КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШОК ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1997 года по МПК C23C4/04 C23C4/10 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при нанесении износостойких газотермических покрытий.

Известна порошковая смесь для газотермических покрытий из самофлюсующегося сплава на основе никеля Ni-Cr-B-Di с карбидной фазой WC (25-50 об.) [1] Вследствие высокой плотности карбида вольфрама происходит сегрегация карбидной фазы в процессе формирования покрытий. Разложение WC протекает с образованием Fe₃W₃C, что приводит к снижению износостойкости покрытий.

Известны порошки боросодержащих сплавов на основе никеля и кобальта [2] дисперсноупрочненные частицами борида хрома и карбида хрома, которые выделяются из сплава при его расплавлении, когда он находится в вязком состоянии. Однако такого дисперсного упрочнения недостаточно для обеспечения высоких физико-механических характеристик напыленных слоев.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является композиции для газотермических покрытий, состоящая из смеси самофлюсующегося сплава на основе никеля (70 мас.), 16 хрома, 3 кремния, 3 бора (ПН70Х16С3Р3) и диборида хрома (CrB₂) в качестве тугоплавкой упрочняющей добавки [3]
Тугоплавкая добавка CrB₂ была получена печным методом и, несмотря на высокий коэффициент использования порошка (КИП 65 70%), в покрытии оставались лишь одиночные зерна CrB₂, т.к. происходило их растворение: бор образовывал с никелем бориды Ni₃B, а хром переходил в твердый раствор. В связи с этим не достигалась высокая износостойкость покрытий.

Задачей изобретения является получение порошка, позволяющего повысить износостойкость покрытий и снизить их пористость.

Для достижения поставленной цели в известный самофлюсующийся сплав ПН7ОХ16С3Р3 вводили стабилизированную тугоплавкую добавку, дополнительно содержащую борид хрома в количестве 20 -80 мас. при следующем соотношении компонентов, мас.

Тугоплавкая добавка 10 60
Самофлюсующийся сплав Остальное.

В ходе исследований были установлены пределы входящих в состав порошка компонентов.

Содержание тугоплавкой добавки менее 10% приводит к резкому снижению изностойкости вследствие недостаточного содержания твердых зерен. Увеличение концентрации тугоплавкого компонента выше 60% приводит к тому, что самофлюсующийся сплав перестанет течь, в результате чего он не смачивает твердые зерна, в процессе изнашивания они интенсивно выкрашиваются, этим и объясняется резкое снижение износостойкости покрытий (табл. 1).

Следующим отличительным признаком предлагаемого технического решения является состав тугоплавкой добавки, которая дополнительно содержит борид хрома в количестве 20 80 мас.

При использовании тугоплавкой добавки, содержащей 100% диборида хрома, не достигается высокой износостойкости вследствие интенсивного взаимодействия частиц с потоком плазмы и материалом основы покрытия в процессе сплавления. Наличие борида хрома в количестве 20% позволяет предотвратить интенсивное окисление диборида хрома и повысить износостойкость покрытий до 6,5.

Увеличение содержания борида хрома в составе тугоплавкой добавки выше 80% приводит к снижению износостойкости покрытий (но превышает износостойкость прототипа), что объясняется существенным снижением микротвердости тугоплавкой добавки.

Использование тугоплавкой добавки по прототипу приводит к тому, что в процессе оплавления напыленного слоя она растворяется. Пористость слоя составляет 6%
Композиция CrB₂ CrB позволяет достичь равномерного распределения твердых зерен за счет увеличения их плотности, тем не менее, пористость покрытий составляет 11% а коэффициент использования порошка 45 50% что объясняется неправильной формой частиц и большим количеством выступов на поверхности, рыхлой структурой. Такие частицы плохо смачиваются сплавом основы и легко выкрашиваются при абразивном изнашивании, о чем свидетельствует низкий уровень износостойкости (1,4).

При использовании тугоплавкой добавки, подвергнутой стабилизации (с компактной структурой частиц) достигается равномерное распределение твердых зерен, хорошее смачивание их сплавом основы, что обеспечивает высокое качество напыленных слоев, высокое и стабильное КИП.

Полученный результат обеспечивается с одной стороны, двухкомпонентностью добавки, с другой стороны определенной структурой и формой частиц, которая достигается благодаря стабилизации.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что композиционный порошок для газотермических покрытий отличается тем, что содержит тугоплавкую добавку, в состав которой входят CrB₂, CrB в определенном соотношении. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и другими техническими решениями, известными в науке и технике, не позволило выявить в них отличительные признаки заявляемого технического решения, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения.

Порошок тугоплавкой добавки синтезировали непосредственно из элементов (в печи) при температурах ниже температур плавления исходных веществ (при твердофазном взаимодействии) с последующей стабилизацией в течение 2 -2,5 ч. Полученный материал дисперсностью 40 100 мкм смешивали с порошком самофлюсующего никелевого сплава ПН7ОХ16С3Р3. Механическую смесь напыляли плазменным методом на установке ВБ-15 (по паспортным режимам), покрытия сплавляли газокислородным пламенем на воздухе.

Пористость покрытий определяли микроскопическим методом по ГОСТ 5369-65. На микрошлифе при увеличении х400 с помощью линейки-окуляра по всей ее длине рассчитывали отношение общей длины отрезка, соответствующего суммарному размеру пор, лежащих на секущей, к длине секущей (линейки).

Испытания на абразивное изнашивание проводили на машине трения Х4-Б. Образцы цилиндрической формы диаметром 5 мм с покрытием на торцевой поверхности подвергали изнашиванию на образивах из SiC и Al₂O₃ (ГОСТ 6456-75). Для каждого испытания шкурку обновляли.

Нагрузка на образец составляла 10 кг/см², путь трения 15 м. За результат испытаний принимали относительную износостойкость, величину которой рассчитывали по формуле:

где G_эт, G_обр. износ эталона и образца соответственно, мг;
ρ_эт., ρ_обр. плотность эталона и образца соответственно, мг/мм³.

В качестве эталона использовали СТ 50, закаленную до твердости 52-54 HRC.

Коэффициент использования порошка определяли из соотношения массы порошка в покрытии к массе исходного порошка.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить износостойкость газотермических покрытий в условиях сухого абразивного трения в 1,5 3,8 раза (SiC абразив) и в 4 раза при изнашивании по Al₂O₃; снизить пористость в 1,5-2 раза.

Источники информации.

1. Knotec O, Reimann H, Zohage P. On N, CrBSi, matrix carbide reactiong in furnace densificol wear resistant overlays DVS ber, 1988, 80 p. 15-17.

2. Заявка ЕПВ N 0035043, МКИ C 23 C 7/00, B 23 K 35/22, C 22 C 1/10, 32/00
Самофлюсующиеся порошковые сплавы для нанесения способом напыления с оплавлением, способ их получения и изделия с полученными из них покрытиями. Заявл. 28.02.80, опублик. 09.09.81.

3. Копысов В.А. Клинская Н.А. и др. Износостойкость плазменных покрытий в условиях абразивного износа. Сб. Теоретические исследования и практическое применение плазменных покрытий. Свердловск, 1983, с. 23-25.

Композиционный порошок для газотермических покрытий состоит из самофлюсующегося матричного сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор и тугоплавкой добавки, на основе диборида бора, содержащего 20-80 мас.% борида хрома. Композиционный порошок содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: тугоплавкая добавка - 10-60, самофлюсующийся сплав - остальное. 3 табл.

Композиционный порошок для газотермических покрытий, состоящий из самофлюсующегося матричного сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор и тугоплавкие добавки, содержащий диборид хрома, отличающийся тем, что тугоплавкая добавка дополнительно содержит борид хрома в количестве 20 80 мас. при следующем соотношении компонентов в композиционном порошке, мас.

Тугоплавкая добавка 10 60
Самофлюсующийся матричный сплав Остальноел