RU2191217C2 - Abrasion-resistant coating - Google Patents

Abstract

FIELD: composite materials. SUBSTANCE: abrasion-resistant coating contains, wt%: aluminum oxide 2.2-4.0; titanium dioxide 54.0-74.0; zirconium dioxide 1.8-3.0; silicon dioxide 19.0- 42.0. Method for obtaining abrasion-resistant coating involves producing powder burden by mixing basic dioxides; introducing resultant burden into plasma flow; providing deposition of at least two 0.1 mm thick layers with the use of Ni-Cr compound as substrate; cooling each layer after deposition process to temperature not in the excess of 300 C. Plasma forming gas is gas of following composition, wt%: air 70-75; natural gas 25-30. Coating may be used for strengthening and recovering of parts operating under increased abrasion conditions or in corrosive atmosphere. EFFECT: increased physico-mechanical and operating characteristics of coating due to amorphous-crystalline structure. 3 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области композиционных материалов, в частности к нанесению газотермических покрытий для упрочнения и восстановления деталей, эксплуатируемых в условиях износа и агрессивных сред. The invention relates to the field of composite materials, in particular to the application of gas-thermal coatings for hardening and restoration of parts operated in conditions of wear and aggressive environments.

Известно износостойкое покрытие на основе оксида алюминия Аl₂О₃ (Борисов Ю. С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 348-354). Известное покрытие характеризуется недостаточно высокой адгезионной прочностью 1,33-1,72 кг/мм² и высокой пористостью 5-15%.Known wear-resistant coating based on aluminum oxide Al ₂ About ₃ (Borisov Yu. S., Kharlamov Yu.A., Sidorenko SL. Reference book "Thermal coatings of powder materials", Kiev: Naukova Dumka, 1987, pp. 348-354 ) The known coating is characterized by insufficiently high adhesive strength of 1.33-1.72 kg / mm ² and high porosity of 5-15%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является износостойкое покрытие следующего состава, мас.%: 87 - Аl₂О₃; 13 - TiО₂ (Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 364-365). Известное покрытие предназначено для работы пар трения в условиях высоких контактных нагрузок и агрессивных сред. Оно имеет кристаллическую структуру и характеризуется низкой адгезионной прочностью 1,03-1,5 кг/мм² со стальной основой, недостаточной износостойкостью 0,13-1,0 и высокой пористостью 8-15%.The closest in technical essence and the achieved result is a wear-resistant coating of the following composition, wt.%: 87 - Al ₂ About ₃ ; 13 - TiO ₂ (Borisov Yu.S., Kharlamov Yu.A., Sidorenko SL. Reference book “Thermal coatings from powder materials”, Kiev: Naukova Dumka, 1987, pp. 364-365). Known coating is designed for friction pairs in conditions of high contact loads and aggressive environments. It has a crystalline structure and is characterized by low adhesive strength of 1.03-1.5 kg / mm ² with a steel base, insufficient wear resistance of 0.13-1.0 and high porosity of 8-15%.

Известное покрытие получают следующим образом. Эвтектическую композицию из оксидов алюминия и титана вводят в плазменную струю и напыляют с использованием в качестве подслоя состав Ni-Сr (Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 352). A known coating is prepared as follows. The eutectic composition of aluminum and titanium oxides is introduced into the plasma jet and sprayed using Ni-Cr composition as a sublayer (Borisov Yu.S., Kharlamov Yu.A., Sidorenko SL. Reference book “Thermal coatings from powder materials”, Kiev : Naukova Dumka, 1987, p. 352).

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать износостойкое покрытие, обладающее высокой адгезионной стойкостью, высокой износостойкостью и низкой пористостью. Thus, the authors were faced with the task of developing a wear-resistant coating with high adhesion resistance, high wear resistance and low porosity.

Поставленная задача решена путем использования износостойкого покрытия, содержащего оксид алюминия и диоксид титана, которое дополнительно содержит диоксид циркония и диоксид кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид алюминия (Аl₂О₃) - 2,2-4,0
Диоксид титана (TiО₂) - 54,0-74,0
Диоксид циркония (ZrО₂) - 1,8-3,0
Диоксид кремния (SiО₂) - 19,0-42,0.The problem is solved by using a wear-resistant coating containing aluminum oxide and titanium dioxide, which additionally contains zirconia and silicon dioxide in the following ratio, wt.%:
Alumina (Al ₂ O ₃ ) - 2.2-4.0
Titanium Dioxide (TiO ₂ ) - 54.0-74.0
Zirconia (ZrO ₂ ) - 1.8-3.0
Silicon dioxide (SiO ₂ ) - 19.0-42.0.

Поставленная задача решена также в способе получения износостойкого покрытия, включающем получение порошковой шихты путем смешения исходных оксидов, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление с использованием в качестве подслоя состав Ni-Cr, в котором осуществляют напыление не менее двух слоев с толщиной слоя не менее 0,1 мм и с охлаждением каждого слоя после напыления до температуры не выше 300^oС, при этом в качестве плазмообразующего газа используют газ следующего состава, мас.%: воздух 70-75, природный газ 25-30.The problem is also solved in a method of obtaining a wear-resistant coating, including obtaining a powder mixture by mixing the starting oxides, introducing the resulting mixture into a plasma jet and subsequent spraying using a Ni-Cr composition as a sublayer, in which at least two layers are sprayed with a layer thickness of not less than 0.1 mm and with cooling of each layer after spraying to a temperature of no higher than 300 ^o C, while the gas of the following composition is used as a plasma-forming gas, wt.%: air 70-75, natural gas 25-30.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известно износостойкое покрытие предлагаемого состава, а также способ получения покрытия, в котором осуществляют послойное напыление с охлаждением каждого напыленного слоя до определенной температуры. Currently, from the patent and scientific literature is not known wear-resistant coating of the proposed composition, as well as a method for producing a coating in which layer-by-layer spraying is performed with cooling of each sprayed layer to a certain temperature.

Диоксид титана ТiO₂ в составе предлагаемого покрытия является основой - матричным материалом, в который внедрены оксид алюминия Аl₂О₃ и диоксид циркония ZrО₂. Диоксид кремния SiО₂ присутствует в виде аморфной фазы, тогда как в качестве исходного порошка используют порошок оксида кремния в виде кварца, обладающего кристаллической структурой. В целом предлагаемое покрытие имеет многослойную структуру с чередованием слоев с аморфной и кристаллической структурой.Titanium dioxide TiO ₂ in the composition of the proposed coating is the basis - a matrix material in which aluminum oxide Al ₂ O ₃ and zirconia ZrO ₂ are embedded. Silicon dioxide SiO _{2 is} present in the form of an amorphous phase, while silica powder in the form of quartz having a crystalline structure is used as the initial powder. In general, the proposed coating has a multilayer structure with alternating layers with an amorphous and crystalline structure.

Таким образом, новая совокупность компонентов в предлагаемом покрытии, а также способ его получения обеспечивают его особую аморфно-кристаллическую структуру, которая в свою очередь обусловливает его высокие физико-механические и эксплуатационные свойства. Thus, the new combination of components in the proposed coating, as well as the method for its preparation, provide its special amorphous-crystalline structure, which in turn determines its high physical, mechanical and operational properties.

В ходе исследований были установлены пределы входящих в состав покрытия компонентов. Увеличение содержания диоксида кремния выше 42 мас.% и соответственно снижение содержания диоксида титана ниже 54 мас.%, оксида алюминия ниже 2,2 мас.% и диоксида циркония ниже 1,8 мас.% ведет к повышению пористости покрытия за счет частичного испарения диоксида кремния и снижению износостойкости за счет снижения твердости покрытия. During the research, the limits of the components included in the coating were established. An increase in the content of silicon dioxide above 42 wt.% And, accordingly, a decrease in the content of titanium dioxide below 54 wt.%, Alumina below 2.2 wt.% And zirconia below 1.8 wt.% Leads to an increase in porosity of the coating due to partial evaporation of the dioxide silicon and reduce wear resistance by reducing the hardness of the coating.

Уменьшение содержания диоксида кремния менее 19 мас.% и соответственно увеличение содержания диоксида титана более 74 мас.%, оксида алюминия более 4,0 мас.% и диоксида циркония более 3,0 мас.% также характеризуется снижением износостойкости и повышением пористости, что объясняется следующими причинами. В процессе формирования многослойного покрытия образуются несмешивающиеся фазы в виде твердого рутила и жидкого диоксида кремния, и в данном случае жидкой фазы не достаточно для образования аморфных слоев, чередующихся со слоями рутила (коэффициент температуропроводности диоксида титана на порядок ниже, чем у диоксида кремния, поэтому создаются условия для кристаллизации жидкого диоксида кремния, то есть структура покрытия становится полностью кристаллической). A decrease in the content of silicon dioxide less than 19 wt.% And, accordingly, an increase in the content of titanium dioxide more than 74 wt.%, Alumina more than 4.0 wt.% And zirconium dioxide more than 3.0 wt.% Is also characterized by a decrease in wear resistance and an increase in porosity, which is explained by following reasons. During the formation of the multilayer coating, immiscible phases are formed in the form of solid rutile and liquid silicon dioxide, and in this case, the liquid phase is not sufficient for the formation of amorphous layers alternating with rutile layers (the thermal diffusivity of titanium dioxide is an order of magnitude lower than that of silicon dioxide, therefore, conditions for crystallization of liquid silicon dioxide, that is, the coating structure becomes completely crystalline).

Поставленная задача решена также и в предлагаемом способе получения износостойкого покрытия, который обеспечивает формирование многослойного покрытия с чередующимися кристаллическими и аморфными слоями именно за счет напыления монослоев и их последующего охлаждения. При этом сводятся к минимуму термические напряжения, возникающие в напыляемом слое, материал которого является теплоизолятором по отношению к подложке. Состав плазмообразующего газа выбран оптимальным для обеспечения коэффициента использования порошка, равного 55%. Снижение расхода природного газа менее 25% в плазмообразующей смеси приводит к уменьшению производительности напыления и возрастанию потерь материала (КИП<50%) соответственно, повышение содержания природного газа выше 30% является причиной резкого снижения стойкости узлов плазмотрона. The problem is also solved in the proposed method for obtaining a wear-resistant coating, which provides the formation of a multilayer coating with alternating crystalline and amorphous layers precisely due to the deposition of monolayers and their subsequent cooling. In this case, thermal stresses occurring in the sprayed layer, the material of which is a heat insulator with respect to the substrate, are minimized. The composition of the plasma-forming gas is chosen optimal to ensure a powder utilization rate of 55%. A decrease in the consumption of natural gas of less than 25% in the plasma-forming mixture leads to a decrease in spraying productivity and an increase in material losses (instrumentation <50%), respectively, an increase in the content of natural gas above 30% causes a sharp decrease in the resistance of the plasma torch assemblies.

Предлагаемое износостойкое покрытие может быть получено следующим образом. The proposed wear-resistant coating can be obtained as follows.

Для получения покрытия готовят исходную порошковую шихту, в состав которой входят оксиды титана, алюминия, циркония и кремния, имеющие кристаллическую структуру, дисперсностью 40-100 мкм. Шихту тщательно перемешивают и затем подают внутрь сопла плазмотрона за 5 мм до среза для напыления на стальные образцы (Ст. 3). Стальные образцы предварительно обезжиривают, дробеструят и покрывают подслоем из NiCr (80:20). Параметры процесса: ток - 240 А, напряжение - 180 В, состав плазмообразующего газа, %: воздух - 70, природный газ - 30. Напыление шихты осуществляют циклически: наносят слой толщиной не менее 0,1 мм, охлаждают до температуры не выше 300^oС. Напыление таким образом осуществляют до получения необходимой толщины покрытия (например, 1,0 или 1,5 мм). Испытания покрытия на износостойкость проводят по стандартной методике на машине Х4-Б (ГОСТ 17367-71). В качестве эталона используют Ст. 50, закаленную до твердости 52-54 ед. НRС. Адгезионную прочность измеряют по методике 1.3.2 (Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С. Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 119-122) с помощью конического штифта. Пористость покрытия определяют микроскопическим методом по ГОСТ 5369-65.To obtain a coating, an initial powder mixture is prepared, which includes oxides of titanium, aluminum, zirconium and silicon having a crystalline structure with a dispersion of 40-100 microns. The mixture is thoroughly mixed and then fed into the nozzle of the plasma torch 5 mm before the cut for spraying on steel samples (Art. 3). Steel samples are pre-degreased, shot and then coated with a NiCr sublayer (80:20). Process parameters: current - 240 A, voltage - 180 V, the composition of the plasma gas,%: air - 70, natural gas - 30. The charge is sprayed cyclically: a layer is applied with a thickness of at least 0.1 mm, cooled to a temperature of no higher than 300 ^o C. Spraying is thus carried out until the desired coating thickness (for example, 1.0 or 1.5 mm) is obtained. Testing of the coating for wear resistance is carried out according to the standard method on an X4-B machine (GOST 17367-71). As a reference, use Art. 50, hardened to a hardness of 52-54 units. HRC. The adhesive strength is measured according to the method 1.3.2 (Borisov Yu.S., Kharlamov Yu.A., Sidorenko S. L. Reference book "Thermal coatings of powder materials", Kiev: Naukova Dumka, 1987, p. 119-122) using conical pin. The porosity of the coating is determined by the microscopic method according to GOST 5369-65.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примерами. The proposed technical solution is illustrated by the following examples.

Пример 1. Для получения покрытия готовят исходную порошковую шихту, в состав которой входят оксиды титана 68,0 мас.%, алюминия 3,6 мас.%, циркония 2,4 мас.% и кремния 26,0 мас.%, имеющие кристаллическую структуру, дисперсностью 40-100 мкм. Шихту тщательно перемешивают и затем подают внутрь сопла плазмотрона за 5 мм до среза для напыления на стальные образцы (Ст. 3). Стальные образцы предварительно обезжиривают, дробеструят и покрывают подслоем из NiCr (80:20). Параметры процесса: ток - 240 А, напряжение - 180 В, состав плазмообразующего газа мас. %: воздух - 70, природный газ - 30. Напыление шихты осуществляют циклически: наносят слой толщиной 0,1 мм, охлаждают до температуры не выше 300^oС. Для получения покрытия толщиной 1,0 мм осуществляют напыление 10 слоев. Получают покрытие с относительной износостойкостью 3,5; пористостью 3%; прочность сцепления характеризуется отсутствием разрыва по границе раздела покрытие-сталь.Example 1. To obtain a coating, an initial powder mixture is prepared, which includes oxides of titanium 68.0 wt.%, Aluminum 3.6 wt.%, Zirconium 2.4 wt.% And silicon 26.0 wt.%, Having crystalline structure, dispersion of 40-100 microns. The mixture is thoroughly mixed and then fed into the nozzle of the plasma torch 5 mm before the cut for spraying on steel samples (Art. 3). Steel samples are pre-degreased, shot and then coated with a NiCr sublayer (80:20). Process parameters: current - 240 A, voltage - 180 V, the composition of the plasma-forming gas wt. %: air - 70, natural gas - 30. The mixture is sprayed cyclically: a layer is applied with a thickness of 0.1 mm, cooled to a temperature of no higher than 300 ^o C. To obtain a coating with a thickness of 1.0 mm, 10 layers are sprayed. Get a coating with a relative wear resistance of 3.5; porosity of 3%; adhesion strength is characterized by the absence of a gap at the coating-steel interface.

Таким образом, предлагаемое износостойкое покрытие и способ его получения позволяют получить покрытие, которое характеризуется высоким физико-механическими и эксплуатационными свойствами за счет получения покрытия с аморфно-кристаллической структурой. Thus, the proposed wear-resistant coating and the method of its production allow to obtain a coating that is characterized by high physical, mechanical and operational properties due to the production of a coating with an amorphous-crystalline structure.

Claims (1)

1. Износостойкое покрытие, содержащее оксид алюминия и диоксид титана, отличающееся тем, что дополнительно содержит диоксид циркония и диоксид кремния при следующем соотношении компонентов мас.%:
Оксид алюминия (Аl₂О₃) - 2,2-4,0
Диоксид титана (ТiO₂) - 54,0-74,0
Диоксид циркония (ZrO₂) - 1,8-3,0
Диоксид кремния (SiO₂) - 19,0-42,0
2. Способ получения износостойкого покрытия, включающий получение порошковой шихты путем смешения исходных оксидов, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление с использованием в качестве подслоя состава Ni-Cr, отличающийся тем, что осуществляют напыление не менее двух слоев с толщиной слоя не менее 0,1 мм и с охлаждением каждого слоя после напыления до температуры не выше 300^oС, при этом в качестве плазмообразующего газа используют газ следующего состава, мас.%: воздух 70-75, природный газ 25-30.1. Wear-resistant coating containing alumina and titanium dioxide, characterized in that it further comprises zirconium dioxide and silicon dioxide in the following ratio of components wt.%:
Alumina (Al ₂ O ₃ ) - 2.2-4.0
Titanium Dioxide (TiO ₂ ) - 54.0-74.0
Zirconia (ZrO ₂ ) - 1.8-3.0
Silicon dioxide (SiO ₂ ) - 19.0-42.0
2. A method of obtaining a wear-resistant coating, including obtaining a powder mixture by mixing the starting oxides, introducing the resulting mixture into the plasma jet and then spraying using Ni-Cr composition as a sublayer, characterized in that at least two layers are sprayed with a layer thickness of at least 0.1 mm and with cooling of each layer after spraying to a temperature of no higher than 300 ^o C, while the gas of the following composition, wt.%: Air 70-75, natural gas 25-30 is used as a plasma-forming gas.

Images