ИЗНОСО-КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ
WEAR-CORROSION-RESISTANT ALLOY ON BASE OF ALUMINIUM FOR NANO-STRUCTURED COATING

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения износо-коррозионно-стойких порошковых наноматериалов для получения покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления, применяемых для создания износо- и коррозионно-стойких беспористых покрытий. При напылении методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления не происходит деградации структуры напыляемого материала, т.е. химический, структурный и фазовый состав покрытия полностью соответствует составу исходного порошкового материала разработанного сплава.
2
3
Известен порошок для газотермического напыления покрытий на основе алюминия, плакированного никелем: Al-Ni. Покрытие, получаемое при напылении порошка Al-Ni, имеет неоднородную фазовую структуру и наряду с интерметаллидными соединениями и твердыми растворами содержит также оксид алюминия AlO, попадающий в покрытие из исходных порошков алюминия. Покрытия, получаемые из плакированных порошков Al-Ni, имеют низкую микротвердость. Многофазность покрытия часто приводит к разрушению из-за его расслоения, что ограничивает условия и диапазон рабочих температур (2039125, МПК C23C 4/08, Б.И. 15.08.91).
Известны порошковые материалы для нанесения износостойких покрытий из стали (Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыление покрытия. - М.: Металлургия, 1987, с.753). Недостатком известных порошковых материалов является недостаточная прочность сцепления получаемых покрытий с основой, а также необходимость в дополнительной термической обработке покрытий (закалке), требующей значительных энергетических затрат и в ряде случаев приводящей к термическим деформациям изделий.
За прототип принят порошковый материал для получения износостойких покрытий, представляющий собой механическую смесь двух порошков, одним из которых является порошок на основе сплава никеля с алюминием, а второй - высокоуглеродистый легированный сплав с высоким содержанием хрома следующего состава, мас.%:
C - 4,0-4,5;
Cr - 32-34;
Si - 1,7-2,0;
Mn - 2,5-2,7;
B - 1,6-1,8;
Fe - остальное.
Недостатком покрытий, получаемых из известного порошкового материала, является то, что покрытие сформировано матрицей из Al-Ni сплава, в которой распределены частицы высокоуглеродистого легированного сплава. Наблюдается непроплав отдельных частиц (порядка 3%), обусловленный ухудшением энергетики формирования покрытия. Это приводит к снижению прочности покрытия и повышению его хрупкости. В результате в процессе эксплуатации при температуре 600°C и ресурсах более 40 часов образуются микротрещины на поверхности, что снижает износостойкость покрытия.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости покрытия за счет качественного изменения одного из компонентов и выбора диапазона соотношений вводимых компонентов.
Для решения основного технического результата изобретения (повышение износостойкости) необходимо обеспечить высокую микротвердость материала, практика эксплуатация изделий при воздействии экстремальных внешних условий показывает, что микротвердость таких материалов должна быть не менее 60 HV.
Сущностью изобретения является то, что состав износо-коррозионно-стойкого сплава на основе алюминия для наноструктурированных покрытий, представляющий собой порошковый материал, полученный методом эжекторного распыления из расплава с мгновенной закалкой в струе аргона, следующего состава, мас.%:
Al - основа;
Zn от 1,0 до 11,0;
Sn от 1,0 до 11,0;
Fe от 0,1 до 0,2;
Si от 0,3 до 0,5;
Ti от 0,1 до 0,15;
Ce от 0,005 до 0,6.
Таким образом, метод быстрой закалки дает следующие преимущества при получении износостойких материалов:
- сохранение прецизионного состава исходного шихтового материала в получаемом дисперсном порошке,
- получение гомогенной, микрокристаллической структуры порошка,
- возможность достижения метастабильной структуры порошка с последующей реализацией в процессе напыления нанокристаллических выделений, способствующих повышению адгезионной и когезионной прочности износостойкого покрытия.
Техническим результатом изобретения является существенное увеличение износостойкости и плотности покрытий, полученных из этого сплава, причем суммарное содержание цинка и олова не должно превышать 12%. При содержании в сплаве олова более 12% образуются неустойчивые соединения - станниты, приводящие к существенному охрупчиванию сплава и невозможности его дальнейшего технологического использования.
Технический результат достигается за счет введения церия от 0,005% до 0,6% для управления ростом нанокристаллических выделений в аморфной матрице (структуре) сплава. При введении церия менее 0,005% не происходит требуемого эффекта роста зерна, а при введении более 0,6% образуется нежелательная фаза, появляются агломераты хрупкой фазы. Для получения покрытий из полученных сплавов использовался метод холодного газодинамического напыления (ХГДН), использование данного метода обусловлено тем, что в процессе напыления не происходит фазовых и структурных изменений напыляемых сплавов за счет низких температур в процессе напыления.
Следовательно, и теоретические, и экспериментальные предпосылки указывают на целесообразность использования для узлов трения быстрозакаленных нанокристаллических сплавов.
Конкретная технологическая схема получения порошков из расплава следующая. Расплавление шихтового материала производится методом прямого сплавления компонентов в алундовом тигле объемом идентичному 20 кг, все компоненты шихты вводятся одновременно, кроме Ti и Ce, которые вводятся последними, как модифицирующие добавки. Плавильная установка, базирующаяся на основе высокочастотного генератора типа ЛМЗ-50. Эжекторное распыление расплава производится через кварцевую дюзу при избыточном давлении аргона от 1,5 до 1,8 атм и температуре 750-780°C. Оптимальная фракция получаемого порошка сферообразной формы составляет от 50 мкм до 63 мкм.
Для реализации примера были исследованы следующие составы покрытий:
2
Состав 1: Zn - 1%; Sn - 11%; Fe - 0,1%; Si - 0,3%; Ti - 0,1; Ce - 0,005%, алюминий остальное - микротвердость 69 HV, адгезия 2,3 кг/мм.
2
Состав 2: Zn - 11%; Sn - 1%; Fe - 0,2%; Si - 0,5%; Ti - 0,15; Ce - 0,6%, алюминий - остальное - микротвердость 61 HV, адгезия 4,5 кг/мм.
2
Состав 3: Zn - 6%; Sn - 6%; Fe - 0,15%; Si - 0,4%; Ti - 0,12; Ce - 0,3%, алюминий - остальное - микротвердость 77 HV, адгезия 5,6 кг/мм.
Результаты показывают, что наибольшими значениями микротвердости и адгезии обладает сплав состава Zn - 6%; Sn - 6%; Fe - 0,15%; Si - 0,4%; Ti - 0,12; Ce - 0,3%.
Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показал, что предлагаемый способ получения износо-коррозионно-стойкого сплава на основе алюминия для наноструктурированных покрытий отличается от прототипа тем, что в процессе эксплуатации не происходит фазовых и структурных изменений, а также изменений химического состава полученных покрытий благодаря наличию наноструктуры. Быстрозакаленные алюминиевые сплавы с нанокристаллической структурой, претерпевающие мартенситные превращения, превосходят по износостойкости известные кристаллические аналоги. Это хорошо согласуется с теоретическими предпосылками, согласно которым размер зерен (элементов) оказывает существенное влияние на физико-механические свойства, в т.ч. на микротвердость.
Для сравнения были получены покрытия методом холодного газодинамического напыления и проведен анализ исследования износостойкости, результаты представлены в таблице №1.
Таблица 1
Состав покрытия
Износостойкость нанесенного покрытия, мг/ч
Состав 1
3,5
Состав 2
3,8
Состав 3
3,2
Прототип
4,0