СПЛАВ НА ОСНОВЕ КВАЗИКРИСТАЛЛА СИСТЕМЫ Al-Cu-Fe ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО, НАНОСТРУКТУРНОГО ПОКРЫТИЯ
ALLOY ON BASE OF QUAZI-CRYSTAL OF SYSTEM Al-Cu-Fe FOR APPLICATION OF WEAR RESISTANT NANO STRUCTURE COATING

Изобретение относится к прецизионной металлургии износостойких сплавов для получения функциональных покрытий, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
Известны сплавы с высокой износостойкостью на основе железа (патенты РФ №2359056; №2332509; №2337178), меди (патент РФ №2349621) и алюминия (патент РФ №2262554).
Указанные сплавы имеют ограниченный диапазон применения, особенно в условиях интенсивного динамического износа, повышенных температур и воздействия агрессивных химических реагентов.
Поэтому в последнее время ведутся интенсивные исследования и разработки по созданию материалов в неравновесном и сверхнеравновесном состояниях (квазикристаллы, аморфные материалы).
Наиболее близким к заявляемому и взятым нами за прототип является сплав для получения износостойких электропроводящих покрытий на основе меди с армирующими наночастицами квазикристаллического соединения системы Al-Cu-Fe [1].
Проведенные экспериментальные работы при получении покрытия на основе этого сплава выявили следующие два недостатка: недостаточная пластичность и ограниченный диапазон микротвердости.
Следует особо отметить, что микротвердость является основным показателем износостойкости; она может быть оперативно определена для любого материала. Практика эксплуатации износостойких сплавов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, показывает, что необходимо иметь микротвердость материала не ниже 400-500 HV. Лучшие показатели квазикристаллов обеспечивают микротвердость не более 190 HV.
Техническим результатом изобретения является получение высокой износостойкости за счет повышения микротвердости материала наряду с повышением адгезионной и когезионной прочности наносимых покрытий.
Технический результат достигается за счет того, что сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe дополнительно содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама. Гомогенное распределение карбида вольфрама в квазикристаллической матрице обеспечивает увеличение микротвердости до 400-500 HV.
Оптимальным по достигнутому эффекту является сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь
2-5
карбид вольфрама
20-40
квазикристалл системы Al-Cu-Fe
остальное
В качестве основы выбран известный квазикристалл системы Al-Cu-Fe со следующим соотношением компонентов, мас.%: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5. Эти составы обеспечивают устойчивое существование квазикристаллической фазы при нанесении покрытий и в ходе дальнейшей эксплуатации [2].
Медь выступает в качестве пластификатора при напылении покрытий. Экспериментально установлено, что содержание меди в сплаве менее 2% не дает нужного эффекта, а более 5% приводит к уменьшению твердости.
Карбид вольфрама выбран потому, что он легко когерентно связывается с квазикристаллической матрицей. Содержание в сплаве менее 20% карбида вольфрама не приводит к существенному увеличению твердости, а при содержании более 40% сплав становится хрупким и не пригодным для нанесения с квазикристаллической матрицей.
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 с рабочей частотой 880 кГц в алундовых тиглях №3 и №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, что обеспечивает требуемые потребительские свойства.
Исследование микротвердости полученных покрытий проводилось по методу Виккерса при помощи автоматического микротвердомера AFFRI DM-8.
Результаты исследования представлены в табл.1.
Как следует из таблицы 1, предлагаемый сплав имеет более высокую микротвердость по сравнению с известным, что обеспечивает получение износостойких покрытий.
Источники информации
1. Патент России №2362839, кл. С23С 24/04, В82В 3/00, 2009 г.
2. Патент России №2244761, кл. С22С 1/04, 21/12, 2005 г.
Таблица 1
Сравнение свойств предлагаемого сплава и прототипа
Сплав
№ плавки
Химический состав, мас.%
Микротвердость, HV
Примечания
медь
карбид вольфрама
квазикристалл Al-Cu-Fe
Прототип
90
-
10
60
Низкая коррозионная стойкость покрытия
50
-
50
200
40
60
180
Предлагаемый
1
2
20
78
400
Высокие технологические свойства материала
2
3,5
30
66,5
500
3
5
40
55
450
Сплав с составом за пределами предложенных значений
4
1,9
19
79,1
-
Сплошного покрытия получить не удалось
5
5,1
40,1
54,8
370