Порошковый материал для газотермических покрытий

 

Порошковый материал для газотермических покрытий состоит из смеси самофлюсующегося матричного сплава на основе кобальта и 25-50 мас.% тугоплавкой добавки на основе оксида алюминия, содержащей, мас.%: алюминий 4-5; хром 40-42; оксид хрома 12-15. 3 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при нанесении покрытий на детали, эксплуатируемые при одновременном воздействии ударных нагрузок, износа и повышенных температур.

Известен порошок для плазменного нанесения жаростойких покрытий, содержащий Ni-Cr-основу и тугоплавкую добавку в виде Al₂O₃ [1] в количестве 0-30 мас. Покрытие наносится без последующего оплавления, так как в состав материала основы не входят бор и кремний, обеспечивающие самофлюсование покрытия. В связи с этим невозможно достичь высокой адгезии напыленных слоев, а следовательно, использовать покрытие при ударном нагружении.

Известен порошковый материал для нанесения покрытий типа "стеллит" самофлюсующийся сплав на основе никеля или кобальта, содержащий Cr, B, Si, C, W [2] Поскольку у бора и кремния сродство к кислороду больше, чем у других металлов, входящих в эти сплавы, при нагревании покрытия происходит их оплавление. Оксиды бора и кремния образуют шлаки, которые всплывают на поверхность. Такая обработка позволяет удалить поры и увеличить прочность сцепления покрытия с основой.

Однако работоспособность таких покрытий ограничена температурой 850^оС и они недостаточно износостойки.

В качестве прототипа выбран состав на основе стеллита, содержащий тугоплавкую добавку в виде Al₂O₃ и AlCr₂ [3] при следующем соотношении компонентов, мас. тугоплавкая добавка 25-50; стеллит остальное, при этом состав тугоплавкой добавки следующий, мас. Al₂O₃ 34-55; AlCr₂ 45-66. Недостаток этого материала состоит в том, что его составом сложно управлять с точки зрения влияния на свойства покрытия, так как содержится всего 2 компонента и Al и Cr присутствуют в связанном состоянии.

Задачей изобретения является создание порошкового материала для газотермических покрытий, состав которого позволяет получать износо- и жаростойкие покрытия с расширением температурного интервала их работы до 1200^оС.

Указанная задача решается следующим образом. Известный порошковый материал для гaзотермических покрытий, состоящий из смеси порошка самофлюсующегося матричного сплава на основе кобальта и 25-50% тугоплавкой добавки, содержащей оксид алюминия, согласно изобретению, тугоплавкая добавка дополнительно содержит алюминий, хром, оксид хрома при следующем соотношении компонентов, мас. Алюминий 4-5 Хром 40-42 Оксид хрома 12-15 Оксид алюминия Остальное В ходе исследований были установлены пределы входящих в состав порошка компонентов. При содержании в покрытии добавки менее 25% не достигаются требуемые износостойкость и жаростойкость покрытий (табл. 1). Это объясняется недостатком твердых зерен. В случае превышения верхнего предела (50%) самофлюсующийся сплав-стеллит плохо смачивает тугоплавкую добавку, так как перестает течь вследствие малого его количества, что является причиной снижения износостойкости из-за выкрашивания твердых зерен. Плохо смачивание стеллитом добавки приводит к увеличению пористости, а следовательно, и жаростойкости. Оптимальное содержание добавки составляет 40% Жаростойкость покрытий предлагаемого состава (табл. 2) повышается в 1,2-1,5 раза (800^оС, 1200^оС) с максимальным различием при температуре 1200^оС.

Следующим отличительным признаком предлагаемого технического решения является состав тугоплавкой добавки. Запредельные изменения содержания компонентов (увеличение Al₂O₃ и Cr, уменьшение Cr₂O₃ и Al) приводят к снижению износостойкости покрытий, так как несмотря на баланс микротвердости в системе увеличивается ее хрупкость (за счет влияния Cr); износ осуществляется по механизму выкрашивания твердых зерен (Al₂O₃ и Cr₂O₃) вследствие недостаточного содержания металла-связки (Al). Другое запредельное изменение компонентов тугоплавкой добавки (увеличение Cr₂O₃ и Al, уменьшение Al₂O₃ и Cr) также приводит к снижению износостойкости покрытий, в данном случае изнашивание покрытий происходит по двум типам: микрорезанию (влияние Al) и выкрашиванию твердых зерен (влияние Cr₂O₃).

Оптимальное содержание тугоплавкой добавки должно быть следующее, мас. Cr₂O₃ 13,5 Al₂O₃ 41 Cr 41 Al 4,5 Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что композиционный порошок для газотермических покрытий отличается тем, что содержит тугоплавкую добавку, в состав которой входят Al₂O₃, Cr₂O, Cr, Al в определенном соотношении. Таким образом, заявляемый порошок соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом но и с другими техническими решениями, известными в науке и технике, не позволило выявить в них отличительные признаки заявляемого технического решения, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

П р и м е р. Порошок тугоплавкой добавки получают путем алюмотермического восстановления оксида Cr₂O₃ и Al дисперсностью 5-50 мкм. Механическая смесь необходимого стехиометрического состава подвергается термообработке в режиме горения путем локального теплового инициирования смеси: C₂O₃+2Al ->> 2Cr+Al₂O₃.

Полученную тугоплавкую добавку в количестве 40 мас. смешивают со стеллитом марки ПГ-10К-01 (60 мас.), механическую смесь готовят в смесителе типа "пьяная бочка". Далее этот порошок в виде механической смеси напыляют плазменным методом на деталь-подложку (образец) в следующем режиме: ток дуги 230-250 А, напряжение 170-180 В, давление воздуха 2,0-2,5 атм, расход природного газа 0,16 м³/ч, расход плазмообразующей смеси 2-4 м³/ч и расход порошка 5 кг/ч, на установке УПУ-3Д, затем покрытие оплавляют газо-кислородным пламенем на воздухе.

Микротвердость составляющих фаз покрытий измеряли на шлифах согласно ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 50 г.

Пористость покрытий определяли микроскопическим методом по ГОСТ 5369-65. На микрошлифе при увеличении Х 400 с помощью линейки окуляра по всей ее длине рассчитывали отношение общей длины отрезка, соответствующего суммарному размеру пор, лежащих на секущей, к длине секущей (линейки).

Испытания на абразивное изнашивание проводили на машине трения Х4-Б. Образцы цилиндрической формы диаметром 5 мм с покрытием на торцовой поверхности подвергали изнашиванию на абразиве из Al₂O₃ N 4 (ГОСТ 6456-75). Для каждого испытания шкурку обновляли. Нагрузка на образец составляла 10 кг/см², путь трения 15 м. За результат испытаний принимали относительную износостойкость, величину которой рассчитывали по формуле: ε где G_эт, G_обр износ эталона и образца соответственно, мг; ρ_эт., ρ_обр. плотность эталона и образца соответственно, мг/мм³.

В качестве эталона использовали СТ 50, закаленную до твердости 52-54 HRC.

Термографический анализ покрытий проводили на дериватографе Q-1500 Д фирмы МОМ. Начальная навеска составляла 1,0-1,5 г, скорость нагрева 15^oС/мин, нагрев проводили до 1200^оС на воздухе с интервалом 100^оС, измеряя при этом изменение массы образца. Результаты испытаний представлены в табл. 1-3. Эксперименты показали, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить износостойкость покрытий в сравнении с прототипом в 1,33 раза, повысить жаростойкость в 1,2-1,5 раза, расширить температурный интервал работы покрытия до 1200^оС.

Формула изобретения

ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, состоящий из смеси порошка самофлюсующегося матричного сплава на основе кобальта и 25 50 мас. тугоплавкой добавки, содержащий оксид алюминия, отличающийся тем, что тугоплавкая добавка дополнительно содержит алюминий, хром, оксид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.

Алюминий 4 5 Хром 40 42 Оксид хрома 12 15 Оксид алюминия Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2