раза. According to the developed technology, the details of the chassis of the D-9N bulldozer and automotive equipment were restored. Economic calculations show that restoration costs are at the level of 60-70% of the cost of spare parts. Moreover, wear resistance increases by 2 times.

Использование предлагаемого способа для упрочнения поверхностей деталей машин обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
возможность получения качественных покрытий с высокой прочностью сцепления без применения дополнительного оборудования для обработки и создания защитной среды, что удешевляет способ;
процесс получения покрытий из самофлюсующихся сплавов по данной технологии является непрерывным, что сокращает время процесса;
применение интенсивного нагрева только поверхности позволяет сохранить начальные свойства в основе деталей, так как нагрев в основе значительно ниже, чем на поверхности.Using the proposed method for hardening the surfaces of machine parts provides the following advantages compared to existing methods:
the possibility of obtaining high-quality coatings with high adhesion strength without the use of additional equipment for processing and creating a protective environment, which reduces the cost of the method;
the process of producing coatings of self-fluxing alloys by this technology is continuous, which reduces the process time;
the use of intensive heating of only the surface allows you to save the initial properties in the basis of parts, since the heating in the base is much lower than on the surface.

Claims

A method of producing coatings of self-fluxing powder materials on products made of iron-carbon alloys, including heating the sprayed surface, applying a coating layer with plasma, further heating the surface, spraying the main coating layer to the required thickness, characterized in that the sprayed surface is heated to 60 - 80 ^o C, layer coatings are applied to 0.1 mm thick, heating the surface before spraying the base coating layer is carried out up to 600 - 750 ^o C two plasma torches direct and indirect action, wherein the plasma torch for direct of action is the anode product.