Порошок для газопламенного напыления износостойкого покрытия

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОРОШОК ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Манойло Евгений Данилович Горанский Георгий Георгиевич Юрченко Лариса Васильевна Онащенко Филипп Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56) Волосенков В.Е. и др. Порошки для газотермических покрытий. Состав. Свойства. Применение. - Мн. Вышэйшая школа, 1987. - С. 5, 18-19.2258758 1, 2005.2201994 1, 2003.60-243243, 1985.06221438 , 1994.2030472 1, 1995.(57) Порошок для газопламенного напыления износостойкого покрытия, содержащий железо, углерод, хром, бор, кремний, алюминий и никель, отличающийся тем, что дополнительно содержит борид железапри следующем соотношении компонентов, мас.железо 0,7-1,7 углерод 0,2-0,4 хром 4,3-7,7 бор 0,9-1,4 кремний 0,6-1,7 алюминий 0,9-1,3 борид железа 28,0-70,0 никель остальное,при этом 85-95 мас.частиц порошка имеют размер 20-50 мкм, а остальные частицы имеют размер 100-160 мкм. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам порошков, применяемых для получения износостойких покрытий методами газопламенного напыления. Известны порошковые самофлюсующиеся сплавы на основе никеля системы производства ОАО Тулачермет (РФ) 1. Данные порошки созданы для нанесения покрытий методами газопламенного напыления с последующим оплавлением и газопорошковой наплавки. В зависимости от химического состава порошков нанесенные покрытия обладают твердостью 25-55, прочностью- до 350-400 МПа, прочностью сцепления с подложкой при испытаниях на отрыв - до 400 МПа. Остаточная пористость 10846 1 2008.06.30 их находится в пределах 1,0-1,5 . Они могут эксплуатироваться в условиях коррозии,абразивного и кавитационного износа, при ударных воздействиях и температурах до 550 С. Указанные порошки используются для упрочнения высоконагруженных деталей узлов трения уплотнений, втулок, муфт, штоков, валов и т.д., например, насосов для перекачки различных типов топлива, технических жидкостей. Покрытия из порошков самофлюсующихся сплавов системы В, без последующей операции оплавления, как правило, не используются, так как после операции напыления они имеют низкие параметры прочности сцепления с подложкой при испытаниях на отрыв - до 15 МПа и высокую пористость 12-252. Указанный уровень физико-механических свойств не обеспечивает необходимой долговечности и защиты поверхностей трения деталей от износа при эксплуатации в условиях значительных контактных давлений, скоростей трения, знакопеременных нагрузок и отрицательных температур. Необходимость оплавления таких покрытий ограничивает их применение габаритными размерами и массой деталей, требует значительного дополнительного количества тепловой энергии для нагрева деталей до температур 1050-1200 С, а также дополнительных мер для исключения коробления. Толщина таких покрытий ограничивается пределами 0,8-1,2 мм. Небольшое снижение пористости и повышение прочности напыленных газопламенных покрытий из порошков самофлюсующихся сплавов системы достигается при использовании порошковой смеси Метко 451, состоящей из самофлюсующегося никелевого сплава Метко 15 Е (железо - до 5 углерод - 0,8-1,2 хром - 14,3-17,7 бор - 0,93,4 кремний - 0,6-3,7 никель - остальное никель до 100 ) и композита никель-алюминий- Метко 450 (никель 95 и алюминий 5 ), содержащая указанные компоненты в следующих количествах (мас. ) самофлюсующийся никелевый сплав Метко 451-85 и композит никель-алюминий Метко 450-153. Размер частиц смеси порошков составляет 40-120 мкм. При оптимальных режимах процесса напыления скорость полета таких частиц составляет 35-75 м/с. Напыленные покрытия из данной смеси порошков обладают твердостью до 33 при остаточной пористости 10-12 , прочностью сцепления с подложкой, равной 20-25 МПа, при толщине слоя - более 0,8-1,2 мм. Материал покрытия имеет прочность до 120-150 МПа, ударную вязкость не более н 40-50 кДж/м 2. Покрытия из данной порошковой смеси применяются для защиты поверхностей деталей, работающих в условиях коррозии, эрозии и фрикционного изнашивания, например,восстановления поршней гидравлических систем, шпинделей станков, опорных поверхностей и т.д. 3. Наиболее близким к заявляемому из известных порошков для газопламенного напыления износостойких покрытий по составу компонентов является порошок ПТ-19 Н-01 производства Торезского завода наплавочных твердых сплавов (ТЗНТС - Украина),имеющий состав, мас.- основа- 1,2-3,2 С - 0,3-0,6- 7,9-14 В - 1,7-2,51,2-3,2- 0,8-1,2 4. Порошок представляет собой композит, состоящий из ядер - частиц самофлюсующегося никелевого сплава, покрытых мелкими частицами алюминия. В процессе газопламенного напыления, проходя через высокотемпературную струю распылителя, частицы нагреваются, происходит взаимодействие алюминия с никелем, сопровождающееся экзотермическим эффектом и образованием металлидов типа ,распределенных по объему покрытия. Это приводит к незначительному снижению пористости, повышению прочности и твердости напыленного покрытия. Для увеличения прочности сцепления с подложкой такое покрытие наносят через промежуточный слой из порошка ПТ-НА-01 производства ТЗНТС, имеющего состав, мас.- основа- 45,5. Порошок представляет собой композит, состоящий из ядра - никеля, покрытого частицами алюминия 4. Использование подслоя увеличивает время и стоимость нанесения покрытия. Прочность сцепления при этом составляет 20-25 МПа, пористость находится в пределах 8-12 , а твердость не превышает 20 4. 2 10846 1 2008.06.30 Повышенная твердость и прочность покрытий обусловлена равномерно распределенными в объеме материала покрытия твердыми частицами самофлюсующегося сплава и интерметаллидами, улучшающими связи частиц между собою и с подложкой за счет образования мостиков сварки при выделении тепла экзотермической реакции между частицами алюминия и самофлюсующегося сплава в процессе формирования покрытия на поверхности детали. Значительное содержание высокотвердых частиц с невысокой прочностью связи между собой и подложкой и остаточная пористость покрытий объясняют их недостаточную прочность и ударную вязкость и, как следствие, износ в связи с выкрашиванием микрообъемов напыленного покрытия при трении в условиях абразивного и кавитационного износа, когда имеют место повышенные контактные давления и значительные скорости относительного скольжения, при температурах до 550 С. Это снижет надежность узлов трения, ограничивая возможность применения порошковой смеси. Кроме того, остаточная пористость (10-12 ) ограничивает возможность использования порошковой смеси для защиты деталей узлов трения, эксплуатирующихся в агрессивных средах. Задачей изобретения является создание такого порошка для газопламенного напыления, покрытия из которого обладали бы высокой износостойкостью, прочностью, ударной вязкостью и коррозионной стойкостью. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в формировании методом газопламенного напыления на металлической подложке покрытия с высокой прочностью, твердостью и минимальной пористостью. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известный порошок,содержащий (мас. ) железо - 0,7-1,7 углерод - 0,2-0,4 хром - 4,3-7,7 бор - 0,9-1,4 кремний - 0,6-1,7 алюминий - 0,9-1,3 никель - остальное до 100 , для достижения вышеуказанного технического результата вводят химическое соединение борид железав количестве 28-70 , при этом 85-95 мас.частиц имеют размер 20-50 мкм, а остальные 100-160 мкм. Указанный состав и размеры частиц порошков обеспечивают при оптимальных режимах газопламенного напыления скорость полета частиц 150-230 м/с, что при столкновении их с подложкой позволяет формировать высокоплотное, прочное покрытие значительной толщины (до 2,0 мм). Борид железав процессе газопламенного напыления порошка равномерно распределяется по объему покрытия и выполняет функции упрочняющего компонента. В связи с уменьшением концентрации никеля и алюминия формирование интерметаллидапо границам зерен происходит в меньшем количестве. Частицы порошка с размерами 100-160 мкм в процессе газопламенного напыления обеспечивают активную струйно-абразивную обработку, очищая подложку и частицы от оксидов. Таким образом, в процессе газопламенного напыления покрытия из порошка заявляемого состава с указанными размерами частиц формируется гомогенное покрытие с равномерно распределенным по объему упрочняющим компонентом , что приводит к повышению его прочности, твердости, ударной вязкости, снижению пористости. Твердость покрытия составляет более 42, минимальная остаточная пористость - 2-4 ,прочность сцепления с подложкой - 35-50 МПа, прочность материала покрытия на растяжение - 250-300 МПа, ударная вязкость - 56-85 кДж/м 2. Такое покрытие обеспечивает повышенную долговечность работы деталей узлов трения в условиях совместного воздействия абразивного и кавитационного износа, агрессивных сред, в широком диапазоне температур, при повышенных контактных давлениях и значительных скоростях относительного скольжения трущихся поверхностей. Пример. Для получения порошков 1-6 были подготовлены 6 вариантов порошковой шихты указанного состава и размеров частиц (см. табл. 1). 10846 1 2008.06.30 При подготовке порошков 1-6 шихта перемешивалась в баночном смесителе вместе с шарами из сплава ВК 6 диаметром 6 мм в течение 20 минут. Для дальнейших испытаний на ситах отсеивались гомогенные фракции порошка с размером частиц 20-50 и 100-160 мкм. Таблица 1 Состав сплава, мас. основа основа основа основа основа основа Покрытия наносили на стальную подложку (Сталь 30), подвергнутую струйноабразивной 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 атаки абразива (угол соударения с поверхностью) 60, давление воздуха - 5-6 кГс/см 2, время - 10-15 с. Совокупность режимов САО обеспечивала следующие параметры контактной поверхности основы упрочнение Н/Н 00,25-0,30 высота микронеровностей 12-18 мкм. Газопламенное напыление порошков сплавов 1-6 осуществляли при следующих режимах давление газов, кгс/см 2 кислород - 8,0-8,5 метил ацетиленовая фракция - 1,82,1 сжатый воздух - 5,0-5,5 расход газов, м 3/час кислород -6,0-6,5 метил ацетиленовая фракция - 1,5-1,6 сжатый воздух 20,0-25,0 дистанция напыления - 150 мм, скорость перемещения сопла газопламенной горелки - 300 мм/мин. Данные режимы процесса обеспечивали скорость полета частиц с размерами 40-100 мкм, равную 60-80 м/с, а с размерами 20-40 мкм - 180-230 м/с. Скорость полета частиц определялась на приборе ИССО-1. Температура нагрева частиц измерялась инфракрасным малогабаритным спектрометром ИСМ-4 с записью результатов на осциллографе Н-115 и во всех случаях составляла 880-1000 С. Полученные покрытия имели следующие физико-механические свойства, приведенные в табл. 2. Таблица 2 Потеря веса в кон сплава / Ударная центрированном реПрочность ПорисПрочность Размер Твердость активе через 15 сцепления,тость,вязкость н,частиц,1/20-50 20-22 22-25 5-6 135-151 42-46 4,6 6,2 2/40-100 21-25 24-30 6-8 120-130 41-47 4,5 6,1 3/20-50 32-35 35-42 4-6 239-256 60-66 2,6 4,1 4/20-50 34-39 42-44 3-5 269-298 70-76 2,1 3,7 5/20-50 41-50 43-45 4-7 275-300 82-85 1,3 2,6 6/20-50 40-45 40-42 5-8 263-278 75-79 1,8 3,2 Пример, приведенный в табл. 2, показывает, что известный порошок ( 1) даже при меньшем размере его частиц 20-50 мкм не обеспечивает заметного прироста физикомеханических свойств покрытия. При одновременном введении в известный сплав борида 4 10846 1 2008.06.30 железа и стабилизации размеров частиц порошка на уровне 20-50 мкм уровень механических свойств и коррозионная стойкость растут. В результате газопламенного напыления заявляемого порошка формируется высокотвердое ( более 42) коррозионно-стойкое покрытие с минимальной остаточной пористостью (2-4 ) и высокими прочностью сцепления (35-50 МПа), прочностью материала покрытия на растяжение (250-300 МПа), ударной вязкостью 66-85 кДж/м 2. Более высокий уровень свойств покрытий из предлагаемого порошка позволяет повысить долговечность узлов трения в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, абразивного и кавитационного износа, агрессивных сред, в широком диапазоне температур, при высоких контактных давлениях и значительных относительных скоростях скольжения трущихся пар. Именно такие условия реализуются, в частности, при работе узлов трения деталей насосов для перекачки воды, нефти, газового конденсата, масел и других технических жидкостей. Источники информации 1. Каталог продукции ОАО Полема - дилера ОАО Тулачермет, 2002. 2. Манойло Е.Д. Повышение основных свойств газопламенных порошковых покрытий путем управления скоростью, температурой и теплосодержанием частицАвтореф. дис. канд. техн. наук. - Мн. Метолит. - 2002. - 22 с. 3. Промышленные каталоги 19393-85 823-87.--.234.., , 1976. - 7. 4. Волосенков В.Е., Куприянов И.Л. Порошки для газотермических покрытий Состав. Свойства. Применение. - Мн. Вышэйшая школа, 1987. - 27 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5