Способ термического нанесения многослойного покрытия

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению покрытий электроконтактным припеканием металлических порошков. Предложен способ термического нанесения многослойного покрытия. На компактную металлическую основу наносят слой порошка меди толщиной 1,5-2,5 мм, содержащий 15-23 мас.% упрочняющих частиц. Слой уплотняют токопроводящим инструментом в холодном состоянии. Затем наносят слой порошка меди толщиной 100-200 мкм и уплотняют его аналогично первому слою. После чего наносят слой из смеси порошков графита и оксида алюминия. Проводят одновременно прессование давлением 5-10 МПа и спекание за счет пропускания через слои переменного тока плотностью 3,5-14,5 А/мм² . 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения покрытий электроконтактным припеканием металлических порошков.

Известен способ получения антифрикционного покрытия термическим воздействием при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей [А.с. СССР №1696570, МКИ⁵ С 23 С 4/12, опубл. 1991]. По данному способу на поверхность сначала наносят адгезионный слой толщиной 50-100 мкм, затем основной слой, толщина которого, по крайней мере, в 4 раза больше предыдущего, а поверх наносят приработочный слой толщиной 150-250 мкм. Все слои напыляют из стали 10X16Н25АМ6, но пористость их различна.

Осуществление известного способа затрудняют многоступенчатая технология подготовки поверхности изделия и нанесения слоев покрытия, необходимость контроля пористости слоев (что возможно разрушающими методами), а также дорогостоящее оборудование.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является способ получения покрытия из порошков на основе меди с упрочняющими добавками из карбида вольфрама [А.с. СССР №221945, МКИ B22 f 7/04, B 22 f 3/06, опубл. 1972]. Способ заключается в нанесении на изношенную поверхность промежуточного слоя из меди, затем слоя порошка из твердого сплава, в данном случае карбида вольфрама, поверх которого снова наносят медь. В последующем все изделие с нанесенными слоями нагревают в неокислительной атмосфере.

Известными причинами, препятствующими получению технического результата, который обеспечивает предлагаемое изобретение, является литая структура покрытия, сформированная путем свободного проникновения жидкой меди между упрочняющими частицами карбида вольфрама под действием силы тяжести. Указанная структура характеризуется усадочными дефектами и повышенной пористостью, что приводит к увеличению периода приработки и повышенному износу в период эксплуатации изделия с известным покрытием.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является повышение работоспособности изделия с многослойным износостойким покрытием.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет технического результата, который заключается в уменьшении периода приработки и износа многослойного покрытия в узлах трения в условиях ограниченной смазки благодаря уменьшению его пористости.

Указанный технический результат достигается за счет термического нанесения на поверхность детали многослойного покрытия следующим способом. Сначала на компактную металлическую основу наносят основной слой порошка меди толщиной 1,5-2,5 мм, содержащего упрочняющие частицы, например 15-23 мас.% карбида кремния, который уплотняют токоподводящим инструментом в холодном состоянии. Поверх него методом свободной насыпки наносят приработочный слой меди толщиной 100-200 мкм, который уплотняют аналогичным способом. После этого сверху наносят разделительный слой, состоящий из смеси порошков графита и оксида алюминия. Затем проводят одновременное прессование и спекание за счет непосредственного пропускания через слои переменного тока плотностью 3,5-14,5 А/мм² с помощью токоподводящего инструмента под давлением 5-10 МПа.

Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения существует следующая причинно-следственная связь: многослойное медное покрытие, разные слои которого содержат или не содержат упрочняющие частицы, изготовляемое прессованием с помощью токоподводящего инструмента одновременно с нагревом, обладает повышенной плотностью, что обеспечивает его высокую работоспособность. В результате высокой скорости электроконтактного нагрева и малой продолжительности периода спекания (3-20 с) упрочняющие частицы не разрушаются и сохраняют высокую твердость, поэтому изнашивание изделия с покрытием в период эксплуатации заметно сокращается, а ускоренная приработка поверхности с нанесенным многослойным покрытием обеспечивается сравнительно мягким верхним слоем меди, не содержащим упрочнителя. Разделительный слой графита с оксидом алюминия предотвращает сваривание покрытия с токоподводящим инструментом.

Содержание упрочняющих частиц, например карбида кремния и/или карбида вольфрама, и/или нитрида бора, менее 15 мас.% не обеспечивает требуемой износостойкости изделия, а повышение их содержания до более 23 мас.% приводит к выкрашиванию упрочняющих частиц в процессе эксплуатации из-за недостатка металлической связки.

Толщина медного слоя с упрочнителями 1,5-2,5 мм обеспечивает необходимую продолжительность эксплуатации изделия.

Нанесение приработочного слоя порошка меди без упрочняющих частиц толщиной менее 100 мкм не позволяет сформировать оптимальную шероховатость контактной поверхности изделия в период приработки и удлиняет его, а нанесение указанного слоя толщиной более 200 мкм приводит к неоправданному увеличению потерь меди.

Экспериментально установлено, что сочетание параметров электроконтактного спекания: плотности тока 3,5-14,5 А/мм² и давления 5-10 МПа, обеспечивает необходимую температуру нагрева и уплотнение многослойного покрытия с учетом тепловыделения в слое графита с оксидом алюминия. Если будет использована плотность тока менее 3,5 А/мм² и давление менее 5 МПа, то пористость покрытия окажется чрезмерно высокой, а сцепление с компактной металлической основой недостаточным, что приведет к снижению работоспособности изделия. Превышение указанных параметров до более 14,5 А/мм² и 10 МПа может привести к выплеску расплавленной меди, что является браковочным признаком.

Предварительное уплотнение медных слоев токоподводящим инструментом в холодном состоянии создает необходимый межчастичный контакт перед непосредственным пропусканием тока через покрытие.

Возможность осуществления предлагаемого способа термического нанесения многослойного покрытия подтверждают следующие примеры.

Пример 1. На медную пластину размером 70×30×3 мм нанесли слой медного порошка с добавкой 15 мас.% карбида кремния толщиной 2,5 мм и уплотнили его медным пуансоном давлением 15 МПа, не включая ток. Затем поверх него насыпали слой порошка меди толщиной 200 мкм, который уплотнили аналогичным образом. Последним нанесли слой, состоящий из смеси порошков графита и 20 мас.% оксида алюминия, толщиной 1 мм. Затем с помощью машины для точечной сварки МТ-810 выполнили одновременное прессование и спекание переменным током плотностью 8,1 А/мм² под давлением 7 МПа.

Пример 2. Способ осуществляли аналогично примеру 1, но в качестве упрочняющих частиц использовали карбид вольфрама, толщина слоя с упрочнителем составила 2 мм, остальные параметры приведены в таблице.

Пример 3. Способ осуществляли аналогично примеру 1, но в качестве упрочняющих частиц использовали нитрид бора, толщина слоя с упрочнителем составила 1,5 мм, остальные параметры приведены в таблице. Использовали машину для шовной сварки МШ-2001 с медным вращающимся роликом.

Пример 4. Способ осуществляли аналогично примеру 1, толщина слоя с карбидом кремния составила 1 мм, остальные параметры приведены в таблице.

Пример 5. Способ осуществляли аналогично примеру 1, толщина слоя с карбидом кремния составила 3 мм, остальные параметры приведены в таблице.

После нанесения покрытий методом гидростатического взвешивания определили пористость полученных покрытий. В примерах 1-3 она составила 3-7%, в то время как у покрытий, нанесенных по способу-прототипу, пористость достигала 12%.

Износ полученных образцов с многослойным покрытием определили на машине трения СМТ-2 по схеме "диск-пластина" без смазки по убыли массы, в качестве контртела использовали сталь 45. Период приработки оценивали по времени стабилизации величины износа. Аналогичные испытания выполнили и для медных покрытий с карбидом вольфрама, полученных по способу-прототипу (период приработки составил 2,7 часа, а величина износа 18,3 мг/ч).

Приведенные в таблице результаты показывают преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом: период приработки снижается на 33-37%, а величина износа - на 23-28%. В то же время осуществление способа термического нанесения многослойных покрытий с параметрами, выходящими за рамки заявляемых, не обеспечивает требуемого технического результата: хотя период приработки сокращается по сравнению с прототипом, величина износа несколько превышает показатель прототипа.

Формула изобретения

1. Способ термического нанесения многослойного покрытия, включающий нанесение на компактную металлическую основу двух слоев меди и упрочняющих частиц с последующим их совместным нагревом, отличающийся тем, что первоначально на компактную металлическую основу наносят слой порошка меди толщиной 1,5-2,5 мм, содержащий 15-23 мас.% упрочняющих частиц, который уплотняют токоподводящим инструментом в холодном состоянии, затем наносят слой порошка меди толщиной 100-200 мкм, который уплотняют указанным образом, после чего наносят слой, состоящий из смеси порошков графита и оксида алюминия, затем проводят одновременное прессование и спекание за счет непосредственного пропускания через слои переменного тока плотностью 3,5-14,5 А/мм ² с помощью токоподводящего инструмента под давлением 5-10 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упрочняющих частиц используют карбид кремния, и/или карбид вольфрама, и/или нитрид бора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве токоподводящего инструмента применяют металлические ролик или пуансон, поверхность которого повторяет контур детали.