Спосіб нанесення захисного покриття на робочу поверхню мідних виробів

1. Спосіб нанесення захисного покриття на робочу поверхню мідних виробів в атмосфері захисного газу, при якому на підготовлену шляхом абразивної активації мідну поверхню методом електротермічного напилення наносять щонайменше три шари зносостійкого матеріалу, який відрізняється тим, що на мідну поверхню електроіскровим методом наносять перший шар електродом з мідно-нікелевого сплаву мідно-нікелевим електродом із вмістом 50-60 % міді та 50-40 % нікелю, та другий шар електродом з чистого нікелю, після чого методом плазмодугового напилення наносять третій шар з чистого нікелю, при цьому нанесення першого та другого шарів здійснюють електродом, 2 площа перерізу якого становить 10-30 мм , з пи2 томою тривалістю 0,1-1,0 хв/см при величині струму розряду 40 А з частотою 100 Гц. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що третій шар з нікелю наносять товщиною 1,0-2,0 мм. 3. Спосіб за п. 1-4, який відрізняється тим, що нанесення покриття здійснюють в атмосфері аргону або суміші аргону і гелію. UA (21) a201005663 (22) 11.05.2010 (24) 25.07.2011 (46) 25.07.2011, Бюл.№ 14, 2011 р. (72) ДОЦЕНКО ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ, ТЕПЛЮК ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ, ЗЕЛЕНІН ВІТАЛІЙ ІВАНОВИЧ, ЛЕБЕДИНСЬКИЙ АНДРІЙ ЛЬВОВИЧ, КАВУНЕНКО ПЕТРО МИХАЙЛОВИЧ, ПАУСТОВСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ, ПОЛЄЩУК МИХАЙЛО АНАТОЛІЙОВИЧ, КИРИЛЕНКО СТЕПАН МИКОЛАЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ІМ. Є.О.ПАТОНА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) RU 2173352 C2 10.09.2001. SU 1521542 A1 15.11.1989. RU 2174900 C1 20.10.2001. UA 49411 C2 15.01.2005. RU 2290697 C1 27.07.2008. RU 2333087 C2 10.09.2008. RU 2119404 C1 27.09.1998. RU 2186654 C1 10.08.2002. RU 62047 U1 27.03.2007. US 5997957 A 07.12.1999. C2 2 (19) 1 3 взаємодії поверхонь зливка і мідної стінки відбувається значне зношення міді, що призводить до порушення початкової геометрії кристалізатора. Після розливки деякої кількості металу зношені кристалізатори направляються на ремонт. 7 В патенті РФ № 2173352 (MПK :C23C 4/02, опубл. 10.09.1989р.) описаний спосіб електроіскрового нанесення покриття (легування) в середовищі аргону на зношену поверхню з подальшим нанесенням плазмового покриття. При нанесенні покриття використовують електроди, матеріал яких споріднений матеріалу порошку, який застосовують при плазмовому напиленні - порошковий дріт, до складу наповнювача якого входить алюміній та нікель. Недоліком цього способу є те, що нікельалюмінієва основа порошкового дроту у поєднанні зі сталевою оболонкою є тими матеріалами, які здатні створити задовільне зчеплення лише зі сталевими або чавунними деталями. А при роботі з мідними поверхнями досягти міцного зчеплення практично неможливо - цьому перешкоджає суттєва різниця коефіцієнтів теплового розширення міді і цих матеріалів. Подібний електроіскровий метод описаний в 7 патенті РФ №1521542 (МПК : В23Н 9/00, С23С 4/00, опубл.15.11.1989р.). Процес нанесення ведуть електродом, який містить алюміній та мідь. Як і в попередньому випадку, цей метод непридатний для утворення покриттів на мідних поверхнях за тих же причин. Спільним недоліком, який об'єднує обидва способи, є складність одержання рівномірного, суцільного покриття. Взагалі цей недолік є характерним для електроіскрової методики, і у випадках, де до якості покриття пред'являються надто високі вимоги, є стримуючим фактором. Відомо, що найбільш рівномірне покриття можна одержати за допомогою плазмового розпилення матеріалу, де дрібнодисперсний матеріал переноситься факелом плазмового струменю. Так, відомий спосіб нанесення тугоплавкого покриття на поверхню мідного кристалізатора, при якому на підготовлену робочу поверхню кристалізатора наносять покриття методом плазмового 7 напилення (патент РФ № 2174900, МПК : В23Р 6/00,B22D11/04, В23К 9/04, опубл.20.10.2000р.). Тугоплавке покриття здебільшого формують зі сплаву на основі нікелю, або зі сталі, легованої нікелем та хромом. Для надання покриттю рівномірних механічних властивостей перед його нанесенням поверхню кристалізатора підігрівають до температури 250-400 °C. Слід зазначити, що специфікою плазмодугового методу, як такого, є спроможність забезпечувати формування не тільки рівномірного, а і порівняно товстого шару покриття, що е безумовною перевагою цієї технології і чого не можна досягти електроіскровим методом. Необхідну товщину покриття можна створювати, наплавляючи послідовно потрібну кількість шарів. Але в той же час міцність зчеплення плазмового шару з поверхнею підкладки є невисокою, навіть у разі, коли наплавлюваний матеріал і матеріал підкладки будуть максимально наближеними за величиною коефіці 95393 4 єнтів теплового розширення. Тому будь-яке плазмове покриття, яке протягом певного часу зазнає дії сил тертя або високих температур, досить швидко зношується і поверхню потрібно знову відновлювати. Здійснювати плазмове наплавлення доцільно лише для тих деталей та вузлів, які працюють в умовах невисоких механічних та термічних навантажень. А з урахуванням того, що мідні кристалізатори в процесі розливання розплавленого металу перебувають під дією надто високих температур, вібрацій та тангенціальних сил, нанесення плазмового покриття на його поверхню (незалежно від кількості шарів) є не виправданим і економічно, і технологічно. Тому описаний у згаданому патенті № 2174900 спосіб формування плазмового покриття не може бути рекомендований для відновлення поверхонь кристалізаторів як ефективний і економічно вигідний. Відомий спосіб нанесення захисного покриття на мідну поверхню стаканів дуттьової фурми доменної печі, за яким на підготовлену поверхню газополум'яним методом наносять два шари - внутрішній товщиною до 5 мм з оксидів або їх сумішей з домішками титану, та зовнішній - з двоокису цирконію товщиною 0,2мм (патент України №49411, 6 МПК : С21В 7/16, опубл.20.10.2000р.). Шари металу, нанесені цим методом, мають доволі переконливу товщину, але вони не здатні довго опиратись дії високих температур та механічних зусиль. Причиною цього є зазначені вище фактори, характерні газополумяній технології неспроможність забезпечення високої міцності зчеплення нанесеного шару з поверхнею підкладки. Через це поверхня стаканів потребує частого відновлення. За прототип винаходу прийнятий спосіб нанесення захисного покриття на робочу поверхню мідних виробів в атмосфері захисного газу, при якому на підготовлену шляхом абразивної активації мідну поверхню методом електротермічного напилення наносять щонайменше три шари зносостійкого матеріалу (патент РФ № 2280697, 8 МПК :С21В 7/16, опубл. 27.07.2006р.). Всі три шари покриття виконані одним із різновидів електротермічного методу, причому перший шар виконаний з молібдену шляхом розпилення молібденового дроту, другий - з жароміцного сплаву на основі нікелю, а третій - зі сполук алюмінію та діоксиду цирконію. Покриття наноситься на мідні поверхні внутрішніх та зовнішніх стаканів дуттьової фурми доменної печі. Молібден підвищує жаростійкість покриття, він має задовільну адгезію до металу основи, але разом з тим його використання є економічно невигідним через дорожнечу та дефіцитність. Молібденове покриття суттєво удорожчує технологію відновлення пошкоджених поверхонь і через це має обмежену сферу застосування. Діоксид цирконію, присутній у третьому шарі покриття, надає останньому властивостей керамічного, а це означає, що такий шар може бути оптимальним лише для тих виробів, котрі працюють в умовах порівняно невисоких механічних навантажень (які, власне, і мають місце в дуттьових фу 5 рмах). А при нанесенні таких покриттів на вироби, які зазнають значних механічних ударів та вібрацій (як, наприклад, кристалізатори для розливання сталі), покриття буде швидко розтріскуватись та сколюватись. В основу винаходу поставлена задача створення ефективного та надійного способу нанесення захисного покриття на робочу поверхню мідних виробів шляхом поєднання електроіскрового та плазмодугового методів, встановлення оптимальної відповідності послідовності нанесення окремих шарів та їх якісного складу та відпрацювання оптимальних робочих параметрів технологічного процесу, в результаті чого завдяки електроіскровій технології забезпечується формування на поверхні виробу першого мідно-нікелевого шару з підвищеною адгезією як до мідної основи, так і до нікелевої субстанції наступного за ним шару, а завдяки плазмодуговій технології нікелевий дріт рівномірно розпилюється по поверхні нижнього нікелевого шару, утворюючи з ним міцне зчеплення. Поставлена задача досягається за рахунок того, що у способі нанесення захисного покриття на робочу поверхню мідних виробів в атмосфері захисного газу, при якому на підготовлену шляхом абразивної активації мідну поверхню методом електротермічного напилення наносять щонайменше три шари зносостійкого матеріалу, згідно запропонованого винаходу, на мідну поверхню електроіскровим методом наносять перший шар електродом з мідно-нікелевого сплаву міднонікелевим електродом зі вмістом 50-60 % міді та 50-40 % нікелю, та другий шар електродом з чистого нікелю, після чого методом плазмодугового напилення наносять третій шар з чистого нікелю, при цьому нанесення першого та другого шарів здійснюють електродом, площа перерізу якого 2 становить 10-30 мм , з питомою тривалістю 0,1-1,0 2 хв/см при величині струму розряду 40 А з частотою 100 Гц. При цьому третій шар з нікелю наносять товщиною 1,0-2,0 мм. Крім того, нанесення покриття здійснюють в атмосфері аргону або суміші аргону і гелію. Ознаки, які відрізняють запропоновану технологію нанесення покриттів від ознак подібних методик, описаних у відомому рівні техніки, обумовлюють досягнення вказаного вище технічного результату, який має місце в процесі її здійснення. Головною умовою одержання першого шару покриття на мідній поверхні виробу є вибір такого матеріалу покриття і такого методу його нанесення, за яких досягається висока адгезія інгредієнтів покриття в матеріал основи і в матеріал наступних шарів. Шляхом численних досліджень було встановлено, що ці умови задовольняються при виконанні першого шару покриття електроіскровим методом електродом з мідно-нікелевого сплаву. Мідно-нікелевий сплав характеризується високим ступенем адгезії до мідної основи, тому що має максимально наближений до неї коефіцієнт теплового розширення. Завдяки тому, що він наноситься на мідну поверхню електроіскровим методом, компоненти сплаву глибоко проникають в мідну підкладку, забезпечуючи міцне зчеплення. 95393 6 Такий шар не сколюється, на ньому не утворюються тріщини, він є найбільш оптимальним для результативної взаємодії з наступним (другим) нікелевим шаром, тому що має з останнім такий же коефіцієнт теплового розширення. По-суті, перший шар є підшаром для другого, який міцно зчіплюється з першим як завдяки відсутності різниці в тепловому розширенні, так і завдяки тому, що він також наноситься електроіскровим методом. Формування першого шару зі сплаву міді та нікелю має і економічні переваги, адже ці матеріали є набагато дешевші, ніж ті, що зазначені у відомому винаході. Третій нікелевий шар завдяки особливостям його нанесення (плазмодуговим методом) є рівномірним і щільним по всій площині нанесення, він міцно з'єднаний з розташованим під ним шаром завдяки спорідненості матеріалів і має товщину 1,0-2,0 мм, достатню для протидії значним механічним та термічним навантаженням. Експериментальним шляхом було визначено, що при формуванні першого шару покриття найбільш висока адгезія мала місце при роботі з мідно-нікелевим електродом зі вмістом 50-60 % міді та 50-40 % нікелю. Встановлено також, що у разі порушення інтервалу вмісту інгредієнтів в сторону збільшення або зменшення від визначених граничних значень різко знижується міцність зчеплення матеріалу основи і покриття. У будь-якому разі для підтримання відповідності величини теплового розширення матеріалу основи і матеріалу першого шару покриття, а також для збереження оптимальної електропровідності між ними вміст нікелю в електроді не повинен бути меншим 40 %. Також експериментальне було визначено, що факторами, які обумовлюють оптимальний режим формування першого та другого шарів електроіскровим методом, є застосування електроду з пло2 щею перерізу 10-30 мм , питома тривалість проце2 су 0,1-1,0 хв/см , величина струму розряду 40 А з частотою 100 Гц. При такому поєднанні перелічених факторів забезпечується формування суцільного, рівномірного покриття за один прохід. При недодержанні їх суцільність покриття порушується, на поверхні підкладки спостерігаються "непокриті" плями. Наприклад, у разі застосування електроду, 2 площа перерізу якого буде меншою 10мм , продуктивність процесу буде низькою, і сформувати покриття за один прохід буде неможливо. При застосуванні електроду, площа перерізу якого пере2 вищуватиме 30 мм , потужності установки буде недостатньо для забезпечення рівномірного вигоряння електроду. Так само недоцільно встановлювати трива2 лість процесу меншою 0,1 хв/см , або більшою 1,0 2 хв/см , тому що в першому випадку процес матиме занизьку продуктивність, а в другому - недопустимо велику товщину перших двох шарів матеріалу. Запропонований спосіб здійснюється наступним чином: Перед наплавленням пошкоджену поверхню піддають механічному очищенню від механічних пошкоджень та залишків захисного покриття, якщо такі є. Нанесення покриття здійснюють в атмосфері аргону або суміші аргону і гелію. Перший шар 7 95393 наносять електроіскровим методом електродом з мідно-нікелевого сплаву. Другий шар тим же методом наносять електродом з чистого нікелю. Після цього методом плазмодугового напилення наносять третій шар з чистого нікелю. ПРИКЛАД На стінки кристалізатора для безперервого розливання сталі з мідного матеріалу товщиною 45 мм наплавляли захисне покриття. Процес здійснювали в атмосфері аргону. Електроіскровим методом виконували абразивну активацію поверхні кристалізатора, після чого формували підшар мідно-нікелевим електродом із вмістом 55 % міді та 45 % нікелю. Зверху цього шару тим же способом наносили другий шар електродом з чистого нікелю. Площа перерізу електродів становила 20 2 мм . Питома тривалість процесу нанесення першого та другого шарів утримувалась на рівні 0,8 8 2 хв/см . Процес виконувався при величині струму розряду 40 А з частотою, рівною 100 Гц. Плазмовим розпиленням дроту за допомогою плазмотрону прямої дії в установці УН-126 потужністю 15 кВт наносили третій шар покриття. Товщина цього шару становила 1,8 мм. Результати процесів формування першого шару захисного покриття електроіскровим методом на поверхні кристалізатора при величині струму розряду 40 А і частоті 100 Гц з питомою 2 тривалістю 0,8 хв/см із застосуванням мідно2 нікелевого електроду з площею перерізу 20 мм з різним співвідношенням міді і нікелю (вміст міді менше встановленого граничного значення (№1), більше його (№2), рівний йому (№3) та вкладається у встановлений інтервал (№4) наведені в таблиці. Таблиця Склад електроду № Сu % Ni % 1 40 60 2 70 30 3 4 50 55 50 45 Результати В нанесеному покритті забагато нікелю, воно схильне до розтріскувань через суттєву різницю величини теплового розширення з підкладкою Через підвищений вміст міді в електроді має місце слабке зчеплення матеріалу покриття з мідною підкладкою, викликане незначною різницею величин електропровідності матеріалу покриття і підкладки Сформоване покриття має задовільні характеристики Покриття суцільне, рівномірне, з міцним зчепленням з підкладкою Комп’ютерна верстка І. Скворцова Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601