Способ получения аморфных металлических материалов

 

Использование: изобретение относится к области металлургии, более конкретно, к получению материалов из металлических сплавов с аморфной структурой и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в приборостроении, электронной и электротехнической промышленности. Сущность изобретения: в способе получения аморфных металлических материалов, включающем послойное напыление металлических порошков детонацией смеси, содержащей горючее и окислитель, в детонирующую смесь вводят нейтральный газ в количестве 50 - 95% предельно допустимого, при этом детонирующая смесь содержит горючее в количестве 60 - 95% верхнего предела детонации или максимально допустимого. 1 з. п.ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, более конкретно к получению материалов из металлических сплавов в аморфном состоянии и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в приборостроении, электронной и электротехнической промышленности.

Аморфные материалы представляют собой новый класс материалов, отличающихся от кристаллических идентичного химического состава сочетанием повышенных эксплуатационных характеристик и улучшенных потребительских свойств, а именно: повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью, наличием улучшенных электромагнитных свойств и т.д.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является выбранный в качестве прототипа способ детонационно-газового получения амоpфных материалов, включающий циклическое расплавление порошков аморфизирующихся сплавов продуктами детонации газовой смеси на основе горючего газа (ацетилена) и окислителя (кислорода) с ограничением содержания окислителя, например, в пределах 53 56% от объема смеси. Известный способ позволяет уменьшить газонасыщение покрытия, в частности по количеству кислорода в материале. Однако, для большинства материалов в данных технологических условиях наблюдается активное взаимодействие продуктов детонации (таких химически активных кислородсодержащих соединений, как окись углерода, окись азота, закись азота и пр) с наносимым материалом и, как следствие, появление в аморфизируемом покрытии значительного количества оксидов и нитридов, а также растворенного кислорода и азота в концентрациях на 1 3 порядка, превышающих равновесные. Это приводит как к охрупчиванию покрытия, повышению его пористости, так и к снижению объемного содержания аморфной фазы в материале покрытия. Последнее приводит к уменьшению коррозионной стойкости, радиационной стойкости, ухудшению магнитомягких свойств и т.п.

К недостаткам способа, выбранного в качестве прототипа, можно отнести и низкую технологичность, заключающуюся в необходимости трудоемкого поиска оптимального режима аморфизации материала при использовании детонирующих смесей на основе других видов горючего и окислите относительно смеси "ацетилен-кислород". Описанные явления сужают технологические возможности метода: снижается число сплавов, применяемых для нанесения аморфных покрытий. Уменьшение химической активности детонирующей смеси путем уменьшения содержания окислителя ниже указанных выше интервалов недопустимо, т.к. это приводит к усиленному сажеобразованию и, как следствие, снижению качества аморфного покрытия.

Целью настоящего изобретения является расширение технологических возможностей метода детонационного получения аморфных материалов, повышение износостойкости, усталостной прочности и снижение газонасыщенности в материале покрытия. Причем повышение износостойкости и усталостной прочности достигается за счет повышения количества аморфной фазы в материале покрытия.

Указанная цель достигается тем, что в способе получения аморфных металлических материалов, включающего послойное напыление металлических порошков детонацией смеси, содержащей горючее и окислитель, вводят нейтральный газ в количестве 50 95% предела детонации по нейтральной добавке или предельно допустимого. При этом детонирующая смесь содержит горючее в количестве 60 95% верхнего предела детонации или максимально допустимого.

Реализация оптимальных соотношений детонирующей смеси в указанных пределах позволяет уменьшить изменение химического состава напыляемого сплава и, соответственно, улучшить его аморфизацию, снизить хрупкость, пористость покрытия. При этом, с точки зрения получения аморфных покрытий, расширяются технологические возможности способа, а именно расширяется номенклатура сплавов, пригодных для получения аморфных покрытий. При формировании детонирующей смеси с соотношением газов ниже указанного нижнего значения существенного повышения содержания аморфной фазы уже не наблюдается. В случае превышения оптимального интервала относительно предела детонации имеет место нестабильность детонационного процесса, что приводит к снижению качества покрытия (повышению пористости, уменьшению прочности сцепления с основой). Под пределом детонации в данном случае понимается такое соотношение детонирующих газов, при котором еще возможен детонационный процесс. Причем под верхним пределом детонации понимается предел детонации детонирующей смеси с максимальным содержанием горючего газа в смеси; под пределом детонации по нейтральной добавке понимается предел детонации для фиксированного соотношения "горючее-окислитель" с максимальным содержанием нейтрального газа в еще детонирующей смеси. Ориентация выбора технологического режима на предел детонации позволяет эффективно реализовать оптимальную детонирующую смесь для любого состава детонирующих газов, при этом существенно снижаются расходы на разработку технологического процесса получения аморфных покрытий с заданными свойствами, т.е. повышается технологичность способа.

Разработанный способ реализован на основе анализа следующих примеров конкретного исполнения: Пример 1. Получение аморфных металлических материалов осуществляли при помощи детонационной установки с длиной ствола 1500 мм, внутренним диаметром 22 мм, при осевой подаче порошка в ствол, дистанции напыления 180 мм. При этом расход порошка на единичный цикл осаждения поддерживали постоянным. Толщина формируемого покрытия за один выстрел поддерживалась на значении 7 мкм. В экспериментах использовали порошки фракции 50 63 мкм. Частота нанесения единичного слоя в покрытии -4 Гц. В качестве детонирующей смеси использовали состав "C₃ H₈ -O₂ N₂". Результаты по влиянию соотношений компонентов детонирующей смеси на свойства покрытия приведены в табл. 1.

Из результатов по экспериментам 1,1 1,6 видно, что выполнение условий по заявленным концентрационным интервалам детонирующей смеси обеспечивает достижение положительного эффекта для смеси "C₃H₈ O₂ - N₂".

Пример 2. Аналогично примеру 1, но в качестве детонирующей среды использовали состав "H₂ O₂ Ar". Результаты по влиянию соотношений компонентов детонирующей среды на свойства покрытий приведены в табл. 2.

Из результатов экспериментов 2,1 2,6 видно, что выполнение условий по заявленным концентрационным интервалам детонирующей смеси обеспечивает достижение положительного эффекта для смеси "H₂ O₂ Ar".

Пример 3. Для выявления зависимости между состоянием покрытия (отражаемом через количество аморфной фазы и количество растворенных газов) и эксплуатационными характеристиками, например, износостойкостью и пределом усталостной прочности, были проведены испытания газотермических покрытий с различным содержанием аморфной фазы и растворенных газов. Результаты испытаний сведены в таблицу 3.

Из результатов табл. 3 видно, что снижение количества аморфной фазы и повышение количества растворенных газов в покрытии приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик.

Технико-экономическая эффективности заявленного технического решения заключается в получении возможности создания принципиально новых изделий с аморфными слоями, расширении номенклатуры изделий с новыми потребительскими свойствами.

Формула изобретения

1. Способ получения аморфных металлических материалов, включающий послойное напыление металлических порошков детонацией смеси, содержащей горючее и окислитель, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, повышения износостойкости, усталостной прочности и снижения газонасыщенности, в детонирующую смесь вводят нейтральный газ в количестве 50 95% предела детонации по нейтральной добавке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что детонирующая смесь содержит горючее в количестве 60 95% верхнего предела детонации".

РИСУНКИ

Рисунок 1