порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия

Формула изобретения

Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый методом механического смешивания двух порошков, одним из которых является порошок на основе сплава алюминия с никелем, отличающийся тем, что в качестве второго компонента берется высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%:

Углерод	4,0-4,5
Хром	32-34
Кремний	1,7-2,0
Марганец	2,5-2,7
Бор	1,6-1,8
Железо	Остальное

при равном соотношении компонентов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам порошков для нанесения композиционных износостойких покрытий газотермическими методами, и может быть использовано для получения износостойких покрытий на различных деталях машин и оборудования, подвергающихся интенсивному износу различного вида в процессе эксплуатации при температуре выше 600°С.

Известен порошок для газотермического напыления покрытий на основе алюминия, плакированного никелем: Al-Ni. Покрытие, получаемое при напылении порошка Al-Ni, имеет неоднородную фазовую структуру и наряду с интерметаллидными соединениями и твердыми растворами содержит также оксид алюминия Al₂O ₃, попадающий в покрытие из исходных порошков алюминия. Покрытия, получаемые из плакированных порошков Al-Ni, имеют низкую микротвердость, лежащую в диапазоне 4000-9000 МПа. Многофазность покрытия часто приводит к разрушению из-за его расслоения, что ограничивает условия и диапазон рабочих температур (2039125, МПК С 23 С 4/08, Б.И. 15.08.91).

Известны порошковые материалы для нанесения износостойких покрытий из стали (Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыление покрытия. М.: Металлургия, 1987, с.753). Недостатком известных порошковых материалов является недостаточная прочность сцепления получаемых покрытий с основой, а также необходимость в дополнительной термической обработке покрытий (закалке), требующей значительных энергетических затрат и в ряде случаев приводящей к термическим деформациям изделий.

За прототип принят порошковый материал для получения износостойких покрытий, представляющий собой механическую смесь карбида титана и сплава алюминия с никелем (2055936, МПК С 23 С 4/04, Б.И. 01.11.93).

Недостатком покрытий, получаемых из известного порошкового материала, является низкая теплостойкость, т. к. при повышенной температуре происходит реакция взаимодействия Ni с TiC, при которой выделяется чистый углерод С из соединений TiC и за счет диффузии наполняет матрицу Ni, что создает повышенное содержание С по границам зерен структуры покрытия. Это приводит к снижению прочности покрытия и повышению его хрупкости. В результате, в процессе эксплуатации при температуре 600°С и ресурсах более 40 часов образуются микротрещины на поверхности.

Основной задачей изобретения является повышение износостойкости покрытия за счет качественного изменения одного из компонентов и выбора диапазона соотношений вводимых компонентов.

Сущностью изобретения является то, что состав для газотермического напыления покрытий, содержащий механическую смесь двух порошков, порошка на основе сплава Al-Ni и высокоуглеродистого легированного сплава с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%:

Углерод	4.0-4.5
Хром	32-34
Кремний	1.7-2.0
Марганец	2.5-2.7
Бор	1.6-1.8
Железо	Остальное

при равном соотношении компонентов.

При введении в состав покрытия Ni-Al сплава в количестве, меньшем предполагаемого, не происходит существенного повышения износостойкости покрытия из-за существования в его структуре хрупкого каркаса высокоуглеродистого легированного сплава на основе хрома.

При введении в состав покрытия Ni-Al сплава в количестве, большем предполагаемого, снижается твердость покрытия и его результирующая износостойкость.

Проведенные эксперименты показывают, что оптимальный гранулометрический состав порошков, входящих в механическую смесь, находится в пределах, мкм:

Al-Ni сплав	40-100
Высокоуглеродистый легированный сплав
с высоким содержанием хрома	40-80

В этом случае состав покрытия соответствует с точностью ±3% составу исходной смеси.

При использовании порошков, в которых содержатся частицы с размером менее 40 мкм, основная часть мелких частиц не будет участвовать в формировании покрытия вследствие их аэродинамического уноса, поэтому на их долю снижается коэффициент использования напыляемого материала.

При использовании порошков, в которых содержатся частицы размером выше указанного предела, также происходит ряд негативных явлений. Крупные частицы либо не оплавляются, либо оплавляются лишь с поверхности, вследствие чего увеличивается их отскок от основы, снижается коэффициент использования напыляемого материала, меняется состав материала покрытия. Кроме того, крупные, не прогретые до плавления частицы и вошедшие в покрытие, ослабляют его прочность и повышают пористость.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показал, что предлагаемый порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия отличается от прототипа тем, что он содержит высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома при предлагаемом соотношении компонентов порошкового материала и при предлагаемом гранулометрическом составе порошков. Плазменное покрытие, полученное из данного композиционного порошкового материала, обеспечивает высокую износостойкость в процессе эксплуатации при температурах выше 600°С. Таким образом, предлагаемое решение обладает «новизной».

Пример 1. Для экспериментальной проверки предлагаемого решения были подготовлены образцы порошковых материалов для нанесения износостойкого газотермического покрытия: порошок на основе сплава Al-Ni и высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%: углерод 4.0-4.5, хром 32-34, кремний 1.7-2.0, марганец 2.5-2.7, бор 1.6-1.8, железо - остальное. Порошки были взяты в различных пропорциях (таблица 1).

Подготовка порошков осуществлялась следующим образом:

1) сушка порошков-компонентов при Т=150-200°С 1,5-2 часа;

2) просев порошка на основе сплава Al-Ni через сито 0,04 и 0,1;

высокоуглеродистого легированного сплава через сито 0,08 и 0,04;

3) смешивание порошков в вышеуказанных пропорциях в специальных машинах. Время смешивания 4 часа.

Нанесение покрытий осуществлялось на установке газоплазменного напыления УПУ-8М.

Полученное покрытие представляет собой двухслойную структуру: первый слой (связующий) - порошок на основе сплава Al-Ni; второй слой (износостойкий) - композиционный порошковый материал. Режимы процесса напыления представлены в таблице 2.

Микроструктура полученного покрытия исследовалась на микроскопе ЛВ-31 методом оптической металлографии. Обработка полученных изображений осуществлялась с помощью программы Image Expert Pro.3. Результаты сравнительных исследований приведены в таблице 1. Результаты показывают: наилучшими характеристиками обладает покрытие, полученное из механической смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al-Ni сплав	50
Высокоуглеродистый легированный сплав
с высоким содержанием хрома	Остальное

Пример 2. Провели сравнительный анализ рассматриваемого порошкового материала, при соотношении компонентов, мас.%:

Al-Ni сплав	50
Высокоуглеродистый легированный сплав
с высоким содержанием хрома	Остальное

и порошкового материала-прототипа, содержащего карбид титана и сплав алюминия с никелем, при соотношении компонентов, мас.%:

TiC	90
Сплав алюминия с никелем	Остальное

Результаты анализа представлены в таблице 3.

На основании приведенных данных видно, что порошок позволяет получить покрытие с более высокой износостойкостью при t=600°C, чем у покрытия, изготовленного из порошка по прототипу.

ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ

Таблица 1
Пример	Состав порошкового материала, мас.%		Характеристика структуры нанесенного покрытия
	Высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома	Al-Ni сплав
1	80	20	Покрытие сформировано матрицей из Al-Ni сплава, в которой распределены частицы высокоуглеродистого легированного сплава. Наблюдается непроплав отдельных частиц (порядка 3%), обусловленный ухудшением энергетики формирования покрытия. Покрытие отличается повышенной хрупкостью
2	50	50	Структура покрытия сходна с описанной в п.1. Непроплавленные частицы и хрупкость отсутствуют.
3	20	80	Структура однородная, нерасплавленные частицы отсутствуют. Повышенное содержание пластичной матрицы приводит к снижению износостойкости и твердости покрытия

Таблица 2 Режимы процесса напыления
Напыляемый слой		Связующий			Износостойкий
Напряжение, В		55			55
Сила тока, А		330			420
Дистанция, мм		110			80
Таблица 3
Материал	Состав напыляемого порошкового материала, мас.%			Износостойкость нанесенного покрытия при t=20°С, мг/ч		Износостойкость нанесенного покрытия при t выше 600°С, мг/ч
1	Высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома		50	4		4
	Al-Ni сплав		остальное
2	TiC		90
	Сплав алюминия с никелем		остальное	4		6