ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C23C4/06 

Изобретение относится к порошковой металлургии, более конкретно - к получению износостойких плазменных покрытий, предназначенных для упрочнения деталей, работающих в условиях одновременного воздействия износа и механических нагрузок; абразивного, гидро- и газоабразивного изнашивания.

Известно износостойкое покрытие, состоящее из самофлюсующегося сплава системы Ni - Cr - В- Si и упрочняющей добавки - диборида титана. (Копысов В. А. , Соловьев Л. В., Гостенин А.А. и др. Износостойкость плазменных покрытий в условиях абразивного износа. Сб. Теоретические исследования и практическое применение плазменных износостойких покрытии, 1983, Свердловск, с. 23-26). Покрытие получают путем ввода в плазменную струю порошковой шихты с дисперсностью частиц 40 - 100 мкм, содержащей самофлюсующийся сплав и упрочняющую добавку, и последующее напыление в газовоздушной плазменной струе. При этом отсутствует какой-либо контроль количества частиц определенной фракции в исходной шихте, а полученное покрытие представляет собой матричный сплав, в котором хаотично распределены частицы упрочняющей добавки.

Недостатком известного покрытия является низкая износостойкость (в 1,6 раза меньше, чем в предлагаемом техническом решении).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является износостойкое покрытие, состоящее из матричного самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и хаотично распределенных в нем частиц упрочняющей добавки состава (TiCr)B₂. (Клинская-Руденская Н.А., Копылов В. А., Коцот С.В. Особенности композиционных покрытий на основе Ni-Cr-В-Li сплавов. II. Использование износостойких покрытий. Физика и химия обработки материалов, 1994, N 6, с.52-57.) Покрытие наносят путем смешения самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и упрочняющей добавки на основе борида металла с дисперсностью частиц 40 - 90 мкм, ввода в плазменную струю полученной шихты и последующего напыления. При этом отсутствует контроль количества частиц определенных фракций в составе упрочняющей добавки в исходной порошкообразной шихте.

Недостатком известного покрытия является недостаточно высокая износостойкость (в 1,5 раза меньше, чем в предлагаемом техническом решении).

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать покрытие, обладающее более высокой по сравнению с известными износостойкостью.

Поставленная задача решена в предлагаемом износостойком покрытии, состоящем из матричного самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и распределенных в нем частиц упрочняющей добавки на основе двойного борида, в котором частицы упрочняющей, добавки распределены в матричном сплаве послойно, а именно:
I слой (верхний) - 73-80% от общего количества частиц упрочняющей добавки;
II слой (средний) - 20-27 % от общего количества частиц упрочняющей добавки;
III слой (нижний) - частицы упрочняющей добавки отсутствуют.

Поставленная задача решена также в предлагаемом способе нанесения плазменного покрытия, включающем получение порошковой шихты путем смешения самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и упрочняющей добавки на основе двойного борида с дисперсностью частиц 40 - 90 мкм, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление, в котором порошок упрочняющей добавки содержит 22 - 36% от общего частиц дисперсностью менее 50 мкм и 64-78% от общего частиц дисперсностью более 50 мкм.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известно износостойкое покрытие на основе матричного самофлюсующегося сплава и упрочняющей добавки с послойным распределением частиц этой добавки в матричном сплаве, а также не известен способ нанесения такого покрытия, в котором перед вводом в плазменную струю готовят исходную шихту, в которой порошок упрочняющей добавки содержит 22 - 36% от общего частиц дисперсностью менее 50 мкм и 64 - 78% от общего частиц дисперсностью более 50 мкм.

Именно определенное процентное содержание частиц мелкой (менее 50 мкм и крупной (более 50 мкм) фракций упрочняющей добавки в составе исходной шихты позволяет получить послойное распределение частиц в матричном сплаве износостойкого покрытия, что в свою очередь обусловливает его высокую износостойкость. Отклонение от заявляемого процентного соотношения в сторону увеличения количества мелкой фракции, то есть при содержании частиц размером менее 50 мкм больше чем 36% приводит к уменьшению содержания частиц упрочняющей добавки в I слое (верхнем) покрытия, который является рабочим. Общее содержание частиц в верхнем слое становится менее 73%. Содержание частиц во II слое (среднем) становится более 27%. Кроме того, наблюдается появление незначительного количества частиц упрочняющей добавки в III (нижнем) слое покрытия. Износостойкость покрытия в этом случае значительно снижается. Отклонение от заявляемого процентного соотношения в сторону увеличения количества крупной фракции частиц упрочняющей добавки в исходной шихте, то есть при содержании частиц размером более 50 мкм больше чем 78% способствует увеличению концентрации частиц в I (верхнем) слое получаемого покрытия, который содержит в этом случае более 80% от общего количества частиц упрочняющей добавки. Общее содержание частиц во II (среднем слое) становится менее 20%. При этом в I (верхнем) слое покрытия матричного сплава становится недостаточно для обеспечения когезионной прочности покрытия, поэтому частицы упрочняющей добавки в процессе работы покрытия интенсивно выкрашиваются, износостойкость покрытия резко снижается. Значения износостойкости покрытия при выходе за пределы заявляемого процентного соотношения мелкой и крупной фракций частиц упрочняющей добавки в исходной шихте приведены в таблице.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Для получения покрытия готовят исходную порошковую шихту, состоящую из самофлюсующегося сплава системы Ni(Co) - Cr - Si - В, дисперсность частиц которого составляет 40 - 100 мкм, и упрочняющей добавки на основе двойного борида металла с дисперсностью частиц 40 - 90 мкм. При этом содержание частиц размером менее 50 мкм составляет 22 - 36% от общего количества частиц упрочняющей добавки, а содержание частиц размером более 50 мкм составляет 64 - 78% от общего количества частиц упрочняющей добавки. Может быть использован порошок самофлюсующегося сплава следующего состава: ПГ - СР2, ПГ - СРЗ, ПГ - СР5, стеллит. Смесь тщательно перемешивают и затем подают под срез газовоздушного плазмотрона для напыления на стальные образцы (Ст. 3), предварительно подвергнутые дробеструйной обработке и обезжириванию. Напыление проводят при мощности плазмотрона 40 - 60 кВА. После нанесения покрытия его подвергают оплавлению при температуре 1030-1060^oC газокислородным пламенем. Износостойкость покрытия определяют по стандартной методике (ГОСТ 17367-71) на машине Х4 - Б. Испытания проводят послойно в соответствии с результатами металлографических исследований на микроскопе "Neophot", при этом толщина верхнего слоя полученного покрытия лежит в пределах 140 - 260 мкм. Условия изнашивания: абразив - шкурка из SiC (размер зерна 50-63 мкм), эталон - ст.50, закаленная до HRC = 52-54 ед., путь трения - 15 м, нагрузка - 10 кг/см².

Пример 1. Готовят порошковую шихту из самофлюсующегося сплава Ni-Cr-B-Si (ГОСТ ПГ-СР2) с дисперсностью частиц 40-100 мкм - 60 г и упрочняющей добавки состава (TiCr)B₂ - 40 г с дисперсностью частиц 40-90 мкм, при этом частицы с дисперсностью менее 50 мкм составляют 27% от общего числа частиц упрочняющей добавки, а частицы дисперсностью более 50 мкм - 73%. Механическую смесь тщательно перемешивают в смесителе типа "пьяная бочка". Далее смесь подают под срез сопла газовоздушного плазмотрона для напыления на стальные образцы (ст. 3), предварительно подвергнутые дробеструйной обработке и обезжириванию. Напыление осуществляют плазменным методом на установке УПУ-3Д при мощности плазмотрона 45 кВА, в качестве плазмообразующего газа используют смесь воздуха и природного газа при соотношении 2,5:1. После нанесения покрытия проводят его оплавление газовой горелкой на воздухе при температуре 1030^oC.

Получают покрытие с износостойкостью 13,2, при этом по данным металлографических исследований частицы упрочняющей добавки распределены в матричном сплаве послойно: I слой (верхний рабочий, толщина которого равна 140 мкм) содержит 76,5% частиц от общего числа частиц упрочняющей добавки, II слой - 23,5%; III слой - частицы упрочняющей добавки отсутствуют.

Остальные примеры осуществления способа приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ нанесения износостойкого покрытия, а также структура получаемого покрытия позволяют повысить износостойкость.

Изобретение может быть использовано для упрочнения деталей, работающих в условиях одновременного воздействия износа и механических нагрузок, абразивного, гидро- и газообразивного изнашивания. Износостойкое покрытие состоит из матричного самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и распределенных в нем частиц упрочняющей добавки на основе двойного борида, при этом частицы упрочняющей добавки распределены в матричном сплаве послойно, верхний слой содержит 73-80% от общего количества частиц упрочняющей добавки, средний - 20-27% от общего количества частиц упрочняющей добавки, в нижнем - частицы упрочняющей добавки отсутствуют. Способ нанесения покрытия включает получение порошковой шихты путем смешения самофлюсующегося сплава с упрочняющей добавкой на основе двойного борида с дисперсностью частиц 40 - 90 мкм, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление, причем порошок упрочняющей добавки содержит 22-36% от общего частиц дисперсностью менее 50 мкм и 64-78% от общего частиц дисперсностью более 50 мкм. 2 с.п.ф-лы, 1 табл.

1. Износостойкое покрытие, состоящее из матричного самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и распределенных в нем частиц упрочняющей добавки на основе двойного борида, отличающееся тем, что частицы упрочняющей добавки распределены в матричном сплаве послойно, а именно: I слой (верхний) - 73 - 80% от общего количества частиц упрочняющей добавки; II слой (средний) - 20 - 27% от общего количества частиц упрочняющей добавки; III слой (нижний) - частицы упрочняющей добавки отсутствуют. 2. Способ нанесения износостойкого покрытия, включающий получение порошковой шихты путем смешения самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и упрочняющей добавки на основе двойного борида с дисперсностью частиц 40 - 90 мкм, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление, отличающийся тем, что порошок упрочняющей добавки содержит 22 - 36% от общего частиц дисперсностью менее 50 мкм и 64 - 78% от общего частиц дисперсностью более 50 мкм.