Способ формирования волокнистого композиционного покрытия

Изобретение относится к способу формирования волокнистого композиционного покрытия на изделии из низко- или среднеуглеродистой конструкционной стали. Осуществляют нанесение покрытия на основе промышленного порошка ПР-10Р6М5 электронно-лучевым или плазменно-порошковым методом. Наплавленную поверхность подвергают шлифованию и дискретному оплавлению с помощью импульсного лазерного или импульсного электронного луча с диаметром луча на поверхности покрытия 0,25÷2 мм и длительностью импульса 5÷20 миллисекунд, сфокусированного в линию или точку. Технический результат: уменьшение интенсивности изнашивания в паре трения. 4 ил.

 

Изобретение относится к области обработки поверхности покрытий на основе быстрорежущей стали потоками энергии для улучшения эксплуатационных характеристик изделий.

Известен способ обработки изделий, в котором воздействие на конструкционную (рельсовую) сталь осуществляют импульсным лазерным лучем (Zheng-yang Li, Xu-hui Xing, Ming-jiang Yang, Bing Yang, Zhi-yuan Ren, Hua-qiang Lin Investigation on rolling sliding wear behavior of wheel steel by laser dispersed treatment // Wear 314 (2014) P. 236-240). Зона переплава имеет мартенситно-аустенитную (90:10%) структуру с твердостью 550HV, зону термического влияния с твердостью 850 HV и далее основной металл с ферритно-перлитной структурой твердостью 300 HV. Полученная структура позволяет увеличить износостойкость материала в условиях схемы износа качения-скольжения в два раза.

Недостатками способа являются:

- большой коэффициент обработки поверхности лазерным лучом (80%), что создает значительные термические напряжения и, как следствие, высокую вероятность образования трещин со стороны зоны термического влияния, имеющей высокую твердость;

- способ неприемлем в условиях обработки предварительно наплавленной поверхности композиционным материалом, изначально имеющим высокую твердость.

Наиболее близким является способ, взятый в качестве прототипа - способ обработки изделий из высокоуглеродистых легированных сплавов (RU 2494154 CI, МПК C21D 1/09 (2006.01), опубл. 27.09.2613), включающий воздействие на изделие импульсным концентрированным потоком энергии. На изделие локально воздействуют сфокусированным импульсным электронным лучом с плотностью мощности 10l05 Вт/см2, диаметром луча 0,5÷2 мм и длительностью импульса 1÷30 мс с дискретным точечным распределением, формируя на поверхности изделия модифицированные зоны заданной геометрии. Затем изделие подвергают термической обработке при температуре 600÷1100°С и времени выдержки 30÷60 мин. Недостатками способа являются:

- дополнительная термическая обработка изделий, для которых комбинированная операция наплавки и оплавления является финишной обработкой;

- сфокусированный точечный импульсный электронный луч не позволяет создать модифицированные зоны заданной геометрии (кроме точечной) без перекрытия отдельных точек (например, с полосовым однонаправленным распределением), и сформировать однородный структурно-фазовый состав модифицированных зон и их свойства. Это важно когда изделия работают не при чисто абразивном износе, а в паре трения.

Задачей является создание способа обработки покрытий на основе быстрорежущей стали концентрированными потоками энергии, обеспечивающими уменьшение интенсивности изнашивания в паре трения.

Способ формирования волокнистого композиционного покрытия, также как в прототипе, заключается в воздействии на изделие импульсным электронным лучом с плотностью мощности 104÷105 Вт/см2.

Согласно изобретению на низко- или среднеуглеродистую конструкционную сталь наносят покрытие на основе промышленного порошка ПР-10Р6М5 электронно-лучевым или плазменно-порошковым методом, затем наплавленную поверхность подвергают шлифованию и дискретному оплавлению с помощью импульсного лазерного или импульсного электронного луча с диаметром луча на поверхности покрытия 0,25÷2 мм и длительностью импульса 5÷20 миллисекунд, сфокусированного в линию или точку, повышая микротвердость в части объема волокна, находящегося между вязкими прослойками оплавленной зоны и основного покрытия.

На фиг. 1 показана схема дискретного оплавления композиционного покрытия импульсным лазерным или электронным лучом, развернутым в точку (ось волокна перпендикулярна наплавленной поверхности), где 1 - основной металл, 2 - наплавка, 3 - дискретно упрочненные зоны (волокна), 4 - ось волокна, 5 - глубина оплавления (в разрезе).

На фиг. 2 показана схема дискретного оплавления композиционного покрытия импульсным лазерным или электронным лучом, развернутым в линию (ось волокна параллельна наплавленной поверхности).

На фиг. 3 показана микроструктура поперечного сечения литого ядра покрытий на основе быстрорежущей стали после лазерного оплавления при увеличении, где а) - литое ядро и зона термического влияния - ЗТВ; б) - зона Б и ЗТВ (зона В); в) - зона А и зона Б.

На фиг. 4 показано распределение средних значений микротвердости по зонам литого ядра (зона А, зона Б и зона В основного металла), облученных импульсным лазером покрытий на основе быстрорежущей стали.

Оплавленные зоны или волокна на фиг. 1 и фиг. 2 состоят из двух структур - зона А и зона Б (фиг. 3) и отличаются уровнем микротвердости, что показано на фиг. 4. Твердая часть волокна - зона Б, находящаяся между вязкими прослойками волокна зоны А и зоны В основного металла покрытия на фиг. 3 и фиг. 4 несут основную нагрузку в трибоконтакте. Вязкие прослойки - волокна зоны А и зоны В обеспечивают релаксацию напряжений и торможение в развитии трещин. В зависимости от напряженного состояния пары трения ось волокна формируют перпендикулярно (фиг. 1) или параллельно (фиг. 2) рабочей поверхности основного покрытия.

Технический результат при осуществлении заявляемого способа достигается за счет образования на поверхности покрытия периодических волокон (расстояние между осями волокон составляет 2÷3 диаметра волокна) сфокусированным импульсным лазерным или импульсным электронным лучом (плотность мощности 104÷105 Вт/см2 и длительность импульса 5÷20 миллисекунд) точечного или линейного оплавления. Внутри волокна формируются две структуры на основе аустенитно-мартенситной матрицы с включениями карбидов, отличающиеся уровнем дисперсности мартенситных игл и карбидов и, следовательно, уровнем микротвердости. Зона А, за счет большего размера карбидных выделений, имеет большую травимость (фиг. 3в). Зона Б за счет более дисперсной структуры как мартенсита, так и карбидов имеет меньшую травимость (фиг. 3б). На поверхности наплавки формируют волокна с перпендикулярным или параллельным расположением оси волокна относительно поверхности упрочненного слоя. Расстояние между осями волокон составляет 2÷3 диаметра волокна.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: на образцы основного металла 1 из низко- или среднеуглеродистой конструкционной стали наносят композиционное покрытие 2 на основе порошка быстрорежущей стали ПР-10Р6М5 методом многопроходной электроннолучевой наплавки в вакууме или методом плазменной порошковой наплавки. Затем сформированное покрытие подвергают шлифованию и импульсному лазерному или импульсному электронно-лучевому оплавлению поверхности определенной геометрической формы 3 (фиг. 1, фиг. 2) с заданным шагом. Глубину проплавления поверхности 5 (0,25-1,5 мм) регулируют параметрами импульсного лазерного или импульсного электронного луча при плотности мощности 104÷105 Вт/см2, длительности импульса 5÷20 миллисекунд, диаметра луча на поверхности покрытия 0,25÷2 мм. Направление формирования оси волокна 4 выбирают в зависимости от напряженного состояния пары трения, которое может быть перпендикулярно (фиг. 1) или параллельно (фиг. 2) обрабатываемой поверхности.

Указанные диапазоны параметров импульсной лазерной или импульсной электронно-лучевой обработки обусловлены следующим:

- плотность мощности менее 104 Вт/см2 недостаточна для плавления покрытия, а плотность мощности свыше значения 105 Вт/см2 приводит к кипению материала покрытия и образованию на его поверхности дефектов в виде пор и кратеров;

- диаметр электронного луча менее 0,25 мм приводит к снижению производительности обработки поверхности, а диаметр более 2 мм приводит к образованию трещин на границе раздела между модифицированной зоной и основным материалом, вследствие увеличения площади границы раздела;

- длительность импульса менее 5 миллисекунд приводит к снижению глубины модифицированной зоны, а длительность импульса более 20 миллисекунд приводит к кипению материала в зоне воздействия пучка.

Испытания образцов волокнистого композиционного покрытия на трение в паре с термически обработанной сталью ШХ15 проведены на машине трения СМТ-20 с использованием схемы «колесо - две плоские колодки» при скорости 1,2 м/с и нагрузки N (20, 40, 60, 80 и 100 Н) в условиях трения без смазки, показали следующие результаты:

- интенсивность изнашивания только наплавленных покрытий в интервале указанных нагрузок линейно растет от 0,4±0,1 до 0,5±0,1 мм3/км;

- интенсивность изнашивания волокнистого композиционного покрытия с осью волокна, расположенного перпендикулярно упрочненной поверхности, составила 0,2±0,05 мм3 /км, а с осью волокна, расположенного параллельно упрочненной поверхности - 0,15±0,04 мм3 /км, и не зависит от нагрузки.

Таким образом, интенсивность изнашивания волокнистого композиционного покрытия на основе стали 10Р6М5 уменьшилась в два раза. Известно, что из-за волнистости и шероховатости поверхности контактирование реальных твердых тел в парах трения осуществляется на отдельных площадках. Сумма этих малых площадок представляет собой фактическую площадь контакта тел, на которую и действует основное прикладываемое к паре трения давление. В результате такого воздействия микронеровности поверхностей и нижележащие объемы материалов тел деформируются, передеформируются, разрушаются. Происходит износ пары трения.

Способ формирования волокнистого композиционного покрытия на изделии из низко- или среднеуглеродистой конструкционной стали, включающий нанесение на изделие покрытия из порошкового материала и обработку покрытия путем импульсно- лучевого воздействия, отличающийся тем, что электронно-лучевым или плазменным методом наносят покрытие с использованием порошка быстрорежущей стали ПР-10Р6М5, затем наплавленную поверхность подвергают шлифованию и обработке покрытия импульсно-лучевым воздействием с плотностью мощности 104÷105 Вт/см2 путем дискретного оплавления импульсным лазерным или электронным лучом с диаметром 0,25÷2 мм и длительностью импульса 5÷10 миллисекунд, развернутого в точку с образованием волокон, перпендикулярных наплавленной поверхности покрытия, или - в линию с образованием волокон, параллельных наплавленной поверхности покрытия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления нанесенной термическим напылением тонкостенной гильзы цилиндра для установки в блоке цилиндров двигателя и к гильзе цилиндра, изготовленной таким способом.

Изобретение относится к способу изготовлению детали из хромосодержащего жаропрочного сплава на основе никеля и может найти применение при изготовлении деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к способам антикоррозионной обработки поверхности изделий из алюминия или алюминиевых сплавов. Поверхность изделия подвергают импульсному энергетическому воздействию излучением импульсного оптоволоконного иттербиевого лазера с длиной волны 1,065 мкм при удельной мощности излучения 4,539⋅1010…8,536⋅1010 Вт/см2, частоте следования импульсов 20…40 кГц и скорости сканирования поверхности лазерным излучением 250…700 мм/с.

Изобретение относится к получению микропористых структур на поверхности изделий из титана или его сплава и может быть использовано в области медицинской техники при изготовлении из титана и его сплавов поверхностно-пористых эндопротезов и имплантатов для травматологии, ортопедии, различных видов пластической хирургии, для подготовки поверхности титановых имплантатов под нанесение биоактивных покрытий.

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано для упрочнения режущего инструмента и металлических деталей машин. Способ плазменного нанесения покрытия на металлическую заготовку включает нагрев поверхности заготовки и плазменное напыление слоя покрытия на ее поверхность, при этом осуществляют нагрев участка поверхности, на который наносят покрытие, плазменной струей до температуры, при которой размер расширенного тепловым потоком участка поверхности будет равен размеру наносимого покрытия на упомянутом участке при температуре напыления, после нанесения требуемого слоя напыление прекращают и измеряют температуру поверхности покрытия и температуру поверхности заготовки на границе напыленного слоя и устраняют разницу в температурах путем регулирования подачи охлаждающей среды на границу раздела напыленного слоя и заготовки до их остывания.

Изобретение относится к способам получения наноматериалов модификацией поверхности металлсодержащих каркасных соединений, которые могут быть использованы в качестве высокопористых эффективных гетерогенных катализаторов гидрирования непредельных соединений, фотокатализаторов в солнечных батареях.

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрических потоков энергии, которые могут быть использованы в горнодобывающей и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии и может быть использовано в горнодобывающей и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области судостроения, в частности к способу защиты металлических элементов судовых движителей. Способ включает нанесение на поверхность металлических элементов методом газотермического напыления защитного слоя из алюминия или цинка и сплавов на их основе, крацевание его внешней поверхности и нанесение на защитный слой полимеризирующего пропитывающего состава с последующей его сушкой.

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.

Группа изобретений относится к получению металлических наночастиц. Способ включает формирование потока ускоряемых металлических микрочастиц, плавление металлических микрочастиц, подачу потока образовавшихся жидких микрокапель в область цилиндрического осесимметричного электростатического поля, ось которого совпадает с осью потока жидких микрокапель, зарядку жидких микрокапель потоком электронов до состояния, в котором начинается их каскадное деление до металлических наночастиц, и осаждение выходящих из области цилиндрического осесимметричного электростатического поля металлических наночастиц на подложку.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к комбинированным способам получения покрытий, и может быть использовано, в частности, для получения покрытий на деталях.

Изобретение относится к способу высокоскоростного газопламенного напыления многослойного композитного покрытия из порошковых материалов на металлическое изделие.

Изобретение относится к изготовлению узлов турбины, работающей в условиях высоких температур. Способ изготовления узла (10, 10а) турбины в виде расположенных между двумя платформами (46, 46΄) по меньшей мере двух аэродинамических профилей (12, 14), который формируют монолитным, включает создание первой защиты путем нанесения теплозащитного покрытия на по меньшей мере два соседних аэродинамических профиля (12, 14), при этом в процессе нанесения по меньшей мере одна область (16) одного аэродинамического профиля (14), находящегося в теневой зоне другого аэродинамического профиля (12, 14), остается необработанной, создание второй защиты в по меньшей мере одной необработанной области (16) одного аэродинамического профиля (14), находящегося в теневой зоне другого аэродинамического профиля (12, 14), путем модификации поверхности до нанесения теплозащитного покрытия или после его нанесения, причем первая и вторая технологии защиты отличаются одна от другой и вторая технология защиты приводит к модификации поверхности по меньшей мере одной области (16) одного аэродинамического профиля (14) из двух соседних аэродинамических профилей (12, 14), которая останется необработанной или которая осталась необработанной, путем нанесения покрытия, или травления, или придания шероховатости, или путем химического преобразования поверхности.

Изобретение относится к способам нанесения покрытия из алюминида титана на металлическое изделие и к металлическому изделию с указанным покрытием. Способ нанесения покрытия из алюминида титана на металлическое изделие включает холодное напыление алюминида титана на изделие для формирования покрытия из алюминида титана, причем покрытие из алюминида титана включает тонкую гамма/альфа2 структуру, а алюминид титана, нанесенный на изделие холодным напылением, имеет состав, включающий 45 мас.

Изобретение относится к получению многослойной энерговыделяющей наноструктурированной фольги для соединения материалов. Способ включает приготовление исходной смеси металлических порошков планетарным перемешиванием, формование смеси порошков горячей прецизионной прокаткой через валки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термической обработке покрытий титан-никель-гафний с эффектом памяти формы, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине.

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных износостойких материалов конструкционного назначения и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в промышленности.

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий, к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.
Изобретение относится к области химического, нефтехимического, нефтеперерабатывающего машиностроения и может быть использовано для защиты основного и вспомогательного оборудования указанных производств от воздействия агрессивных коррозионно-активных сред.

Изобретение относится к способу формирования волокнистого композиционного покрытия на изделии из низко- или среднеуглеродистой конструкционной стали. Осуществляют нанесение покрытия на основе промышленного порошка ПР-10Р6М5 электронно-лучевым или плазменно-порошковым методом. Наплавленную поверхность подвергают шлифованию и дискретному оплавлению с помощью импульсного лазерного или импульсного электронного луча с диаметром луча на поверхности покрытия 0,25÷2 мм и длительностью импульса 5÷20 миллисекунд, сфокусированного в линию или точку. Технический результат: уменьшение интенсивности изнашивания в паре трения. 4 ил.

Наверх