Способ получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления
Изобретение относится к получению износостойких покрытий методом детонационного напыления. Способ включает подготовку поверхности и детонационное метание порошков. При подготовке поверхность подвергают пескоструйной обработке и химическому травлению. При этом напыляют поочередно слой многокомпонентного сплава, включающего в свой состав материал обрабатываемой поверхности, затем слой карбида тугоплавкого металла, а затем слой чистого антикоррозионного металла, который входит в состав многокомпонентного сплава, нанесенного на поверхность перед слоем твердого карбида. Причем детонационное напыление слоев осуществляют в разных метательных каналах в строгой последовательности с частотой не менее 20 Гц при температуре, исключающей конденсацию паров воды на обрабатываемой поверхности. Технический результат - повышение износостойкости.
Изобретение относится к области детонации, а точнее к способу получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления.
Изобретение может быть использовано в области машиностроения, а также в других отраслях промышленности, включая судостроение, транспорт и энергетику. Этим способом можно не только восстанавливать изношенные поверхности деталей механизмов и машин, но и создавать совершенно новый класс поверхностей для новых устройств и приборов, включая антикоррозийные покрытия и катализаторы.
Главным критерием при выборе того или иного способа получения износостойких покрытий является его эффективность и рентабельность, а именно получаемые с его помощью поверхности должны быть устойчивы к внешнему воздействию в процессе эксплуатации и должны быть просты и дешевы при реализации. Поверхности, получаемые с помощью детонационного напыления, по своим техническим характеристикам, как высокая адгезия, антикоррозионностойкость, износостойкость и жаропрочность, отвечают вышеуказанным требованиям. Детонационный способ был предложен американскими изобретателями уже более пятидесяти лет назад, но, однако, и сегодня данный способ является все еще малоизученным и весьма сложным для массового использования.
Известен способ детонационного напыления покрытий и устройство для его осуществления (см. патент России RU №2329104 С2, МПК: В050 1/10; В05В 7/20, 2008 г.), в котором для расширения технологических возможностей детонационного напыления в канал метания перед его заполнением детонирующейся смесью добавляют еще дополнительно негорючий газ, в который затем впрыскивают метаемый порошок.
Данный способ, однако, обладает рядом недостатков, а именно он становится еще менее скоростным, а следовательно, и менее эффективным. К тому же при одном метательном канале и с малой скоростью метания невозможно получать многослойные покрытия с разноименными ингредиентами одновременно.
Наиболее близким из известных к предложенному по совокупности признаков следует отнести другой способ детонационного напыления (см. патент России RU №2176162 С2, МПК В05В 7/20, 2000 г.), в котором с целью увеличения производительности и обеспечения нанесения многослойных покрытий предложено использовать два канала метания, которые параллельно подсоединены к камере сгорания детонирующей смеси и имеют две системы порошкового питателя с независимой работой друг относительно друга.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа детонационного напыления, принятого за прототип, относится то, что он также малоскоростной и неприемлем для получения многослойных покрытий с числом ингредиентов больше двух, к тому же работа даже с двумя порошками скорее декларируема, чем получена. Обеспечить эффективность обоих каналов метания при такой схеме будет весьма сложно ввиду того, что продукты детонации из камеры сгорания будут распределяться пропорционально сопротивлению метаемых каналов, а сделать их равносопротивляемыми при разной плотности порошков и разной температуре их проплавления пока никому достичь не удалось. Следует также отметить, что сама процедура процесса метания порошков в данном способе очень сложна и не исключает самоподрыв детонирующей смеси в камере сгорания. Так как при интенсивной скорости ведения процесса метания большое количество тепла поглощается самой камерой сгорания и ее разогрев, при отсутствии специальных средств охлаждения, неизбежен, а следовательно, не исключен и самоподрыв. Поэтому эффективность и безопасность работы на данном комплексе при высокой скорострельности также скорее декларируема, а не получена на практике.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявленного изобретения, заключающегося в получении более эффективного способа получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления с улучшенными технологическими параметрами, включая высокую прочность и повышенную износостойкость в процессе эксплуатации и низкую стоимость в процессе реализации.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-способу достигается известным способом получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления, включающим подготовку поверхности и детонационное метание порошков. Отличием предложенного способа является то, что при подготовке поверхность подвергают пескоструйной обработке и химическому травлению, а затем методом детонационного метания напыляют поочередно: сначала слой многокомпонентного сплава, включающего в свой состав материал обрабатываемой поверхности, затем слой карбида тугоплавкого металла, а затем уже слой чистого антикоррозионного металла, который также входит в состав многокомпонентного сплава, нанесенного на поверхность перед слоем карбида тугоплавкого металла, при этом детонационное напыление слоев осуществляют в разных метательных каналах в строгой последовательности с частотой не менее 20 Гц при температуре, исключающей конденсацию паров воды на напыляемой поверхности.
При исследовании отличительных признаков описываемого способа получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся детонационного метания одновременно нескольких компонентов с заданной последовательностью и различной степенью их проплавления. Не выявлены также аналоги, касающиеся того, что процесс детонационного метания вышеуказанных компонентов ведут в строгой последовательности с частотой не менее 20 Гц, как не выявлено аналогичного решения, касающегося исключения конденсации паров воды на обрабатываемой поверхности в процессе метания.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня аналога, наиболее близкого по совокупности признаков (прототипа), позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для заявляемого объекта-способа, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный сопоставительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого изобретения. Результаты анализа показали, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня техники и могло быть получено только при глубоком и всестороннем изучении данного вопроса. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.
Заявленный способ получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления был апробирован с помощью автоматического детонационного комплекса (АДК) «Гром» (см. патент РФ №2070442 С1, МПК6: В05В 7/20). В качестве экспериментального образца была выбрана поверхность изношенного коленчатого вала карьерного самосвала «БелАЗ». После восстановления изношенной поверхности данного коленчатого вала предлагаемым способом этот вал вновь был поставлен на самосвал. По окончании испытательного срока вал вновь был демонтирован и исследован на предмет повреждения и износа восстановленной поверхности. Результаты испытаний показали, что после восстановления данным способом ресурс работы коленчатого вала может быть увеличен более чем в три раза. Дело в том, что при серийном изготовлении вала на заводе используют традиционные методы их упрочнения - высокочастотную закалку и азотирование поверхностного слоя, эффективность которых намного ниже детонационного метода напыления. Предложенный способ получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления можно использовать не только для восстановления изношенных деталей механизмов и машин, но и при проектировании и создании совершенно нового класса устройств и приборов, например, поверхностных катализаторов и поглотителей лучистой энергии. Данный способ предусматривает следующую технологическую цепочку операций. Сначала обрабатываемую поверхность подвергают пескоструйной обработке и химическому травлению ранее известными способами. В процессе этих операций осуществляется глубокая очистка поверхностного слоя и увеличение поверхности контакта. Далее производят наращивание толщины поверхностного слоя методом детонационного напыления. Метание порошков осуществляют поочередно с помощью, как минимум, трех каналов метания одновременно. При этом в качестве компонентов используют порошки разного состава для каждого канала метания. В качестве ингредиентов используют как «мягкие» составляющие, так и «твердые» составляющие. В качестве «мягких» составляющих используют чистые металлы и их сплавы, преимущественно сплавы на основе никеля, хрома, кобальта, ванадия и др., а в качестве «твердых» составляющих используют преимущественно карбиды, нитриды и оксиды тугоплавких металлов, вольфрама, кобальта, гафния и др. В предлагаемом способе в качестве ингредиента для первого канала метания используют многокомпонентный сплав, включающий материал обрабатываемой поверхности, в то время как для второго канала метания используют твердый карбид вольфрама, а для третьего канала метания используют антикоррозионный чистый металл, входящий в состав многокомпонентного сплава, используемого для первого канала метания. При этом процесс детонационного метания вышеуказанных компонентов ведут в строгой последовательности друг относительно друга с частотой не менее 20 Гц при температуре, исключающей конденсацию паров воды на обрабатываемой поверхности. Такая последовательность и скорострельность метания обеспечивают гарантированное перемешивание метаемых компонентов на обрабатываемой поверхности, но и исключают их взаимодействие друг с другом в процессе разгона и проплавления. Получаемые при этом твердые растворы имеют высокую износостойкость, повышенную твердость и жаропрочность, а также высокую антикоррозионную стойкость. Следует отметить, что малый промежуток между однородными слоями напыляемых компонентов обеспечивает их растворение и взаимосцепление как между собой, так и с материалом напыляемой поверхности. Толщина напыляемого слоя, как и соотношение между компонентами, могут варьироваться в зависимости от поставленной задачи, но последовательность их метания, как и скорость метания и скважность, должны оставаться постоянными и не прерываться до полного окончания процесса напыления. При этом температура проплавления каждой компоненты в процессе метания подбирается экспериментально и находится в строгой зависимости от дисперсности метаемого порошка и его навески. Для более тугоплавких карбидов, например таких металлов, как вольфрам, цирконий, гафний, зернистость и навеска метаемого порошка должны выбираться минимально возможными, в то время как для сплавов и антикоррозионных металлов, например кобальта, никеля, хрома, они могут быть существенно увеличены. При правильно выбранном соотношении дисперсности метаемого порошка и его навески, т.е. проплавления, можно получить такие покрытия, которые не имеют аналогов и не могут быть получены другим известным способом, включая метод лазерной наплавки или ионной бомбардировки. Все дело в том, что эти покрытия формируются на микронном уровне при высокой температуре метаемых порошков и большой скорости метания и соударения. Частицы метаемых компонентов в процессе метания не соприкасаются друг с другом, а их перемешивание и спекание осуществляются только непосредственно на поверхности напыления, точнее в ее «Гималаях». Все операции с порошками в процессе детонационного метания, включая разогрев и разгон, осуществляются в разных метательных каналах и происходят параллельно и с заданной последовательностью, что существенно ускоряет процесс напыления и гарантирует получение покрытий с улучшенными техническими и эксплуатационными свойствами. При этом количество метательных каналов выбирают по количеству используемых компонентов, а последовательность и скорость метания уже задают с учетом поставленной задачи. Так, например, при получении покрытий повышенной твердости (HR2 55÷60) целесообразно разогрев твердых карбидов вести при более низкой температуре, в то время как при получении жаростойких покрытий их разогрев нужно осуществлять до полного проплавления и с малой скважностью между однородными слоями. При этом при формировании каждого слоя наращиваемой поверхности навески метаемых порошков выбираются с учетом их сходства и полной растворимости. При получении антикоррозионных покрытий целесообразно использовать порошки с малой дисперсностью и большой склонностью к образованию эвтектического сплава.
Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем.
Предложенный способ получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления выкристаллизовался в результате проведения восстановительного ремонта на автоматическом детонационном комплексе (АДК) «Гром» и полностью с ним согласуется. С созданием АДК «Гром» появилась возможность восстанавливать любые детали, включая валы карьерных самосвалов, и придавать этим поверхностям новые, ранее не свойственные им качества: жаропрочность, антифрикционность, коррозионностойкость и др. Все операции на АДК «Гром» осуществляются автоматически, при этом процессы заполнения метательных каналов детонирующим газом, подрыв и продувка во всех метательных каналах осуществляются в строгой последовательности и с одинаковой частотой и скважностью. Так, например, если первый канал осуществляет метание, то второй его канал в это время заполняется детонирующим газом, а третий канал метания в это время продувается инертным газом, причем частота повторения этих операций легко регулируется и не зависит от количества используемых компонентов. Заявленный способ получения износостойких покрытий может быть реализован и с помощью других известных детонационных комплексов, например, АДК - «Обь», АДК - «Прометей 2М» или АДК - «Корунд 2», но тогда их параметры, такие как, например, число метательных каналов, скорострельность и синхронизация должны быть улучшены в этих комплексах как минимум в три-четыре раза. Сегодня комплекс АДК «Гром» уже внедрен более чем на десяти ремонтных предприятиях Министерства обороны РФ, что позволяет уже сейчас приступить к освоению этого способа на этих предприятиях. Предложенный способ получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления можно с успехом применить и в других отраслях промышленности, включая судостроение, авиастроение и космонавтику.
Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполняется следующая совокупность условий:
- средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно для получения износостойких покрытий с улучшенными техническими параметрами;
- для заявляемого изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущество заявленного изобретения состоит в том, что использование способа получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления существенно улучшает их параметры, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую эффективность в сочетании с низкой себестоимостью в процессе реализации.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Способ получения износостойких покрытий с помощью детонационного напыления, включающий подготовку поверхности и детонационное метание порошков, отличающийся тем, что при подготовке поверхность подвергают пескоструйной обработке и химическому травлению, а затем методом детонационного метания напыляют поочередно слой многокомпонентного сплава, включающего в свой состав материал обрабатываемой поверхности, затем слой карбида тугоплавкого металла, а затем слой чистого антикоррозионного металла, который входит в состав многокомпонентного сплава, нанесенного на поверхность перед слоем твердого карбида, при этом детонационное напыление слоев осуществляют в разных метательных каналах в строгой последовательности с частотой не менее 20 Гц при температуре, исключающей конденсацию паров воды на обрабатываемой поверхности.
