СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Cu-Fe
METHOD FOR OBTAINING A WEAR-RESISTANT COATING BASED ON A QUASI-CRYSTALLINE ALLOY OF THE Al-Cu-Fe SYSTEM

Изобретение относится к области металлургии износостойких покрытий, содержащих квазикристаллическую структуру, а именно к способам поверхностного упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в экстремальных условиях эксплуатации с воздействием абразивного изнашивания и знакопеременных нагрузок.
Квазикристаллы - интерметаллидные соединения, атомная структура которых характеризуется наличием осей симметрии 5, 8, 10 и 12 порядков. Известно, что соединения металлов с такой кристаллографической структурой обладают уникальными свойствами: низким коэффициентом трения и низкой смачиваемостью, высокой твердостью, высокой износостойкостью и антифрикционными свойствами, низкой теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью и значительной радиационной стойкостью. Квазикристаллы могут найти широкое применение в качестве наполнителей композиционных материалов для повышения износостойкости изделий из них, в качестве антифрикционных теплозащитных коррозионностойких покрытий, в качестве добавок к горюче смазочным материалам для увеличения срока службы подшипников качения и снижения расхода смазки.
Известен способ получения композиционных покрытий для деталей трения в авиационной, судостроительной, автомобильной и других областях промышленности. Способ включает ускорение порошкового материала предварительно нагретым до 100-350°С потоком воздуха со скоростью более 300 м/с и нанесение его на поверхность изделия. В качестве порошкового материала используют смесь, содержащую два компонента, один из которых пластичный металл - медь, другой - материал, имеющий твердость не менее чем в три раза выше, чем у пластичного компонента. В качестве твердого компонента используют мелкодисперсный порошок квазикристаллических частиц в количестве 10-60 мас. % и дополнительно в порошковый материал вводят в количестве 20-80 мас. % порошок железа с размером частиц 100-200 мкм. Нанесение покрытия проводят под углом 85-75 градусов к поверхности детали. В качестве твердого компонента используют квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe, Al-Cu-Mg. Технический результат - повышение твердости, износостойкости, снижение пористости и коэффициента трения покрытия.
(RU 2430995, B22F 1/00, С23С 24/08, опуб. 10.05.2011).
Недостатком данного способа является нестабильность полученных покрытий, связанная с необходимостью нанесения покрытия под углом 75-85°, кроме того, полученное таким способом покрытие пригодно только для деталей трения.
Известен способ получения покрытий из квазикристаллических сплавов системы Al-Cu-Fe. Способ включает послойное напыление на поверхность детали расплавленных частиц, нагрев которых осуществляют в плазменной струе, экранированной подачей пирофорного технологического газа в пятно напыления. Напыление покрытия осуществляют из порошка, исходная смесь которого взята при соотношении алюминия, меди и железа, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава Al-Cu-Fe, путем нагрева его до температуры плавления в инертной атмосфере. При этом поверхность детали охлаждают теплоносителем, а температуру в пятне напыления поддерживают в интервале 650-750°С. Технический результат - получение покрытия из квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe.
(RU 2335574, С22С 21/12, С23С 4/08, С23С 4/12, опуб. 10.10.2008).
Недостатком способа является необходимость получения порошков квазикристаллов, сложность и высокая стоимость используемого оборудования, а также зависимость процентного содержания квазикристаллической фазы в покрытиях от температуры в пятне напыления. Температура в пятне напыления зависит от параметров работы плазмотрона, дистанции напыления, расходов порошка, технологического газа, теплоносителя и скорости взаимного перемещения плазмотрона и детали.
Известен сплав для получения износостойких электропроводящих покрытий на основе меди с армирующими наночастицами квазикристаллического соединения системы Al-Cu-Fe.
(RU 2362839, кл. С23С 24/04, В82 В 3/00, 2009 г.)
При получении покрытия на основе этого сплава выявили следующие два недостатка: недостаточная пластичность и ограниченный диапазон микротвердости.
Наиболее близким к заявляемому способу получения износостойкого покрытия на основе квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe по технической сущности является принятый в качестве прототипа сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe для нанесения износостойкого наноструктурного покрытия и способ его нанесения на металлическую подложку.
Заявлен сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия. Сплав характеризуется тем, что он содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас. %: медь 2-5, карбид вольфрама 20-40, квазикристалл системы Al-Cu-Fe -остальное, причем квазикристалл системы Al-Cu-Fe имеет следующий состав, мас. %: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5. Технический результат - повышение износостойкости за счет повышения микротвердости материала наряду с повышением адгезионной и когезионной прочности наносимых покрытий.
Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме: выплавка исходного сплава методом прямого сплавления компонентов; дробление полученного слитка; нанесение покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН)
Выплавка сплава производилась в высокочастотном индукторе установки типа Л3-13 мощностью 10 кВт 4 при следующей последовательности введения шихтовых компонентов: квазикристалл Al-Cu-Fe → медь → карбид вольфрама. Масса получаемых слитков 0,7-0,8 кг.
Дробление полученного слитка производилось последовательно на щековой дробилке типа «Пульверизетте 1» до фракции 3-5 мм, а затем на дезинтеграторной установке типа ДЕЗИ-15 до фракции 20-100 мкм в соответствии с руководящей документацией.
Нанесение функциональных покрытий из полученного таким образом порошка производилось методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН) на установке типа ДИМЕТ-3 в соответствии с руководящей документацией. Температура гетерофазного потока при напылении не превышала 130°С при скоростях частиц 660-825 м/с, что обеспечивает сохранение наноструктурного состояния покрытия и практического отсутствия пористости.
В качестве подложек использовалась медь, никель и сплав Х15Ю5. Толщина получаемого покрытия составляет 18-20 мкм.
(RU 2434077, С23С 14/06, С22С 1/04, В82В 3/09,опуб. 27.05.2011).
Недостатком этого способа является сложность и дороговизна применяемого оборудования для получения порошков квазикристаллов, и невысокая толщина покрытия. Кроме того, недостатком данного способа является малая вероятность получения неквазикристаллической структуры, так как исходная смесь порошков Al-Cu-Fe взята не в атомных процентах, а в массовых процентах. Поэтому порошок, получаемый данным способом, может иметь недостаточное качество и не на 100% состоять из квазикристаллов требуемого состава.
65
22
13
Задачей и техническим результатом изобретения является создание высоко износостойкого покрытия на основе квазикристалла AlCuFe на поверхности стальной детали, как для условий работы в абразивной среде, так и в абразивно-ударной среде.
Технический результат достигается тем, что в способе получения износостойкого покрытия на основе квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe на поверхностности стальных деталей предусмотрено изготовление шихты (шликера), нанесение на поверхность металлической основы шликерного состава, суспензированного в антикоррозионной двухкомпонентной грунт-эмали [полиуретол 20s (УФ)], его сушка и полимеризация, нагрев до плавления металлокерамической пасты и поверхностного слоя детали с помощью газопламенной, аргонодуговой обработки неплавящимся электродом или другим методом, выдержка, охлаждение, затем нанесение второго слоя порошкообразного тугоплавкого материала, соответствующего квазикристаллическому однофазному сплаву Аl-Сu-Fе, его сушка, полимеризация и нагрев заготовки до момента инициализации технологического горения (СВС-процесса),охлаждение и отпуск отличающийся тем, что шликер (обмазка) первого слоя содержит порошкообразные тугоплавкие материалы в мас. %: карбонитрид циркония 15-20, карбид вольфрама 25-35, электропроводящий материал 35-50, с размером частиц 30-65 нм, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель для необходимой рабочей консистенции.
Технический результат также достигается тем, что квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe для устойчивого существования квазикристаллической фазы содержит в, ат. %: алюминий 65,0, медь 22,0, железо 13,0.
Технический результат также достигается тем, что второй слой покрытия содержит однофазный квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe - 40-55 мас. %, карбонитрид титана - 20-40 мас. %, с размером частиц 30-65 нм, никель 2,5-8,0 мас. %, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель для необходимой рабочей консистенции., причем для работы деталей в абразивной среде содержание квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe выбирается по максиму (55,0 мас. %), а содержание никеля выбирается по минимуму (2,5 мас. %), а для деталей работающих в абразивно-ударной среде содержание квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe - по минимуму (40 мас. %) и содержание никеля - по максимуму (8,0 мас. %)
Технический результат также достигается тем, что в качестве электропроводящего материала возможно применение порошков железа или хрома, или никеля или их сплавов.
Технический результат также достигается тем, что для получения квазикристаллической фазы проводится нагрев в интервале температур 550-800°С, с выдержкой при температуре 800°С в течение 1,5-2,0 ч.
Технический результат также достигается тем, что для наплавленного слоя для получения высоких механических свойств и износостойкости проводится отпуск при температуре 580-600°С
Технический результат также достигается тем, что толщина первого слоя составляет 0,80-1,50 мм, а толщина второго слоя составляет 25-35 мкм.
Способ получения износостойкого покрытия на основе квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe на поверхностности стальных деталей заключается в насыщении поверхности легирующими элементами. Предварительно на поверхность стальной детали наносится обмазка суспензированного в антикоррозионной двухкомпонентной грунт-эмали [полиуретол 20s (УФ)], порошкообразного тугоплавкого материала, его сушка и полимеризация для условий работы деталей в абразивной среде.
Шликер (обмазка) содержит порошкообразные тугоплавкие материалы в мас. %: карбонитрид циркония 15-20, карбид вольфрама 15-25, электропроводящий материал 35-50, с размером частиц 30-65 нм, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель типа Р-5 для необходимой рабочей консистенции, причем сумма карбонитрида циркония и карбида вольфрама составляет 35-40 мас. %.
Содержание суммы карбонитрида циркония и карбида вольфрама в сумме 35-40 мас. % является оптимальным. При содержании менее 35 мас. % не обеспечивается высокая твердость покрытия и износостойкость, а при содержании более 40 мас. % покрытие становится хрупким и склонно к выкрашиванию.
Электропроводящий материал 35-50 мас.% с необходимой электропроводностью, обеспечивает покрытиям пригодность для свариваемости, так как входящие в состав покрытия карбонитрид циркония и карбид вольфрама являются диэлектриками. Оптимальным по достигнутому эффекту является содержание электропроводящего материала 35-50 мас. %. содержание менее 35% не дает нужного эффекта, а более 50 мас. % приводит к уменьшению твердости. Кроме того, наличие такого материала обеспечивает необходимую пластичность покрытия.
Двухкомпонентная полиуретановая грунт-эмаль предназначена для защиты поверхности черных и цветных металлов. Материал образует прочное химически стойкое полимерное покрытие устойчивое к излучению, механическим воздействиям, а также к резким перепадам температур. Защитное покрытие наносится прямо на ржавчину без предварительного грунтования. Состав грунт-эмали гарантирует непревзойденную адгезию к поверхности металлов, а образуемое им финишное покрытие отличается превосходной устойчивостью к воздействию нефтепродуктов. При дополнительном введении порошкообразного тугоплавкого материала обладает высокой стойкостью при абразивном воздействии. Материал покрытия наносят раклями, окунанием, лакированием, распылением, валками, струйным обливом или наливом на подложку.
Универсальный разбавитель Р-5.
Органический состав Р-5 используется для разбавления различных красок до получения рабочей вязкости, Популярность этой смеси объясняется ее отличными эксплуатационными характеристиками. Большое количество компонентов, входящих в состав данной смеси, определяет ее широкую специализацию и, помимо этого, возможность растворения разнообразных органических веществ.
Электропроводящий материал с необходимой электропроводностью, обеспечивает покрытиям пригодность для свариваемости, так входящие в состав покрытия карбонитрид циркония и карбид вольфрама являются диэлектриками.
Для условий работы деталей в абразивно-ударной среде применяется аргонодуговая обработка неплавящимся электродом, выдержка и охлаждение.
Благодаря применению соответствующего связующего с необходимым наполнителем материал покрытия согласно изобретению изменяется во время высокотемпературной обработке в процессе сварки таким образом, что связующее окисляется при температуре свыше 600°С в течение менее 10 минут. Органические компоненты сгорают с образованием газообразных продуктов и электропроводящей сажи. При сгорании органических компонентов в слое покрытия образуется восстановительная атмосфера, предохраняющая металлопигменты от окисления при высокотемпературном процессе. Содержащиеся в слое покрытия металлопигменты или неметаллические электропроводящие частицы после окислительного удаления электроизолирующих компонентов из слоя покрытия сцепляются с поверхностью подложки и образуют электропроводящую поверхность.
В процессе аргонодуговой обработки происходит проплавление поверхности стальной детали и внедрение тугоплавких составляющих. Процесс наплавки представляет собой плавление и дальнейшую кристаллизацию. При этом происходит частичное оплавление поверхности детали, образование ванн, в которых и протекает кристаллизация. После наплавки на поверхности детали можно выделить две зоны: зону сплавления и зону термического влияния. В зоне сплавления происходит перемешивание металла обмазки и металла основы. Присутствующие в обмазке карбонитриды титана позволяет при затвердевании сварочной ванны образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме металла затвердевания стали химически стойкие частицы карбонитрида титана обладают повышенной устойчивостью к диссоциации и будут являться центрами кристаллизации аустенитных зерен, что существенно измельчит первичное зерно, что обеспечит увеличение прочностных свойств и одновременно показателей пластичности, вязкости и износостойкости как самой наплавки так и зоны термического влияния примыкающий к сварочной ванне.
Такой способ поверхностного легирования позволяет получить износостойкий поверхностный слой толщиной 0,8-1,5 мм. равномерно распределенный по поверхности стальной заготовки независимо от сложности геометрических форм заготовки
После аргонодуговой обработки детали производят нанесение второго слоя порошкообразного тугоплавкого материала, соответствующего квазикристаллическому однофазному сплаву Al-Cu-Fe, его сушка, полимеризация и нагрев заготовки до момента инициализации технологического горения (СВС-процесса), охлаждение и отпуск, квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe для устойчивого существования квазикристаллической фазы содержит, в ат.%: алюминий 65,0, медь 22,0, железо 13,0.
Второй слой покрытия содержит однофазный квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe - 40-55 мас. %, карбонитрид титана - 20-40 мас. %), с размером частиц 30-65 нм, никель 2,5-8,0 мас. %, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель для необходимой рабочей консистенции.
Введение в состав покрытия наночастиц карбонитрида титана в количестве 25-40 мас, % является оптимальным и позволяет при затвердевании расплава образовывать большое количество центров кристаллизации равномерно распределенных в объеме металла
Карбонитрид титана когерентно связывается с квазикристаллической матрицей системы Al-Cu-Fe. При содержании карбонитрида титана менее 20 мас. %) не обеспечивается высокая твердость покрытия и износостойкость, а при содержании более 40 мас. % покрытие становится хрупким и склонно к выкрашиванию.
Материал покрытия согласно изобретению изменяется во время СВС-процесса таким образом, что связующее окисляется при температуре свыше 600°С в течение менее 10 минут. Органические компоненты сгорают с образованием газообразных продуктов и электропроводящей сажи. При сгорании органических компонентов в слое покрытия образуется восстановительная атмосфера, предохраняющая металлопигменты от окисления при высокотемпературном процессе. Содержащиеся в слое покрытия металлопигменты или неметаллические электропроводящие частицы после окислительного удаления электроизолирующих компонентов из слоя покрытия сцепляются с поверхностью подложки и образуют электропроводящую поверхность.
Термообработка в виде отпуска при температуре 580-600°С приводит к тому, что материал покрытия изменяет свою структуру, что особенно технологически важно для металла, работающего в сложных условиях, где присутствует абразивный износ. Такой способ поверхностного легирования позволяет получить износостойкий поверхностный слой толщиной 25,0-35,0 мкм.
Для подтверждения заявленного способа поверхностного легирования стальной детали из стали марки 08Х18Н10Т были проведены исследованиях на лист толщиной 20 мм из стали 08Х18Н10Т валиком или кистью наносилась покрытие толщиной, примерно, 4,0 мм. Время холодной сушки до полного отверждения покрытия составляет 1 ч. при комнатной температуре (18-20°С). Обмазка содержит порошкообразные тугоплавкие материалы в мас. %: карбонитрид циркония 17,0, карбид вольфрама 23, электропроводящий материал 45,0, с размером частиц 30-65 нм, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель типа Р-5 для необходимой рабочей консистенции, сумма карбонитрида циркония и карбида вольфрама составляет 40 мас. %. Затем проводилась аргонодуговая обработка неплавящимся электродом. Получен слой покрытия толщиной 1,20 мм
65
22
13
После аргонодуговой обработки детали повторно наносился второй слоя порошкообразного тугоплавкого материала, соответствующего квазикристаллическому однофазному сплаву. AlCuFe, его сушка, полимеризация и нагрев заготовки до момента инициализации технологического горения (СВС-процесса), охлаждение и отпуск, квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe для устойчивого существования квазикристаллической фазы содержит в, ат.%: алюминий 65,0, медь 22,0, железо 13,0.
Второй слой покрытия содержал однофазный квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe - 54 мас. %, карбонитрид титана 30,0 мас. %, с размером частиц 30-65 нм, никель 2,5, мас. %, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель для необходимой рабочей консистенции для условий работы в абразивной среде.
А для условий работы в абразивно-ударной среде второй слой покрытия содержал однофазный квазикристаллический сплав системы Al-Cu-Fe - 40 мас. %, карбонитрид титана 35,0 мас. %, с размером частиц 30-65 нм, никель 7,5, мас. %, двухкомпонентная грунт-эмаль - остальное и универсальный разбавитель для необходимой рабочей консистенции.
Затем для получения квазикристаллической фазы проводится нагрев в интервале температур 550-800°С, с выдержкой при температуре 800°С в течение 1,5-2,0 ч. Хотя при сгорании органических компонентов в слое покрытия в процессе СВС-реакции образуется восстановительная атмосфера, предохраняющая металлопигменты от окисления при высокотемпературном процессе. Для 100% исключения окислительных процессов нагрев проводили в жидком растворе поваренной соли NaCl, затем охлаждение и отпуск при температуре 580°С, выдержка 1,5 ч. охлаждение на воздухе.
После шлифовки исследовалась микроструктура на вырезанных образцах и замерялась твердость переносным прибором ТЭМП-4. Исследование микроструктуры показало равномерное распределение карбонитрида титана и квазикристаллической фазы системы Al-Cu-Fe, твердость поверхностного слоя составила 57,0-62,0 HRC для условий работы в абразивной среде и 48,0-50,0 HRC для условий работы в абразивно-ударной среде. После травления была выявлена толщина покрытия 30 мкм и 32 мкм соответственно.
Способ получения износостойкого покрытия на основе квазикристаллического сплава системы Al-Cu-Fe на поверхностности стальных деталей позволяет легко осуществить в промышленных условиях при отсутствии дорого стоящего оборудования, легко воспроизводим и. равномерно распределен по поверхности стальной заготовки независимо от сложности геометрических форм заготовки.
Применение этого способа получения покрытий позволит существенно повысить износостойкость при абразивном и абразивно-ударном воздействии.
Таким образом, изобретение позволяет получить увеличение толщины поверхностного легированного слоя и получить двойной износостойкий слой с твердостью 57,0-62,0 HRC и 48,0-50,0 HRC соответственно.