СМЕСЬ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1995 года по МПК C22C33/02 B22F1/00 C23C4/08 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к наплавочным сплавам для сталей и чугунов.

Известен порошковый материал на основе железа для плазменного напыления покрытий, который содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.

Хром 1,2-1,4
Углерод 1,5-1,9
Кремний 1,0-1,5
Бор 2,4-3,0
Медь 2,4-2,8
Железо Остальное
Однако данный порошковый материал (авт.свид. СССР N 1617036) не обладает достаточной микротвердость и износостойкостью, требуемой для деталей, работающих в условиях абразивного и газообразного износа. Известен также порошковый материал для газотермического напыления на основе железа, который содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Хром 10-30
Алюминий 1-25
Углерод До 0,5
Никель До 10
Железо Остальное [1]
Физико-механические свойства сплава: твердость напыленного покрытия 44-48 НRС, время полного истирания покрытия толщиной 2 мм, полученного напылением данного сплава на пластинки, составляет не более 450 ч.

Данный порошковый материал имеет относительно низкую износостойкость, особенно при ударных нагрузках. Износостойкость покрытий повышается с увеличением их твердости при введении твердых компонентов, таких как карбиды, бориды. Указанный выше порошковый материал имеет низкое содержание карбидов из-за низкого содержания в нем углерода.

Цель изобретения повышение износостойкости в парах трения, в том числе с алюминием и бабитом, а также в условиях воздействия механических нагрузок и абразива.

Цель достигается тем, что предложенная смесь для нанесения покрытий методом плазменного напыления, включающая инструментальную сталь на основе железа, дополнительно содержит сплав на основе никеля, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.

Инструментальная сталь
на основе железа 60-75
Сплав на основе никеля 25-40
Инструментальная сталь на основе железа имеет следующий химический состав, мас.

Углерод 1,5-2,4
Вольфрам 2,8-4,0
Молибден 0,4-1,0
Хром 5,4-5,6
Ванадий 4,6-5,6
Кремний 2,2-3,0
Железо Остальное
Сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.

Алюминий 13,2-15,0
Никель Остальное
При этом порошки инструментальной стали на основе железа и сплава на основе никеля имеют фракционный состав 40-63 мкм.

Износостойкость покрытий повышается с увеличением их твердости при образовании окисных пленок или при введении твердых компонентов, таких как карбиды. При плазменном напылении молибдена твердость покрытия в зависимости от содержания в нем окислов изменяется в довольно широких пределах (4000-10000 Н/мм²).

Содержание в смеси инструментальной стали на основе железа менее 60% (или сплава на основе никеля более 40%) приводит к уменьшению износостойкости и появлению трещин при толщине покрытия более 1 мм.

Содержание в смеси инструментальной стали на основе железа более 75% (или, соответственно, сплава на основе никеля менее 25%) приводит к снижению производительности процесса напыления покрытий, ухудшению качества поверхности покрытий и снижению прочности сцепления в покрытии между частицами.

Цель достигается тем, что инструментальная сталь на основе железа содержит различные содержания вольфрама, хрома, молибдена, углерода, ванадия в сочетании со сплавом на основе никеля.

Напыленный металл такого состава имеет структуру, в матрице которой, состоящий из аустенита и мелкодисперсного карбида, рассеяны игольчатые частицы карбида хрома (Cr, Fe)₇C₃. Высокую износостойкость наплавленному металлу придает карбид хрома, обладающий высокой твердостью. Твердость наплавленного металла определяется карбидообразованием, следовательно, твердость наплавленного упрочненного слоя практически не зависит ни от температуры разогрева металла при наплавке, ни от скорости его охлаждения после наплавки. С этой же причиной связано незначительное снижение твердости наплавленного металла при отпуске. Хромистые смеси на основе железа с добавками вольфрама, молибдена, ванадия обеспечивают повышение твердости металла при высокой температуре в связи с его склонностью к вторичному твердению. Вместе с тем повышение твердости сопровождается снижением пластичности (вязкости), повышением чувствительности к трещинообразованию и склонности к отколам напыленного металла. В поисках путей преодоления этого явления разрабатываются новые материалы, к числу которых относится и заявляемая смесь, которая позволяет получить карбид вольфрама. Вязкая матрица с распыленными в ней чрезвычайно твердыми частицами карбида вольфрама обеспечивает рассматриваемому материалу высокую стойкость к абразивному изнашиванию.

Коэффициент линейного расширения никелевых сплавов близок к соответствующему коэффициенту для низкоуглеродистой стали, что позволяет проводить наплавку без предварительного подогрева. Алюминий вводится в состав сплава для предотвращения образования пор при наплавке.

Химический состав инструментальной стали и сплава на основе никеля выбраны экспериментальным путем и являются оптимальными для получения высококачественных напыленных покрытий.

Проведены опытные исследования и на участке напыления организовано опытно-промышленное производство по плазменному напылению покрытий на детали: изношенные коленчатые валы, гильзы двигателей внутреннего сгорания и др. Основные технологические операции: подготовка напыляемого материала заявляемой смеси, классификация порошков (отбор фракции 40-63 мкм) и поверхности коленчатых валов, нанесение подслоя, нанесение износостойкого слоя покрытия и механическая обработка.

Применение фракции порошка менее 40 мкм удорожает процесс получения порошков, а более 63 мкм резко снижает качество напыляемого покрытия.

Плазменное напыление осуществляется на установке УК-3Д. В качестве источника тепловой энергии применяется ИПН-1200 (источник плазменного напыления) с температурой плазмы 3000-3600^оС.

Применение заявляемой смеси обеспечивает высокую эффективность восстановления коленчатых валов, необходимую износостойкость и их надежную эксплуатацию (ресурс работы его не менее, чем новый).

Из приведенных данных следует, что предложенная смесь в сравнении с прототипом обладает более высокой твердостью (на 12-25%), повышенной износостойкостью (на 20-33%).

Использование: для нанесения покрытий, в частности на пары трения, составляющие которых выполнены из алюминия или бабита. Смесь для нанесения покрытий методом плазменного напыления включает инструментальную сталь и сплав на основе никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%: сплав на основе никеля 25 - 40; инструментальная сталь на основе железа 60 - 75. При этом инструментальная сталь имеет следующий состав, мас.%: углерод 1,5 - 2,4; вольфрам 2,8 - 4,0; молибден 0,4 - 1,0; хром 5,4 - 5,6; ванадий 4,6 - 5,6; кремний 2,2 - 3,0; железо остальное. Сплав на основе никеля имеет следующий состав, мас. % : алюминий 13,2 - 15,0; никель остальное. Порошки инструментальной стали и сплава на основе никеля имеют в смеси фракционный состав 40 - 63 мкм. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. СМЕСЬ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ методом плазменного напыления, включающая инструментальную сталь на основе железа, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сплав на основе никеля, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.

Сплав на основе никеля 25 40
Инструментальная сталь на основе железа 60 75
2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что инструментальная сталь на основе железа имеет следующий состав, мас.

Углерод 1,5 2,4
Вольфрам 2,8 4,0
Молибден 0,4 1,0
Хром 5,4 5,6
Ванадий 4,6 5,6
Кремний 2,2 3,0
Железо Остальное
3. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что сплав на основе никеля имеет следующий состав, мас.

Алюминий 13,2 15,0
Никель Остальное
4. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что порошки инструментальной стали на основе железа и сплава на основе никеля имеют фракционный состав 40 63 мкм.