СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ СВАРКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРОШКОВОГО ПРИСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩЕГО ЖЕЛЕЗНЫЙ ПОРОШОК, И ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к нанесению покрытий, содержащих тонкодисперсные железные порошки, и может быть использовано для восстановления изношенных и упрочнения рабочих поверхностей деталей типа тел вращения или иных выпуклых поверхностей, а также плоских поверхностей.

Известный уровень техники

При нанесении покрытий с использованием порошковых материалов присадочный материал представляет собой смесь тонкодисперсных порошков, включающих в себя основной компонент, например тонкодисперсный железный порошок, и легирующие компоненты. При электроконтактной приварке порошков сварочный ток может достигать тысяч и даже десятков тысяч ампер, что приводит к генерированию в рабочей зоне мощных магнитных полей. В предлагаемых промышленностью присадочных материалах основу присадочного материала, содержащего железо, составляет тонкодисперсный железный порошок, в котором преобладают фракции с размером частиц 160-315 мкм (не менее 80%), например, порошок ПЖА - 1 (ТУ 1479-002-12300291-2005). В этом случае при нанесении покрытия необходимо принимать во внимание воздействие этих магнитных полей на тонкодисперсный железный порошок. В частности, условия подачи железного порошка существенно различаются в период импульса сварочного тока, когда под воздействием магнитного поля весь железный порошок притягивается зону сварки, и в период паузы между двумя импульсами сварочного тока, когда магнитное поле отсутствует, и часть железного порошка отсасывается из зоны сварки, что приводит к изменению состава присадочного порошка в зоне сварки, локальному изменению характеристик нанесенного покрытия и соответствующему изменению характеристик покрытия в целом.

Известен способ нанесения покрытия, содержащего железный порошок, в соответствии с которым приготавливают пастообразную смесь, включающую в себя железный порошок, легирующую присадку (медный порошок) и связующее (раствор канифоли), подают приготовленную смесь в зону контакта электрода с поверхностью детали, на которую наносится покрытие, поджимают электрод к поверхности детали и пропускают импульсы сварочного тока (см. патент РФ №2350447, кл. B23K 11/06 от 27.03.2009). Это обеспечивает постоянство состава присадочного материала. При использовании связующего необходимо учитывать влияние связующего на процесс нанесения покрытия из порошкового материала и соответствующим образом подбирать связующее и режимы приварки порошкового материала. Кроме того, существуют ситуации, когда для получения покрытия с заданными свойствами нельзя использовать связующее.

Известен способ нанесения покрытия, содержащего железный порошок, в соответствии с которым порошковый присадочный материал, включающий в себя железный порошок, подают в зону контакта электрода с поверхностью детали, на которую наносится покрытие, прижимают электрод к поверхности детали и пропускают импульсы сварочного тока. Для регулирования количества привариваемого железного порошка независимо от режима электроконтактной сварки (уменьшения влияния магнитного поля, создаваемого при пропускании сварочного тока) в период паузы между импульсами сварочного тока в зоне сварки создают дополнительное магнитное поле, обеспечивающее постоянство условий перемещения железного порошка в зону сварки в период паузы (см., например, патент РФ №2342233, кл. B23K 11/06 от 27.12.2008).

Известен также способ нанесения покрытия с помощью электроконтактной сварки с использованием порошкового присадочного материала, содержащего в качестве основы ферромагнитный порошок, включающий в себя подачу ферромагнитного порошкового присадочного материала в зону контакта электрода с поверхностью детали, на которую наносится покрытие, прижатие ферромагнитного порошкового присадочного материала электродом к поверхности детали и приварку порошкового присадочного материала к поверхности детали импульсами сварочного тока, при этом ферромагнитные порошки перед подачей их в зону сварки нагревают до точки Кюри для железа (см. А.с. СССР №397289, В23К 11/00 от 17.09.1973). Поскольку порошок нагрет выше точки Кюри для железа (770°С), то он становится парамагнетиком и магнитное поле, генерируемое импульсом сварочного тока, на частицы порошка не действует. Соответственно, магнитное поле не влияет на подачу порошка в зону контакта. Однако нагрев порошков до точки Кюри приводит к необходимости применения защитной атмосферы и может привести к изменению прочностных характеристик поверхности детали.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка способа нанесения покрытия с помощью электроконтактной сварки с использованием порошкового присадочного материала с исключением воздействия на присадочный материал, в том числе на порошок железа или его сплавов, магнитного поля, генерируемого импульсами сварочного тока при температурах, исключающих изменение прочностных характеристик поверхности детали, а также разработка порошкового присадочного материала для такого способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе нанесения покрытия с помощью электроконтактной сварки с использованием порошкового присадочного материала, содержащего в качестве основы порошок железа или его сплавов, включающем в себя подачу порошкового присадочного материала в зону контакта электрода с поверхностью детали, на которую наносится покрытие, прижатие порошкового присадочного материала электродом к поверхности детали и приварку порошкового присадочного материала к поверхности детали импульсами сварочного тока, в соответствии с предлагаемым изобретением используют нанопорошок железа или его сплавов с размерами наночастиц, не превышающими 10 нм, и подают порошковый присадочный материал в зону контакта электрода с поверхностью детали при температуре ниже температуры точки Кюри для железа.

Предпочтительно, используют нанопорошок железа или его сплавов со средним размером наночастиц менее 7 нм.

Предпочтительно, используют нанопорошок железа или его сплавов с размерами наночастиц 5-10 нм.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в присадочном материале для нанесения покрытия с помощью электроконтактной сварки, включающем в себя в качестве основы порошок железа или его сплавов и порошки легирующих компонентов из диамагнитных и/или парамагнитных материалов, в соответствии с настоящим изобретением, порошок железа или его сплавов представляет собой нанопорошок железа или его сплавов с размером частиц, не превышающим 10 нм.

Предпочтительно, нанопорошок железа или его сплавов имеет средний размер частиц менее 7 нм.

Предпочтительно, нанопорошок железа или его сплавов имеет размер частиц 5-10 нм.

Известно, что магнитные свойства железа и его сплавов обеспечиваются доменной структурой железа и его сплавов, и в зависимости от размера частиц изменяется величина коэрцитивной силы, при этом с уменьшением размера частиц коэрцитивная сила возрастает до максимального значения (до 970 Э при среднем размере частиц 20-25 нм, что соответствует однодоменной частице), а затем с уменьшением размера частиц железа до 10 нм коэрцитивная сила уменьшается практически до нуля и при среднем размере частиц 7 нм и меньше порошок железа или его сплавов становится полностью суперпарамагнитным, то есть магнитное поле перестает действовать на такой порошок железа или его сплавов.

Таким образом, использование в присадочном материале для нанесения покрытия с помощью электроконтактной сварки нанопорошка железа или его сплавов с размерами наночастиц, не превышающими 10 нм, исключает воздействие на них магнитного поля, генерируемого импульсами сварочного тока, и можно обеспечить одинаковые условия подачи порошка железа и его сплавов при температурах ниже точки Кюри для железа как во время импульса сварочного тока, так и во время паузы между двумя импульсами.

Последнее положительно сказывается на качестве выполнения покрытия.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа нанесения покрытия. Чертеж заявки представлен в виде достаточного для понимания принципа изобретения специалистами в данной области техники и ни в какой мере не ограничивает объема настоящего изобретения.

Осуществление способа

Следует понимать, что данное описание служит только для иллюстрации осуществления изобретения и ни в какой мере не ограничивает объема настоящего изобретения.

Пример реализации изобретения проиллюстрирован для случая роликовой электроконтактной сварки. Однако предлагаемый способ не ограничивается данным видом сварки и может использоваться для любой другой электроконтактной сварки, например точечной или шовной.

Как показано на фиг. 1, установка для реализации предлагаемого способа нанесения покрытия содержит роликовый электрод 1, бункер 2 с хранящимся в нем порошковым присадочным материалом 3, который подается в зону контакта роликового электрода 1 с поверхностью детали 4, на которую наносится покрытие. Роликовый электрод 1 прижимают к поверхности детали 3 любым известным способом.

При нанесении покрытия присадочный материал 3 подают в зону контакта роликового электрода 1 с поверхностью детали 4 и пропускают через зону контакта импульсы сварочного тока. Роликовый электрод 1 прижимает частицы присадочного материала к поверхности детали 4, расплавляет их импульсами сварочного тока и приваривает частицы к поверхности детали. В течение импульса сварочного тока генерируется сильное магнитное поле, которое может воздействовать на любые ферромагнитные материалы, притягивая их в зону контакта.

Предлагаемый способ нанесения покрытия на поверхность детали реализуется следующим образом.

Для нанесения покрытия приготавливают присадочный материал, включающий в себя в качестве основы (например, 60-80% по объему) нанопорошок железа или его сплавов с размером наночастиц, не превышающим 10 нм, и порошки легирующих компонентов, например медь, хром, вольфрам или другие металлы или их соединения. Далее под термином нанопорошок железа понимают как собственно нанопорошок железа, так и нанопорошок из его сплавов.

В экспериментах по нанесению покрытия использовался нанопорошок железа со средним размером частиц 7 нм. По своему фракционному составу используемый нанопорошок железа состоял из наночастиц 5-10 нм. Нанопорошок с таким фракционным составом освоен промышленностью и изготавливается ОАО «Полема» г.Тула.

В экспериментах использовались легирующие присадочные порошки: диамагнитный присадочный порошок - алюминий (ПА 1, ПА 2) с размером частиц 120-400 мкм, парамагнитный присадочный порошок - медь (ПМС 1) с размером частиц 50-250 мкм, диамагнитный присадочный порошок - кремний с размером частиц до 150 мкм.

Помимо материалов, использованных в эксперименте, в предлагаемом способе могут использоваться и иные материалы: разнообразные диамагнитные материалы - цинк, окислы металлов, керамики и разнообразные парамагнитные материалы - хром, молибден, вольфрам, карбид вольфрама и т.п.

Проверка влияния магнитного поля на подачу присадочного материала, содержащего нанопорошок железа со средним размером наночастиц 7 нм, проводилась на экспериментальной установке при комнатной температуре с подачей материала на движущуюся поверхность с периодическим воздействием импульсов магнитного поля. Эксперименты показали, что нанопорошок железа со средним размером наночастиц 7 нм и другие компоненты присадочного материала, например медь, равномерно распределялись по движущей поверхности как во время воздействия импульса магнитного поля, так и в период паузы между импульсами магнитного поля. Смещение наночастиц железа от воздействия импульса магнитного поля не наблюдалось.

Контрольные эксперименты, проведенные на этой же установке с присадочным материалом, содержащим порошок железа ПЖА-1 с размером частиц 160-300 мкм, показали, что при отсутствии магнитного поля порошок железа ПЖА-1 и другие компоненты присадочного материала равномерно распределялись по движущейся поверхности, но при воздействии импульсов магнитного поля имело место смещение порошка ПЖА-1 из зоны паузы в зону воздействия импульса магнитного поля, что привело к неравномерности распределения порошка железа на поверхности.

Таким образом, эксперименты подтвердили, что нанопорошок железа со средним размером наночастиц 7 нм обладает парамагнитными свойствами и становится нечувствительным к воздействию магнитного поля, в результате чего соотношение компонентов в присадочном материале остается постоянным на всей движущейся поверхности.

Настоящее изобретение обеспечивает равномерное распределение нанопорошка железа и присадочного материала по поверхности обрабатываемой детали, что обеспечивает равномерный фракционный состав по всей поверхности и по толщине покрытия, что дает возможность получить покрытие с равномерным распределением по толщине и площади покрытия всех компонентов покрытия и тем самым получить покрытие, состав которого на всей обрабатываемой поверхности близок к оптимальному соотношению компонентов. Соответственно получает более качественное покрытие, в котором прочностные характеристики одинаковы по всей поверхности покрытия.

Следует понимать, что при размерах наночастиц железа меньше 5 нм также будет наблюдаться переход железа в парамагнитное состояние, но использование для нанесения покрытия нанопорошков железа с размером наночастиц меньше 5 нм экономически нецелесообразно.

Нанесение покрытия с использованием описанного выше присадочного материала, содержащего в качестве основы нанопорошок железа с размерами наночастиц 5-10 нм при среднем размере наночастиц 7 нм, проводилось на роликовой сварочной машине, схема которой показана на фиг.1.

Покрытие из присадочного материала, содержащего наночастицы железа наносилось на цилиндрическую поверхность (поверхность стального вала). Присадочный материал (смесь нанопорошка железа и порошка алюминия меди)) подавался в зону контакта под действием собственного веса при комнатной температуре и прижимался к поверхности детали роликовым электродом сварочной машины. Приварка присадочного материала, содержащего нанопорошок железа, велась при импульсе сварочного тока 100-150 тыс. ампер. Эксперименты показали, что в нанесенном покрытии присадочный материал, в том числе нанопорошок железа, равномерно распределен по обрабатываемой поверхности.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может использоваться для нанесения покрытий с разными порошковыми присадочными материалами, основным компонентом которых является нанопорошок железа. В качестве легирующих добавок могут использоваться порошки любых парамагнитных и диамагнитных материалов: меди, алюминия, вольфрама, хрома и других металлов, а также порошки оксидов и карбидов металлов и другие порошковые материалы, которые используются для повышения стойкости поверхности изделия к внешнему воздействию, например, для повышения износостойкости поверхности.

Нанопорошок железа и его сплавов с размерами наночастиц железа 5-10 нм могут быть получены, например, методом электродисперсионного диспергирования и другими методами. Как уже отмечалось, в России освоено производство нанопорошков железа с размером наночастиц менее 10 нм.

Для приварки порошка к поверхности детали может использоваться любое оборудование для электроконтактной сварки, роликовые сварочные машины, сварочные машины для точечной сварки, сварочное оборудование для шовной сварки.

Вышеприведенный вариант осуществления является только примером реализации и указанные параметры и материалы не ограничивают объем изобретения, если эти параметры и материалы не оговорены специально в формуле изобретения. Представленный способ может быть легко применен к оборудованию других типов. Описание настоящего изобретения является иллюстративным и не ограничивает сферы действия формулы изобретения. Для специалистов являются очевидными возможные варианты и модификации изобретения.