Способ упрочнения деталей из алюминиевых сплавов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ БЯЛ 18244 ЕСПУБЛ 51)5 С 23 С 4/00, 14/О ПАТЕНТНО ГОСУДАРСТВЕННОВЕДОМСТВО ССГОСПАТЕНТ ССС ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ЕТЕЛЬСТВ ВТОРСКОМУ(57) Использование: в о ния и упрочнения рабоч талей методом плазме может быть применено алюминиевых поршней него сгорания при восст нении, Сущность и напылении на поверхно миниевых сплавов в кач новного слоя использу материал, причем нэпы ществляют на дистанци 400 превышающей дис основного слоя покрыти кам иэ алюминие точно сложная. Э скими свойств алюминия: низка(660 С), высокий го расширения,на поверхности кой оксидной пле ствием плазменн Как правило,циальные проме другого состава,репад козффицие рения между а покрытием, поз ское напряжение ют адгеэионную Однако прим отличного от пок ленными технолвых сплавов задача достато объясняется специфичеами сплавов на основе я температура плавления коэффициент термическоинтенсивное образование алюминиевых сплавов тоннки, особенно под воздейой струи,ее решают, используя спежуточные слои (подслои) которые выравнивают пентов термического расшилюминиевым сплавом и воляют снизить термичеи тем самым обеспечивапрочность сцепления.енение подслоя иэ состава рытия, связано с опредеогическими трудностями;(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ е относится к области восупрочнения рабочих поверхей методом плазменного Иэобретенистановления иностей деталнапыления.Цель изобретения - обеспечение максимальной прочности сцепления покрытия и упрощение технологии напыления.Цель достигается применением специальной разработанной авторами технологии напыления, суть которой заключается в следующем: в качестве подслоя и основного слоя используют один и тот же материал, причем напыление подслоя осуществляют на дистанции от детали, на 30 - 40 превышающей дистанцию напыления основного слоя покрытия.Обеспечить прочность сцепления покрытия, которая необходима для того, чтобы деталь соответствовала своим служебным характеристикам, применительно к подложбласти восстановлеих поверхностей денного напыления и для напыления юбок двигателей внутренановлении и упрочзобретения: при сть детали из алюестве подслоя и осют один и тот же ление подслоя осуи от детали, на 30- танцию напыления я. 2 табл, 1824455материалы подслоя и основного слоя покрытия обладают различными теплофизическими характеристиками, что требует отработки технологических режимов напыления индивидуально для каждого материала, Кроме того, материал подслоя должен обладать свойствами, близкими к основному покрытию и к подложке одновременно, что также усложняет процесс подбора материалов и ограничивает диапазон их применения.Кроме того, конструкция установки должна предусматривать либо два бункера для порошков, либо специальный двухсекционный бункер, что предполагает усложнение конструкции и дополнительные материальные затраты.Для упрочнения и восстановления деталей пар трения из алюминиевых сплавов часто используют покрытия на основе меди, так как медные сплавы близки по коэффициенту термического расширения к алюминиевым сплавам и отличаются высокими смазывающими характеристиками, хорошей стойкостью к окислению в условиях эксплуатации, высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения. Однако их также напыляют с применением подслоя, например никель-алюминий, т.к. обеспечить при обычной технологии химическое взаимодействие материалов покрытия и подложки сложно. Прочность сцепления определяют силы механического зацепления и физического взаимодействия, которые не могут обеспечить высокую адгезию покрытия и подложки.Авторы поставили задачу использовать в качестве подслоя материал покрытия с применением специальной технологии, позволяющей обеспечить развитие химического взаимодействия в контактной зоне подслой-подложка,Известно, что увеличение температуры контакта в зоне частица-подложка увеличивает скорость химической реакции на границе взаимодействия. Таким образом, увеличивая на несколько десятков градусов ее величину, мы сможем добиться увеличения адгезионной прочности сцепления покрытия и подложки,Существуют различные способы увеличить температуру в контакте (повышение температуры частиц. подогрев подложки), однако все они требуют дополнительных тепловложений эа счет изменения режимов напыления или использование дополнительного источника нагрева, что повлечет значительные энергетические затраты.Предложенный технологический прием не требует дополнительных гепловложений, он основан на использовании свойствплазменной струи, с одной стороны, исвойств напыляемого материала, с другой.Плазменное напыление покрытия обыч 5 но ведется с оптимального расстояния (дистанции), которое определяется следующимифакторами: она должна обеспечить прогревпорошка до температуры плавления материала в момент встречи с подложкой; обес 10 печить минимальное тепловыделение внапыляемую деталь и при этом не превышать границу. за которой частица начинаетостывать, Варьировать дистанцию напыления можно, изменяя скорость полета час 15 тиц, которая в первую очередь зависит отскорости плазменной струи и плотности напыляемого материала. Однако для группыматериалов, сходных по своим теплофизическим свойствам, в частности сплавов на20 основе меди, диапазон применяемых скоростей постоянен и, следовательно, дистанция напыления, обеспечивающая приданной скорости прогрев частиц до температуры плавления, также одинакова для материалов с близкими теплофиэическимихарактеристиками,Ограничивая дистанцию напыления величиной, необходимой для прогрева частиц дотемпературы плавления (оптимальная дисЗ 0 танция), мы получаем слой покрытия с минимальным содержанием оксидов, низкойпористостью и хорошими физико-механическими свойствами, которые требуются нарабочей поверхности детали, На такой дисЗ 5 танции напыляется основной слой покрытия. Однако использование такого покрытиябез подслоя не обеспечивает необходимуюпрочность сцепления с основным материалом детали (подложкой) из-за низкой адге 40 эии, Как показали эксперименты,увеличение адгеэии покрытия можно получить за счет дополнительного окислениячастиц порошка, что достигается временемпребывания частиц порошка в полете в про 45 цессе напыления, Поэтому, не изменяя режимы напыления, авторы предложилиувеличение дистанции напыления как средство для увеличения времени пребываниячастиц в полете для дополнительного окис 50 ления и увеличения температуры контактаи Одсл ОЙ-подл Ожк э.Как показала практика, при напыленииматериалов на основе меди оптимальнаядистанция равна 100,105 мм.55 По мере удаления от среза сопла плазменная струя насыщается воздухом, содержание которого достигает 80-90 уже нарасстоянии 80 мм.Поэтому частица материала, попадая вплазменную струю, окисляется. Однако1824455 Таблица 1 вследствие высокой скорости и малой длительности пребывания в струе пленка оксида на ее поверхности очень тонкая, порядка нескольких А.Когда частица медного сплава пролетает расстояние, превышающее оптимальную дистанцию напыления более чем на 40, она начинает остывать, поэтому дальнейшее окисление замедляется, рост оксидной пленки не происходит, кроме того, снижение температуры частиц ниже температуры плавления не способствует хорошей адгезии. Поэтому увеличение дистанции напыления больше чем на 40 приводит к снижению адгезии и прочности сцепления,Частица, разогретая до температуры плавления, с оксидной пленкой на поверхности ударяется о подложку иэ алюминиевого сплава, в результате чего в зоне контакта протекает реакцияЗСа 20 + 2 Я = А 20 з 1 бСос выделением тепла, что вызывает повышение температуры в зоне контакта на несколько десятков градусов, а это, в свою очередь, способствует увеличению адгезионной прочности сцепления,Оптимальные границы дистанции напыления по толщине оксидной пленки определяли расчетным путем,Данные по толщине пленки оксида для различных сплавов на медной основе при разных дистанциях напыления приведены в табл,1.Данные экспериментального определения прочности сцепления покрытий на основе меди приведены в табл,2,Данные табл,1 и 2 подтверждают оптимальность границ дистанции напыления покрытия на основе меди в соответствии с предложенной формулой. 5 10 15 20 25 30 35 40 Как видно иэ таблиц, при увеличении дистанции напыления подслоя на 30 40 обеспечивается максимальная прочность сцепления подслоя к подложке.Дальнейшее напыление основного слоя покрытия на подслой не представляет трудности, т.е в данном случае используются материалы с однородными физико-механическими и теплофиэическими свойствами, что обеспечивает хорошее химическое взаимодействие между частицами покрытия и подслоя, а равные коэффициенты термического расширения не способствуют развитию напряжений на границе их взаимодействия, что обеспечивает хорошую адгезию на границе подслой-основа,Применение описанного способа позволяет обеспечить максимальную прочность сцепления покрытия и подложки без использования подложки другого состава без дополнительных затрат энергии, которые сопряжены с дополнительными материальными затратами,Формула изобретения Способ упрочнения деталей иэ алюминиевых сплавов, включающий предварительное нанесение на поверхность детали подслоя и плазменное напыление основного слоя покрытия из порошковых износостойких материалов на основе меди, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения технологического процесса и повышения прочности сцепления покрытия, в качестве подслоя и основного слоя используют один и тот же материал, причем напыление подслоя осуществляют на дистанции от детали, на 30-40 ф 6 превышающей дистанцию напыления основного слоя покрытия.1824455 Таблица г Составитель Б, СоловьевТехред М,Моргентал Корректор М. Шароши Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2217 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская нэб 4/5