ПОРОШКООБРАЗНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2023 года по МПК C22C32/00 C23C4/10 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к материалам для плазменного напыления износостойких композитных покрытий. Изобретение может также применяться для восстановления изношенных деталей до требуемых геометрических параметров при условии высокой прочности сцепления сформированного композитного покрытия с основой.

При разработке новых материалов для плазменного напыления композитных покрытий с высокой износостойкостью, как правило, за основу принимают высоколегированные сплавы на основе никеля или железа [Аннин Б.Д., Карпов Е.В. Механика композитов. Москва: Издательство «Юрайт», Новосибирск: РИЦ НГУ, 2021. - 85 с.]. На сегодняшний день научные исследования по напылению металломатричных композитов на стальные рабочие поверхности деталей, которые эксплуатируются в условиях абразивного изнашивания, недостаточно изучены. Следовательно, проблема упрочнения и восстановления рабочих поверхностей различных деталей машин имеет большое значение [Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987. - 544 с.], поскольку нанесение порошкообразных материалов плазменным напылением позволяет получать композитные покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, что резко увеличивает срок службы изделий в целом.

Известны: порошковый материал для газотермического нанесения покрытий [Патент SU №1774965 A3, МПК С22С 30/00, С23С 4/06, опубл. 7.11.1992 г., Бюл. №41], состоящий из 40-80% порошка ПГ-ФБХ6-2 и 20-60% порошка ПГ-10Н-01; смесь для нанесения покрытий [Патент RU №2038406 С1, С22С 33/02, B22F 1/00, С23С 4/08 опубл. 27.06.1995 г.], состоящий из инструментальной стали на основе железа и сплава на основе никеля с фракциями 40-63 мкм; композиционный материал для плазменного напыления покрытий и способ его получения [Патент SU №1378414 А1, МПК С23С 4/12, опубл. 27.10.1996 г.], состоящий из порошка на основе никеля и графита, а также порошка силиката натрия.

Однако недостатком приведенных порошков и материалов является относительно низкая твердость получаемого покрытия. В выше перечисленных аналогах твердость находится в диапазоне 57-60 HRC, что при активном трении рабочих поверхностей обработанной детали в условиях ударных воздействий может оказаться недостаточным и привести к возникновению дефектов, которые будут оказывать отрицательное влияние на процесс эксплуатации в целом.

Также известны: композиционные порошок для плазменного напыления [Патент RU №2039125 С1, С23С 4/08, B22F 1/02, опубл. 9.07.1995 г.], содержащий частицы титана, плакированные слоем никеля, с размером частиц композиционного порошка 45-120 мкм, при этом что частицы титана дополнительно содержат слой алюминия, расположенный непосредственно на слое никеля, при следующем соотношении компонентов в композиционном порошке, мас. % - алюминий (Al) 5-20%, никель (Ni) 20-70%, остальное титан (Ti); порошкообразный материал для напыления износостойких покрытий [Патент RU №2337178 С1, С23С 4/08, С22С 24/00, опубл. 27.07.2007 г., Бюл. №30], содержащий 55-65% порошка на основе никеля ПР-НХ17 и 35-45% порошка на основе железа ПР-Х4ГСР.

Однако недостатком приведенных порошков и материалов является низкая прочность сцепления получаемого покрытия с основой. В выше перечисленных аналогах прочность сцепления покрытия с основой находится в диапазоне 58-60 МПа, что при активном трении рабочих поверхностей обработанной детали в определенных условиях может оказаться недостаточным и привести к возникновению сколов и задиров.

Известен самофлюсующийся порошок ПР-НХ17СР4 на основе никеля и хрома с флюсующими добавками бора, который соответствует ГОСТ 21448-75 (порошок марки ПГ-СР4) [URL: http://www.polema.net/nikelevye-samofjusujushhiesja-splavy-dlja-pokrytij.html (дата обращения 31.01.2022 г.)]. Покрытие, полученное путем напыления порошка ПР-ПХ17СР4 обладает твердостью 55-60 HRC, прочностью сцепления покрытия с основой в 110 Мпа, а также стойкостью к абразивному и эрозионному износу за счет высокопрочной фазы Cr₇C₃ [Пантелеенко Ф.И. Самофлюсующиеся диффузионно-легированные порошки на железной основе и защитные покрытия из них / Ф.И. Пантелеенко // М.: УП «Технопринт», 2001. - 300 с.]. Данный порошок принят за прототип.

К недостаткам указанного прототипа относится низкая износостойкость сформированного покрытия, ввиду того, что при изнашивании верхнего слоя покрытия, обнажается менее упрочненный слой и интенсивность изнашивания резко возрастает.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости, прочности сцепления с основой и износостойкости получаемого покрытия за счет теоретически обоснованного подбора рационального состава порошкообразного материала с необходимыми размерами фракций с целью его нанесения плазменным напылением на стальные поверхности деталей.

Указанный технический результат достигается тем, что порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий состоит из порошка на основе никеля, при этом дополнительно содержит порошок карбида титана, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: порошок на основе никеля - 76,5%, порошок карбида титана - 23,5%. Порошок на основе никеля имеет следующий состав, мас. %: 14-17% хрома, 3,5-4,5% кремния, 3,0-3,8% бора, 0,5-1,0% углерода, железа не более 5%, остальное никель. При этом порошок на основе никеля имеет фракционный состав 40-64 мкм, а порошок карбида титана - 73-74 мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий дополнительно содержит порошок карбида титана с фракционным составом 73-74 мкм, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: порошок на основе никеля с фракционным составом 40-64 мкм - 76,5%, порошок карбида титана - 23,5%. Порошок на основе никеля имеет следующий состав, мас. %: 14-17% хрома, 3,5-4,5% кремния, 3,0-3,8% бора, 0,5-1,0% углерода, железа не более 5%, остальное никель.

Достижение указанного технического результата объясняется:

во-первых, добавлением в существующий порошок на основе никеля частиц карбида титана фракцией 73-74 мкм в размере 23,5% от общей массы получаемого композитного покрытия, ввиду того ряд металлов - Ni и Fe, содержащийся в составе порошка на основе никеля, при напылении смачивают поверхность карбида титана, исключая его хрупкость при определенных температурных воздействиях, а также создают перспективные предпосылки для создания износостойкого материала;

во-вторых, при плазменном напылении порошка 76,5% порошка на основе никеля с фракционным составом 40-64 мкм + 23,5% карбида титана фракцией 73-74 мкм в диапазонах технологических режимов, представленных в таблице 1, на стальной основе детали формируется композитное покрытие, обеспечивающее высокую прочность сцепления покрытия с основой, твердость и износостойкость.

Предлагаемый порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий может быть нанесен на поверхности детали с помощью сертифицированного специального оборудования для плазменного напыления [Научно-производственная фирма «Плазмацентр» https://www.plasmacentre.ru/oborudovanie/ (дата обращения 31.01.2022 г.)]. При этом 76,5% порошка на основе никеля может быть использован, например, самофлюсующийся порошок ПР-НХ17СР4 [АО «Полема» http://www.polema.net/produkcija.html], а порошок карбида титана может быть изготовлен, например, на фирме «Энергохимкомплект» [https://ehk.ru/services/abrazivnye-i-ogneupornye-izdeliya/poroshki-karbida-titana/ (дата обращения 31.01.2022 г.)].

После проведения напыления заявленного порошкообразного материала проводился металлографический анализ полученного покрытия согласно ГОСТ 1778-70 с использованием оптического микроскопа Axiovert 40 МАТ. С целью выявления структурных составляющих композитного покрытия микрошлифы исследовались без предварительного травления. Химический состав покрытия исследовался на искровых оптико-эмиссионных спектрометрах PMI MASTER Pro и ДФС-500. На фиг. 1 представлена характерная слоистая структура получаемого композитного покрытия из материала 76,5% порошок на основе никеля + 23,5% карбида титана. Как видно из фиг. 2(а) - оптическая микроскопия покрытия, и фиг. 2(б) - растровая электронная микроскопия покрытия, композитное покрытие состоит из никелевой основы с равномерно расположенными мелкими включениями карбида титана, которые находятся с ней в достаточно прочной связи.

С целью подтверждения теоретических изысканий об прочности сцепления покрытия с основой было проведено исследование адгезионной прочности методом скрэтч тестирования на установке Макро Скретч Тестер Revetest Express с постоянной нагрузкой в 34 Н согласно ASTM D 2197, ASTM С1624, а также в соответствии с международными стандартами ISO 19252:2008, ISO 20502. Результаты исследований представлены на фиг. 3. Видно, что у сформированного композитного покрытия практически не наблюдается разрушений и трещин. При этом прочность сцепления композитного покрытия к стальной основе при указанном выше составе напыляемого порошка достигает наибольшего значения и составляет - 380 МПа.

Твердость композитного покрытия (HRC) измерялась на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 Н по ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86) по методу Роквелла. По результатам измерений твердость композитного покрытия из порошкообразного материала 76,5% порошок на основе никеля + 23,5% карбида титана составила 64-66 HRC. Высокое значение твердости могут быть объяснены наличием локальных матриц наклепа в покрытии, создаваемыми включениями TiC. Кроме того, неплотная упаковка структуры покрытия, способствует образованию значительного количества оксидов, которые на практике дают дополнительный вклад в увеличение общей твердости композитного покрытия.

Определение износостойкости композитного покрытия проводилось на машине трения СМЦ-2 согласно ГОСТ 23.208-79. Использовался абразивный материал - электрокорунд зернистостью 16-П по ГОСТ 3647-80 с относительным содержанием влаги не более 0,15%. Для каждого исследуемого типа покрытия было проведено три повторных опыта с разными образцами. Результаты исследований износостойкости представлены в таблице 2.

Проводя анализ полученных результатов по износу исследуемых покрытий (таблица 2), видно, что износостойкость композитного покрытия из 76,5% порошка на основе никеля + 23,5% карбида титана превосходит аналогичный показатель у легированного покрытия ПР-НХ17СР4 в 2,52 раза. Использование добавок карбида титана в покрытии позволяет уменьшить остаточные напряжения в них, которые приводят к разрушению при применении смесей стандартных порошков [Cai В. Tribological properties of TiC particles reinforced Ni-based al-loy composite coatings / В. Cai, Y.-f. Tan, L. He, et al. // Transactions of Non-ferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 13. - P. 1681-1688].

На основании приведенных данных видно, что заявленный порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий позволяет получить покрытие с прочностью сцепления покрытия с основой в 380 МПа, что превышает прочность сцепления покрытия, нанесенного порошком из прототипа в 3,45 раза, твердостью 64-66 HRC, при этом твердость легированного покрытия из порошка ПР-НХ17СР4 (прототип) составляет 55-60 HRC; износостойкостью в 2,52 раза превосходящую значение, заявленное в порошке прототипа.

На всех исследуемых образцах композитного покрытия из заявленного порошка отслоения покрытий от основы не наблюдалось. Дефекты нанесенного слоя в виде трещин, локальных отслоений, крупных пор на образцах не обнаружено. Микрошлиф характеризуется высокой плотностью, равномерностью структуры, низкой пористостью, отсутствием трещин и высокой прочностью сцепления покрытия с основой.

Как следует из представленных данных, использование описываемого порошкообразного материала для плазменного напыления композитных покрытий по сравнению с известным порошком (прототипом) позволяет повысить твердость, износостойкость и адгезионную прочность, что обеспечивает более высокие физико-механические и эксплуатационные характеристики наносимого покрытия и возможность его использования для деталей различного назначения.

Изобретение относится к порошковой металлургии области, а именно к материалам для плазменного напыления износостойких композитных покрытий. Порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий, содержащий, мас.%: порошок сплава на основе никеля - 76,5, порошок карбида титана - 23,5, при этом порошок сплава на основе никеля имеет следующий состав, мас.%: 14-17 хрома, 3,5-4,5 кремния, 3,0-3,8 бора, 0,5-1,0 углерода, железа не более 5, никель - остальное. Обеспечивается повышение твердости, прочности сцепления с основой и износостойкости получаемого покрытия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий, содержащий порошок сплава на основе никеля, отличающийся тем, он дополнительно содержит порошок карбида титана, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: порошок сплава на основе никеля - 76,5, порошок карбида титана - 23,5, при этом порошок сплава на основе никеля имеет следующий состав, мас.%: 14-17 хрома, 3,5-4,5 кремния, 3,0-3,8 бора, 0,5-1,0 углерода, железа не более 5, никель - остальное.

2. Порошкообразный материал для плазменного напыления композитных покрытий по п. 1, отличающийся тем, что порошок сплава на основе никеля имеет фракционный состав 40-64 мкм, а порошок карбида титана - 73-74 мкм.