СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПЛАКИРОВАННОГО ПОРОШКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
PRODUCTION OF COMPOSITE CLAD POWDER FOR APPLICATION OF COATINGS

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к созданию композиционных поверхностно легированных порошков, и может быть использовано для получения защитных износостойких покрытий с заданными свойствами.
Известны способы получения легированных порошковых материалов, например способ получения композиционного керамического порошка, на основе нитрида кремния и нитрида титана (патент RU №2382690, опубл. 27.02.2010 г.), в котором готовят экзотермическую смесь смешением измельченных до размера частиц не более 0,1 мм ферросилиция, содержащего 65-95 мас.% кремния, ильменита, содержащего 60-65 мас.% диоксида титана, и предварительно азотированного ферросилиция, при соотношении компонентов в смеси, мас %: ферросилиций - 40-55, ильменит - 20-40, азотированный ферросилиций - 25-40. Полученную смесь воспламеняют при давлении азота 2-20 МПа. Осуществляют доазотирование смеси при давлении азота 0,1-10 МПа в течение 30-40 минут и ее последующее измельчение. Затем измельченный продукт подвергают магнитной сепарации, после чего его обрабатывают 15-30% раствором соляной кислоты.
3
Также известен способ получения азотосодержащей лигатуры (патент RU №2462526, опубл. 27.09.2012 г.), где для получения лигатуры исходный сплав, содержащий 40-85% ванадия, 2-57% железа и один или несколько элементов, выбранных из ряда: кальций, алюминий, кремний, углерод и марганец в количестве 1,0-21,0% измельчают порошок с размером частиц менее 1,5 мм, порошок помещают в атмосферу азота чистотой не менее 99,0% при давлении свыше 0,1 МПа, инициируют экзотермическую реакцию образования нитридов ванадия путем локального нагрева части поверхностного слоя порошка; осуществляют насыщение порошка азотом в так называемом режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) до получения композиционного сплава на основе нитрида ванадия плотностью 4,0-7,0 г/см, состоящего из нитрида ванадия в количестве 44-92% и связующего сплава, представляющего собой сплав на основе железа, включающего, по крайней мере, два элемента, выбранных из ряда: кальций, алюминий, кремний, углерод, марганец и ванадий в количестве 1,0-20,0%, и имеющего температуру начала плавления менее 1500°C.
В качестве прототипа выбран способ получения композиционных порошковых материалов с металлической матрицей, армированной тугоплавкими наполнителями методом сверхскоростного механосинтеза (патент RU №2460815, опубл. 10.09.2012 г.).
Порошок металлической матрицы получают путем измельчения порошкового материала дисперсностью не более 100 мкм в высокоскоростном дезинтеграторе с помощью двух роторов с измельчающими элементами, изготовленными из плакирующего материала. Плакированный порошок смешивают с порошком керамического упрочнителя и обрабатывают в высокоскоростном дезинтеграторе с помощью двух роторов при скоростях относительного движения ударных элементов 120-220 м/с и частоте ударов 7000-10000 уд./с. Измельчающие элементы роторов изготовлены из материала твердостью ниже твердости обрабатываемого порошка или смеси. Полученные дисперсно-упрочненные частицы системы металл-керамика имеют степень армирования не менее 60% и обеспечивают высокие эксплуатационные свойства покрытия из них.
Обработка порошкового материала в рабочих камерах известным способом приводит к образованию неметаллической составляющей (нитриды, карбиды, оксиды или их комбинации) во всем объеме каждой частицы. Это снижает пластические свойства порошкового материала, что, в свою очередь, часто делает невозможным получение качественных покрытий с высокими адгезионными и когезионными свойствами.
Техническим результатом изобретения является создание порошковых композиционных материалов, существенной отличительной особенностью которых является наличие упрочняющей пленки (например оксидов, нитридов или карбидов) на поверхности частиц, при сохранении пластичной сердцевины для повышения адгезионных и когезионных свойств покрытий.
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения композиционного порошка для нанесения покрытий, включающем приготовление смеси металлического порошка с неметаллической компонентой и сверхскоростной механосинтез в среде реакционного газа, в соответствии с изобретением приготовление смеси металлического порошка с неметаллической компонентой ведут при соблюдении соотношений их масс, соответственно, как (1-4):1; размера фракций, соответственно, как 100:1 и твердости, соответственно, не менее чем 1:1,5, а механосинтез ведут со скоростью 12000 об/мин.
Оптимальное содержание абразивного компонента в порошковой смеси составляет 25-50% с дисперсностью 80-100 нм, что обеспечивает образование ювенильной поверхности. При содержании абразивного компонента менее 25% не достигается достаточного и необходимого уровня освобождения поверхности от окислов и других загрязнений. При содержании абразивного компонента более 50% - излишний абразив остается на поверхности частиц.
Соотношение размера фракций металлического порошка и неметаллической компоненты (как правило, наноразмерной), как показали эксперименты, должно составлять 100:1. При изменении соотношения увеличением размера фракций металлической компоненты или уменьшением размера частиц неметаллической компоненты не удается получить требуемую ювенильную поверхность на обрабатываемых частицах. При изменении соотношения уменьшением размера металлического порошка или увеличением размера неметаллической (абразивной) компоненты наблюдается разрушение (измельчение) частиц металлического порошка при соударении.
Оптимальное соотношение твердости металлического порошка и неметаллической (абразивной) компоненты должно быть не менее чем 1:1,5. При меньшем соотношении на поверхности армируемой металлической частицы количество налипших частиц будет существенно меньше и эффект повышения твердости покрытия будет несущественным.
Вариации параметров режима обработки порошковой смеси (скорости относительного движения ударных элементов и частоты соударений) как в сторону их уменьшения, так и в сторону их увеличения не позволяют синтезировать материал с заданными свойствами. При уменьшении частоты вращения роторов менее 12000 об/мин не происходит полной обработки поверхности. При увеличении частоты вращения роторов более 12000 об/мин происходит облипание частиц металлического компонента частицами абразива.
Образование ювенильной поверхности частиц металлического порошка происходит при их интенсивном столкновении со сверхзвуковыми скоростями. Последующее кратковременное взаимодействие с реакционным газом (азот, кислород или метан) позволяет получить на ювенильной поверхности частицы тонкий (мономолекулярный) упрочняющий слой (нитридов, оксидов или карбидов), сохраняя пластическую сердцевину в каждой частице.
Сверхскоростной механосинтез предварительно полученной порошковой смеси проводят путем совместной обработки в рабочей зоне высокоскоростного универсального дезинтегратора-активатора с помощью двух роторов с рядами измельчающих ударных элементов. Взвешенные количества порошков металлического материала и абразивного компонента загружаются в смеситель, которым снабжена установка, и после смешивания (5-10 минут) порошковая смесь питателем-дозатором с регулируемой производительностью подачи материала равномерно подается в загрузочный канал и поступает в рабочую зону дезинтегратора, где происходит обработка порошковой смеси. Обработку проводят при частоте вращения роторов 12000 об/мин и частоте ударов 8000-10000 уд./с. Частота ударов определяется расчетным путем, исходя из скорости вращения роторов, количества ударных элементов и дозированного поступления материала в рабочую зону дезинтегратора.
Для реализации предложенного способа в качестве металлического порошка предлагается использовать Al, Fe, Cr или их сплавы, которые наряду с требуемой вязкостью, обеспечивающей стойкость к возникновению и развитию трещин в покрытии, в сочетании с высокими характеристиками твердости, являются определяющими для нанесения функциональных покрытий на их основе.
В качестве неметаллической компоненты целесообразно использовать тугоплавкие соединения оксидов, карбидов или нитридов, которые легко получаются в виде микронных или наноразмерных частиц известными методами плазмохимического синтеза, механохимического синтеза, СВС метода, с помощью золь-гель процесса.
Предлагаемый способ опробован на специализированном участке ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей».
Пример №1.
Для получения поверхностно легированного порошкового материала в качестве абразивного компонента отбирали наноразмерный карбид вольфрама дисперсностью 80-100 нм в количестве 100 г, твердостью 3,07 ГПа. В качестве обрабатываемого материала отбирали порошок сплава FeCrAl (ПВ-Х20Ю6И) дисперсностью (в соответствии с заявляемым соотношением) 8-10 мкм, в количестве 400 г и твердостью 1,14 ГПа. Взвешенные порошковые компоненты загружали в смеситель, которым снабжена установка, и производили смешивание в течение 5 минут. Далее порошковую смесь подвергли сверхскоростному механосинтезу путем совместной обработки в высокоскоростном дезинтеграторе за один проход в среде реакционного газа азота. Обрабатываемая порошковая смесь питателем равномерно подавалась в загрузочный канал и поступала в рабочую зону дезинтегратора. Обработку порошковой смеси проводили комплектом роторов с рядами ударных элементов при частоте вращения роторов 12000 об/мин и частоте ударов 8000-10000 уд./с. Частоту удара определяли расчетным путем, исходя из скорости вращения роторов, количества ударных элементов и дозированного поступления материала в рабочую зону дезинтегратора.
Полученный композиционный порошок, пройдя разгрузочный канал и циклон, собирался в специальный приемный контейнер. Таким образом, получили поверхностно легированный порошок оптимальный для устойчивого процесса получения износостойких покрытий газотермическими методами.
Пример №2.
Для получения поверхностно легированного порошкового материала в качестве абразивного компонента отбирали наноразмерный оксид алюминия дисперсностью 80-100 нм в количестве 250 г и твердостью 1,96 ГПа. В качестве обрабатываемого материала отбирали порошок сплава FeCrAl дисперсностью (в соответствии с заявляемым соотношением) 8-10 мкм в количестве 250 г и твердостью 1,14 ГПа. Взвешенные порошковые компоненты загружали в смеситель и производили предварительное смешивание в течение 10 минут. Сверхскоростной механосинтез порошковой смеси проводили по примеру 1.
2
3
Фазовое состояние образцов полученных поверхностно легированных порошков определяли рентгеноструктурным анализом на дифрактометре ДРОН-4М. На дифрактограмме с процентным содержанием AlO - 50%, FeCrAl - 50% после дезинтеграторной обработки видны отличия в виде трех дополнительных пиков, идентифицировали эти три пика как FeN, AlN, CrN. Исследование микроструктуры порошков проводили методом сканирующей электронной микроскопии на атомно-силовом микроскопе (АСМ) типа «Nano Scan». Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Способ получения
Состав порошкового материала
Соотношениемасс
Режим обработки
Микротвердость (ГПа)
скорость движения ударных эл-ов, м/с
частота соударений, уд/с
матрица
оболочка
Пример 1
(Fe-Cr-Ni-Al-Si-Mn)+карбид вольфрама
4:1
450
8000-10000
8,54
10,52
Пример 2
(Fe-Cr-Ni-Al-Si-Mn)+нанокорунд
1:1
450
8000-10000
8,95
12,08
Полученные композиционные порошки (по примеру 1 и 2) использовались для изготовления покрытий методом ХГДН и микроплазменного напыления и имели хорошую адгезию с подложкой. Проведенные эксперименты показали, что поверхностно легированные порошки могут быть использованы для получения защитных износостойких покрытий с заданными свойствами.