Сплав на основе алюминия для нанесения износостойких покрытий Российский патент 2023 года по МПК C22C21/10 C22C32/00 

Изобретение относится к области создания износостойких сплавов на основе алюминия для получения функциональных покрытий, защищающих элементы прецизионного машино- и приборостроения от действия механических нагрузок.

Известны сплавы на основе алюминия для нанесения защитных покрытий (патенты РФ 2434713, 2709688). За прототип принят сплав системы Al - Zn - Sn (патент РФ 2413024), легированный Fe, Si, Ti, и Се, имеющий невысокие характеристики износостойкости до 3,8 мг/ч и микротвердости до 77HV. Сплав прототип имеет следующее соотношение компонентов (масс. %):

олово 1,0-11,0 цинк 1,0-11,0 железо 0,1-0,2 кремний 0,3-0,5 титан 0,1-0,15 церий 0,005-0,6 алюминий остальное

Современные механизмы и приборы, эксплуатируемые в жестких условиях, требуют более высоких показателей микротвердости (до 400 HV) и износа (до 0,5 мг/ч.). Недостатком известных сплавов на основе алюминия, в том числе сплава -прототипа, является также низкое значение коэффициента трения (менее 0,6), поэтому известные сплавы не имеют требуемых свойств.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание сплава с повышенной микротвердостью (более 400 HV) и соответственно износостойкостью покрытия.

Технический результат достигается за счет рафинирования сплава системы Al - Zn - Sn введением церия, лантана и иттрия, дополнительного введения циркония для измельчения структуры и легирования сплава диборидом титана, имеющего аномально высокую микротвердость (34,8 ГПа).

Требуемый результат достигается при следующем соотношении компонентов в сплаве (масс. %):

олово 3,5-9,5 цинк 4,0-9,5 цирконий 6,0-10,0 церий 0,3-0,9 лантан 0,5-0,9 иттрий 0,6-0,8 диборид титана 8,0-12,0 алюминий остальное

Базой для создания сплава оптимального состава является тройная композиция Al - (3,5 - 9,5) Sn - (4,0 - 9,5) Zn, которая позволяет получать покрытия с использованием метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления. Такие покрытия имеют высокую адгезионную прочность (до 80,0 МПа). Однако они имеют высокую пористость (до 6 м²/г). Для исключения этого эффекта в сплав дополнительно вводится цирконий (6,0-10,0)%, способствующий существенному измельчению структуры и снижающей пористость покрытия до 0,1÷0,3 м²/г.Установлено, что менее 6% не дает желаемого эффекта, а при содержании циркония более 10% в покрытии наблюдаются трещины.

Даже при оптимальном содержании циркония качество покрытия невысокое - имеют место трещины из-за содержания в сплаве кислорода, азота и водорода. Для устранения этого недостатка сплав дополнительно легируется церием (0,3 - 0,9)%, лантаном (0,5 - 0,9)% и иттрием (0,6 - 0,8)%. Комплексное введение этих компонентов в указанных количествах обеспечивает требуемое рафинирование сплава и существенное улучшение качества покрытия. При меньшем, чем указано содержании РЗЭ в сплаве эффекта рафинирования не наблюдается, при большем - качество покрытия ухудшается. Введение в сплав диборида титана (8,0 - 12,0)% фракции 60 - 80 нм существенно повышает микротвердость покрытия (до 420-480 HV). При меньшем количестве TiB₂ в сплаве эффект повышения микротвердости незначительный, при большем, чем 12%, качество покрытия ухудшается - снижается адгезия и появляются трещины и сколы.

Далее приводится конкретный пример получения функциональных покрытий из сплава предлагаемого состава.

Выплавка сплава предлагаемого состава осуществляется с помощью высокочастотной установки типа Л3-13 в алундовых тиглях. Масса слитка 1,2 кг.Последовательность введения шихтовых компонентов следующая: Al→(Zn+Sn)→Zr→(Ce+La+Y)→TiB₂.

Выплавлены 2 состава сплавов (масс. %):

1.

олово 3,5 цинк 4,0 цирконий 6,0 церий 0,3 лантан 0,5 иттрий 0,6 диборид титана 8,0 алюминий остальное

2.

олово 9,5 цинк 9,5 цирконий 10,0 церий 0,9 лантан 0,9 иттрий 0,8 диборид титана 12,0 алюминий остальное

Полученные слитки дробились на фракции 3-5 мм с помощью щековой дробилки типа ДЛЩ. Затем производилось измельчение до порошка фракции 50 - 60 мкм с помощью высокоскоростного дезинтегратора типа ДЕЗИ-15. Полученный порошок засыпают в дозатор установки холодного газодинамического напыления «ДИМЕТ-3» и производится нанесение покрытия. Толщина покрытия составляет 120-150 мкм.

Данную технологию использовали при нанесении антизадирных покрытий на резьбовые соединения для увеличения циклов свертывания - развертывания на (30-50)% и для защиты сварных соединений алюминиевых труб в агрессивных средах.

Полученные результаты измерения микротвердости и износа покрытия сведены в таблицу 1.

Результаты измерения характеристик полученных покрытий

Полученные результаты свидетельствуют о том, что покрытия удовлетворяют требованиям современного машино- и приборостроения.

Изобретение относится к области создания износостойких сплавов на основе алюминия и может быть использовано для получения функциональных покрытий, защищающих элементы прецизионного машино- и приборостроения от действия механических нагрузок. Сплав на основе алюминия содержит, мас.%: олово 3,5-9,5, цинк 4,0-9,5, цирконий 6,0-10,0, церий 0,3-0,9, лантан 0,5-0,9, иттрий 0,6-0,8, диборид титана 8,0-12,0, алюминий – остальное. Изобретение направлено на создание сплава с повышенной микротвердостью и износостойкостью. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Сплав на основе алюминия, легированный цинком, оловом и церием, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит цирконий, лантан, иттрий и диборид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Олово 3,5-9,5 Цинк 4,0-9,5 Цирконий 6,0-10,0 Церий 0,3-0,9 Лантан 0,5-0,9 Иттрий 0,6-0,8 Диборид титана 8,0-12,0 Алюминий Остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что диборид титана введен в сплав в виде нанопорошка фракции 60-80 нм.