СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ С УПРОЧНЕННОЙ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ Российский патент 1998 года по МПК C23C4/08 

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, например формообразующих инструментов.

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.

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.

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.

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.

Пример осуществления способа изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью.

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.

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.

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.

Результаты адгезионных испытаний образцов по штифтовой методике приведены в таблице.

Найденные значения температуры и времени изотермической выдержки были использованы при нанесении покрытия на формообразующий инструмент для производства химических источников тока на ГНПП "Квантэмп".

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.

Применение данного способа позволило заменить дорогостоящую сталь ХВГ на более дешевую сталь 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.

Изобретение относится к способам изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью и включает газотермическое напыление на металлическую основу керамического материала и последующее диффузионное насыщение путем выдержки детали при постоянной температуре в шихте, содержащей легирующие элементы, в течение времени, достаточном для образования в поверхностном слое непрерывного ряда насыщенных твердых растворов легирующих элементов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ изготовления деталей с упрочненной рабочей поверхностью, включающий газотермическое напыление на металлическую основу керамического материала и последующее диффузионное насыщение поверхностного слоя легирующими элементами, отличающийся тем, что 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. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на металлическую основу напыляют окись алюминия, а диффузионное насыщение проводят в шихте, содержащей никель, хром, окись алюминия и иодистый аммоний, при температуре 925^oС в течение 3 ч.