Газовая смесь для детонационного напыления покрытий Советский патент 1993 года по МПК C23C4/00 

Изобретение относится к газовой смеси для детонационного напыления покрытий, содержащей по меньшей мере, два горючих газа, таких как ацетилен и пропилен.

Целью изобретения является повышение твердости покрытий, при получении которых используется новая газовая смесь для детонационного напыления.

Новая газовая смесь содержит кислородсодержащий окислитель и топливную смесь из, по меньшей мере, двух горючих, газов, выбранных из группы насыщенных и ненасыщенных углеводородов.

Кислородсодержащий окислитель для использования в настоящем изобретении можно было бы выбрать из группы, состоящей из кислорода, закиси азота и их смесей и т.п. соединений.

Горючая топливная смесь из по меньшей мере двух газов для использования в настоящем изобретении может быть выбрана из группы, состоящей из ацетилена

(СаНа). пропилена (СзНв), метана (СН4), этилена (СгН), метилацетилена (пропина - прим.пер.) (СзН4). пропана (СзНв), этана (СаНб), бутадиенов (СдНа), бутиленов (С4Нв), бутанов (CUHio), циклопропана (СзНе), про- пандиена (СзНз), циклобутана (С4Нв) и окиси этилена (СаНдО). Предпочтительная топливная смесь должна включать ацетиленовый газ вместе с, по меньшей мере, одним вторым горючим газом, таким как пропилен.

Для большинства применений газовая смесь из настоящего изобретения могла бы иметь атомное соотношение кислорода и углерода от приблизительно 0,9 до приблизительно 2,0, предпочтительно, от приблизительно 0.95 до приблизительно 1.6, и наиболее предпочтительно от приблизительно 0,98 до 1.4. Атомное соотношение между кислородом и углеродом ниже 0.9 должно быть а общем неподходящим из-за образования свободного углерода и сажи, в то время как их соотношение свыше 2,0 дол00

CJ

о о

00

ел

со

жно быть главным образом непригодным для карбидных и металлических покрытий в связи с тем, что пламя становится слишком окислительным.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения газовая смесь должна содержать от 35 до 80 об,.% кислорода, от 2 до 50% объем, ацетилена и 2-60 об.% второго горючего газообразного топлива. В более предпочтительном варианте изобретения газообразная топливно-оиислительная смесь должна содержать от 45 до 70 об.% кислорода, от 7 до 45 об.% ацетилена и 10-45 об.% второго горючего топлива, В другом более предпочтительном варианте изобретения газообразная топливно-окис- лительная смесь должна содержать от 50 до 65 об.% кислорода, от 12 до 26 об.% ацетилена и 18-30 об.% второго горючего газообразного топлива, такого как пропилен. В некоторых случаях может оказаться желательно добавлять к газообразной топливно-окис- лительной смеси инертный газ-разбавитель. Подходящими инертными разбавительными газами должны быть аргон, неон, криптон, ксенон, гелий иазОт.

Обычно вде известные материалы покрытий можно использовать с новой газовой смесью из настоящего изобретения. Помимо этого, известные композиции покрытий при использовании при более низких температурах и более высоких давлениях по сравнению с принятыми в технике, образуют покрытия на подложках, которые содержат известные композиции,, но обладают новыми и неочевидными физическими свойствами, такими как твердость. Примеры подходящих покровных композиций для использования с предусмотренной настоящим изобретением газовой смесью должны включать карбид вольфрама-ко- бальт, карбид вольфрама-никель, карбид вольфрама-кобальт хром, карбид вольфра- ма-нихром, хром-никель,:окись алюминия, карбид хрома - никель хром, карбид хрома- кобальт хром, вольфрам - карбид титана - никель, сплавы кобальта, окисная дисперсия в сплавах кобальта, окись алюминия, двуокись титана, сплавы на основе меди, сплавы на основе хрома, окись хрома, окись хрома совместно с окисью алюминия, окись титана, титан совместно с окисью алюминия, сплавы на основе железа, никель, сплавы на основе никеля, и т.п. Эти уникальные материалы покрытия идеально пригодны для покрытия подложек, выполненных из таких материалов, как титан, сталь, алюминий, никель, кобальт, их сплавы и т.п.

Порошками для нанесения покрытия в соответствии с настоящими изобретением

предпочтительно являются порошки, полученные с помощью процесса литья и дробления. В этом процессе составляющие компоненты порошка расплавляют и отливают в слиток оболочковой (корковой) формы. После этого этот слиток измельчают с целью получения порошка, который затем просеивают с целью получения частиц требуемого гранулометрического состава,

Однако, также могут использоваться другие формы порошка, такие как спекаемые порошки, полученные при помощи процесса спекания, и смеси порошков. В процессе спекания компоненты порошка

подвергают спеканию вместе с превращением в спекшийся брикет и затем этот брикет измельчают с целью получения порошка, который затем просеивают с целью получения частиц требуемого гранунеметрического состава.

Для иллюстрации настоящего изобретения ниже приведено несколько примеров. В этих примерах покрытия, были получены с использованием следующих порошковых

композиций, приведенных в табл.1.

Пример 1. Газовая смесь из композиций, приведенных в табл.2, каждая были введены в детонационный пйстолет-распылитель с целью получения детонируемой смеси, характеризуемой атомным соотношением между кислородом и углеродом, приведенным в табл.2.

Порошок пробы покрытия Атакже ввели

в пистолет-распылитель. Расход каждой газообразной топливо-окислительной смеси составлял 13 куб,футов в минуту/0,38 м3/мин, за исключением проб 28,29 и 30, расходы которых составляли 11 куб.футов/мин. (0,31 м /мин), и массовый расход каждого покровного порошка составлял 53,3 г/мин, за исключением пробы 29, массовый расход которой составлял 46,7 г/мин, и пробы 30, массовый расход которой составлял 40,0 г/мин. Газообразная топливная смесь в объемных процентах и атомное соотношение между кислородом и углеродом для каждого примера покрытия приведены в табл.2. Проба покровного порошка

была введена в детонационный пистолет- распылитель и в то же самое время что и газообразная топливо-окислительная смесь. Зажигание детонационного пистолета-распылителя производилось с частотой

приблизительно 8 раз в секунду, и покровный порошок в детонационном пистолете- распылителе был направлен на стальную подложку с целью получения плотного, прилегающего покрытия из фасонных микроскопичёских листиков, связанных между собой и перекрывающих один другой.

Весовое процентное содержание кобальта и углерода в покрытом слое было определено совместно с твердостью покрытия. Твердость большинства из примеров покрытия в табл.2 была измерена как поверхностная твердость по Роквеллу и пересчитана в твердость по Виккерсу. При определении поверхностной твердости по Роквеллу использован стандартный метод ASTM Е-18. Твердость измеряют на гладкой и ровной поверхности собственно покрытия, нанесенного на закаленную стальную подложку. Значения твердости по Роквеллу были пересчитаны (переведены) в значения твердости по Виккерсу по следующей формуле: HV.3 1774 + 37.433HR45N, где HV.3 - твердость по Виккерсу, полученная с помощью нагрузки 0,3 кгс, a HR45N-значение поверхностной твердости по Роквеллу, полученное на шкале N с помощью алмазного наконечника и при нагрузке 45- кгс. Твердость покрытий линии 28,29 и 30 была определена непосредственно как твердость по Виккерсу. Использованный способ определения твердости по Виккерсу по существу соответствует стандартному методу ASTM Е-384, за исключением того, что измеряли лишь одну диагональ квадратного отпечатка вместо измерения и усреднения длин обеих диагоналей. Была использована нагрузка 0,3 кгс (HV.3). Эти данные приведены в табл.2. Значения свидетельствуют о том, что для покрытий, полученных с использованием пропилена вместо азота в газообразной топливной смеси, твердость была отличной.

Эрозия является формой износа, при котором материал удаляется с поверхности под воздействием ударяющих о нее частиц. Эти частицы обычно являются твердыми и переносятся либо газообразным, либо жидкостным потоком, хотя эти частицы могут представлять собой жидкость, перемещаемую газовым потоком.

Для измерения степени эрозионного износа покрытий, представленных в примерах, была использована методика испытаний, аналогичная методу, описанному в ASTM 76-83, По существу приблизительно . 1,2 г/Мин, глиноземистого абразива подают в газовом потоке к соплу, установленному на короткой оси, так что она может устанавливаться для различных углов атаки частиц при поддержании постоянного расстояния. Обычно на практике принято испытывать покрытия при углах атаки как 90°. так и 30°.

В процессе испытания ударяющиеся о поверхность частицы создают на испытуемом образце кратер. Определенную глубину рубца кратера делят на количество

абразивного материала, воздействовавшего на образец. Результаты износа в микрометрах (микронах) на один грамм абразивного материала принимают за скорость эрозионного износа (мкм/г). Эти данные также приведены в табл.2.

Данные о твердости и эрозионном износе свидетельствуют о том, что при использовании смеси ацетилена, углеводородного газа и кислорода вместо разбавленной азотом ацетилено-кислородной смеси можно получить покрытие, обладающее более высокой твердостью при одном и том же содержании кобальта (сравните образец покрытия 9 с образцами покрытия 22 и 23)

или характеризуемое более высоким содержанием кобальта при одинаковой твердости (сравните образец покрытия 1 с образцом покрытия 22),

Пример 2. Газовая топливно-окислительная смесь из композиций, приведенных в таблице 3, каждая была введена в детонационный пистолет-распылитель при объемном расходе 13,5 куб.футов в минуту (0,385 м /мин) с целью образования детонируемой смеси, характеризуемой атомным соотношением между кислородом и углеродом, также представленным в табл.3. В качестве порошка покрытия был использован образец А, и топливно-окислительная смесь

и расход порошка соответствуют также приведенным в табл.3. Аналогично примеру 1, были определены твердость по Виккерсу и скорость эрозии (мкм/г), и эти данные приведены в табл.3. Как хорошо видно из этих

данных, для получения газообразной топ- ливно-окислительной смеси в соответствии с настоящим изобретением для покрытия подложек можно использовать различные углеводородные газы вместе с ацетиленом,

Данные о твердости по Виккерсу иллюстрируют то, что используя смесь ацетилена, углеводородного газа и кислорода вместо смеси ацетилена, кислорода и азота можно получить либо покрытие, обладающее более

высокой твердостью при одинаковом содержании кобальта (сравните образцы покрытия образцов 5 и 10 с образцом покрытия образца 23 в табл.2), или покрытие, обладающее более высоким содержанием кобальта при одинаковой твердости (сравните покрытия образцов 6, 11с покрытием образца 22 в табл.2).

Пример 3. Газообразная топливно- окислительная смесь из композиций, приведенных в табл.4, каждая была введена в детонационный пистолет-распылитель с целью образования детонируемой смеси, характеризуемой атомным соотношением между кислородом и углеродом, также приведенным в табл.4. В качестве покрытия по- ро.шка был использован образец В, а топливно-окислительная смесь соответствует также представленной в табл.4..Объемный расход газа составил 13,5 куб.фута/млн. (0,385 м /мин) с расходом, приведенным в табл.4. Аналогично примеру 1, были определены твердость и скорость эрозии (мкм/г), и эти данные приведены в табл.4. В то время как спекшиеся порошки не демонстрируют большое изменение в содержании кобальта в зависимости от изменений температуры пистолета-распылителя, покрытия более высокой прочности с эквивалентными содержаниями кобальта можно получить с помощью смесей ацетилена, углеводородного газа и кислорода, чем с помощью а.цетилено-кислородо-азотных смесей (сравните покрытия образца 4 с по- крытием образца 1).

Пример 4. Газообразная топливно- окислительная смесь из композиций, приведенных в табл.5, каждая была введена в детонационный пистолет-распылитель с целью образования детонируемой смеси, характеризуемой атомным соотношением между кислородом и углеродом, также приведенным в табл.5. В качестве порошка покрытия был использован образец С, а топливно-окислительная смесь также соответствует смеси, проиллюстрированной в табл.5. Объемный расход газа составил 13,5 куб.футов/мин (0,385 м /мин) при расходе, приведенном в табл.5. Аналогично примеру 1, были определены твердость по Виккерсу и скорость эрозии (мкм/г) и эти данные приведены в табл.5. Данные твердости по Виккерсу свидетельствуют о том, что с помощью смеси ацетилена, углеводородного газа и кислорода вместо ацетиленр-кислородо- азотной смеси можно получить покрытие, обладающее более высокой твердостью при одинаковом содержании кобальта (сравните образец покрытия 2 с образцом покрытия 1).

Пример 5. Газообразная топливно- окислительная смесь из композиций, приведенных & табл.6, каждая была введена в детонационный пистолет-распылитель с целью образования детонируемой смеси с атомным соотношением между кислородом и углеродом, соответствующим также приведенному в табл.6. В качестве порошка покрытия был использован порошок D, а

топливно-окислительная смесь также соответствует приведенной в табл.б, Объемный расход газа составлял 13,5 куб.фута в минуту (0,385 м3/мин), за исключением покрытий

образцов 17,18 и 19, объемный расход газа для которых составлял 11,0 куб.футов в минуту (0,312 м3/мин), и весовой расход (порошка - прим.пер.) составлял 46,7 г/мин. Аналогично примеру 1, были определены

твердость по Виккерсу и скорость эрозии (мкм/г) и эти данные приведены в таблице 6. Данные твердости по Виккерсу свидетельствуют о том, что с помощью смеси ацетилена, углеводородного газа и кислорода

вместо ацетилено-кислородо-азотной смеси можно получить либо покрытие, характеризуемое более высокой твердостью при одинаковом содержании кобальта (сравните покрытие образца 5 с покрытием образца

17) или покрытие, характеризуемое более высоким содержанием кобальта для одной и той же твердости (сравните покрытие образца 5 с покрытием образца 18).

С целью дополнительно подчеркнуть

возможность использования новой газообразной композиции для покрытий различного типа прилагается пример, в котором покрытие нового типа сопоставляется с ранее известным в эксперименте по нанесению вольфрам-хром карбидного никелевого покрытия на подложку. Как очевидно, из данных, приведенных в этом примере, твердость покрытия, при нанесении которого используют новую газовую композицию, оказалось более высокой, как это определили в ходе испытания на твердость по Роквел- лу. Кроме того, испытания на истирание песком и эрозию показали, что покрытие,

нанесенное с использованием новой газообразной композиции, превосходит ранее известные.

Испытание на истирание песком.

Для испытания покрытий на стойкость к

абразивному истиранию Американское общество по испытанию материалов (ASTM) рекомендует использовать нижеследующую практическую методику С-65. 8 ходе проведения такого испытания покрытие истирают порошком, который прижимают к покрытию вращающимся резиновым колесом,

Конкретно в качестве порошка использовал и кремнеземный песок с размером частиц 50-70 меш (0.188-0,140 мм). Это резиновое колесо было выполнено из хлор- бутилового каучука с твердостью по твердомеру А58-60. Скорость вращения колеса составляла 200 об./мин. Такое колесо прижимали к поверхности покрытия с использованием груза весом 30 фунтов 13,6 кг в течение цикла из 600 об. Износ измеряли по потере материала покрытия за 1000 об.

Испытание на эрозию.

Стойкость покрытия к эрозии определяли в ходе проведения испытания в соответствии с рекомендованной ASTM методикой С-76. В этом испытании твердые частицы (окись алюминия, 27 мкм) захватываются струей газа (аргона) и направляются на поверхность покрытия, обычно под углом 30 или 90° к горизонтали. Эрозию измеряют по потере материала покрытия на единицу количества частиц.

Значения средней твердости, истирания песком и эрозии сведены в табл.2 для нескольких покрытий из продуктов образца покрытия А и образца покрытия В, восстановленного по способу образца А и способу образца В (соответственно).

При м е р. В детонационный пистолет для приготовления детонирующей смеси вводили газообразную топливно-ркисли- тельную смесь, состав которой как образец способа А и образец способа В приведен в нижеследующей таблице. В детонационный пистолет вводили также порошок, который содержал приблизительно 67 вес.% вольфрама, примерно 22 вес.% хрома, около- 6 вес.% угля и приблизительно 5 вес.% никеля. Расход потока каждой из газообразной топливно-окислительной смеси составлял от 11 до 13 куб.футов/мин, 0,31-0,37 куб./мин, а расход потока каждого из порошков для нанесения покрытий был равным 14,0 г/мин. Объемный процент газообразной топливной смеси и атомарное соотношение между кислородом и углеродом для каждого покрытия приведены в табл.1. Образец порошка для нанесения покрытия вводили в детонационный пистолет одновременно с газообразной топливно- окислительной смесью. Детонационный пистолет приводился в действие со скоростью приблизительно 8 раз/с, а порошок для нанесения покрытий в детонационном пистолете направляли на стальную подложку, причем в расплавленном состоянии с образованием плотного и прочно сцепленного покрытия в форме микроскопических листьев, которые сращиваются и перекрывают друг друга.

Покрытие, наносимое с использованием способа образца А. носит название образца покрытия А, а покрытие, наносимое с использованием способа образца В, носит название образца покрытия В. Было установлено, что образец покрытия А включает

в себя матрицу с аморфной фазой, обьем которой составляет, по меньшей мере, 25%, в то время как образец покрытия В, как было установлено, включает в себя матрицу с аморфной фазой, обьем которой равен менее 15%, что определили анализом электронной микроскопии просвечивающего типа.

Испытания на твердость. Значения твердости покрытий измеряли с помощью прибора для определения поверхностной твердости по Роквеллу. Твердость по Роквеллу измеряли на поверхности покрытия в соответствии со стандар- тным методом ASTM E-18. При этом использовали шкалу поверхностной твердости 45N.

Формула изобретения 1 .Газовая смесь для детонационного на- пыления покрытий, содержащая кислородсодержащий окислитель и ацетилен, отличающаяся тем, что, с целью повышения твердости покрытий, она дополнительно содержит углеводород жирного ряда или ряда этилена при атомном соотношении между кислородом и углеродом от 0,9 до 2,0 от общего количества смеси и следующем содержании компонентов, об.%:

Окислитель35-80

Ацетилен2-50

Углеводород жирного ряда или этилена2-60.

2.Смесьпоп.1,отличающаяся тем,

что в качестве углеводорода жирного ряда или ряда этилена она содержит газ, выбранный из группы, включающей пропилен, метан, этилен, метилацетилен, пропан, пентан, бутадиен, бутилен, бутан, окись этилена, этан, циклопропан, пропандиен, цик- лобутан и их смеси.

3.Смесь по пп.Т и2,отличающая- с я тем, что в качестве кислородсодержащего окислителя она содержит кислород или

закись азота, или их смеси.

4,Смесь по пп.1-3,.о тличающаяся тем, что она содержит инертный газ, выбранный из группы, включающей аргон, неон, криптон, ксенон, гелий и азот в качестве

разбавителя.

т а С я и ц а 1

Использование: нанесение покрытий из порошковых материалов с помощью детонационного пистолета распылителя. Сущность изобретения: газовая смесь для нанесения покрытий содержит кислородсодержащий окислитель и топливную смесь из двух горючих газов, таких как ацетилен и пропилен. 3 з.п.ф-лы. 8 табл.

не (I) измерена кэк поверхностная твердость по Роквеллу и переведена в твердость по Оиккерсу, если мет ЛРУГИХ указаний по знаком звездочки ( ).

Свойства покрытий, полученных из порошка А

ТаблицаЗ

15

Свойства покрытий, полученных из порошка С

Примечание. (1) Определена как поверхностная твердость по Роквеллу и

переведена а значение твердости по Виккерсу, если в противном случае нет другого указания под знаком звездочки

1830085

16

Т а б л и ц а 5.

Номинальные параметры детонационного пистолета для нанесения покрытия

Та б л и ц а 7

Таблица 8