Композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШКООБРАЗНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Манойло Евгений Данилович Онащенко Филипп Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56) МАНОЙЛО Е.Д. и др. // Сварка и родственные технологии. - 1999. -2. С. 124-128. МАНОЙЛО Е.Д. и др. Материалы докладов Международного симпозиума Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка. - Минск, 2009. - С. 226229.2327 2, 1998.316339 1, 1990.2058420 1, 1996.2219212 1, 2003. ОХЛОПКОВА А.А. и др. Материалы докладов 7-й международной научнотехнической конференции Новые материалы и технологии порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия. - Минск,2006. - С. 213-214.2223304 1, 2004.2000-219911 А.(57) Композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, содержащий порошки оксида алюминия и полиамида, отличающийся тем, что содержит 40-80 мас.оксида алюминия и 20-60 мас.полиамида и дополнительно к общей массе порошков содержит частицы ультрадисперсных алмазов в количестве 0,020,5 , при этом размер частиц порошка оксида алюминия составляет 10-20 мкм, полиамида - 20-100 мкм, ультрадисперсных алмазов - 4-6 нм. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам порошков, применяемых для получения защитных покрытий методами газотермического напыления. 14389 1 2011.06.30 Известен композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы полиамида и алюминиевой крошки (от 5 до 35 объемных ) 1. Введение алюминиевой крошки в полиамидную матрицу способствует повышению прочности и износостойкости композита. Однако при введении в материал более 20 объемныхалюминиевой крошки в нем возникает взаимное касание частиц алюминия и связанное с этим снижение его прочности. Данный материал предназначен для производства деталей методом экструзии, имеет невысокую твердость и прочность и без дополнительной доработки и измельчения непригоден для газопламенного напыления защитных покрытий на детали, работающие в условиях трения и солевой коррозии. Известен также композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, состоящий из смеси порошков полиамида, полиэтилентерефталата и 0,5 ультрадисперсных алмазов с размерами частиц полиамида - 40-160 мкм, полиэтилентерефталата 0-100 мкм 2. Он предназначен для защиты роторов погружных насосов от совместного воздействия кавитации, коррозии и эрозии и позволяет восстановить рабочие характеристики погружных насосов и увеличить их срок службы при постоянных токовых режимах. Введение ультрадисперсных алмазов позволило уменьшить коэффициент трения, улучшить термостабильность, получить более качественную микроструктуру покрытия и повысить его прочностные свойства. Однако такой композиционный порошкообразный материал имеет невысокую твердость, что не позволяет использовать его для защиты от износа и активной солевой коррозии, в частности, роторов смесителей солеперерабатывающих предприятий. Наиболее близким из известных материалов по составу компонентов к заявляемому является композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, состоящий из 60 полиэтилентерефталата, 15-30 полиамида и 10-30 оксида алюминия, с размерами частиц полиэтилентерефталата 0-100 мкм, полиамида - 40160 мкм и оксида алюминия - 20-40 мкм 3. Данный материал был использован для газопламенного напыления защитных покрытий на крупногабаритные детали - бункеры разбрасывателя солепесчаной смеси, на которые в процессе эксплуатации одновременно воздействуют трение и коррозия. Основными параметрами, определяющими ресурс работы таких покрытий, при прочих равных условиях, являются твердость, прочность на разрыв и пористость. Покрытия из такого материала имеют прочность на разрыв 15-26 МПа. Твердость их с увеличением содержания оксида алюминия до 30 растет и достигает максимального значения 38 НВ,при этом поры в покрытии практически отсутствуют. При этом наиболее высокие защитные свойства покрытий были обеспечены при использовании композиции, состоящей из 60 полиэтилентерефталата, 15 полиамида и 25 оксида алюминия, при толщине слоя покрытия 0,20,6 мм. Однако такой композиционный порошкообразный материал также имеет недостаточные твердость и прочность, что не обеспечивает необходимой стойкости деталей, работающих в условиях трения и солевой коррозии. Задачей изобретения является создание композиционного порошкообразного материала для газопламенного напыления покрытий, состоящего из частиц оксида алюминия и полимера, который позволяет получить при напылении более высокие параметры твердости и прочности покрытий и обеспечить необходимую стойкость деталей при работе в условиях трения и солевой коррозии. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении композиционного порошкообразного материала для газопламенного напыления практически беспористых покрытий с повышенной твердостью и прочностью на разрыв. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что композиционный порошкообразный материал для газопламенного напыления покрытий, содержащий порош 2 14389 1 2011.06.30 ки оксида алюминия и полиамида, для получения вышеуказанного технического результата содержит 40-80 мас.оксида алюминия и 20-60 мас.полиамида и дополнительно к общей массе порошков содержит частицы ультрадисперсных алмазов в количестве 0,020,5 , при этом размер частиц порошка оксида алюминия составляет 10-20 мкм, полиамида - 20-100 мкм, ультрадисперсных алмазов - 4-6 нм. Предлагаемый состав порошка при оптимальных режимах газопламенного напыления(скорость соударения частиц с подложкой 80-120 м/с) обеспечивает формирование твердого, высокопрочного, плотного покрытия значительной толщины (до 1,0 мм). В процессе газопламенного напыления в частицах композиционного порошкообразного материала оксид алюминия, температура плавления которого равна 20-50 С, находится в твердом, а полиамид, температура плавления которого равна 188 С, - в высокопластичном или жидком состоянии. В момент контакта с подложкой полиамид хорошо растекается, а частицы ультра алмазов, благодаря своим малым размерам кристаллов - 4-6 нм и высокой удельной поверхности - 300 м кВ/г, активно взаимодействуют с жидкой фазой полимера, образуя множество центров кристаллизации. Так как в момент контакта с напыляемыми частицами композиционного порошкообразного материала подложка находится в твердом состоянии, то избыточная тепловая энергия от частиц оксида алюминия и ультрадисперсных алмазов передается к ней и частицам полимера, увеличивая время охлаждения покрытия и полимеризации. Благодаря усилению процессов взаимодействия,при газопламенном напылении композиционного порошка образуются прочные связи между частицами композиционного материла и подложкой, формируется высокоплотное(до 1,2 пор), твердое (НВ 46-121) покрытие с прочностью на растяжение до 65 МПа. Такое покрытие обладает повышенной долговечностью при работе в условиях трения и активной солевой коррозии. Пример Для испытаний было подготовлено 5 вариантов порошков 1-5 указанного состава(табл. 1). Таблица 1 Состав композиции, мас.Ультрадисперсные алмазы, мас. , дополнитель но к общей массе Оксид алюминия Полиамид 1 40 60 0,02 2 50 50 0,1 3 60 40 0,2 4 70 30 0,3 5 80 20 0,5 Предварительно порошки оксида алюминия (с размерами частиц 10-20 мкм), полиамида (с размерами частиц 40-100 мкм) и ультрадисперсных алмазов (4-6 нм) обрабатывались в двухбаночном смесителе, в присутствии шаров из сплава ВК 6 диаметром 10 мм. Отношение массы шаров к массе композиционного материала - 71, время обработки - 2530 мин. Покрытия наносили на подложку из нержавеющей стали, подвергнутую струйноабразивной обработке электрокорундом нормальным (ГОСТ 3647-80) зернистостью 80 Н(ГОСТ 11964-81) при следующих режимах дистанция от сопла аппарата до обрабатываемой поверхности - 60 мм, угол атаки абразива (угол соударения с поверхностью) - 90,давление воздуха - 5-6 кгс/см 2, время обработки - 3-5 с. Совокупность режимов струйноабразивной обработки обеспечивала следующие параметры контактной поверхности подложки высота микронеровностей- 12-15 мкм. Газопламенное напыление порошковых композиций 1-5 производили аппаратом ТЕНА-Ппм производства ОДО ТЕНА, РБ, при следующих режимах работы давление газов, кгс/см 2 кислород - 8,0 горючий газ - метилацетиленовая фракция (МАФ) - 2,5 сжатый воздух - 5,0 расход газов, м 3/ч кислород - 7,0 метилацетиленовая фракция 3(МАФ) - 2,0 сжатый воздух - 20,0 дистанция напыления - 180 мм, скорость перемещения сопла газопламенной горелки - 300 мм/мин. Указанные режимы работы аппарата обеспечивали скорость полета частиц с размерами 10-71 мкм более 130 м/с. Скорость полета частиц определяли с помощью прибора ИССО-1. Полученные покрытия имели уровень свойств, приведенный в табл. 2. Таблица 2 Прочность, Содержание ультрадисперсныхкомпо- Твердость, Пористость,зиции НВ П,алмазов,, МПа Прототип 38 менее 0,5 26 1 46-51 0,3-0,5 35-38 0,02 2 77-81 0,4-0,6 43-47 1 3 119-121 0,5-0,7 61-65 2 4 71-75 0,8-1,1 49-44 3 5 41-43 0,9-1,2 31-36 5 Из табл. 2 видно, что при увеличении в известном композиционном порошкообразном материале содержания оксида алюминия до 60 и ультрадисперсных алмазов до 2 твердость покрытия увеличивается от 46 до 121 НВ, прочность - от 35 до 65 МПа, а пористость - от 0,3 до 0,7 . При дальнейшем увеличении в композиции количества оксида алюминия и ультрадисперсных алмазов твердость и прочность покрытий уменьшаются, а пористость увеличивается. В результате применения для газопламенного напыления покрытий заявляемого композиционного порошкообразного материала, состоящего из частиц оксида алюминия и полиамида, дополнительно содержащего частицы ультрадисперсных алмазов до 0,5 мас. , при следующем соотношении компонентов (мас. ) оксид алюминия - 80-40, полиамид - 20-60, с размерами частиц полиамида - 20-100 мкм, оксида алюминия - 10-20 мкм и ультрадисперсных алмазов - 4-6 нм, формируется высокоплотное (0,3-1,2 пор), твердое (НВ 46-121) покрытие с прочностью на растяжение 35-65 МПа. Такое покрытие обладает повышенной долговечностью при работе в условиях трения и активной солевой коррозии. Такие условия реализуются, в частности, при работе роторов смесителей солеперерабатывающих предприятий. Источники информации 1. Даниел Чопак. Исследование полимерных композитных материалов. Новые материалы и технологии Порошковая металлургия. Композиционные материалы, Защитные покрытия. 5-я МНТК. Минск. Беларусь. 18-19 сентября 2002 г. Материалы докладов. Минск Тонпик, 2002. - С. 93-94. 2. Ильющенко А.Ф., Манойло Е.Д., Андреев М.А., Кухарев А.А. О возможности применения частиц ультрадисперсных алмазов при газопламенном напылении полимерных покрытий. Углеродные наночастицы в конденсированных средах Сб. научн. трудов. НАН Беларуси. ИТМО им. Лыкова. - Минск, 2006. - С. 238-245. 3. Манойло Е.Д., Толстяк Э.Н., Осипов А.А., Кобяк Ю.В. Газопламенное напыление покрытий из композиционных материалов на полимерной основе Республ. межведомств. сб. научн. тр. Сварка и родственные технологии. - Минск Вып. 2. - 1999. - С. 124-128. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4