RU2109843C1

RU2109843C1 - Method for manufacturing parts with hardened working surface

Info

Publication number: RU2109843C1
Application number: RU96123429A
Authority: RU
Inventors: А.М. Гонопольский
Original assignee: Йелстаун Корпорейшн Н.В.
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1998-04-27
Also published as: AU5420198A; WO1998027245A1

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: method includes gas-thermal deposition of ceramic material by spraying and subsequent diffusion saturation by keeping the part at constant temperature in mixture containing alloying elements for time sufficient for formation in surface layer of continuous row of saturated solid solutions of alloying elements. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 1 dwg , 1 tbl

Description

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, например формообразующих инструментов. The invention relates to methods for manufacturing parts with a hardened working surface, for example, shaping tools.

Известен способ - газотермическое напыление, изготовление подобных деталей, заключающееся в том, что на предварительно подготовленную поверхность высокотемпературной газовой струей наносят мелкодисперсные частицы металла, образующие покрытие (авт. св. СССР N 558714, 1985 г.). Способ газотермического напыления характеризуется тем, что при любой его разновидности - газопламенное напыление, электродуговая металлизация, плазменное напыление, детонационное напыление - взаимодействие частиц друг с другом и с подложкой происходит в твердой фазе в условиях быстропадающей температуры (от Т частицы до Т контакта) за очень короткое время (10^-3-10^-4 с). В результате физико-механические характеристики (прочность, твердость, износостойкость и т. п. ) покрытий без последующей термической обработки (например, оплавление покрытий из Ni-Cr-Si-B сплавов и т.п.) примерно на порядок ниже, чем у тех же компактных материалов, из которых состоит покрытие. Все покрытия, полученные способом газотермического напыления, отличаются высокой пористостью (от 5 до 40%) и слабой адгезионной связью с поверхностью детали.A known method is thermal spraying, the manufacture of such parts, which consists in the fact that finely dispersed metal particles forming a coating are applied to a pre-prepared surface with a high-temperature gas jet (ed. St. USSR N 558714, 1985). The method of thermal spraying is characterized by the fact that for any of its types - flame spraying, electric arc metallization, plasma spraying, detonation spraying - the particles interact with each other and with the substrate in the solid phase under conditions of rapidly falling temperature (from T particles to T contact) for a very short time (10 ^-3 -10 ^-4 s). As a result, the physical and mechanical characteristics (strength, hardness, wear resistance, etc.) of coatings without subsequent heat treatment (for example, the melting of coatings of Ni-Cr-Si-B alloys, etc.) are approximately an order of magnitude lower than that of the same compact materials that make up the coating. All coatings obtained by the method of thermal spraying are characterized by high porosity (from 5 to 40%) and weak adhesion to the surface of the part.

Известен также способ изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, включающий газотермическое напыление на металлическую основу керамического материала и последующее диффузионное насыщение поверхностного слоя легирующими элементами (см. заявку Великобритании N 1439947, 1976). В указанном способе, принятом в качестве прототипа, предварительно напыленное покрытие подвергают диффузионному отжигу, в процессе которого диффузанты, включенные в исходный материал покрытия, проникают в материал подложки. При этом, однако, не достигается необходимой адгезии и не улучшается качество поверхностного слоя, в частности не уменьшается его пористость и не увеличивается прочность. Кроме того, не все материалы-диффузанты можно напылять одновременно с основой покрытия ввиду существенного различия физико-механических и теплофизических свойств этих материалов. There is also a known method of manufacturing parts with a hardened working surface, including thermal spraying on a metal base of a ceramic material and subsequent diffusion saturation of the surface layer with alloying elements (see UK application N 1439947, 1976). In the specified method, adopted as a prototype, the pre-sprayed coating is subjected to diffusion annealing, during which the diffusers included in the starting coating material penetrate into the substrate material. However, the necessary adhesion is not achieved and the quality of the surface layer is not improved, in particular, its porosity is not reduced and strength is not increased. In addition, not all diffuser materials can be sprayed simultaneously with the coating base due to the significant difference in the physicomechanical and thermophysical properties of these materials.

В данном изобретении эти недостатки устранены тем, что в способе изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, включающем газотермическое напыление на металлическую основу керамического материала и последующее диффузионное насыщение поверхностного слоя легирующими элементами, диффузионное насыщение проводят путем выдержки детали при постоянной температуре в шихте, содержащей легирующие элементы, в течение времени, достаточного для образования в поверхностном слое непрерывного ряда насыщенных твердых растворов легирующих элементов. В частности, в качестве керамического материала используют Al₂O₃, шихта состоит из порошков Ni, Cr, Al₂O₃ и иодистого аммония, а выдержка производится при температуре 925^oC в течение трех часов.In the present invention, these disadvantages are eliminated by the fact that in the method of manufacturing parts with a hardened working surface, including thermal spraying on a metal base of ceramic material and subsequent diffusion saturation of the surface layer with alloying elements, diffusion saturation is carried out by holding the part at a constant temperature in a mixture containing alloying elements over a period of time sufficient for the formation in the surface layer of a continuous series of saturated solid solutions dope elements. In particular, Al ₂ O _{3 is} used as a ceramic material, the mixture consists of powders of Ni, Cr, Al ₂ O ₃ and ammonium iodide, and exposure is carried out at a temperature of 925 ^o C for three hours.

На чертеже показана микроструктура поверхностного слоя образца из стали (Ст. 3) с нанесенным плазменным напылением керамическим материалом (Al₂O₃):
а - до диффузионной обработки,
б - после диффузионной обработки в шихте с легирующими элементами Cr и Ni,
в - распределение микротвердости по сечению шлифа после диффузионной обработки.The drawing shows the microstructure of the surface layer of a sample of steel (St. 3) with a plasma sprayed ceramic material (Al ₂ O ₃ ):
a - before diffusion treatment,
b - after diffusion treatment in a mixture with alloying elements Cr and Ni,
c - distribution of microhardness over the cross section of a thin section after diffusion processing.

Пример осуществления способа изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью. An example implementation of a method of manufacturing parts with a hardened work surface.

Плазменное напыление покрытия из порошка Al₂O₃ проводилось на серийной установке УМП-6 азотной плазмой на режиме I_дуги=280 А, V_дуги=100 В,

=1,2 г/с, V_пор= 3,0 кг/ч, дистанция напыления 105 мм, грануляция порошка 40-63 мкм, размер образца 30х30х3 мм, материал образца Ст.3, подготовка поверхности - абразивоструйная чугунной колотой дробью ДЧК - 1,0-1,5.Plasma spraying of a coating of Al ₂ O ₃ powder was carried out on a serial installation UMP-6 with nitrogen plasma in the regime of I _arc = 280 A, V _arc = 100 V,

= 1.2 g / s, V _pore = 3.0 kg / h, spraying distance 105 mm, granulation of the powder 40-63 μm, sample size 30x30x3 mm, sample material St.3, surface preparation - abrasive blasting with cast iron with DCCH shot - 1.0-1.5.

Диффузионное насыщение проводилось элементами Ni и Cr методом порошков в контейнере с шихтой, состоящей из порошков Ni, Cr, Fl₂O₃ и иодистого аммония. Образцы помещались в контейнеры так, чтобы каждый был полностью засыпан шихтой и контакта между соседними образцами, а также между образцами и стенкой контейнеров не было. Контейнеры закрывались крышками с плавким затвором и помещались в печь типа ШВЛ, температура в которой поддерживалась на уровне 900^oC. Один контейнер выдерживался при этой температуре 2 ч, другой - 3 ч, третий - 4 ч, четвертый - 5 ч. Затем контейнеры вскрывались и из образцов приготавливались шлифы. Процесс повторялся при температуре 925 и 950^oC. Каждый раз остывание контейнера с образцами (деталями) проводилось до температуры 200^oC вместе с печью.Diffusion saturation was carried out by elements of Ni and Cr by the method of powders in a container with a mixture consisting of powders of Ni, Cr, Fl ₂ O ₃ and ammonium iodide. Samples were placed in containers so that each was completely covered with charge and there was no contact between adjacent samples, and also between the samples and the wall of the containers. The containers were closed with fusible closure lids and placed in a ШВЛ type furnace, the temperature of which was maintained at 900 ^o C. One container was kept at this temperature for 2 hours, the other for 3 hours, the third for 4 hours, the fourth for 5 hours. Then the containers were opened and thin sections were prepared from samples. The process was repeated at a temperature of 925 and 950 ^o C. Each time, the cooling of the container with samples (parts) was carried out to a temperature of 200 ^o C together with the furnace.

Образование непрерывного ряда твердых растворов Ni и Cr в покрытии и подложке определялось с помощью растрового сканирующего микроскопа на шлифах образцов и было обнаружено после 3-часовой изотермической выдержки при температуре 925^oC и выше. Результаты работы приведены на чертеже (а, б) в виде фотографий шлифов поверхностного слоя. Как следует из металлографического и ренгеноструктурного фазового анализа покрытий, а также из измерений (чертеж-в) микротвердости, граница между покрытием и подложкой исчезла. Материал покрытия оказался насыщенным Ni и Cr в виде твердых растворов, а также Fe и C в результате встречной диффузии материала подложки. Пористость исходного покрытия, измеренная методом гидростатического взвешивания, составляла для Al₂O₃ 9%. После диффузионного насыщения пористость ни металлографически, ни методом гидростатического взвешивания обнаружить не удалось.The formation of a continuous series of Ni and Cr solid solutions in the coating and substrate was determined using a scanning scanning microscope on thin sections of the samples and was detected after 3-hour isothermal exposure at a temperature of 925 ^o C and above. The results are shown in the drawing (a, b) in the form of photographs of thin sections of the surface layer. As follows from the metallographic and X-ray phase analysis of the coatings, as well as from measurements (drawing-c) of microhardness, the boundary between the coating and the substrate disappeared. The coating material turned out to be saturated with Ni and Cr in the form of solid solutions, as well as Fe and C as a result of counter diffusion of the substrate material. The porosity of the initial coating, measured by hydrostatic weighing, was 9% for Al ₂ O ₃ . After diffusion saturation, porosity was not found either metallographically or by hydrostatic weighing.

Результаты адгезионных испытаний образцов по штифтовой методике приведены в таблице. The results of adhesive testing of samples using a pin technique are shown in the table.

Найденные значения температуры и времени изотермической выдержки были использованы при нанесении покрытия на формообразующий инструмент для производства химических источников тока на ГНПП "Квантэмп". The found values of the temperature and time of isothermal exposure were used when coating the forming tool for the production of chemical current sources at GNPP "Kvantemp".

Полученные данным способом покрытия обладают в 5 раз более высокой износостойкостью, чем инструмент без покрытия, и в 2 раза более высокой износостойкостью порошковых материалов, напыленных плазменным напылением. The coatings obtained by this method have 5 times higher wear resistance than an uncoated tool, and 2 times higher wear resistance of powder materials sprayed by plasma spraying.

Применение данного способа позволило заменить дорогостоящую сталь ХВГ на более дешевую сталь 45. The application of this method allowed the replacement of expensive HVG steel with cheaper steel 45.

По сравнению с технологией получения износостойких покрытий плазменным напылением с последующим оплавлением самофлюсующихся покрытий в данном способе в 1,3 - 1,7 раза снижается температура обработки покрытия после напыления. Это означает как снижение энергозатрат, так и улучшение свойств металла детали. Compared with the technology for producing wear-resistant coatings by plasma spraying with subsequent melting of self-fluxing coatings in this method, the temperature of coating treatment after spraying is reduced by 1.3 - 1.7 times. This means both a reduction in energy consumption and an improvement in the properties of the metal of the part.

Claims

1. A method of manufacturing parts with a hardened working surface, including thermal spraying on a metal base of ceramic material and subsequent diffusion saturation of the surface layer with alloying elements, characterized in that the diffusion saturation is carried out by holding the part at a constant temperature in a mixture containing alloying elements over time, sufficient for the formation in the surface layer of a continuous series of saturated solid solutions of alloying elements.

2. The method according to claim 1, characterized in that the aluminum base is sprayed with aluminum oxide, and diffusion saturation is carried out in a mixture containing nickel, chromium, aluminum oxide and ammonium iodide at a temperature of 925 ^o C for 3 hours