Композиционный порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия

 

Сущность изобретения: материал для нанесения газотермического покрытия, полученный путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержит интерметаллическое соединение, состоящее из двух или более металлов в соотношении, соответствующем стехиометрии образуемого ими интерметаллического соединения, и дисперсное твердое тугоплавкое соединение при следующем соотношении компонентов, мас.%: твердое тугоплавкое соединение 5 - 95; интерметаллическое соединение остальное, причем средний размер частиц твердого тугоплавкого соединения в частицах порошкового материала составляет 0,1 - 160 мкм. 1 табл.

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 с заданными свойствами на различных деталях машин и оборудования, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации.

Известны порошковые материалы для нанесения износостойких покрытий, материалом которых является сталь [1] 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.

Известны также порошки для нанесения износостойких покрытий, материалом которых являются интерметаллические соединения [2] обеспечивающие удовлетворительную прочность сцепления получаемых покрытий с основой и получение покрытий, не нуждающихся в дополнительной термической обработке. Состав известных порошковых материалов соответствует стехиометрии интерметаллических соединений, образуемых используемыми металлами. Покрытия на основе интерметаллических соединений характеризуются жаростойкостью (температура эксплуатации до 1273 К), а также стойкостью к воздействию агрессивных сред.

Недостатком известных порошковых материалов является относительно низкая твердость получаемых покрытий, не позволяющая использовать эти порошки для упрочнения ряда ответственных деталей в машиностроении, что существенно сужает область их применения.

Сущностью изобретения является то, что порошковый материал для нанесения газотермического покрытия, получаемый самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, содержащий два или более металлов в соотношении, соответствующем стехиометрии образуемого ими интерметаллического соединения, дополнительно содержит в составе частиц дисперсное твердое тугоплавкое соединение при следующем соотношении компонентов, мас. Твердое тугоплавкое соединение 5-95 Интерметаллическое соединение Остальное, причем средний размер частиц твердого тугоплавкого соединения в частицах порошкового материала составляет 0,1-160 мкм.

Нанесенное заявляемым порошковым материалом покрытие представляет собой композиционный материал, структура которого образована интерметаллическим соединением, в объеме которого распределены дисперсные частицы твердого тугоплавкого соединения. При этом высокая прочность сцепления покрытий с основой обеспечивается наличием в структуре напыляемого порошкового материала интерметаллического соединения, а необходимую твердость напыленного покрытия придает входящее в его состав твердое тугоплавкое соединение. Высокая результирующая износостойкость покрытия является следствием сочетания в его структуре пластичной интерметаллидной матрицы и твердой тугоплавкой фазы.

При введении в состав частиц порошкового материала твердого тугоплавкого соединения в количестве, меньшем заявляемого, не достигается эффект повышения износостойкости из-за неравномерного распределения частиц этого соединения в структуре покрытия и недостаточного вклада введенного соединения в суммарную твердость покрытия.

При введении в состав частиц порошкового материала твердого тугоплавкого соединения в количестве, большем заявляемого, снижается прочность сцепления напыляемого покрытия с основой; кроме того, при нанесении покрытия из-за повышения температуры плавления материала частиц приходится увеличивать температуру несущей струи, что ведет к интенсивному окислению частиц наносимого порошкового материала.

При среднем размере частиц твердого тугоплавкого соединения, меньшем заявляемого, происходит растворение этих частиц в интерметаллидной матрице при нанесении покрытия, что ведет к понижению его твердости и износостойкости.

При среднем размере частиц твердого тугоплавкого соединения, большем заявляемого, наблюдается заметная макронеравномерность свойств (прежде всего твердости) покрытия, что снижает уровень его эксплуатационных свойств.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показал, что заявляемый порошковый материал для нанесения газотермического покрытия отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит в составе частиц дисперсное твердое тугоплавкое соединение с заявляемым средним размером частиц при заявляемом соотношении компонентов порошкового материала. Именно изменение состава порошкового материала согласно заявляемому решению сообщает получаемому покрытию новые свойства. Таким образом, заявляемое решение обладает "новизной".

Сравнение заявляемого решения с другими известными решениями в области порошковой металлургии, а также с известными решениями в смежных областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод об изобретательском уровне.

Для экспериментальной проверки заявляемого решения были подготовлены образцы порошкового материала для нанесения газотермического износостойкого покрытия согласно настоящему изобретению. Для проведения экспериментов использовались порошок титана ПТХ-1 средним размером частиц менее 80 мкм, порошок алюминия АСД-1 средним размером частиц менее 40 мкм и сажа П-803 средним размером частиц 3,1 мкм. Из указанных компонентов получали образцы порошкового материала различного состава методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в инертной атмосфере заготовок с их последующим вибрационным измельчением в порошки средним размером частиц 63-160 мкм.

Соотношение титана и алюминия в составе материала выбиралось соответствующим стехиометрическому составу образуемого этими металлами интерметаллического соединения TiAl (64 мас. Ti+36 мас. Al).

Структура частиц полученных образцов порошкового материала включала интерметаллическое соединение TiAl с распределенными в нем частицами твердого тугоплавкого соединения карбида титана TiC. Соотношение интерметаллического соединения и карбида титана в частицах порошкового материала, а также средний размер частиц карбида титана варьировали соответственно составом исходной смеси для синтеза и температурой начала синтеза. В качестве прототипа для сравнения использовали порошковый материал ПТ65Ю35 ТУ 14-1-3282-81 производства АО "Тулачермет", структура которого образована интерметаллическим соединением ТiAl.

Нанесение покрытий осуществляли на установке газоплазменного напыления "Киев-7" при следующих режимах: ток плазмотрона 230 А, напряжение дуги 250 В, дистанция напыления 180 мм на плоские образцы из стали 45, предварительно подвергнутые пескоструйной обработке. Структуру частиц полученных порошков исследовали методом оптической металлографии на приборе "Metaval", растровой электронной микроскопии на приборе "Tesla BS-300"; микротвердость напыленных покрытий измеряли на приборе ПМТ-3. Средний размер частиц твердого тугоплавкого соединения (карбида титана) в частицах порошка измеряли на специально приготовленных шлифах с помощью автоматического анализатора изображений "Видеотест".

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице. Из таблицы следует, что введение в состав порошкового материала для нанесения газотермического покрытия дисперсных частиц твердого тугоплавкого соединения приводит к существенному повышению твердости (износостойкости) получаемого покрытия; при этом величиной твердости покрытия можно управлять, получая порошковые материалы различного состава согласно заявляемому решению. Аналогичные результаты получены при использовании интерметаллических соединений в системах Ni-Al, Ni-Ti, Ti-Fe, Fe-Al и др. и твердых тугоплавких соединений TiC, CrC, TiB и др.

Композиционное покрытие, получаемое на основе заявляемого порошкового материала, способно обеспечить высокую износостойкость упрочняемых изделий.

Формула изобретения

Композиционный порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащий интерметаллическое соединение, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в составе частиц порошка дисперсное твердое тугоплавкое соединение с размером частиц 0,1 160,0 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.

Твердое тугоплавкое соединение 5 95 Интерметаллическое соединение Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2