Способ получения покрытия на поверхности детали из стали

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения покрытия на поверхности стальных деталей, путем переноса высокотемпературным газовым потоком наночастиц.

Аналогом изобретения является способ повышения прочности детали с покрытием поверхностно-пластическим деформированием путем обкатки деформирующим элементом, при котором поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока силой 2-5 кА, напряжением 2-3 В, с длительностью импульсов 0,08-0,2 с и с частотой импульсов 0,16-0,4 Гц, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют в радиальном направлении с силой 50-3000 Н со скоростью перемещения пятна деформации 50-100⋅10^-3 м/с при продольной подачей 0,08-0,12 мм/об (патент РФ №2625508).

Недостатком данного способа являются низкие эксплуатационные характеристики получаемой детали, обусловленные появлением трещин в результате возникновения остаточных напряжений, и раковин вдоль границ раздела покрытия с подложкой и между слоями покрытия, в виду сплавления материала покрытия с материалом подложки, а также зависимость эффективности использования данной технологии от пористости покрытия.

Прототипом изобретения является способ получения наноструктурированного покрытия, включающий формирование в камере сгорания высокоскоростного распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, подачу в камеру сгорания высокоскоростного распылителя жидкого исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, образование, разогрев и перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке, при этом жидкий исходный материал, являющийся источником образования наночастиц, одновременно используют в качестве топлива для формирования высокотемпературного газового потока, при этом упомянутый материал представляет собой истинный или коллоидный раствор органических и/или неорганических соединений в органическом растворителе или смеси нескольких растворителей (патент РФ №2394937).

Недостатком данного способа являются низкие эксплуатационные характеристики получаемой детали, обусловленные низкой адгезионной прочностью между покрытием и подложкой и между слоями покрытия, а также высокой пористостью.

Задачей изобретения является усовершенствование способа получения детали с покрытием, позволяющее обеспечить повышение эксплуатационных характеристик стальной детали с покрытием, за счет повышения ее физико-механических свойств.

Техническим результатом изобретения является повышение адгезионной прочности, повышение когезионной прочности материала покрытия, а также уменьшение пористости покрытия.

Технический результат достигается тем, что способ получения композитного покрытия на поверхности стальной детали включает формирование в камере сгорания высокоскоростного распылителя высокотемпературного газового потока путем сжигания топлива в окислителе, подачу в камеру сгорания высокоскоростного распылителя жидкого исходного материала, являющегося источником образования наночастиц, образование, разогрев и перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке, при этом жидкий исходный материал, являющийся источником образования наночастиц, одновременно используют в качестве топлива для формирования высокотемпературного газового потока, при этом упомянутый материал представляет собой истинный или коллоидный раствор органических и/или неорганических соединений в органическом растворителе или смеси нескольких растворителей, при этом перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке осуществляют совместно с непосредственно предшествующей обработкой поверхности детали при помощи электрической дуги, возникающей между двумя вольфрамовыми электродами, проходящей по поверхности детали при постоянном токе прямой полярности силой 30-40 А, напряжением 11-15 В со скоростью перемещения высокоскоростного распылителя установки для напыления при расстоянии между дугой и струей газа с напыляемым порошковым материалом 2-4 мм.

При формировании покрытия, с увеличением толщины его слоя, основным показателем качества композиции является адгезионная прочность, как между покрытием и подложкой, так и между слоями покрытия при формировании композитного покрытия. Повышение адгезионной прочности достигается путем формирования переходных слоев. При нанесении на основу многокомпонентных материалов в качестве переходного слоя могут использоваться металлы, имеющие неограниченную растворимость в материале-основе и других напыляемых материалах.

Для повышения качества композитных поверхностных слоев, как по критерию адгезионной прочности, так и по критерию эксплуатационных и функциональных свойств, перспективным является использование различных методов обработки на различных этапах напыления. Так использование технологии переноса высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на подложке совместно с непосредственно предшествующей обработкой поверхности детали при помощи технологий сварки неплавящимся электродом, именно электрической дугой, возникающей между двумя вольфрамовыми электродами, проходящей по поверхности детали при постоянном токе прямой полярности силой 30-40 А, напряжением 11-15 В со скоростью перемещения высокоскоростного распылителя установки для напыления при расстоянии между дугой и струей газа с напыляемым порошковым материалом 2-4 мм, позволяют повысить физико-механические свойства композитного покрытия, за счет повышения его адгезионной прочности и снижения пористости. Это обусловлено тем, что электрическая дуга нагревает поверхность детали из цветных металлов до температуры 0,9-1 Т_пл, являющейся температурой плавления, и напыляемый порошковый материал, нагретый также до температуры равной 0,9-1 Т_пл - температуры плавления, сталкивается с поверхностью, имеющей не твердую, а жидкую фазу состояния, что обеспечивает сплавление материала детали с наносимым порошковым материалом, что значительно повышает адгезионную прочность. При этом при нанесении второго и последующих слоев перенос высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на уже сформировавшийся слой покрытия происходит при аналогичном воздействии электрической дуги на поверхность детали с покрытием, в результате чего напыленный слой и напыляемый порошок образуют однородную структуру, обеспечивая тем самым, значительное снижение пористости композитного покрытия и повышение когезионной прочности.

Постоянный ток прямой полярности обеспечивает постоянное поддержание тока на одном и том же уровне, что обеспечивает равномерное оплавление поверхности стальной детали по глубине и ширине, с образованием узкой глубокой ванны с оплавленным металлом на поверхности стальной детали непосредственно перед высокотемпературным газовым потоком с наночастицами.

При этом в результате кратковременного воздействия электрической дугой происходит нагрев поверхности стальной детали, а затем медленное ее охлаждение за счет высокотемпературного газового потока с напыляемым порошковым материалом, что позволяет избежать возникновения значительных по величинам остаточных напряжений и возможного образования раковин и трещин, как в поверхностном слое стальной детали вдоль границы раздела покрытие-подложка, так и по всей толщине покрытия.

Получаемое таким способом покрытие имеет высокую когезионную прочность и низкую пористость, а также высокую адгезионную прочность между покрытием и стальной деталью и между слоями покрытия, в случае многослойного покрытия, что повышает физико-механические и как следствие эксплуатационные характеристики стальной детали с покрытием. Предлагаемые технологические режимы позволяют избежать коробления стальной детали при переносе высокотемпературным газовым потоком наночастиц и осаждение их на поверхность стальной детали толщина стенок, которой не превышает 3 мм.

Технологические режимы обработки - тип тока, сила, напряжение скорость перемещения дуги по детали и расстояние между дугой и высокотемпературным газовым потоком с напыляемым порошковым материалом.

Пример по прототипу

На предварительно обезжиренный цилиндрический стальной образец (Сталь 45) диаметром 10 мм было нанесено высокотемпературным газовым потоком покрытие из TiNi толщиной 0,8 мм. После чего этот образец был подвергнут испытаниям на адгезионную прочность, которая определялась методом сдвига. Остаточные напряжения определялись методами Закса и Давиденкова.

Пример 1-3 по заявляемому способу. 3 аналогичных стальных цилиндрических образца (Сталь 45) диаметром 10 мм также были обезжирены, после чего на их поверхность было нанесено покрытие высокотемпературным газовым потоком совместно с непосредственно предшествующей ей обработкой поверхности детали при помощи электрической дуги, возникающей между двумя вольфрамовыми электродами, и проходящей по поверхности детали при постоянном токе прямой полярности силой 30-40 А, напряжением 11-15 В со скоростью перемещения высокоскоростного распылителя установки для напыления при расстоянии между дугой и струей газа с напыляемым порошковым материалом 2-4 мм. После чего образцы также подвергли испытаниям на адгезионную прочность, которая определялась методом сдвига. Остаточные напряжения определялись методами Закса и Давиденкова.

Параметры обработки образцов с покрытием, по предлагаемой технологии, представлены в табл. 1.

Результаты испытаний образца, изготовленного по прототипу и образцов, по заявляемой технологии представлены в табл. 2.

Предложенный способ повышения прочности детали с покрытием, обеспечивает повышение физико-механических свойств детали, за счет повышения адгезионной прочности между покрытием и подложкой, повышения когезионной прочности покрытия, снижением величины остаточных напряжений, а также уменьшения пористости покрытия.