СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ШНЕКА

Название	СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ШНЕКА
Разработчик (Авторы)	Жачкин Сергей Юрьевич, Трифонов Григорий Игоревич, Пеньков Никита Алексеевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2782903
Дата регистрации	07.11.2022
Правообладатель	Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Область применения (класс МПК)	C23C 4/134 (2016.01) C23C 4/10 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области газотермического напыления, а именно к способам плазменного напыления покрытий на сложнопрофильные поверхности деталей машин. Изобретение может быть использовано в машиностроении, металлургии, энергетике, авиастроении и других сферах производства, преимущественно для восстановления и упрочнения деталей, которые имеют винтовую и цилиндрическую поверхности (шнеки, червяки, винтовые насосы, роторы винтовых компрессоров и т.п.).

В целях рационального использования производственных площадей, станочного парка и материальных ресурсов, на ремонтных предприятиях деталей со сложнопрофильными рабочими поверхностями, таких как шнеки, как правило, восстанавливают за один проход [Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин (Состояние и перспективы) / В.И. Черноиванов, И.Г. Голубев // М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. - 376 с.]. Происходит одновременное воздействие на цилиндрическую и винтовую поверхности детали. В связи с этим, возникает необходимость в определении состава материала напыления и рациональных технологических режимов, удовлетворяющих нанесению покрытия, как на винтовую, так и на цилиндрическую поверхности шнека, с целью формирования на указанных поверхностях качественного покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Известны: способ воздушно-плазменного напыления металлических покрытий [Патент SU №1835865 А1, МПК С23С 4/00, С23С 4/06, опубл. 10.04.1996 г., Бюл. №10], включающий создание воздушной турбулентной плазменной струи, подачу в нее частиц порошка, напыление их на подложку и формирование покрытия в условиях, предотвращающих его окисление; способ восстановления винтовой поверхности [Патент RU №2023061 С1, МПК C25D 5/00, опубл. 15.11.1994 г.] путем электролитического осаждения металла, преимущественно железа, в протоке электролита при размещении винтовой поверхности в цилиндрическом корпусе-аноде и ее вращении.

Однако недостатком приведенных способов является низкое качество покрытия ввиду его низкой твердости. В аналогах достигалось улучшение прочих (второстепенных) физико-механических и эксплуатационных параметров покрытия, не учитывая выше указанный, который является одним из основополагающих показателей качества сформированного покрытия [Тушинский Л.И. Методы исследования материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.И. Сиднеев // М.: Мир, 2004. - 384 с.].

Также известны: способ плазменного напыления [Патент RU №2135630 С1, МПК С23С 4/12, опубл. 27.08.1999 г.], включающий откачку газа в направлении, соосном с плазменной струей, обдув противоположной стороны детали инертным газом и охлаждение напыленного слоя при вращении детали, при этом наносят слой покрытия толщиной 0,3-0,5 мм, который оплавляют уменьшением дистанции напыления и прекращением подачи порошка с одновременным обдувом противоположной стороны детали аргоном с расходом 1,5-2 м3/ч в течение 5-10 с, после чего включают подачу порошка, устанавливают исходную дистанцию напыления, прекращают подачу аргона на противоположную сторону детали и напыляют покрытие до необходимой толщины; способ плазменного напыления [Патент RU№2462533 С1, МПК С23С 4/10, С23С 4/12 опубл. 27.09.2012 г., Бюл. №27], включающий ввод дисперсного керамического порошка через кольцевую щель в воздушно-плазменную струю и последующее его напыление на предварительно обработанную поверхность изделия, при этом напыление ведут дисперсными частицами оксида алюминия со следующим соотношением фракционного состава: 20-40 мкм в количестве 75-85% и менее 20 мкм - остальное, при мощности плазмотрона в пределах 44-54 кВт и расходе воздуха 1-2 г/с.

Недостатком приведенных способов является низкое качество покрытия ввиду его низкой прочности сцепления с основой. В выше перечисленных аналогах прочность сцепления покрытия с основой находится в диапазоне 70-110 МПа, что недостаточно для рабочих поверхностей шнека в виду их интенсивной эксплуатации в условиях ударных нагрузок и абразивного изнашивания, поскольку будет происходить отслаивание и отрыв нанесенного покрытия.

Также известен способ плазменного напыления износостойких покрытий толщиной более 2 мм [Патент RU №2665647 С2, МПК С23С 4/12, С23С 24/08, С23С 28/00 опубл. 30.07.2018 г., Бюл. №22], включающий предварительную дробеструйную обработку и обезжиривание напыляемой поверхности, напыление слоя покрытия, нагрев его и последующее напыление основного слоя покрытия до заданной толщины, при этом сначала напыляют слой покрытия толщиной не более 0,2 мм при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с и с расположением плазмотрона на исходной заданной дистанции от напыляемой поверхности, затем прекращают подачу порошка, уменьшают исходную дистанцию плазмотрона от напыляемой поверхности и проводят нагрев поверхности при низкоскоростном ламинарном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,7-0,9 г/с до температуры (0,2-0,3)Тпл, где Тпл - температура плавления материала покрытия, после чего устанавливают плазмотрон на исходной дистанции напыления от напыляемой поверхности и напыляют основной слой покрытия до заданной толщины при высокоскоростном турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,8-3 г/с. Данный способ принят за прототип.

К недостаткам указанного прототипа относится низкая микротвердость покрытия. Поскольку, беря во внимание величину толщины покрытия, указанную в прототипе - 2 мм, то ее микротвердость будет резко уменьшаться от периферии вглубь образца (детали), на котором оно сформировано, что напрямую оказывает влияние на такой эксплуатационный параметр как износостойкость, а, следовательно, и на качество сформированного покрытия.

Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия за счет рационального подбора состава материала напыления и назначения технологических режимов с учетом геометрических особенностей обрабатываемых поверхностей детали.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе плазменного напыления покрытий на рабочие поверхности шнека, включающий предварительную обработку, обезжиривание поверхностей и напыление покрытия, производят напыление винтовой и цилиндрической поверхностей шнека, по меньшей мере частично, порошкообразным материалом, состоящим из 76,5% самофлюсующегося порошка ПР-НХ17СР4 с размером фракций 40-64 мкм и 23,5% порошка карбида титана с размером фракций 73-74 мкм, посредством, как минимум, одного цикла напыления при силе тока дуги плазмотрона 233…248 А, дистанции напыления 81…83 мм, массовом расходе напыляемого материала 0,4…0,5 г/с и скорости вращения детали 35…37 мин-1, что приводит к формированию композитного покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Сущность предлагаемого способа заключается в напылении винтовой и цилиндрической поверхностей шнека, по меньшей мере частично, порошкообразным материалом, состоящим из 76,5% самофлюсующегося порошка ПР-НХ17СР4 с размером фракций 40-64 мкм и 23,5% порошка карбида титана с размером фракций 73-74 мкм, посредством, как минимум, одного цикла напыления при силе тока дуги плазмотрона 233…248 А, дистанции напыления 81…83 мм, массовом расходе напыляемого материала 0,4…0,5 г/с и скорости вращения детали 35…37 мин-1, что приводит к формированию композитного покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Способ плазменного напыления покрытий на рабочие поверхности шнека может быть реализован с помощью использования сертифицированного специального оборудования для плазменного напыления [Научно-производственная фирма «Плазмацентр» https://www.plasmacentre.ru/oborudovanie/], а также существующих стандартных многокомпонентных металлических порошков [АО «Полема» http://www.polema.net/produkcija.html], предназначенных для плазменного напыления функциональных покрытий.

Способ плазменного напыления покрытий на рабочие поверхности шнека может осуществлен следующим образом.

Напыляемые поверхности предварительно подвергают дробеструйной обработке и обезжириванию. Напыление образцов производят согласно ГОСТ 28076-89 на установке плазменного напыления УПУ-3Д с плазмотроном ПНК-50 с межэлектродной вставкой.

Определение состава наносимого функционального материала производилось с учетом размеров и концентрации входящих в него элементов. За основу был взят порошок ПР-НХ17СР4 с фракцией 40-64 мкм и порошок карбида титана (TiC). В указанных диапазонах (таблица 1) с выбранными порошкообразными материалами была получена область оптимума критерия по наивысшей прочности сцепления покрытия к основе, которая составила 380 МПа, и определен рациональный состав материала для напыления: карбид титана фракцией 63-80 мкм (73,6 мкм) - 23,5%; порошок ПР-НХ17СР4 фракцией 40-64 мкм - 76,5%. При напылении указанного состава порошкообразного материала на поверхностях образцов формировалось композитное покрытие с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

На фиг. 1 представлена характерная слоистая структура композитного покрытия из материала 76,5% ПР-НХ17СР4 + 23,5% TiC, изображение которой было получено в ходе металлографического анализа с использованием оптического микроскопа Axiovert 40 МАТ и оптико-эмиссионных спектрометров PMI MASTER Pro и ДФС-500. Как видно из фиг. 1, полученное композитное покрытие состоит из никелевой основы с равномерно расположенными мелкими включениями карбида титана, которые находятся с ней в достаточно прочной связи.

После подбора материала для напыления покрытий на винтовую и цилиндрическую поверхности шнека производилось определение технологических режимов, удовлетворяющих нанесению покрытия, как на винтовую, так и на цилиндрическую поверхности шнека.

После математических преобразований в стандартизированных программных комплексах, таких как, «MathCad» и «Ехсеl», теоретически обоснованы и экспериментально доказаны следующие технологические режимы напыления полученного порошкообразного материала (76,5% ПР-НХ17СР4 + 23,5% TiC), удовлетворяющие нанесению покрытия, как на винтовую, так и на цилиндрическую поверхности шнека: сила тока дуги плазмотрона I, дистанция напыления , массовый расход напыляемого материала m, скорость вращения детали n (для цилиндрической поверхности) (таблица 2). Остальные факторы процесса, указанные в таблице 1, оказались не значимы или мультиколлинеарны.

С целью подтверждения заявленного технического результата изобретения проводились следующие исследования физико-механических и эксплуатационных свойств композитного покрытия:

измерение прочности сцепления покрытия с основой методом скретч-тестирования, при этом царапины проводились алмазным индентором конической формы на установке Макро Скретч Тестер Revetest Express с постоянной нагрузкой в 34 Н согласно ASTM D 2197, ASTM С1624, а также в соответствии с международными стандартами ISO 19252:2008, ISO 20502;

измерение твердости композитного покрытия (HRC) проводилось на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 Н по ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86) по методу Роквелла;

измерение микротвердости композитного покрытия проводилось на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 10 Н по ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78) в поперечном сечении образца.

Результаты исследований прочности сцепления покрытия с основой методом скретч-тестирования представлены на фиг. 2. Видно, что у сформированного композитного покрытия трещин не наблюдалось на всем протяжении испытаний. Отслоения покрытия от основы не наблюдалось. Дефекты нанесенного слоя в виде трещин, локальных отслоений, крупных пор на образцах не обнаружено. Микрошлиф характеризуется высокой плотностью, равномерностью структуры, низкой пористостью, отсутствием трещин и высокой прочностью сцепления покрытия с основой.

Твердость композитного покрытия составила 64-66 HRC, при этом твердость легированного покрытия из порошка ПР-НХ17СР4 составляет 55-60 HRC. На фиг. 3 представлен внешний вид поверхности образца после проведения измерений.

Микротвердость композитного покрытия измерялась на образцах из композитных покрытий из ITP-HX17CP4+TiC (фиг. 4), легированных покрытий ПР-НХ17СР4+TiC и стандартных покрытий ПР-НХ17СР4.

На фиг. 5 представлена графическая интерпретация проведенных исследований микротвердости покрытий. Анализ данных позволяет видеть, что микротвердость композитных покрытий из ПР-НХ17СР4+TiC в 1,4 раза выше, чем микротвердость легированных покрытий ПР-НХ17СР4+TiC и в 1,7 раза выше, чем микротвердость стандартных покрытий ПР-НХ17СР4. Это объясняется наличием твердых включений TiC в покрытии.

На основании приведенных данных видно, что нанесение порошка 76,5% ПР-НХ17СР4 (размер фракций 40-64 мкм) + 23,5%TiC (размер фракций 73-74 мкм) при силе тока дуги плазмотрона 233…248 А, дистанции напыления 81…83 мм, массовом расходе напыляемого материала 0,4…0,5 г/с, скорости вращения детали 35…37 мин-1 на винтовую и цилиндрическую поверхности шнека позволяет получить покрытие с прочностью сцепления покрытия с основой в 380 МПа, твердостью 64-66 HRC и микротвердостью в 1,7 раза выше, чем микротвердость стандартных покрытий из порошка ПР-НХ17СР4.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет получить качественные композитные покрытия, характеризующиеся высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, а именно повышенными значениями прочности сцепления покрытия с основой, твердости и микротвердости, на винтовой и цилиндрической поверхностях шнека.

Формула изобретения

Способ плазменного напыления покрытия на рабочие поверхности шнека, включающий предварительную обработку рабочих поверхностей шнека, обезжиривание и напыление порошкообразного материала, отличающийся тем, что проводят напыление винтовой и цилиндрической поверхностей шнека, по меньшей мере частично, порошкообразным материалом, состоящим из 76,5% самофлюсующегося порошка ПР-НХ17СР4 с размером фракции 40-64 мкм и 23,5% порошка карбида титана с размером фракции 73-74 мкм, посредством как минимум одного цикла напыления при силе тока дуги плазмотрона 233-248 А, дистанции напыления 81-83 мм, массовом расходе напыляемого материала 0,4-0,5 г/с и скорости вращения детали 35-37 мин-1.

Изобретение "СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ШНЕКА" (Жачкин Сергей Юрьевич, Трифонов Григорий Игоревич, Пеньков Никита Алексеевич ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога