SU1737035A1

SU1737035A1 - Heat resistant coating

Info

Publication number: SU1737035A1
Application number: SU894760222A
Authority: SU
Inventors: Борис Евгеньевич Патон; Владимир Петрович Семиноженко; Вячеслав Михайлович Пузиков; Анатолий Сергеевич Мизяк; Виталий Владимирович Дмитрик; Александр Владимирович Семенов; Дмитрий Иванович Момот; Сергей Иванович Притула
Original assignee: Украинский заочный политехнический институт им.И.З.Соколова
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Использование: в сварке дл покрыти сопл или мундштуков сварочных горелок и плазмотронов. Покрытие выполнено в виде алмазоподобной пленки углерода толщиной 1000 А, содержащей области из гексагонального алмаза, имеющего форму, близкую к эллипсоиду вращени с ос ми величиной 9-10 А и 5-6 А, а граничные участки между ними представл ют собой совокупность одиночных тетраэдров (Т). Объем (Т) в 1,4-1,6 раза превышает объем областей гексагонального алмаза. Пленку получают осаждением из пучков ионов углерода с энергией 70-100 эВ. Производительность процесса сварки увеличена на 3-4%. 1 з.п.ф-лы.Use: in welding for coating nozzles or mouthpieces of welding torches and plasma torches. The coating is made in the form of a diamond-like carbon film with a thickness of 1000 A, containing regions of hexagonal diamond, having a shape close to an ellipsoid of rotation with axes of 9-10 A and 5-6 A, and the boundary regions between them are a combination of single tetrahedra ( T). The volume (T) is 1.4-1.6 times the volume of the hexagonal diamond areas. The film is obtained by deposition from beams of carbon ions with an energy of 70-100 eV. The productivity of the welding process is increased by 3-4%. 1 hp ff.

Description

(Л(L

СWITH

Изобретение относитс к сварке, в частности к покрыти м сопл и мундштуков сварочных горелок и плазмотронов, используемых при полуавтоматической, автоматической и роботизированной сварке и резке, дл защиты от налипани и приваривани к поверхност м сопл и мундштуков брызг расплавленного металла.The invention relates to welding, in particular to coatings of nozzles and mouthpieces of welding torches and plasmatrons used in semi-automatic, automatic and robotic welding and cutting, for protection against sticking and welding to the surfaces of the nozzles and spray nozzles of the molten metal.

Известен состав покрыти дл защиты поверхностей от налипани брызг расплавленного металла, содержащий следующие компоненты, мас.%: кварцевый песок 35- 45; графит 20-30; персульфат натрич 0,4- 1,8; огнеупорна глина остальное.The known composition of the coating is to protect the surfaces from sticking of molten metal splashes, which contains the following components, wt%: quartz sand 35-45; graphite 20-30; sodium persulfate 0.4- 1.8; refractory clay else.

Однако известное покрытие характеризуетс низким уровнем сцеплени с поверхност ми сопла и мундштука, в результате чего частицы покрыти отрываютс от поверхности и попадают в сварочную ванну, что снижает механические свойства наплавленного металла и вызывает увеличение интенсивности налипани брызг на поверхности сопла и мундштука.However, the known coating is characterized by a low level of adhesion to the nozzle and mouthpiece surfaces, as a result of which the coating particles are detached from the surface and enter the weld pool, which reduces the mechanical properties of the weld metal and causes an increase in the amount of spatter adhering to the nozzle surface and the mouthpiece.

Известен состав термостойкого покрыти , содержащий, мас.%; кремнийорганиче- ский лак 60-64, спеченный глинозем 7-10; эпоксидный клей 18-20; двуокись4-10, феррованадий 2-5. Введенные в состав двуокись титана и феррованадий снижают теплопроводность покрыти и повышают его износостойкость. Эпоксидный клей повышает сцепление покрыти с поверхностью мундштука, спеченный глинозем повышает термостойкость покрыти ,A known composition of heat-resistant coating, containing, in wt.%; silicone lacquer 60-64, sintered alumina 7-10; epoxy glue 18-20; dioxide 4-10, ferrovanadium 2-5. The titanium dioxide and ferrovanadium introduced into the composition reduce the thermal conductivity of the coating and increase its wear resistance. Epoxy glue increases the adhesion of the coating to the surface of the mouthpiece, sintered alumina increases the heat resistance of the coating,

Однако при нагреве в процессе сварки нижней торцовой поверхности сопла и приHowever, when heated in the process of welding the lower end surface of the nozzle and when

ИAND

VJVj

О СО СЛAbout CO SL

одновременном ее контакте с брызгами расплавленного металла эпоксидный клей тер ет свои св зующие свойства, в результате чего уменьшаетс сцепление покрыти с поверхност ми сопла и мундштука. Боль- шему сцеплению брызг расплавленного металла с поверхностью, имеющей покрытие, способствует также значительна шероховатость покрыти . При удалении налипших и приварившихс брызг расплавленного ме- талла с поверхностей сопла и мундштука отрываютс участки покрыти , что вызывает увеличение количества и степени приваривани брызг расплавленного металла к тем поверхност м сопла и мундштука, которые имеют нарушение сплошности покрыти .when it comes into contact with molten metal splashes, the epoxy adhesive loses its binding properties, resulting in reduced adhesion of the coating to the nozzle and mouthpiece surfaces. The large adhesion of the molten metal splashes to the coated surface also contributes to the significant roughness of the coating. When removing the adhered and welded splashes of the molten metal, the coating areas come off from the nozzle and mouthpiece surfaces, which causes an increase in the amount and degree of welding of the molten metal splashes to those nozzle surfaces and the mouthpiece, which have a discontinuity in the coating.

Известно покрытие, выполненное в виде алмазоподобной пленки углерода, образующеес в результате одновременного нагрева и воздействи СВЧ на смесь водо- рода и метана.A coating made in the form of a diamond-like carbon film, which is formed as a result of simultaneous heating and microwave exposure to a mixture of hydrogen and methane, is known.

Однако известное строение алмазоподобной пленки не обеспечивает необходимого сцеплени с поверхностью сопла или мундштука, вследствие чего одновременно с налипшими брызгами расплавленного металла отрываютс также участки покрыти .However, the known structure of the diamond-like film does not provide the necessary adhesion to the surface of the nozzle or mouthpiece, as a result of which, simultaneously with the adhered splashes of molten metal, the coating sections are also torn off.

Таким образом, нарушение сплошности покрыти способствует повышению интенсивности приваривани брызг расплавлен- ного металла к поверхности сопла и мундштука, что вызывает снижение срока их эксплуатации.Thus, a discontinuity in the coating contributes to an increase in the intensity of the welding of molten metal splashes to the surface of the nozzle and the mouthpiece, which causes a decrease in their service life.

Известен также состав покрыти дл защиты поверхности от налипани брызг рас- плавленного металла, содержащий следующие компоненты, мас.%: сульфидно- спиртова барда 6-8; борна кислота 0,5- 0,7; скрытокристаллический графит 2,5-4,0; шунгитовый порошок 2,5-4,0; во- да остальное. Совместное введение в состав покрыти шунгитового порошка и скрытокристаллического графита позвол ет повысить термостойкость покрыти . При контакте брызг расплавленного метал- ла с покрытием борна кислота расплавл етс , обволакивает частицы наполнител и после осаждени цементирует их, что обеспечивает усиление прилипани брызг к поверхности сопла и мундштука.Also known is the composition of the coating to protect the surface from sticking of molten metal splashes, containing the following components, wt%: sulfide alcohol bard 6-8; boric acid 0.5-0.7; cryptocrystalline graphite 2.5-4.0; shungite powder 2.5-4.0; water the rest. The joint introduction of shungite powder and cryptocrystalline graphite into the composition of the coating makes it possible to increase the thermal resistance of the coating. Upon contact of the molten metal splashes with the coating, boric acid melts, coats the filler particles and, after deposition, cements them, which enhances the adherence of the splashes to the surface of the nozzle and the mouthpiece.

Недостатком известного покрыти вл етс то, что при удалении налипших брызг с поверхностей сопла или мундштука отрываютс участки покрыти , что способствует увеличению степени приваривани брызг расплавленного металла к таким участкам поверхностей сопла и мундштука, где нарушена сплошность покрыти .A disadvantage of the known coating is that when removing adhered splashes from the nozzle or mouthpiece surfaces, the coating areas are torn off, which increases the degree of welding of the molten metal splashes to those surface areas of the nozzle and the mouthpiece, where the coating integrity is disturbed.

Цель изобретени -уменьшение прилипани брызг расплавленного металла к поверхности сопла, мундштука или плазмотрона и увеличение срока их эксплуатации.The purpose of the invention is to reduce the adherence of molten metal splashes to the surface of a nozzle, mouthpiece or plasma torch and increase their service life.

Покрытие выполнено в виде алмазоподобной пленки углерода толщиной 1000 А, содержащей области из гексагонального алмаза, имеющего форму, близкую к эллипсоиду вращени с ос ми величиной 9-10 А и 5-6 А, а граничные участки между ними представл ют собой совокупность одиночных тетраэдров. Объем граничных участков в 1,4-1,6 раза превышает объем областей гексагонального алмаза.The coating is made in the form of a diamond-like carbon film with a thickness of 1000 A, containing areas of hexagonal diamond, having a shape close to an ellipsoid of rotation with axes of 9-10 A and 5-6 A, and the boundary regions between them are a collection of single tetrahedra. The volume of boundary areas is 1.4–1.6 times the volume of hexagonal diamond areas.

Предлагаемое строение покрыти способствует значительному уменьшению прилипани и приваривани брызг расплавленного металла к поверхност м сопла и мундштука.The proposed structure of the coating contributes to a significant reduction in the adhesion and welding of molten metal splashes to the nozzle and mouthpiece surfaces.

Термостойкое покрытие, выполненное в виде осажденной алмазоподобной пленки , структурна модель которой включает только алмазного типа св зь между атомами (т.е. Sp - гибридизаци валентных электронов ). Осажденна пленка характеризуетс квазиморфной структурой с преимущественно тетраэдрическим типом св зи между атомами. Их структурную модель можно представить в виде совокупности областей упор дочени гексагональных алмазов, имеющих форму эллипсоидов вращени с ос ми 9-10 А и 5-6 А. Граничные участки между ними представл ют собой совокупность одиночных тетраэдров. Причем объем граничных участков в 1,4-1.6 раза превышает объем упор доченной области.A heat-resistant coating made in the form of a deposited diamond-like film, the structural model of which includes only the diamond type bond between atoms (i.e., Sp is the hybridization of valence electrons). The deposited film is characterized by a quasimorphic structure with a predominantly tetrahedral type of bond between the atoms. Their structural model can be represented as a set of ordering regions of hexagonal diamonds, having the form of ellipsoids of rotation with axes 9-10 A and 5-6 A. The boundary regions between them are a set of single tetrahedra. Moreover, the volume of boundary areas is 1.4–1.6 times the volume of the ordered area.

Кроме того, структура кристаллитов вл етс текстурированной - большие оси эллипсоидов ориентированы в направлении 0001. Учитыва , что ориентаци выделенных направлений св зана, видимо, с направлением передачи энергии и импульса иона пленке, ориентаци больших осей кристаллов 0001 нормальна поверхности пленки. Структура пленки содержит высокую концентрацию дефектов ввиду того, что тетраэдры граничных областей не взаимодействуют друг с другом, и степень заполнени ими пространства составл ет 0,7. Примерно 0,3 объема граничной области могут иметь дефекты типа вакансий, что подтверждаетс наличием высокой кон- центрации(до 1 10 см ) парамагнитных центров. Дл получени пленки, имеющей свойства, близкие к алмазу, что обеспечива- етуменьшение прилипани и приваривани брызг расплавленного металла к поверхност м сопла и мундштука, уменьшают неупор доченность и дефектность границ между кристаллами. Пленка образовываетс путем осаждени пучков ионов углерода с энергией 70-100 эВ на поверхности сопла или мундштука. При этом поверхности сопла или мундштука ориентированы под углом к потоку пучков ионов углерода, составл ющим 60-70°. Таким образом, производ т осаждение пленки на всю рабочую поверхность сопла и мундштука. Полученна пленка из-за криволинейности поверхностей сопла и мундштука характеризуетс переменной толщиной, равной 1000 - 2000 А, и представл етс зеркально гладкой и оптически полупрозрачной. На граничных участках пленки наблюдают интерференционное изображение.In addition, the structure of the crystallites is textured — the large axes of the ellipsoids are oriented in the direction 0001. Considering that the orientation of the selected directions is apparently related to the direction of energy and ion momentum transfer to the film, the orientation of the large axes of the 0001 crystals is normal to the film surface. The structure of the film contains a high concentration of defects due to the fact that the tetrahedra of the boundary regions do not interact with each other, and the degree of filling of the space with them is 0.7. Approximately 0.3 of the volume of the boundary region can have defects such as vacancies, which is confirmed by the presence of a high concentration (up to 1 10 cm) of paramagnetic centers. To obtain a film that has properties close to diamond, which reduces the adhesion and welding of molten metal splashes to the nozzle and mouthpiece surfaces, the disorder and defectiveness of the boundaries between the crystals are reduced. The film is formed by deposition of carbon beams with an energy of 70-100 eV on the surface of a nozzle or mouthpiece. In this case, the surfaces of the nozzle or mouthpiece are oriented at an angle to the flow of carbon ion beams of 60-70 °. Thus, the deposition of the film on the entire working surface of the nozzle and the mouthpiece is performed. The resulting film, due to the curvature of the surfaces of the nozzle and the mouthpiece, is characterized by a variable thickness of 1000 to 2000 A, and is mirror-smooth and optically translucent. At the edge of the film, an interference image is observed.

Удельное сопротивление алмазоподоб- ной пленки составл ет примерно 1 10 Ом см. Осаждение обеспечивает максимальную адгезию пленки с поверхност ми сопла или мундштука, которые изготовлены из меди или латуни. Перед нанесением пленки поверхности сопла или мундштука обрабатывают путем чистового шлифовани , после чего поверхности имеют шероховатость 1,60-0,60 мкм. Осаждение производ т при сопутствующем подогреве сопла и мундш- тука в интервале температур, составл ющем 20-100°С.The resistivity of a diamond-like film is about 10 10 ohms cm. Deposition provides the maximum adhesion of the film to the nozzle or mouthpiece surfaces, which are made of copper or brass. Before applying the film, the surfaces of the nozzle or mouthpiece are processed by fine grinding, after which the surfaces have a roughness of 1.60-0.60 microns. The precipitation is carried out with the concomitant heating of the nozzle and the mouthpiece in the temperature range of 20-100 ° C.

Существенным отличием предлагаемого термостойкого покрыти вл етс то, что термостойкое покрытие выполнено в виде алмазоподобной пленки углерода, строение которой представл етс в виде совокупности областей гексагональных алмазов, имеющих форму, близкую к эллипсоиду, соединенных между собой граничными об- ласт ми в виде набора фрагментов тетраэд- рически св занных атомов/Голщина пленки составл ет 1000-2000 А. Приведенна структура осажденной алмазоподобной пленки обеспечивает предотвращение при- варивани брызг расплавленного металла, температура которых составл ет примерно 1530-1580°С, к рабочим поверхност м сопла и мундштука. Налипающие на поверхности сопла и мундштука брызги расплавленного металла легко отдел ютс от поверхности механическим путем с помощью скребков.The essential difference of the proposed heat-resistant coating is that the heat-resistant coating is made in the form of a diamond-like carbon film, the structure of which is represented as a set of regions of hexagonal diamonds having a shape close to an ellipsoid, interconnected by a boundary regions in the form of a set of tetrahed fragments —Rary-bound atoms / The film thickness is 1000–2000 A. The reduced structure of the deposited diamond-like film ensures that the melted meth la, which constitutes the temperature is about 1530-1580 ° C, to the working surfaces of the nozzle and the mouthpiece. Molded metal splashes poured onto the surfaces of the nozzle and the mouthpiece are easily separated from the surface by mechanical means using scrapers.

Благодар такому выполнению, предлагаемые сопло и мундштук обладают следую- щими свойствами. При непрерывной сварке в углекислом газе конструкций средних и больших толщин на средних и повышенных режимах в течение 14-16 ч практически исключаетс приваривание брызг расплав- ленного металла к поверхност м сопла и мундштука. Интенсивность налипани брызг расплавленного металла за указанное врем снижаетс по сравнению с прототипом в 4,5-5 раз.Due to this implementation, the proposed nozzle and mouthpiece have the following properties. During continuous welding in carbon dioxide of structures of medium and large thickness at medium and elevated conditions for 14–16 hours, welding of splashes of molten metal to the nozzle and mouthpiece surfaces is practically excluded. The intensity of sticking of molten metal splashes in a specified time decreases by 4.5–5 times in comparison with the prototype.

Пример. Производ т автоматическую сварку образцов из конструкционных сталей толщиной 20-50 мм с V-образной и щелевой разделкой в углекислом газе на режимах: I 250-1000 A; U 26-32 В; VCB. 20-35 м/ч; Vn э.п. 180-450 м/ч.Example. Automatic welding of specimens from structural steels with a thickness of 20-50 mm with V-shaped and slotted cutting in carbon dioxide is carried out in the following modes: I 250-1000 A; U 26-32 V; VCB. 20-35 m / h; Vn ep 180-450 m / h.

Установлено (при продолжительности сварки 20 ч), что интенсивность приваривани брызг расплавленного металла к поверхност м сопла и мундштука, имеющим предлагаемое термостойкое покрытие, в 4,5-5 раз меньше интенсивности приваривани к поверхност м с известным термостойким покрытием. Приваривание к поверхност м сопла и мундштука с предлагаемым покрытием происходит после 25-30 операций удалени налипших брызг расплавленного металла, т.е. когда по вл ютс механические повреждени сплошности термостойкого покрыти . Механическое удаление налипших брызг расплавленного металла дл предотвращени разрушени покрыти провод т с помощью алюминиевых или медных скребков. Прилипание брызг расплавленного металла к поверхности , имеющей известное покрытие, более интенсивно, чем к поверхности с предлагаемым покрытием, что, соответственно, требует больших физических усилий дл удалени налипших брызг.It has been established (with a welding time of 20 hours) that the intensity of welding of molten metal splashes to the nozzle and mouthpiece surfaces, having the proposed heat-resistant coating, is 4.5–5 times less than the welding intensity to surfaces with a known heat-resistant coating. Welding to the surfaces of the nozzle and mouthpiece with the proposed coating occurs after 25-30 operations to remove adhered splashes of molten metal, i.e. when mechanical damage to the continuity of the heat-resistant coating occurs. Mechanical removal of adhering molten metal splashes to prevent destruction of the coating is carried out using aluminum or copper scrapers. The adherence of molten metal splashes to a surface having a known coating is more intense than to the surface with the proposed coating, which, accordingly, requires great physical effort to remove adhered sprays.

Представл етс целесообразным использование сопл и мундштуков с предлагаемым покрытием в горелках сварочных роботов, автоматов и полуавтоматов при сварке в защитных газах конструкций средних и больших толщин, особенно в глубокие V-образную и щелевую разделки.It is advisable to use nozzles and mouthpieces with the proposed coating in the torches of welding robots, automatic and semi-automatic when welding gas in shielding structures of medium and large thicknesses, especially in deep V-shaped and slotted grooves.

Приведенные сопла и мундштуки, имеющие предлагаемое покрытие, апробированы при изготовлении различных конструкций в составе горелок дл автоматической и полуавтоматической сварки в защитных газах на одном из харьковских заводов. Производительность процесса сварки при использовании сопл и токопод- вод щих мундштуков с предлагаемым покрытием возросла на 3-4%. Увеличение стойкости сопл и мундштуков в 3-3,5 раза позвол ет, соответственно, сократить в них потребность.The above nozzles and mouthpieces having the proposed coating were tested in the manufacture of various designs in the burners for automatic and semi-automatic gas-shielded welding at one of the Kharkov factories. The productivity of the welding process using nozzles and current-carrying mouthpieces with the proposed coating increased by 3-4%. Increasing the resistance of the nozzles and mouthpieces by 3-3.5 times, respectively, reduces the need for them.

Claims

1. Heat-resistant coating on the surface of nozzles, mouthpieces, welding torches or plasmatrons, made of solid carbon-containing material, characterized in that, in order to reduce sticking of molten metal splashes to the surface of the nozzle, mouthpiece or plasma torch and increase their service life, coating made in the form of a diamond-like carbon film with a thickness of 1000 A, containing areas of hexagonal diamond having a shape close to an ellipsoid of rotation with axes of 9-10 A and 5-6 A, and the boundary areas between them are a collection of one full-time tetrahedra.

2. The coating according to claim 1, characterized in that the volume of the boundary regions is 1.4-1.6 times the volume of the hexagonal diamond.