Патент на изобретение №2386720

(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу электродуговой металлизации и может быть использовано для восстановления или упрочнения рабочих поверхностей, в частности внутренних диаметров тел вращения с обеспечением возможности их механической обработки лезвийным инструментом в различных отраслях машиностроения. Способ включает зажигание дуги постоянного тока между двумя проволочными электродами из разнородных материалов и разного диаметра. Каждый из электродов соединяют с одним из полюсов источника питания. Диаметры Д₁ и Д₂ проволочных электродов выбирают из условия 2Д₁К₁=Д₂К₂, где К₁ и К₂ – коэффициенты, равные произведению плотности на теплоемкость и на температуру плавления материала электрода. Электрод большего диаметра подключают к положительному полюсу источника питания, электрод меньшего диаметра – к отрицательному полюсу. Нанесение слоя покрытия осуществляют с перемещением обрабатываемого изделия относительно проволочных электродов в направлении со стороны проволоки, являющейся анодом, в сторону проволоки – катода. Изобретение позволяет получить заданный состав износостойкого покрытия с высокими показателями служебных свойств и коэффициентом использования напыляемого материала, исключить образование полосчатых слоистых структур и обеспечить равномерное распределение структурных составляющих в покрытии. 1 ил.

Изобретение относится к способам получения газотермических износостойких покрытий для восстановления или упрочнения рабочих поверхностей, в частности, внутренних диаметров тел вращения с обеспечением возможности их механической обработки лезвийным инструментом. Может быть использовано в различных отраслях машиностроения, нефтегазодобывающей промышленности, при изготовлении новых и ремонте изношенных деталей теплоэнергетического оборудования, на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта и других отраслях народного хозяйства, связанных с ремонтов быстроизнашивающихся деталей и узлов основного и вспомогательного оборудования путем нанесения износостойких покрытий различными материалами.

Известен способ получения износостойких металлизационных покрытий с использованием самофлюсующихся твердых сплавов на основе никеля, металлокерамических композиционных материалов и металлических покрытий на основе железа методами газопламенного, плазменного напыления и электродуговой металлизации. При использовании одновременно двух проволок разного состава возможно отслоение покрытий из-за нарушения стабильности собственно процессов нанесения покрытия, недостаточная адгезия может не обеспечивать требуемой прочности покрытий. Для снижения риска отслоения покрытий чаще всего используют предварительный подогрев, введение в состав покрытий пластических составляющих и согласование коэффициентов линейного термического расширения материалов обрабатываемого изделия и покрытия (Хасуй А. Техника напыления. – М.: Машиностроение, 1975. – 288 с. Пер. с япон.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к описываемому изобретению является способ электродуговой металлизации, при котором зажигание дуги постоянного тока осуществляют между двумя проволочными электродами с различными диаметрами и/или с различным химическим составом. Электроды подключают к разноименным полюсам источника питания и подают с различными скоростями. Причем электрод, требующий большего количества теплоты, соединяют с положительным полюсом. Однако известный способ, позволяя повысить производительность, не решает задачи получения заданного фазового состава износостойкого покрытия (Патент РФ 2021391, кл. С23С 4/12, публ. 15.10.94, прототип).

Наилучшим сочетанием износостойкости и способностью сопротивляться ударному воздействия механических и тепловых нагрузок, а также обрабатываемостью лезвийным инструментом обладают композиционные покрытия, состоящие из равномерно распределенных твердых и мягких фаз. Твердые фазы обеспечивают повышение износостойкости, а мягкие демпфируют удары и обеспечивают отвод тепла от трущихся поверхностей. Оптимальным сочетанием свойств обладают покрытия, содержащие от 60 до 80% (об.) фаз с высокой твердостью, остальной объем – фазы, образующие эластичную связку. Эти фазы должны равномерно распределяться по всему объему покрытия и образовывать структуры с взаимопроникающими компонентами.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу получения заданного состава износостойкого покрытия из напыляемых материалов без образования слоистых структур и с равномерным распределением структурных составляющих.

При напылении покрытий из порошковых материалов имеется возможность создавать композиции с любым объемным соотношением компонентов за счет регулирования их в исходном составе композиции. При электродуговой металлизации эти возможности ограничены условиями стабильности горения дуги между проволочными электродами. Количество тепла, выделяющееся при горении дуги на положительном электроде, в 2 раза больше, чем на отрицательном, поэтому расход проволоки – анода при использовании двух проволок с одинаковым или близкими теплофизическими характеристиками должен быть в 2 раза больше, чем проволоки-катода. При использовании проволок из различных материалов их расходы должны определяться теплофизическими характеристиками материалов, в первую очередь плотностью, теплоемкостью и температурой плавления. Обозначив произведение этих трех величин С_р-Т_пл как коэффициент трудности плавления K_пл материалов и учитывая распределение тепловых потоков в катод и анод, получаем необходимое соотношение объемов проволок, обеспечивающих стабильное горение дуги

где P₁ и P₂ – расход каждой из проволок в единицу времени, равный VД²/4, где

– плотность материала, V и Д – скорость подачи и диаметр проволоки,

K₁ и K₂ – соответственно коэффициенты трудности их плавления.

При одинаковой скорости подачи проволок V соотношение (1) выполняется за счет выбора их диаметров. С учетом этого выражение (1) можно преобразовать

Отсюда для материалов одного класса (K₁=K₂) можно получить приближенную зависимость

Выбирая материалы и режимы электродугового напыления при разработке композиционных износостойких покрытий, необходимо соблюдать выполнение требований стабильности горения дуги и объемного соотношения компонентов в покрытии. Это достаточно хорошо выполняется при использовании в качестве анода углеродистой проволоки в сочетании с катодной проволокой, изготовленной из малоуглеродистой стали или никеля. В этих случаях объем мягкого компонента в покрытиях составляет 30-33%. При использовании в качестве катодной проволоки меди ее доля в покрытии составляет не менее 42%, в композициях сталь-алюминий объемная доля мягкой фазы еще больше – 64%, что значительно больше оптимального варианта. Попытки снизить содержание мягкого компонента в покрытиях, устанавливая расход проволоки меньше, чем указано в зависимостях (1)-(3), вызывает нестабильность работы оборудования, в результате образующейся пульсации дуги нарушается равномерность распределения материалов в напыляемом слое.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе электродуговой металлизации поверхностей изделий, включающем зажигание дуги постоянного тока между двумя перемещаемыми проволочными электродами, каждый из которых соединен с одним из полюсов источника питания, и нанесение слоя покрытия, диаметры Д₁ и Д₂ проволочных электродов выбирают из условия , где

K₁ и K₂ – коэффициенты, равные произведению плотности на теплоемкость С_р и на температуру плавления Т_пл материала электрода, электрод большего диаметра подключают к положительному полюсу источника питания, электрод меньшего диаметра – к отрицательному полюсу, а нанесение слоя покрытия осуществляют с перемещением обрабатываемого изделия относительно проволочных электродов в направлении со стороны проволоки, являющейся анодом, в сторону проволоки – катода.

Такое выполнение способа позволяет решить поставленную техническую задачу за счет изменения параметров режима металлизации путем воздействия на температурное состояние при формировании слоев и посредством этого влиять на физико-механические характеристики покрытий. Таким образом, происходит разбавление закалочных мартенситных структур, склонных к растрескиванию, например, перлитными структурами с достаточно высокой твердостью, пластичностью, способных релаксировать пиковые напряжения и обеспечивающих высокую износостойкость. Коэффициент термического расширения получаемых таким способом покрытий практически не зависит от содержания углерода в исходных проволочных материалах и режимов металлизации. Он несколько отличается от соответствующих значений компактных материалов, но достаточно хорошо согласуется с характеристиками материала подложки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, показанной на фиг.1, заключается в распылении воздухом через сопло 1 двух расходных проволочных электродов 2, между которыми возбуждается дуговой разряд. Струя сжатого воздуха эвакуирует с электродов расплавленный металл и формирует из него покрытие 3 на обрабатываемой поверхности изделия 4, которое перемещают, как показано стрелкой, со стороны проволоки-анода 2А большего диаметра в сторону проволоки-катода 2K меньшего диаметра.

Пример конкретного выполнения. Описываемый способ использовали при ремонте направляющих аппаратов погружных центробежных насосов типа ЭЦН для добычи нефти. При реализации способа использовали технологический комплекс (линию), включающий установку для струйно-абразивной подготовки обрабатываемой поверхности и установку электродуговой металлизации с модернизированным металлизатором, обеспечивающим направление перемещения компактной металлизационной струи относительно обрабатываемого изделия перпендикулярно плоскости, проходящей через оси металлических проволочных электродов. Толщину наносимого слоя регулировали скоростью подачи проволочных электродов и временем экспозиции обрабатываемого изделия в зоне напыления, которые определяются условиями теплоотвода и автоматическим подогревом подложки для исключения отслоения покрытий. Диаметр реставрируемых ступиц направляющих аппаратов составлял 21,9_⁺0,1 мм, с учетом необходимости последующей механической обработки отверстий покрытия напыляли с припуском. Покрытия наносили из хромистых сталей (13% Cr). Наилучшие результаты показал псевдосплав 12Х13+08Г2С, напыленный из проволок диаметром 1,6 и 1,2 мм соответственно, которые выбирали из соотношения . Перемещение детали путем вращения производили со стороны проволоки-анода 12Х13+08Г2С в сторону проволоки-катода 08Г2С. Полученные покрытия имеют феррито-перлитную структуру с небольшим количеством карбидов и отличаются равномерным распределением структурных составляющих по объему напыленного слоя. Режим напыления: дистанция – 150 мм, ток – 90 А, напряжение – 25 В.

Предложенный способ позволяет повысить срок службы изделия, увеличить межремонтные сроки добывающего оборудования.

Формула изобретения

Способ электродуговой металлизации поверхностей изделий, включающий зажигание дуги постоянного тока между двумя проволочными электродами из разнородных материалов и разного диаметра, каждый из которых соединен с одним из полюсов источника питания, и нанесение слоя покрытия, отличающийся тем, что диаметры Д₁ и Д₂ проволочных электродов выбирают из условия 2Д₁К₁=Д₂К₂, где К₁ и К₂ – коэффициенты, равные произведению плотности на теплоемкость и на температуру плавления материала электрода, электрод большего диаметра подключают к положительному полюсу источника питания, электрод меньшего диаметра – к отрицательному полюсу, а нанесение слоя покрытия осуществляют с перемещением обрабатываемого изделия относительно проволочных электродов в направлении со стороны проволоки, являющейся анодом, в сторону проволоки – катода.

РИСУНКИ