Состав шихты для шликерных покрытий Российский патент 2021 года по МПК C22C32/00 C23C24/08 B23K26/342 

Изобретение относится к области получения материалов, в частности, к составу шихты для шликерных покрытий для поверхностного лазерного упрочнения, и может быть использовано для упрочнения деталей машин и инструментов, изготовленных из конструкционных сталей, повышения эксплуатационных характеристик покрытий, работающих в условиях многократного контактного (статического и динамического) нагружения в железнодорожной, машиностроительной, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности.

Известен состав для наплавки, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий вольфрам, кальций и железо (патент РФ №2014193 по кл. В23K 35/30 от 15.06. 1994 г.).

Данный состав обладает удовлетворительной термической стойкостью, стойкостью против отслоений и отколов. Однако он не пригоден для лазерной наплавки, т.к. большое количество входящих ингредиентов повышает вероятность распада отдельных ингредиентов, снижая температурную устойчивость, прочность и твердость состава в целом.

Известен состав порошковой шихты для шликерных покрытий, содержащий никель, кремний, оксиды кремния, бария, бора, хром, борид титана и дисилицид молибдена (патент РФ №2078849 по кл. С23С 24/00 от 10.05.1997 г.).

Данный состав не позволяет использовать его при лазерной обработке защитных покрытий, а именно при лазерной наплавке путем оплавления шликерного покрытия. Лазерная наплавка предусматривает локальную подачу присадочного материала и кратковременное расплавление материала основы с высокой степенью автоматизации управления термическими циклами процесса. Указанные особенности не реализуемы в патенте №2078849. Кроме того, используемые в данном патенте компоненты шихты, не обеспечивают снижения интенсивности разложения связующих веществ и снижения удаления продуктов разложения при термообработке шихты.

Известно техническое решение, при котором в качестве состава для наплавки используются неметаллические порошки агломерированного карбида вольфрама и металлические частицы кобальта (патент РФ №2503740, кл. С23С 4/12, 10.01.2011 г.).

Недостатком данного состава является недостаточная износостойкость и твердость при эксплуатации деталей в условиях больших нагрузок при температуре выше 500°С.

Известен состав порошкообразной шихты для наплавки с использованием лазера, при этом состав содержит дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама и металлический порошок сплава кобальта (патент РФ №2503740, кл. С23С 4/12, В23K 26/34, 10.01.2014 г.).

Недостатком данного состава является недостаточная износостойкость покрытия в условиях эксплуатации при повышенных ударных нагрузках и температурах.

Ближайшим прототипом заявляемого изобретения является состав шихты для шликерных покрытий, полученный смешением исходных компонентов, содержащих кремний, борид циркония с приготовлением шликера на органическом связующем с последующим термическим воздействием на полученную шихту с изделием, на которое нанесено покрытие (патент РФ №2471751 по кл. С04В 35/58 от 10.01.2013 г.).

Недостатком этого состава является неравномерность изменения микротвердости упрочненного слоя по глубине и неоднородность его по площади обработанной поверхности, что приводит к невысоким показателям износостойкости упрочненной поверхности в условиях многократных контактных нагрузок.

Целью изобретения является повышение износостойкости функциональных поверхностей изделий из конструкционных сталей в условиях многоциклового контактного нагружения.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в обеспечении возможности лазерной наплавки шликерных покрытий.

Поставленная задача решается за счет того, что состав шихты для шликерных покрытий, содержащий присадочный материал и связующее вещество, в качестве окислителя содержит оксид олова (IV), а в качестве присадочного материала - ультрадисперсный порошок алюминия ПАП-2 или ПАГ-3 по ГОСТ 5494-95 и дисульфид молибдена при следующем соотношении указанных компонентов, мас. %:

ультрадисперсный порошок алюминия - 60-85%;

дисульфид молибдена - 3-10%;

оксид олова - 1-5%;

связующее вещество - 5-36%;

при этом в качестве связующего вещества используют лак цапон (ТУ 2313-041-32811438).

Оксид олова, введенный в состав шихты, при лазерной обработке разлагается с выделением кислорода, который вступает во взаимодействие с алюминием с образованием оксида алюминия, обладающего высокой твердостью (9 по шкале Мооса, у алмаза твердость 10), обеспечивает повышение сопротивляемости изнашиванию наплавленного слоя, а также препятствует образованию трещин.

Совместное применение в шихте ультрадисперсного порошка алюминия и добавки дисульфида молибдена позволило добиться одновременно повышения износостойкости и антифрикционных свойств модифицируемой поверхности.

Указанные свойства компонентов, вводимых в состав обмазки в предлагаемом соотношении, обеспечивают получение при лазерной обработке на поверхности конструкционной стали упрочненного слоя с высокой износостойкостью в условиях многократных динамических нагрузок.

Для экспериментальной проверки предлагаемого состава подготавливались 5 смесей ингредиентов, три из которых показали оптимальные результаты. В качестве объектов исследований использовались пластины 50×30×5, сталь 38Х2МЮА ТУ 14-1-2765-79. Компоненты составов смешивались, разбавлялись связующим веществом и наносились методом окунания на рабочие поверхности пластин. Толщина наносимой обмазки составляла 100…120 мкм.

Модифицирование проводили на технологической лазерной установке RFL-C6000W, работающей в импульсном режиме, при плотности излучения q=6 Дж/мм²

Поверхностная микротвердость определялась на микротвердомере DM-8.

Для определения износостойкости упрочненных поверхностей использовалась специальная установка TRB.

Результаты исследований приведены в таблице 1.

Использование данной шихты для шликерных покрытий при лазерной наплавке позволяет повысить качество сцепления основного и присадочного материала за счет снижения остаточных напряжений и деформаций, исключения образования пор и трещин, а также увеличить износостойкость и антифрикционные свойства модифицируемой поверхности.

Минимальная твердость наблюдалась у образца 1. Увеличение содержание алюминия приводит к повышению твердости, образец 3. Снижение содержания оксида олова, образцы 2 и 5, понижает твердость, даже несмотря на увеличение содержания алюминия. Дальнейшее увеличение содержания алюминия в шликере, при постоянном количестве оксида олова, несколько повышает твердость, образец 4.

На износостойкость образцов наиболее сильное влияние оказывает добавка дисульфида молибдена. Наименьшую интенсивность изнашивания показал образец с наибольшим содержанием MoS₂, а наибольшую - образец с минимальным количеством дисульфида молибдена. Твердость также оказывает влияние на интенсивность изнашивания. Например, образец 3, хоть и содержит меньше дисульфида молибдена по сравнению с образцом 2, показал лучшую износостойкость.

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения металлов, в частности к составу шихты для шликерных покрытий, получаемых с помощью лазера, и может быть использовано для упрочнения деталей машин и инструментов, изготовленных из конструкционных сталей, работающих в условиях многократного контактного нагружения. Состав шихты для шликерного покрытия изделий из конструкционных сталей содержит, мас. %: ультрадисперсный порошок алюминия 60-85, дисульфид молибдена 3-10, оксид олова 1-5, связующее вещество 5-36. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости функциональных поверхностей изделий из конструкционных сталей в условиях многоциклового контактного нагружения. 1 табл.

Состав шихты для шликерного покрытия изделий из конструкционных сталей, содержащий присадочный материал и связующее вещество, отличающийся тем, что в качестве окислителя он содержит оксид олова, а в качестве присадочного материала используются ультрадисперсный порошок алюминия и дисульфид молибдена при следующем соотношении указанных компонентов, мас.%:

ультрадисперсный порошок алюминия 60-85 дисульфид молибдена 3-10 оксид олова 1-5 связующее вещество 5-36