КОМПОЗИЦИОННЫЙ СОСТАВ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C23C4/08 C23C24/04 C23C30/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к материалам для плазменного напыления покрытий. Изобретение может быть использовано в машиностроении, металлургии, энергетике, авиации, судостроении, оборонной промышленности и других сферах производства, в частности при нанесении на рабочие поверхности деталей машин и механизмов функциональных покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

При разработке новых материалов для газотермического напыления, в частности для плазменного напыления, с необходимыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами, как правило, за основу принимают высоколегированные сплавы на основе никеля или железа [Ловшенко Ф.Г. Композиционные наноструктурные механически легированные порошки для газотермических покрытий: монография / Ф.Г. Ловшенко, Г.Ф. Ловшенко // Могилев: Белорус. - Рос. ун-т, 2013.-215 с.]. На сегодняшний день научные исследования по напылению порошковых материалов на стальные рабочие поверхности деталей, которые эксплуатируются в условиях в условиях ударно-абразивного и эрозионного изнашивания, недостаточно изучены. Следовательно, задача по разработке новых составов материалов с целью их плазменного напыления для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей различных деталей машин имеет большое значение для современных производств [Новые материалы. Коллектив авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. М: «МИСИС», 2002. - 736 с.], поскольку нанесение порошкообразных материалов плазменным напылением позволяет получать покрытия с необходимыми 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.], состоящая 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 известен композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей бетоносмесителя [Патент RU №2201994 С1, С23С 4/04, B22F 1/02, опубл. 10.04.2003 г., Бюл. №10], состоящий из смеси порошка на основе железа, включающем в себя, мас. %: углерод - 4,1…4,4, хром - 30…33, кремний - 3,5…4,0, марганец - 2,0…2,5, никель - 4,0…4,5, алюминий - 3,5…4,5, остальное железо, и порошка на основе никеля, включающем в себя, мас. %: углерод - 0,6…1,0, хром - 16…17, кремний - 3,4…4,6, бор - 2,5…4,0, железо - не более 4, никель - остальное, при этом процентный состав порошков в смеси на основе железа и никеля составляет соответственно 70-75% и 30-25%.

Недостатком приведенного композиционного состава порошкообразного материала является низкая износостойкость получаемых покрытий ввиду того, что при изнашивании верхнего слоя покрытия, обнажается менее упрочненный слой и интенсивность изнашивания резко возрастает.

Известен композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей строительных и дорожных машин [Патент RU №2342467 С1, С23С 4/04, B23K 9/04, опубл. 27.12.2008 г., Бюл. №36], состоящий из смеси порошка на основе железа, включающем в себя, мас. %: углерод - 3,3…3,5, кремний - 2,0…2,5, марганец - 10,0…12,0, бор - 2,5…3,0, титан-3,0…4,0, остальное железо, и порошка на основе никеля, включающем в себя, мас. %: углерод -0,9…1,5, хром - 16…18, кремний - 4,5…5,0, бор - 4,0…4,7, никель - остальное, при этом процентный состав порошков в смеси на основе железа и никеля составляет соответственно 70-75% и 30-25%. Данный композиционный состав порошкообразного материала принят за прототип.

К недостаткам указанного прототипа относится низкая ударная прочность сформированного покрытия.

Техническим результатом изобретения является повышение качества формируемого покрытия при напылении и последующем оплавлении композиционного состава порошкообразного материала на поверхности деталей за счет повышения твердости, износостойкости и ударной прочности получаемого покрытия ввиду теоретически и экспериментально обоснованного подбора рационального состава порошкообразного материала с необходимыми размерами фракций.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный состав порошкообразного материала для плазменного напыления состоит из порошков на основе железа и никеля и дополнительно содержит порошок алюминия, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: порошок на основе железа с фракционным составом 40…100 мкм - 70…73%, порошок на основе никеля с фракционным составом 40…64 мкм - 20…23%, порошок алюминия с фракционным составом 30…40 мкм - 3…4%.

Сущность изобретения заключается в том, что композиционный состав порошкообразного материала для плазменного напыления дополнительно содержит порошок алюминия, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: порошок на основе железа - 70…73%, порошок на основе никеля - 20…23%, порошок алюминия - 3…4%. Порошок на основе железа имеет следующий состав, мас. %: 3,5…5,0% углерода, 32…37% хрома, 1,0…2,5% кремния, 1,5…4,0% марганца, остальное железо, и 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 железа имеет фракционный состав 40…100 мкм, порошок на основе никеля имеет фракционный состав 40…64 мкм, а порошок алюминия - 30…40 мкм.

Достижение указанного технического результата объясняется:

с добавлением 3…4% порошка алюминия наблюдается повышение твердости нанесенных покрытий (на 3-5 HRC), по сравнению с плазменной наплавкой исходными порошковыми твердыми сплавами, не содержащими алюминий [Карцев С.В. Особенности плазменной наплавки порошковых материалов / С.В. Карцев, А.Н. Шиповалов, Г.А. Храпков, С.М. Зубачев // Труды ГОСНИТИ. - 2009. -Т. 103. - С. 146-148.]. При уменьшении содержания алюминия появляются поры, а при увеличении - ухудшается формируемое покрытие (на поверхности основного металла образуется грубая трудноотделимая корка) [Мордынский В.Б. Влияние газообразующих добавок на параметры слоев при плазменной порошковой наплавке / В.Б. Мордынский, М.В. Ильичев, А.С. Тюфтяев // Технология машиностроения. - 2016. - №3. - С. 40-42.] и [Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах / Н.М. Новожилов. - М.: Машиностроение, 1979. - 231 с.];

плазменное напыление композиционного состава порошкообразного материала от мас. % на основе железа - 70…73% фракционного состава 40…100 мкм, на основе никеля - 20…23% фракционного состава 40…64 мкм, и порошка алюминия - 3…4% фракционного состава 30…40 мкм, производят при следующих технологических режимах:

сила тока дуги плазмотрона - 170…175 А,

напряжение - 165…170 В,

расход плазмообразующих газов - 2,5…2,7 м³/ч при давлении 0,2 МПа,

расход напыляемого порошка - 10 г/с;

дистанция напыления - 140…160 мм;

скорость перемещения плазмотрона - 40 см/мин.

После проведения напыления разработанного композиционного состава порошкообразного материала производится плазменное оплавление покрытия при следующих технологических режимах:

ток дуги плазмотрона - 190…200 А,

расход плазмообразующего газа - 2,5…2,7 м³/ч при давлении 0,2 МПа;

дистанция оплавления - 40…60 мм,

скорость перемещения плазмотрона - 15…18 см/мин.

Предлагаемый композиционный состав порошкообразного материала для плазменного напыления 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 02.09.2022 г.)]. При этом 73% порошка на основе железа может быть использован, например, наплавочный порошок ПР-ФБЮ1-4 [http://www.bvb-alyans-magnitogorsk.ru/goods/149247193-poroshok_naplavochny_pg_fbkh_6_2 (Дата обращения 05.09.2022 г. )], 23% порошка на основе никеля может быть использован, например, порошок ПР-Н70Х17С4Р4 [http://www.polema.net/nikelevye-samofljusujushhiesja-splavy-dlja-pokrytij.html (Дата обращения 05.09. 2022 г.], а порошок алюминия может быть изготовлен, например, в компании «Снабтехмет» [https://msk.snabtechmet.ru/product/aljuminievyj_poroshok_40_mkm__pa-1_gost_6058-73/ (Дата обращения 05.09.2022 г.)].

С целью подтверждения заявленного технического результата проводились следующие исследования нанесенного покрытия из заявленного материала:

измерение твердости покрытия (HRC) на приборе ТК-14-250 по ГОСТ 23677-79;

измерение износостойкости покрытия [Металлографические исследования структуры и физико-механических свойств покрытий, полученных плазменными методами/И.Н. Кравченко, С.В. Карцев, С.А. Величко [и др.] //Металлург. -2021. - №8. - С. 69-76] с помощью абразиво-струйный пистолета, электрокорунда, защитной камеры, сети сжатого воздуха (компрессор К-3), аналитических весов ВЛТ-1 и секундомера;

измерение на ударной прочности с использованием стенда разработки научно-производственного объединения HI ill «Гиперон», который обеспечивает определение ударной прочности до 3,7 МДж/м². Ударную прочность определяли, как энергию удара, отнесенную к площади контакта двух соударяемых поверхностей, по формуле: , где П_уд - ударная прочность, МДж/м²; m - масса падающего груза, кг; h - высота падения груза, м; S - площадь контакта, м²; g - ускорение свободного падения, м/с².

Так, по итогу измерения твердости были получены данные, представленные в таблице 1.

По итогу измерения износостойкости исследуемого покрытия и прочих образцов были получены данные, представленные в таблице 2.

По итогу измерения износостойкости были получены данные, представленные в таблице 3.

Из анализа приведенных данных в таблицах 1-3 видно, что полученное покрытие из разработанного материала превосходит образцы с аналогичными покрытиями по всех трем исследуемым параметрам.

Анализ микроструктуры оплавленных покрытий из предлагаемого композиционного состава порошкообразного материала для плазменного напыления с последующим плазменным оплавлением показал, что их структура состоит из карбидов, боридов хрома на ледебуритно-аустенитной основе [Металлографические исследования структуры и физико-механических свойств покрытий, полученных плазменными методами / Кравченко И.Н., Карцев С.В., Величко С.А. [и др.]. -Текст: непосредственный // Металлург.2021. №8. С.69-76]. Структура самофлюсующихся сплавов представляет собой тонкоразветвленную эвтектику боридов никеля в матрице, легированной твердым раствором на основе никеля с первичными мелкодисперсными частицами карбидов и боридов хрома. Микроструктура становится ячеистой и грубой, с разноосными глобулярными зернами, уменьшается количество пор, размеры некоторых фаз увеличиваются и пропадают границы между частицами. При плазменном напылении с оплавлением структура оплавленного покрытия становится однородной, мелкодисперсной и приближается к структуре исходного порошка [Metallographic Studies into the Structure and Physicomechanical Properties of Coatings Obtained Using Plasma Methods /I.N. Kravchenko, S.V. Kartsev, S.A. Velichko [et al.] // Metallurgist. - 2021. - Vol. 65. - No 7-8. - P. 893-903.]. В покрытии распределение по нему элементов происходит равномерно, а при оплавлении самофлюсующегося покрытия наблюдается перераспределение элементов. Выполненный химический анализ исходной порошковой смеси с результатами химического анализа оплавленного покрытия показал, что химический состав изменяется незначительно за исключением алюминия, который как сильный раскисли-тель выгорает до 45% [Metallurgical Features of Plasma Surfacing with Powder Hard Alloy with Addition of Aluminum Powder / I. N. Kravchenko, S.V. Kartsev, A.V. Kolomeichenko [et al.] // Metallurgist. - 2021. - Vol. 64. - No 9-10. - P. 1077-1085].

Уменьшение содержания углерода в наплавленном покрытии достигается путем смешения высокоуглеродистых порошковых сплавов с низкоуглеродистыми сплавами до предела, гарантирующего наплавку покрытий толщиной до 3 мм без пор и трещин. Добавление в твердые сплавы на основе железа 3…4 мас. % порошкового алюминия, являющегося одновременно сильным раскислителем и нитридо-образующим элементом, позволило использовать в качестве транспортирующего газа азот, смесь сжатого воздуха и горячих углеводородов вместо аргона и получать наплавочные покрытия высокого качества. В результате реакций окисления потери легирующих элементов (С, Cr, Mn, Si) при плазменной наплавке составляют 30-55%, что объясняется дисперсностью частиц и их развитой поверхностью. При этом использование порошкового алюминия уменьшает потери легирующих элементов и повышает твердость наплавленных покрытий на 3-5 HRC, поскольку при плазменной наплавке он выгорает почти полностью, способствуя сохранению других химических элементов, определяющих твердость наплавленных покрытий.

По итогу плазменного напыления с последующим плазменным оплавлением разработанного композитного состава порошкообразного материла на поверхности обрабатываемой детали (образца), как показала практика и лабораторные исследования (таблицы 1-3), формируется покрытие высокого качества, обладающее повышенной твердостью, износостойкостью и ударной прочностью.

Изобретение относится к порошковому материалу для плазменного напыления. Упомянутый порошковый материал содержит порошки при следующем соотношении компонентов: порошок на основе железа фракции 40-100 мкм – 73 мас.%, порошок на основе никеля фракции 40-64 мкм – 23 мас.%, порошок алюминия фракции 30-40 мкм – 4 мас.%. В частном случае осуществления изобретения порошок на основе железа имеет следующий состав, мас.%: углерод 3,5-5,0, хром 32-37, кремний 1,0-2,5, марганец 1,5-4,0, железо - остальное, а порошок на основе никеля имеет следующий состав, мас. %: хром 14-17, кремний 3,5-4,5, бор 3,0-3,8, углерод 0,5-1,0, железо не более 5, никель - остальное. Обеспечивается повышение качества формируемого покрытия при напылении и последующем оплавлении композиционного состава порошкообразного материала на поверхности деталей за счет повышения твердости, износостойкости и ударной прочности получаемого покрытия. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Порошковый материал для плазменного напыления, содержащий порошки на основе железа и никеля, отличающийся тем, что он дополнительно содержит порошок алюминия, при следующем соотношении компонентов: порошок на основе железа фракции 40-100 мкм – 73 мас.%, порошок на основе никеля фракции 40-64 мкм – 23 мас.%, порошок алюминия фракции 30-40 мкм – 4 мас.%.

2. Порошковый материал для плазменного напыления по п. 1, отличающийся тем, что порошок на основе железа имеет следующий состав, мас.%: углерод 3,5-5,0, хром 32-37, кремний 1,0-2,5, марганец 1,5-4,0, железо - остальное, а порошок на основе никеля имеет следующий состав, мас. %: хром 14-17, кремний 3,5-4,5, бор 3,0-3,8, углерод 0,5-1,0, железо не более 5, никель - остальное.