Композиционный порошок для газотермических покрытий

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при напылении газотермических покрытий на детали, эксплуатируемые в экстремальных условиях, как в виде порошка, так и в виде гибких шнуровых материалов, изготовленных на основе этого порошка. Предлагаемый композиционный порошок для газотермических покрытий, включающий частицы карбида хрома, плакированные никелем, содержит частицы, состоящие из ядра карбида хрома Cr₃С₂, которое покрыто слоем карбида хрома Cr₇С₃ и слоем модифицированного никелем карбида хрома (Cr, Ni)₇С₃, соответственно, при следующем соотношении компонентов, масс.%: модифицированный никелем карбид хрома (Cr, Ni)₇С₃ - 0,5-4,6; карбид хрома Cr₇С₃ - 0,8-5,4; карбид хрома Cr₃С₂ - остальное до 100, при этом соотношение между никелем и частицами карбида хрома равно, масс.%: никель - 16,2-22,2; частицы карбида хрома - 77,8-83,8. Заявленный композиционный порошок для газотермических покрытий обладает высокой микротвердостью, высокой степенью сфероидизации частиц и низкой пористостью. Совокупность этих свойств дает возможность получить плотное, обладающее высокой адгезией и износостойкостью покрытие.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при нанесении газотермических покрытий на детали, эксплуатируемые в экстремальных условиях, как в виде порошка, так и в виде гибких шнуровых материалов, изготовленных на основе этого порошка.

Известен композиционный порошок для газопламенного напыления покрытий, содержащий частицы карбида хрома, плакированные никелем (патент SU 1787171, С 23 С 4/12, 1993 г.).

К недостаткам известного порошка можно отнести следующее. Осколочная или разветвленная форма плакированных частиц карбида хрома обусловливает низкую текучесть и значительную пористость порошка, следствием этого является высокая пористость получаемого покрытия (10-12%), наследуемая от высокой пористости исходных материалов. Отсутствие химического взаимодействия между частицами карбида хрома и никелем является причиной отслоения оболочки в процессе напыления, что также снижает эксплуатационные свойства получаемого покрытия.

Перед авторами стояла задача разработать композиционный порошок для газотермических покрытий, свойства которого за счет его состава и структуры обеспечивали бы достижение высоких эксплутационных свойств получаемого покрытия, а именно низкой пористости, высокой микротвердости и хорошей адгезии.

Таким образом, техническим результатом, который может быть достигнут при использовании предлагаемого технического решения, является низкая пористость, высокая микротвердость и высокая степень сфероидизации композиционных порошков для газотермических покрытий.

Поставленная задача решена путем применения предлагаемого композиционного порошка для газотермических покрытий, содержащего частицы карбида хрома, плакированные никелем, в котором частицы карбида хрома состоят из ядра карбида хрома Cr₃С₂, которое покрыто слоем карбида хрома Cr₇С₃ и слоем модифицированного никелем карбида хрома (Cr, Ni)₇C₃, соответственно, при следующем соотношении карбидов хрома в частицах, масс.%:

модифицированный никелем карбид
хрома (Cr, Ni)7С3	- 0,5÷4,6
карбид хрома Cr7С3	- 0,8÷5,4
карбид хрома Cr3С2	- остальное

при этом содержание плакирующего никеля и карбидов хрома в порошке составляет, масс.%:

никель	- 16,2÷22,2
карбиды хрома	- 77,8÷83,8

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен композиционный порошок для газотермических покрытий, содержащий частицы карбида хрома слоистой структуры и сложного состава в заявляемых пределах содержания исходных компонентов.

Предлагаемый порошок может быть получен следующим образом. Берут порошок карбида хрома Cr₃С₂ дисперсностью 20-100 мкм и порошок никеля Ni дисперсностью не ниже 10 мкм. Исходные порошки смешивают в соотношении Cr₃С₂:Ni=70,0:30,0 или Cr₃С₂:Ni=80,0:20,0. Приготовленную смесь подают под срез сопла секционированного плазмотрона установки УПСП-1 во взвешенном состоянии из двухкамерного бачка-питателя. Режимные условия работы плазмотрона: ток дуги - 400 А; напряжение - 130 В; расход плазмообразующего газа (аргон) - 3,2 м³/час; скорость подачи порошка - 2,8 кг/час. В высокотемпературной зоне плазменной струи тугоплавкие частицы порошка карбида хрома, сплавляясь, сфероидизируются, а частицы порошка никеля испаряются. Далее в хвостовой зоне струи пары никеля конденсируются на готовые центры кристаллизации - сфероидизированные частицы карбида хрома. При этом на стадии сфероидизации в результате выгорания углерода на частицах карбида хрома Cr₃С₂ формируется слой карбида хрома Cr₇С₃, затем в процессе конденсации паров никеля в результате химического взаимодействия первоначально формируется слой модифицированного никелем карбида хрома (Cr, Ni)₇С₃, а уже на нем формируется оболочка из никеля. Таким образом, получают порошок, состоящий из многослойных частиц карбида хрома, плакированных никелем, структура, состав и форма которых позволяют уменьшить пористость и увеличить микротвердость получаемого на основе предлагаемого порошка покрытия. Высокая степень сфероидизации частиц порошка позволяет значительно повысить его текучесть, что в свою очередь обеспечивает получение плотного покрытия, обладающего пониженной пористостью и повышенной микротвердостью, а также высокими адгезионными свойствами. Наличие слоя модифицированного никелем карбида хрома (Cr, Ni)₇С₃, который является более металлизированным, чем карбид хрома Cr₃С₂, обеспечивает прочную адгезионную связь между частицами карбида хрома и металлическим слоем никеля, препятствует растрескиванию и отслаиванию покрытия в процессе эксплуатации. Состав порошка контролируют рентгенографическим, микроскопическим и химическим анализами. Выход сферических частиц оценивают микроскопическим методом - по отношению двух взаимноперпендикулярных диаметров. Это соотношение не должно превышать 5%. И далее рассчитывают отношение доли сферических частиц к общему их количеству в поле микроскопа. Микротвердость составляющих частиц фаз оценивают на шлифах в соответствии с ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 50 г. Пористость частиц определяют микроскопическим методом по ГОСТ 5369-65.

Пределы содержания компонентов были определены экспериментально. При этом предлагаемое соотношение между никелем и частицами карбида хрома объясняется следующими причинами. При содержании никеля более 22,2 масс.% пары никеля при конденсации осаждаются не только на частицы карбида хрома, но и выделяются вне частиц в виде самостоятельной фазы, что снижает микротвердость получаемого покрытия. При содержании никеля менее 16,2 масс.% нарушается сплошность наружного слоя частиц, что ведет к увеличению пористости получаемого покрытия. При содержании карбидов хрома более 83,8 масс.% будет нарушаться сплошность наружного слоя получаемого покрытия за счет избытка карбида хрома в составе порошка, что ведет к увеличению пористости покрытия и, как следствие, к снижению его качества. При содержании карбидов хрома менее 77,8 масс.% снижается микротвердость порошка, и, как следствие, микротвердость получаемого покрытия.

Соотношения между компонентами многослойной частицы объясняются следующим. При содержании модифицированного карбида хрома (Cr, Ni)₇C₃ менее 0,5 масс.% недостаточны силы адгезионного взаимодействия между тугоплавкой частицей и оболочкой из никеля, что ведет к отслаиванию последней. При содержании модифицированного карбида хрома (Cr, Ni)₇С₃ более 4,6 масс.% снижается твердость частиц. При содержании карбида хрома Cr₇С₃ менее 0,8 масс.% также снижаются прочность частиц и микротвердость порошка, а при содержании Cr₇С₃ более 5,4 масс.% появляется избыточная пористость, сопровождающаяся отслоением.

Соотношение между частицами карбида хрома и наружным слоем никеля объясняется следующими причинами. При содержании никеля менее 16,2 масс.% частицы неполностью покрываются никелем. При содержании никеля более 22,2 масс.% снижается общая твердость плакированных частиц.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 70,0 г (70,0 масс.%) порошка карбида хрома и 30,0 г (30,0 масс.%) порошка металлического никеля. Исходные порошки смешивают. Приготовленную смесь подают под срез сопла секционированного плазмотрона установки УПСП-1 во взвешенном состоянии из двухкамерного бачка-питателя. Режимные условия работы плазмотрона: ток дуги - 400 А; напряжение - 130 В; расход плазмообразующего газа (аргон) - 3,2 м³/ч; скорость подачи порошка - 2,8 кг/с.

Полученный композиционный порошок имеет следующий состав (масс.%): никель - 22,2; частицы карбида хрома - 77,8; при этом частицы карбида хрома содержат (масс.%): (Cr, Ni)₇С₃ - 4,6; Cr₇С₃ - 5,4; Cr₃С₂ - 90,0.

Полученный композиционный порошок имеет следующие рабочие характеристики: микротвердость - 1900 кг/мм², пористость - 2%, степень сфероидизации - 80%.

Пример 2. Берут 80,0 г (80,0 масс.%) порошка карбида хрома и 20,0 г (20,0 масс.%) порошка металлического никеля. Исходные порошки смешивают. Приготовленную смесь подают под срез сопла секционированного плазмотрона установки УПСП-1 во взвешенном состоянии из двухкамерного бачка-питателя. Режимные условия работы плазмотрона: ток дуги - 400 А; напряжение - 130 В; расход плазмообразующего газа (аргон) - 3,2 м /ч; скорость подачи порошка - 2,8 кг/с.

Полученный композиционный порошок имеет следующий состав (масс.%): никель - 16,2; частицы карбида хрома - 83,8; при этом частицы карбида хрома содержат(масс.%): (Cr, Ni)₇С₃ - 0,5; Cr₇С₃ - 0,8; Cr₃С₂ - 98,7.

Полученный композиционный порошок имеет следующие рабочие характеристики: микротвердость - 1800 кг/мм², пористость - 4%, степень сфероидизации - 80%.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить композиционный порошок для газотермических покрытий, обладающий высокой микротвердостью, высокой степенью сфероидизации частиц и низкой пористостью, совокупность этих свойств дает возможность получить плотное, обладающее высокой адгезией покрытие.

Композиционный порошок для газотермических покрытий, включающий частицы карбида хрома, плакированные никелем, отличающийся тем, что он содержит частицы, состоящие из ядра карбида хрома Cr₃С₂, которое покрыто слоем карбида хрома Cr₇С₃ и слоем модифицированного никелем карбида хрома (Cr, Ni)₇С₃ соответственно, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Модифицированный никелем карбид хрома (Cr, Ni)7С3	0,5-4,6
Карбид хрома Cr7С3	0,8-5,4
Карбид хрома Cr3С2	остальное до 100

при этом соотношение между никелем и частицами карбида хрома равно, мас.%:

Никель	16,2-22,2
Частицы карбида хрома	77,8-83,8