Износостойкий порошковый сплав на основе железа

ИЗНОСОСТОЙКИЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Горанский Георгий Георгиевич Манойло Евгений Данилович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Износостойкий порошковый сплав на основе железа, содержащий хром, кремний, бор,никель, молибден и кобальт, отличающийся тем, что он находится в аморфном состоянии и дополнительно содержит иттрий, скандий и торий при следующем соотношении компонентов, мас.хром 8,6-9,0 кремний 0,3-0,5 бор 4,5-5,0 никель 6,5-7,0 молибден 6-7 кобальт 2-3 иттрий 0,1-0,5 скандий 0,05-0,10 торий 0,1-0,2 железо остальное. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам порошковых сплавов на основе железа, применяемым для получения износостойких покрытий методами газотермического напыления. Известны порошковые сплавы для газотермического напыления износостойких покрытий на основе железа системы 1. Изготавливаемые покрытия обладают твердостью до 58-60 при остаточной пористости 10-15 , прочностью 300-400 МПа, прочностью адгезии с основой при испытаниях на отрыв - до 20 МПа,ударной вязкостью н 40-60 кДж/м 2 и могут эксплуатироваться в условиях абразивного и кавитационного износа, при высоких контактных давлениях и значительных относительных скоростях трущихся пар. Указанный уровень свойств (относительно невысокие прочность и ударная вязкость) не позволяет использовать эти сплавы для защиты от износа поверхностей трения узлов,8124 1 2006.06.30 эксплуатируемых в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, при отрицательных температурах. Наиболее близким к заявляемому сплаву из известных порошковых сплавов на основе железа, применяемых для получения износостойких покрытий, по составу компонентов является сплав, содержащий ниже перечисленные компоненты в следующих количествах(мас. ) углерод - 1,50-2,00 хром - 3,00-6,00 кремний - 0,75-2,50 бор - 3,00-3,50 марганец - 1,75-2,25 никель - 1,75-2,25 молибден - 1,75-3,00 кобальт - 10,00-22,00 железо остальное 2. Покрытия из данного сплава обладают твердостью до 58-60 при относительно высокой остаточной пористости (до 10 ) и низкой прочности адгезии с основой при испытаниях на отрыв (20-25 МПа). Материал покрытия имеет прочность до 350-400 МПа,ударную вязкость не более н 50-60 кДж/м 2. Покрытия из данного сплава применяются для защиты поверхностей трения при высоких температурах в условиях абразивного и кавитационного износа, когда имеют место высокие контактные давления и значительные относительные скорости трущихся пар. Высокая твердость и, соответственно, износостойкость покрытий (в указанных условиях эксплуатации) обусловлены равномерно распределенной в объеме материала покрытия сеткой карбидов, боридов и силицидов,формирующейся при напылении покрытия и его последующем оплавлении. Значительное содержание высокотвердых частиц с низкой адгезией к основе и высокая остаточная пористость покрытий объясняют их относительно невысокие прочность и ударную вязкость и, как следствие, интенсивный износ в связи с выкрашиванием микрообъемов сплава при трении в условиях действия ударных и знакопеременных нагрузок,при отрицательных температурах. Это снижает надежность узлов трения, ограничивая возможность применения сплава. Кроме того, указанный сплав отличается относительно невысокой коррозионной стойкостью, что не позволяет использовать его для изготовления деталей узлов трения, эксплуатируемых в агрессивных средах. Задачей изобретения является создание такого износостойкого порошкового сплава на основе железа, покрытия из которого обладали бы высокой прочностью, ударной вязкостью и коррозионной стойкостью. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении покрытия методом газопламенного напыления с высокой адгезией к основе и минимальной пористостью. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в износостойком порошковом сплаве на основе железа, содержащем хром, кремний, бор, никель, молибден и кобальт,вышеуказанный технический результат обеспечивается тем, что порошковый сплав находится в аморфном состоянии и дополнительно содержит иттрий, скандий и торий при следующем соотношении компонентов (мас. ) хром - 8,6-9,0 кремний - 0,3-0,5 бор - 4,5-5,0 никель - 6,5-7,0 молибден - 6,0-7,0 кобальт - 2,0-3,0 иттрий - 0,1-0,5 скандий - 0,05-0,1 торий - 0,1-0,2 железо - остальное до 100 . Указанный состав и нахождение сплава в аморфном состоянии обеспечивают после газопламенного напыления порошка без последующего его оплавления формирование коррозионно-стойкого, высокоплотного и твердого гомогенного аморфного покрытия без сетки высокотвердых частиц в его структуре и со значительными сжимающими напряжениями в его поверхностном слое. Это обеспечивает высокую адгезию покрытия с основой,сопровождается ростом его прочности и ударной вязкости. В результате получается высокотвердое ( 60-63) покрытие с минимальной остаточной пористостью (2-4 ), высокими адгезионной прочностью (45-60 МПа), прочностью материала покрытия на растяжение (1130-1180 МПа), ударной вязкостью (110-120 кДж/м 2),обладающее повышенной долговечностью в условиях ударных и знакопеременных нагрузок,абразивного и кавитационного износа, агрессивных сред, в широком диапазоне температур. 2 8124 1 2006.06.30 Пример Для получения сплавов 1-3 были подготовлены 3 варианта шихты указанного состава (таблица 1). После вакуумного переплава шихты проводилась высокоскоростная закалка расплавов от температуры 1200 С на наружную поверхность вращающегося медного диска-кристаллизатора. Угловая скорость медного диска-кристаллизатора составляла 50-60 с-1 при его радиусе 0,35 м. Это обеспечивало скорость охлаждения расплава на уровне 3105 К/с и позволяло сформироваться аморфной ленте толщиной 20-40 мкм. Аморфизация материала определялась методом рентгенофазового анализа. Таблица 1 Состав сплава, мас.сплава Хром Кремний Бор Никель Молибден Кобальт Иттрий Скандий Торий Железо 8,6 0,3 4,5 6,5 6,0 2,0 0,1 0,05 0,1 ос 8,8 0,4 4,7 6,7 6,5 2,5 0,3 0,08 0,15 тально е до 9,0 0,5 5,0 7,0 7,0 3,0 0,5 0,1 0,2 100 Аморфные ленты сплавов 1-3 подвергали диспергированию и гомогенизации путем размола в аттриторе (диаметр размольных тел - шары из сплава ВК 6 - 6 мм, отношение их массы к массе размалываемого материала 71, время помола 10-12 час, скорость импеллера - 120 мин-1). Для дальнейших испытаний выделялась гомогенная фракция порошка с размером частиц 40-80 мкм. Содержание компонентов в частицах порошка контролировалось методом микрорентгеноспектрального анализа. Аморфный материал наносился на стальную основу (Сталь 20), подвергнутую струйно-абразивной обработке (САО) чугунной колотой дробью ДЧК (ГОСТ 11964-81) при следующих режимах размер частиц дроби 0,3-0,5 мм, дистанция от сопла пистолета до обрабатываемой поверхности - 60 мм, угол соударения абразива с поверхностью - 60,давление газа - 5-6 кГс/см 2, время - 10-20 с. Совокупность режимов САО обеспечивала следующие параметры контактной поверхности основы упрочнение Н/Н 00,25-0,30 высота микронеровностей 5-8 мкм. Высокоскоростное газопламенное напыление аморфных порошков сплавов 1-3 осуществлялось при следующих режимах давление газов, кгс/см 2 кислород - 4,0-4,5 пропанбутан - 0,9-1,1 сжатый воздух - 4,0-4,5 расход газов, м 3/час кислород - 4,0-4,5 пропанбутан - 50,0-55,0, сжатый воздух 16,0-20,0 дистанция напыления - 150 мм, скорость перемещения сопла газопламенной горелки - 300 мм/мин. Их совокупность обеспечивала скорость полета частиц 160-180 м/с при температуре нагрева частиц 820-950 С. Толщина напыляемого аморфного покрытия составляла 0,8-1,2 мм. Полученные покрытия имели уровень свойств, приведенный в табл. 2. Таблица 2, МПа кДж/м 2 1 48 60-63 2-4 1130 110 2 60 60-63 2-4 1180 120 3 54 60-63 2-4 1160 116 В результате получается высокотвердое ( 60-63) аморфное покрытие с минимальной остаточной пористостью (2-4 ), высокими адгезионной прочностью (45-60 МПа),прочностью материала покрытия на растяжение (1100-1200 МПа), ударной вязкостью 120140 кДж/м 2. Травление материалов покрытий в концентрированных азотной, серной, соляной кислотах, едком натре в течение 7 суток не привело к потере массы образцами вследствие коррозии, на поверхности отсутствовали какие-либо следы химического взаимодействия. 1 2 3 8124 1 2006.06.30 Как видно из табл. 1, 2 для предлагаемого сплава прочность адгезии покрытия, прочность и ударная вязкость заметно выше, а пористость покрытия существенно ниже тех же величин у известного сплава. Покрытия из предлагаемого порошкового сплава на основе железа обеспечивают повышенную надежность узлов трения при абразивном и кавитационном износе в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, в широком диапазоне температур, в агрессивных средах. Именно такие условия реализуются, в частности, при работе узлов трения деталей насосов для перекачки воды, нефти и других технических жидкостей. Технология нанесения газопламенным напылением покрытий из предлагаемого порошкового сплава по сравнению с используемой для известного сплава упрощается, т.к. отсутствует заключительная операция оплавления покрытия. Источники информации 1. Дорожкин Н.Н., Гафо Ю.Н., Горанский Г.Г. и др. Получение порошковых изделий и покрытий из материалов на железной основе. - Минск БелНИИНТИ. - 1990. - 68 с. 2. Патент США 3012881, МПК С 22 С 39/20, опубл. 1961. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4