порошковый материал для напыления покрытий и литейная форма многократного использования

Формула изобретения

1. Порошковый материал для напыления покрытий, содержащий хром, никель и/или кобальт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 15 - 30

Иттрий 0,1 - 1,0

Никель и/или кобальт 69,9 - 84,9

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Хром 15 - 30

Иттрий 0,1 - 1,0

Кобальт 15 - 60

Никель 40 - 60

3. Литейная форма многократного использования, содержащая многослойное покрытие с никелевым слоем на внутренней поверхности формы, промежуточным слоем и пористым керамическим слоем, отличающаяся тем, что промежуточный слой образован путем наполнения покрытия из порошкового материала, содержащего хром, иттрий, никель и/или кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 15 - 30

Иттрий 0,1 - 1,0

Никель и/или кобальт 69,9 - 84,9

а керамический слой содержит 85 - 98 мас.% оксида циркония и 2 - 15 мас.% оксида иттрия, при этом форма выполнена из меди или медного сплава.

4. Форма по п. 3, отличающаяся тем, что промежуточный слой образован путем напыления покрытия из порошкового материала, содержащего хром, иттрий, кобальт и/или никель при следующем соотношении, мас.%:

Хром 15 - 30

Иттрий 0,1 - 1,0

Кобальт 15 - 60

Никель 40 - 60

5. Литейная форма многократного использования, содержащая многослойное покрытие на внутренней поверхности формы, включающее внешний пористый керамический слой с металлическим подслоем, отличающаяся тем, что металлический подслой образован путем напыления покрытия из порошкового материала, содержащего хром, иттрий, никель и/или кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 15 - 30

Иттрий 0,1 - 1,0

Никель и/или кобальт 69,9 - 84,9

а керамический слой содержит 98 - 85 мас.% оксида циркония и 2 - 15 мас.% оксида иттрия, при этом форма выполнена из чугуна, стали или специального сплава на основе железа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается материала покрытия, полученного распылением из порошкового металла, которое обеспечивает хорошие свойства покрытия, полученного распылением, на основном материале, а также отличную прочность, теплостойкость и износостойкость, и способно улучшить свойства литейных форм многократного использования.

Известен материал для получения покрытия распылением, который состоит из Ni, Co, Cr, Al и V и имеет состав, содержащий 25% Co, 13% Al, 17% Cr, 0,45% V и остальное Ni. Материал, полученный распылением, обеспечивает отличные свойства покрытия, получаемого распылением, и отличную тепло- и износостойкость, но имеет недостаток, который проявляется, когда покрытие входит в контакт с расплавом магния или сплава магния, или алюминия, или сплава алюминия, например, когда расплав такого сплава находится в литейной форме и алюминий в материале покрытия, полученного распылением, может осаждаться на слитке и/или алюминий, или магний из расплава может адгезионно взаимодействовать с покрытой путем распыления подложкой или литой заготовкой.

Задачей изобретения является создание порошкового материала для напыления покрытий и литейных форм многократного использования, содержащих на внутренней поверхности промежуточный слой из порошкового материала.

Целью изобретения является повышение износостойкости.

Для достижения цели порошковый материал для напыления покрытий, который содержит два или больше таких элементов, как Ni, Cr, Co, и 0,1-1,0% Y, в котором, если присутствует Cr, то содержание Cr находится в диапазоне 15-30 мас. % и основу составляет Ni и/или Со. Недостатки, свойственные предшествующему уровню техники, могут быть устранены путем создания такого материала для нанесения покрытия распылением из порошкового металла.

Порошковый материал для напыления покрытий, полученный согласно изобретению, обеспечивает очень хорошие свойства покрытия, нанесенного распылением на основной металл или на подслой из Ni, и показывает отличную прочность, как слой для связывания или соединения основного металла или подслоя с керамическим слоем, отличное осаждение керамического слоя, нанесенного на него распылением, в силу окисленности покрытия, образуемого Ni, Cr или Со под действием Y. Для таких свойств выгодно, чтобы каждый из компонентов материала покрытия использовался в количестве в пределах приведенных диапазонов. Если используется Y в количестве меньше, чем названный диапазон, окисление покрытия может быть недостаточным, тогда как, если количество Y слишком большое, может образоваться чрезмерно окисленное покрытие, имеющее плохую прочность и износостойкость. Если количество Ni, Cr или Со будет больше или меньше названных диапазонов, характеристики сплава могут быть утрачены, и результирующий материал для покрытия распылением будет иметь ухудшенные свойства.

Для получения предложенного порошкового материала для напыления покрытий осуществляют плавление и гомогенизацию индивидуальных исходных металлов Ni, Co, Cr и Y в вакууме, и формирование металлов в порошковой форме посредством газового распылителя.

Изобретение обеспечивает получение литейной формы из меди или медного сплава для установки периодического литья, содержащей никелевый подслой, образованный на внутренней поверхности подложки литейной формы, промежуточный слой, полученный напылением порошкового металла, согласно изобретению и пористый слой керамического покрытия ZrO₂/Y₂O₃, как верхний покрывающий слой, причем состав керамического слоя содержит 98-85 мас.% ZrO₂ и 2-15 мас.% Y₂O₃.

Изобретение предусматривает создание литейной формы для периодического литья, содержащей на внутренней поверхности подложки формы из чугуна, стали или специального сплава на базе железа, покрытие, полученное распылением материала порошкового металла и слой пористого керамического покрытия ZrO₂/Y₂O₃, как верхний покрывающий слой, причем состав керамического слоя содержит 98-85 мас.% ZrO₂ и 2-15 мас.% Y₂O₃.

Базовый металл, на который может быть нанесен материал порошкового металла путем покрытия распылением, включает в себя чугун, сталь, специальные сплавы на основе железа, медь или медные сплавы. Места, в которых может использоваться наносимый распылением материал, не ограничены, но выгодно, чтобы они распылялись на местах, в которых расплав алюминия или алюминиевого сплава, или магния, или магниевого сплава будет входить в контакт с ними, например на поверхности, контактирующие с расплавленным металлом в изложнице, ковше и литниковой чаше, иной чем тигель в плавильной печи.

Наносимый распылением порошковый материал, полученный названным способом, может наноситься распылением традиционными способами, такими как плазменное напыление и высокотемпературное напыление.

Промежуточный слой, полученный после покрытия распылением, имеет отличную теплостойкость, так что может выдержать температуру до 1300^оС.

Керамический слой служит для удаления газа во время литья, а также для значительного улучшения теплостойкости и прочности литейной формы, он имеет очень хорошее осаждение на слой порошкового материала покрытия, полученного распылением.

Литейная форма, снабженная такими слоями, показывает прочность, достаточную, чтобы выдерживать получение дроби, например 35000 гранулирований в процессе литья, по сравнению с предшествующей литейной формой, используемой в производстве литейной продукции из алюминия, алюминиевого сплава, магния или магниевого сплава, даже если базовый металл является медным сплавом.

Примеры, в которых материал покрытия, полученного распылением, наносится на заготовку литейной формы (кристаллизаторы) из медного сплава, описываются ниже.

Во первых, образуется никелевый покрывающий слой на внутренней поверхности подложки литейной формы (кристаллизатора), выполненной из медных сплавов 1-8, приведенных в таблице (основой каждого сплава в таблице является медь), толщиной от 59 до 300 нм, в частности от 100 до 200 нм, обычным способом, и слой наносимого распылением материала, имеющего состав предлагаемого сплава, наносился на покрывающий никелевый слой толщиной от 50 до 600 нм, в частности от 200 до 300 нм, способом плазменного напыления при температуре, примерно, от 1000 до 5000^оС или способом высокотемпературного напыления при температуре, примерно, 2700^оС при охлаждении водой посредством водотрубного охлаждающего устройства внутри литейной формы, когда это необходимо. Затем керамический покрывающий слой состава, содержащего 98-85% , в частности 95-90 мас.% ZrO₂ и 2-15% в частности, 5-10 мас.% Y₂O₃, образовывался распылением в аналогичных условиях. В керамическом слое было образовано большое число открытых пор и поэтому он был пористым. Размер пор пористого слоя не настолько большой, чтобы создавать неровность на поверхности отлитого изделия, и является таким, что поры могут наблюдаться с помощью микроскопа.

Литейная форма (кристаллизатор), выполненная с использованием покрытия из материала, наносимого распылением, имеет слой, который является очень хорошим, как связующий слой, несмотря на значительное отличие коэффициентов теплового расширения между слоем и базовым металлом. Этот слой материала, нанесенного распылением, имеет высокую прочность и высокую износостойкость. Литейная форма (кристаллизатор), выполненная названным способом, способна выдержать 35000 твердых вкраплений в процессе литья без необходимости применения смягчающего лицевого материала на внутренней поверхности литейной формы.

Примеры производства.

1. 445,5 г никеля, 350 г кобальта, 200 г хрома и 5,5 г иттрия были расплавлены в плавильном тигле, который приводился в вакуумные условия с помощью вакуумного насоса, полученный расплав затем формовался в тонкий порошок со средним размером частиц 30 нм посредством газового распылителя.

2. Тонкий порошок со средним размером частиц 50 мкм был образован таким же способом, как в примере 1, за исключением того, что использовалось 490,5 г никеля, 330 г кобальта, 174 г хрома и 5,5 г иттрия.

3. 795,5 г никеля, 200 г хрома и 4,5 г иттрия плавились в плавильном тигле, приводимом затем в условия вакуума с помощью вакуумного насоса, и полученный расплав затем формовался в тонкий порошок со средним размером частиц 30 мкм с помощью газового распылителя.

4. Тонкий порошок со средним размером частиц 50 мкм был образован как в примере 3, за исключением того, что использовалось 664,5 г никеля, 330 г кобальта и 5,5 г иттрия.

5. 795,5 г кобальта, 200 г хрома и 5,5 г иттрия было расплавлено в плавильном тигле, который приводился в условиях вакуума с помощью вакуумного насоса, и полученный расплав затем формовался в тонкий порошок со средним размером частиц 30 мкм с помощью газового распылителя.

Примеры использования.

1. Никелевый покрывающий слой толщиной 200 нм был образован способом электролитического покрытия на внутренней поверхности заготовки литейной формы, выполненной из медного сплава 2, содержащего 0,15 мас.% циркония и имеющего коэффициент удельной теплопроводности 7. Затем материал для покрытия распылением, образованный согласно примеру производства 1, наносился на него способом плазменного напыления при 8000^оС для образования покрывающей пленки толщиной 150 мкм.

Керамическая смесь, состоящая из 92 мас.% ZrO₂ и 8 мас.% Y₂O₃, наносилась на образованный таким образом металлический покрывающий слой толщиной 250 мкм аналогичным способом покрытия распылением. В этом случае температура покрытия распылителем была 8000^оС. Большое количество очень небольших пор присутствовало в керамическом слое и поэтому последний был пористым.

Литейная форма из медного сплава, выполненная таким образом, использовалась для производства кожуха из алюминиевого сплава для двигателя автомобиля в процессе литья с охлаждением до 350-400^оС, в результате, даже если проводилось 35000 гранулирований металла, какое-либо изменение на поверхности литейной формы еще не наблюдалось и поверхность отлитого изделия была удовлетворительной.

2. Многократная литейная форма была образована таким же образом, как в примере использования 1, за исключением того, что использовалась заготовка литейной формы, выполненной из медного сплава 7, содержащего 0,2 мас.% титана, и имеющей коэффициент удельной теплопроводности 5, использовался материал для покрытия распылителем, полученный в примере производства 2, и керамическая смесь 92 мас.% ZrO₂ и 8 мас.% Y₂O₃. Эта литейная форма использовалась для проведения экспериментов литья для изготовления кожуха из алюминиевого сплава для автомобильного двигателя в процессе литья, как в примере использования 1, в результате, даже если проводилось 35000 гранулирований, какое-либо изменение поверхности литейной формы не отмечалось и поверхность отлитого изделия была удовлетворительной.

3. Форма из медного сплава была образована как в примере использования 1, за исключением того, что использовался материал для покрытия распылением, полученный в примере производства 3. Эксперимент литья для производства кожуха из алюминиевого сплава для автомобильного двигателя в процессе литья проводился в литейной форме по примеру использования 1, в результате даже если проводилось 35000 гранулирований, какое-либо изменение на поверхности формы не отмечалось и поверхность отлитого изделия была удовлетворительной.

4. Многократная литейная форма была образована как в примере использования 2, за исключением того, что использовался материал для покрытия распылением, полученный в примере производства 4. Эксперимент литья для изготовления кожуха из алюминиевого сплава для автомобильного двигателя в процессе литья проводился в литьевой форме по примеру использования 1, в результате, даже если проводилось 35000 гранулирований, какое-либо изменение на поверхности формы не наблюдалось и поверхность отлитого изделия была удовлетворительной.

5. Многократная форма была образована как в примере использования 2, за исключением того, что использовался материал для покрытия распылением, полученный в примере производства 5. Эксперимент литья для получения кожуха из алюминиевого сплава для автомобильного двигателя в процессе литья проводился в литейной форме по примеру использования 1, в результате, даже если проводилось 35000 гранулирований, какое-либо изменение на поверхности литейной формы не отмечалось и поверхность отлитого изделия была удовлетворительной.

6. Многократная форма была образована как в примере использования 2, за исключением того, что использовался материал для покрытия распылением, полученный в примере производства 3, который напылялся на внутреннюю поверхность заготовки стальной формы без покрытия распылением никеля.

Эксперимент литья для получения кожуха из алюминиевого сплава для автомобильного двигателя в процессе литья проводился в форме по примеру использования 1, за исключением того, что охлаждение не проводилось, в результате, даже если проводилось 35000 гранулирований, изменений на поверхности литейной формы не наблюдалось и поверхность отлитого изделия была удовлетворительной.

Как следует из примеров 1-6, материал для покрытия распылением согласно изобретению является удовлетворительным в отношении свойств слоя для связывания или соединения базового металла и керамического слоя.

Сравнительные примеры.

1. Используя материал для покрытия распылением, который содержит 55 мас. % кобальта, 30 мас.% молибдена и хром в качестве баланса, его наносят на базовый металл путем напыления, как в примере использования 1. Затем на него наносится керамический материал, описанный в примере использования 1, путем напыления, в результате керамический материал осаждался неудовлетворительно.

2. Тот же порядок действий, как в примере использования 1, повторялся, за исключением того, что использовался в качестве материала для покрытия, полученного распылением, порошковый сплав, содержащий 25 мас.% кобальта, 3 мас. % алюминия, 17 мас.% хрома, 0,45 мас.% иттрия и 54,55 мас.% никеля. Испытание проводилось как в примере использования 1, в результате наблюдалось отслаивание поверхности отлитого изделия из алюминиевого сплава после охлаждения.

Это происходит в результате адгезии алюминия в расплавленном металле к алюминию в связующем слое через микропоры в керамическом слое.