ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2005 года по МПК C23C30/00 C23C4/06 C22C33/02 C22C37/06 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам порошков для нанесения композиционных износостойких покрытий газотермическими методами, и может быть использовано для получения износостойких покрытий на различных деталях машин и оборудования, подвергающихся интенсивному износу различного вида в процессе эксплуатации при температуре выше 600°С.

Известен порошок для газотермического напыления покрытий на основе алюминия, плакированного никелем: Al-Ni. Покрытие, получаемое при напылении порошка Al-Ni, имеет неоднородную фазовую структуру и наряду с интерметаллидными соединениями и твердыми растворами содержит также оксид алюминия Al₂O₃, попадающий в покрытие из исходных порошков алюминия. Покрытия, получаемые из плакированных порошков Al-Ni, имеют низкую микротвердость, лежащую в диапазоне 4000-9000 МПа. Многофазность покрытия часто приводит к разрушению из-за его расслоения, что ограничивает условия и диапазон рабочих температур (2039125, МПК С 23 С 4/08, Б.И. 15.08.91).

Известны порошковые материалы для нанесения износостойких покрытий из стали (Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыление покрытия. М.: Металлургия, 1987, с.753). Недостатком известных порошковых материалов является недостаточная прочность сцепления получаемых покрытий с основой, а также необходимость в дополнительной термической обработке покрытий (закалке), требующей значительных энергетических затрат и в ряде случаев приводящей к термическим деформациям изделий.

За прототип принят порошковый материал для получения износостойких покрытий, представляющий собой механическую смесь карбида титана и сплава алюминия с никелем (2055936, МПК С 23 С 4/04, Б.И. 01.11.93).

Недостатком покрытий, получаемых из известного порошкового материала, является низкая теплостойкость, т. к. при повышенной температуре происходит реакция взаимодействия Ni с TiC, при которой выделяется чистый углерод С из соединений TiC и за счет диффузии наполняет матрицу Ni, что создает повышенное содержание С по границам зерен структуры покрытия. Это приводит к снижению прочности покрытия и повышению его хрупкости. В результате, в процессе эксплуатации при температуре 600°С и ресурсах более 40 часов образуются микротрещины на поверхности.

Основной задачей изобретения является повышение износостойкости покрытия за счет качественного изменения одного из компонентов и выбора диапазона соотношений вводимых компонентов.

Сущностью изобретения является то, что состав для газотермического напыления покрытий, содержащий механическую смесь двух порошков, порошка на основе сплава Al-Ni и высокоуглеродистого легированного сплава с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%:

Углерод4.0-4.5Хром32-34Кремний1.7-2.0Марганец2.5-2.7Бор1.6-1.8ЖелезоОстальное

при равном соотношении компонентов.

При введении в состав покрытия Ni-Al сплава в количестве, меньшем предполагаемого, не происходит существенного повышения износостойкости покрытия из-за существования в его структуре хрупкого каркаса высокоуглеродистого легированного сплава на основе хрома.

При введении в состав покрытия Ni-Al сплава в количестве, большем предполагаемого, снижается твердость покрытия и его результирующая износостойкость.

Проведенные эксперименты показывают, что оптимальный гранулометрический состав порошков, входящих в механическую смесь, находится в пределах, мкм:

Al-Ni сплав40-100Высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома40-80

В этом случае состав покрытия соответствует с точностью ±3% составу исходной смеси.

При использовании порошков, в которых содержатся частицы с размером менее 40 мкм, основная часть мелких частиц не будет участвовать в формировании покрытия вследствие их аэродинамического уноса, поэтому на их долю снижается коэффициент использования напыляемого материала.

При использовании порошков, в которых содержатся частицы размером выше указанного предела, также происходит ряд негативных явлений. Крупные частицы либо не оплавляются, либо оплавляются лишь с поверхности, вследствие чего увеличивается их отскок от основы, снижается коэффициент использования напыляемого материала, меняется состав материала покрытия. Кроме того, крупные, не прогретые до плавления частицы и вошедшие в покрытие, ослабляют его прочность и повышают пористость.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показал, что предлагаемый порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия отличается от прототипа тем, что он содержит высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома при предлагаемом соотношении компонентов порошкового материала и при предлагаемом гранулометрическом составе порошков. Плазменное покрытие, полученное из данного композиционного порошкового материала, обеспечивает высокую износостойкость в процессе эксплуатации при температурах выше 600°С. Таким образом, предлагаемое решение обладает «новизной».

Пример 1. Для экспериментальной проверки предлагаемого решения были подготовлены образцы порошковых материалов для нанесения износостойкого газотермического покрытия: порошок на основе сплава Al-Ni и высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%: углерод 4.0-4.5, хром 32-34, кремний 1.7-2.0, марганец 2.5-2.7, бор 1.6-1.8, железо - остальное. Порошки были взяты в различных пропорциях (таблица 1).

Подготовка порошков осуществлялась следующим образом:

1) сушка порошков-компонентов при Т=150-200°С 1,5-2 часа;

2) просев порошка на основе сплава Al-Ni через сито 0,04 и 0,1;

высокоуглеродистого легированного сплава через сито 0,08 и 0,04;

3) смешивание порошков в вышеуказанных пропорциях в специальных машинах. Время смешивания 4 часа.

Нанесение покрытий осуществлялось на установке газоплазменного напыления УПУ-8М.

Полученное покрытие представляет собой двухслойную структуру: первый слой (связующий) - порошок на основе сплава Al-Ni; второй слой (износостойкий) - композиционный порошковый материал. Режимы процесса напыления представлены в таблице 2.

Микроструктура полученного покрытия исследовалась на микроскопе ЛВ-31 методом оптической металлографии. Обработка полученных изображений осуществлялась с помощью программы Image Expert Pro.3. Результаты сравнительных исследований приведены в таблице 1. Результаты показывают: наилучшими характеристиками обладает покрытие, полученное из механической смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al-Ni сплав50Высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хромаОстальное

Пример 2. Провели сравнительный анализ рассматриваемого порошкового материала, при соотношении компонентов, мас.%:

Al-Ni сплав50Высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хромаОстальное

и порошкового материала-прототипа, содержащего карбид титана и сплав алюминия с никелем, при соотношении компонентов, мас.%:

TiC90Сплав алюминия с никелемОстальное

Результаты анализа представлены в таблице 3.

На основании приведенных данных видно, что порошок позволяет получить покрытие с более высокой износостойкостью при t=600°C, чем у покрытия, изготовленного из порошка по прототипу.

ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ

Таблица 1ПримерСостав порошкового материала, мас.%Характеристика структуры нанесенного покрытияВысокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хромаAl-Ni сплав18020Покрытие сформировано матрицей из Al-Ni сплава, в которой распределены частицы высокоуглеродистого легированного сплава. Наблюдается непроплав отдельных частиц (порядка 3%), обусловленный ухудшением энергетики формирования покрытия. Покрытие отличается повышенной хрупкостью25050Структура покрытия сходна с описанной в п.1. Непроплавленные частицы и хрупкость отсутствуют.32080Структура однородная, нерасплавленные частицы отсутствуют. Повышенное содержание пластичной матрицы приводит к снижению износостойкости и твердости покрытия

Таблица 2
Режимы процесса напыленияНапыляемый слойСвязующийИзносостойкийНапряжение, В5555Сила тока, А330420Дистанция, мм11080Таблица 3МатериалСостав напыляемого порошкового материала, мас.%Износостойкость нанесенного покрытия при t=20°С, мг/чИзносостойкость нанесенного покрытия при t выше 600°С, мг/ч1Высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома5044Al-Ni сплавостальное  2TiC90  Сплав алюминия с никелемостальное46

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам для нанесения композиционных износостойких покрытий. Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия получен механическим смешиванием порошка на основе сплава алюминия с никелем и порошка высокоуглеродистого легированного сплава, содержащего, мас.%: углерод 4,0-4,5; хром 32-34; кремний 1,7-2,0; марганец 2,5-2,7; бор 1,6-1,8; железо - остальное, при равном соотношении компонентов. Техническим результатом является повышение износостойкости покрытия. 3 табл.

Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый методом механического смешивания двух порошков, одним из которых является порошок на основе сплава алюминия с никелем, отличающийся тем, что в качестве второго компонента берется высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%:

Углерод4,0-4,5Хром32-34Кремний1,7-2,0Марганец2,5-2,7Бор1,6-1,8ЖелезоОстальное

при равном соотношении компонентов.