2
СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ TiB-MO НА ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ
2
METHOD FOR ELECTROBLASTING SPUTTERING OF COMPOSITE WEAR-RESISTANT COATINGS OF TiB-MO SYSTEM ON FRICTION SURFACE

2
Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности к технологии электровзрывного напыления композиционных покрытий системы TiB-Mo с применением в качестве взрываемого материала молибденовой фольги совместно с навеской порошка диборида титана, и может быть использовано в машиностроении для формирования поверхностей с высокой износостойкостью и микротвердостью.
2
Известен способ [1] вакуумного плазменного напыления композиционных покрытий системы TiB-Mo, включающий приготовление смеси порошков молибдена и карбида титана в шаровой мельнице в течение 8 часов и вакуумное плазменное напыление полученной смеси при давлении в камере 100…300 Мбар, расстоянии напыления 260…320 мм, однократной дозой порошка 33…41 кВт, первичном газе аргоне в количестве 35…50 л/мин, вторичном газе водороде в количестве 8…10 л/мин, скорость подачи порошка 22…30 г/мин, скорость движения пистолета 400 м/с.
Недостатком способа является низкая адгезия покрытия с основой, а также его многостадийный характер, что ограничивает его производительность. В композиционном покрытии, полученном этим способом, присутствует пористость. Наличие пористости в готовом композиционном покрытии в ряде случаев снижает его износостойкость.
Наиболее близким к заявляемому является способ [2] электровзрывного нанесения металлических покрытий на алюминиевые контактные поверхности, включающий формирование импульсной многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводников и воздействие ею на контактную поверхность, воздействие на контактную поверхность осуществляют в вакууме при нагреве поверхности до температуры плавления материала с формированием на ней рельефа покрытия и при пороговом значении удельного потока энергии плазменной струи q, определяемом по соотношению:
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mi>T</mi><mi>λ</mi><msqrt><mrow><mfrac><mi>π</mi><mrow><mn>4</mn><mi>χ</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
где T - температура плавления металла; χ и λ - средние значения температуро- и теплопроводности металла в интервале температур от комнатной до температуры плавления; τ - время импульса.
Недостатком прототипа является формирование покрытий при пороговом значении удельного потока энергии, когда напыляемая поверхность нагревается до температуры плавления. В этом случае покрытие имеет адгезионную связь с основой. При напылении покрытий с оплавлением поверхности образуется промежуточный слой взаимного смешивания материалов покрытия и основы, в результате чего покрытие имеет более прочную адгезионно-когезионную связь с основой. Кроме того, прототип предполагает нанесение покрытий с высокой электропроводностью, например медных покрытий на алюминиевые контактные поверхности. Однако в ряде случаев необходимо формирование покрытий, обладающих другими высокими функциональными свойствами, например износостойкостью. Электровзрывное напыление износостойких покрытий возможно при внесении в плазменную струю порошковых частиц высокотвердых износостойких материалов и переносе их на облучаемую поверхность.
2
Задачей заявляемого изобретения является получение на поверхностях трения композиционных покрытий системы TiB-Мо, обладающих высокими значениями износостойкости, микротвердости и адгезионно-когезионной связью с основой.
2
Поставленная задача реализуется способом электровзрывного напыления композиционных износостойких покрытий системы TiB-Mo на поверхности трения.
2
Способ включает размещение порошковой навески из диборида титана между двумя слоями молибденовой фольги, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.
2
Согласно работе [1] покрытия системы TiB-Mo обладают высокой износостойкостью и микротвердостью.
2
Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании композиционного покрытия TiB-Mo, характеризующегося высокой адгезией с основой на уровне когезии и отсутствием пористости, что делает возможным осуществление локального повышения износостойкости поверхности деталей трения в местах их наибольшего разрушения в условиях эксплуатации.
2
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения покрытия системы TiB2-Mo на поверхности трения, на фиг.2 - микрофотография поперечного шлифа покрытия системы TiB-Mo.
Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумную технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.
Из продуктов взрыва и порошковой навески с помощью плазменного ускорителя формируется импульсная многофазная плазменная струя, которая направляются на поверхность трения под прямым углом.
2
2
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки поверхности трения плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва двухслойной молибденовой фольги с размещенной в ней порошковой навеской диборида титана в режимах, при которых удельный поток энергии составляет 3,5…4,5 ГВт/м, происходит формирование однородного по объему композиционного покрытия системы TiB-Mo, максимальная толщина которого за один импульс обработки достигает 400…410 мкм. Использование двухслойной фольги позволяет увеличить коэффициент использования материала порошковой навески при напылении покрытий. Покрытие имеет когезионно-адгезионную связь с материалом контактной поверхности. Несмотря на то, что при напылении поверхность основы оплавляется, вследствие использования в качестве взрываемого проводника молибденовой фольги на границе покрытия с основой, например сталью 45, хрупкие интерметаллидные фазы не образуются. При этом, как видно из фиг.2, видимая резкая граница между покрытием и основой отсутствует.
2
2
Указанные режимы являются оптимальными, поскольку при электровзрывном напылении поверхностей трения в режиме, когда удельный поток энергии ниже 3,5 ГВт/м, тогда не происходит равномерного перемешивания диборида титана и молибдена в формируемом покрытии, а когда выше 4,5 ГВт/м, тогда происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.
2
Рентгеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются композиционные покрытия, содержащие TiB и Mo. Содержание молибдена в покрытии при использованных режимах обработки изменяется пропорционально соотношению масс молибденовой фольги и порошка диборида титана.
Примеры конкретного осуществления способа:
Пример 1
2
Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 50 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 3,5 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.
2
2
На поверхности трения получили покрытие системы TiB-Мо толщиной 60 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в молибденовой матрице, содержащее 75 об.% Mo и 25 об.% TiB, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.
Пример 2
2
Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 150 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 4,0 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.
2
2
На поверхности трения получили покрытие системы TiB-Mo толщиной 150 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в молибденовой матрице, содержащее 25 об.% Мо и 75 об.% TiB, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.
Пример 3
2
Размещали внутри двухслойной фольги из молибдена массой 100 мг порошковую навеску из диборида титана массой 100 мг. Проводили электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавляли ею поверхность стали 45 при значении удельного потока энергии 4,5 ГВт/м и напыляли на оплавленный слой компоненты плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композиционного покрытия, содержащего диборид титана и молибден.
2
2
На поверхности трения получили покрытие системы TiB-Mo толщиной 250 мкм с равномерно распределенными по объему частицами диборида титана в молибденовой матрице, содержащее 50 об.% Mo и 50 об.% TiB, обладающее высокой износостойкостью и когезионно-адгезионной связью с основой.
Источники информации
2
1. Fukushima T. High temperature properties of TiB/Mo coatings by thermal spraying. Journal of High Temperature Society. - 2002. - Vol.28. - No.4. - p.171-175.
2. Патент РФ №2422555 на изобретение «Способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности» / Будовских Е.А., Романов Д.А.; заявл. 14.12.2009; опубл. 27.06.2011. Бюл. №18. 7 с.