ПРУТКИ ИЗ АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НАПЛАВКИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
BARS MADE OF ALUMO-MATRIX COMPOUND MATERIAL FOR DEPOSITION OF WEAR-RESISTANT COATING

Изобретение относится к области металлургии, а именно к области создания сварочных присадочных прутков из дисперсно армированных композиционных материалов (КМ) с матрицей из высокопрочных, литейных сплавов на основе алюминия, предназначенных для дуговой и плазменной наплавки износостойких слоев на детали машин и оборудования, работающие в условиях воздействия абразивного изнашивания, ударных нагрузок, эрозии при повышенных температурах.
Алюминий и его сплавы обладают низкой износостойкостью. Одним из возможных путей повышения износостойкости изделий из таких материалов может стать изготовление присадочного композиционного материала на основе алюминия или его сплавов для нанесения на поверхность изделий износостойких покрытий методами дуговой или плазменной наплавки.
Из уровня техники известна композиционная литая алюмоматричная проволока СвАК10, содержащая в качестве упрочняющего наполнителя кремний в количестве 7-10% [ГОСТ 7871-75]. Использование этой проволоки для износостойкой наплавки наиболее нагруженных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов неэффективно, так как полученные поверхностные слои имеют недостаточную прочность и износостойкость.
Известен также литой композиционный присадочный материал на основе алюминия, содержащий 6-12% кремния, до 6% меди, 2-6% магния, до 3% железа, 16-25% никеля (патент EP N 0095604, В23К 35/28, 1983). В слоях, наплавленных этим КМ, армирующими фазами являются кремний и интерметаллиды. Недостатком этого присадочного КМ является низкая износостойкость наплавленного слоя, связанная с очень грубыми выделениями алюминидов никеля и железа (HV 250-300), не обладающих достаточной твердостью для защиты матричного материала от износа.
Наиболее близким к предлагаемым (прототипом) являются прутки из КМ с интерметаллидным упрочнением, содержащие 5-18% кремния, до 8% железа, до 3% меди, до 10% никеля, 0,5-2% магния, 0,5-1,5% марганца, 0,1-0,3% титана, 0,05-3% церия, 0,05-0,1% стронция, алюминий основа (патент РФ N 2067041, В23К 35/28, 1997). Недостатком таких прутков является использование большого числа легирующих элементов, что экономически нецелесообразно. Кроме того, наплавленный слой из этого КМ также не имеет достаточно высокой износостойкости.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании присадочных прутков из КМ на основе высокопрочных литейных алюминиевых сплавов для наплавки износостойких покрытий.
Технических результатом изобретения является получение покрытий, обладающих высокой прочностью и износостойкостью.
Технический результат достигается тем, что прутки из алюмоматричного композиционного материала для наплавки износостойких покрытий на основе высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, изготовленные по литейной технологии, согласно изобретению содержат в качестве упрочнителя матричных сплавов высокомодульные, высокопрочные керамические частицы карбида кремния (HV 1000); количество упрочняющих частиц наполнителя в матрице должно составлять 3-8 вес.% при среднем размере частиц 28 мкм и 3-10 вес.% при среднем размере частиц 40 мкм; количество кремния в матричном сплаве должно составлять 7-12 вес.%.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый композиционный присадочный пруток содержит упрочняющие частицы карбида кремния (SiC) размером 28 мкм или 40 мкм в количестве 3-8 вес.% и 3-10 вес.% соответственно, дисперсно распределенные в матрицах из высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, содержащих 7…12 вес.% кремния.
Присадочные композиционные прутки получают разливкой композиционного расплава на базе литейного алюминиевого сплава с замешанными в него частицами по размерам прутков для наплавки в соответствии с ГОСТ 21449-75.
Для изготовления композиционного расплава осуществляют рафинирование матричного расплава флюсами систем K-Al-F и Na-Al-F. Подготовленный матричный расплав должен содержать в качестве одного из легирующих компонентов кремний в количестве 7…12 вес.%. После этого в матричный расплав способом механического замешивания вводят частицы наполнителя (частицы карбида кремния - α-SiC) в количестве 3-8 вес.% при среднем размере частиц 28 мкм, а при среднем размере частиц 40 мкм в количестве 3-10 вес.%. Перед введением в расплав частицы наполнителя выдерживают в печи при температуре 550-600°С в течение 2 ч для сушки, выжигания случайных органических загрязнений и окисления свободного кремния. После получения композиционного расплава осуществляют его разливку в разъемные литейные формы, нагретые до 450°С для увеличения жидкотекучести расплава. Размеры получаемых литых композиционных присадочных прутков должны соответствовать ГОСТ 21449-75.
4
3
Содержание кремния (Si) в присадочных композиционных прутках в количестве 7-12 вес.% ограничивает межфазное взаимодействие между матричным расплавом и армирующими частицами карбида кремния в процессе жидкофазного совмещения при наплавке, а также увеличивает жидкотекучесть композиционного расплава, обеспечивая высокие сварочно-технологические свойства присадочных прутков из КМ. При содержании кремния в матричном сплаве менее 7 вес.% в процессе дуговой или плазменной наплавки происходит существенная деградация армирующих частиц карбида кремния SiC с образованием иглообразных фаз карбида алюминия АlС (фиг.1.а). При содержании кремния в матричном сплаве, превышающим 10 вес.%, композиционная микроструктура характеризуется значительным количеством фаз первичного кремния (фиг.1.б), что приводит к ухудшению жидкотекучести композиционного расплава.
Ограничения на количество вводимых упрочняющих частиц (3-8 вес.% при среднем размере 28 мкм и 3-10 вес.% при среднем размере 40 мкм) связаны со снижением жидкотекучести композиционного расплава при содержании частиц наполнителя больших верхнего предела и недостаточной износостойкостью при значениях менее нижнего предела. Литейная технология получения присадочных композиционных прутков обеспечивает отсутствие загрязнений на границе раздела частица/матрица и качественную связь между ними, что приводит к высоким свойствам КМ и покрытий, полученных методами наплавки с использованием такого присадочного материала. Кроме того, литейная технология изготовления прутков уменьшает пористость, а наплавленные ими покрытия не имеют дефектов в виде пор и трещин. Благодаря удовлетворительной жидкотекучести достигается хорошее формирование наплавленных слоев. Однородность распределения частиц в наплавленном металле обеспечивается выбором режимов наплавки. Присадочные композиционные прутки, собранные из порошков аналогичного состава, полученные по технологии порошковой металлургии, обладают низкой жидкотекучестью при наплавке, что приводит к неравномерному распределению упрочняющей фазы в наплавленном поверхностном слое.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.
По вышеизложенной технологии были изготовлены литые присадочные композиционные прутки:
- с матрицей из сплава АК12 (Si 10…13%, Mn 0,01…0,5%; ГОСТ 1583-93), армированной частицами карбида кремния SiC в количестве 8 вес.% при среднем размере 28 мкм;
- с матрицей из сплава АК12М2МгН (Si 11…13%, Cu 1,5…3%, Mg 0,85…1,35%, Mn 0,3…0,6, Ti 0,05…0,2, Ni 0,8…1,3; ГОСТ 1583-93), армированной частицами карбида кремния SiC в количестве 10 вес.% при среднем размере 40 мкм.
28
40
*
*
*
Прутки имели следующие геометрические размеры: диаметр d=5±0,1 мм; длину L=450±9 мм. Эти литые композиционные прутки использовали в качестве присадочного материала в процессе аргонодуговой наплавки на подложку из сплава АМг6. Полученные таким способом наплавленные слои имеют отличное формирование при отсутствии трещин. Структура металла, наплавленного с использованием литых присадочных композиционных прутков из AK12M2MгH+8%SiC  (фиг.2.а) и AK12+10%SiC  (фиг.2.б) (где 28, 40 - средний размер частиц в мкм), характеризуется равномерным распределением упрочняющих частиц наполнителя в объеме наплавленной матрицы; упрочняющие частицы наполнителя - частицы карбида кремния - сохраняют скольную огранку, что свидетельствует об отсутствии межфазного взаимодействия в процессе жидкофазного совмещения при дуговой наплавке.
v
Механические свойства покрытий, наплавленных с использованием предлагаемых литых присадочных композиционных прутков, оценивали по величине твердости НВ, а трибологические (противоизносные) свойства - по величине коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Свойства покрытий, наплавленных литыми прутками, приведены в таблице.  Видно, что наличие упрочняющих частиц наполнителя в наплавленном поверхностном слое приводит к увеличению его твердости, а также к снижению коэффициента трения f и существенному уменьшению интенсивности изнашивания I в сравнении с матричными сплавами.
Твердость НВ, коэффициент трения f<sup>**</sup>, интенсивность изнашивания I<sub>v</sub> <sup>** </sup>матричных сплавов и слоев, наплавленных предлагаемыми литыми КМ прутками
№ п.п.
Состав
НВ, МПа
Нагрузка Р, Н
f при частоте вращения n, об/мин
I<sub>v</sub>, мм<sup>3</sup>/м
300
600
1000
1
АК12М2МгН
988
70
0,92
0,81
0,84
0,0492
2
АК12M2MгH+8%SiC<sub>28</sub>
1030
70
0,80
0,82
0,83
0,0052
3
АК12
624
70
0,93
0,92<sup>***</sup>
0,0151
4
AK12+10%SiC<sub>40</sub>
712
70
0,63
0,62
0,56
0,0089
** - при испытании на трение скольжения на установке УМТ-1, без смазки против контртела из стали 40Х;
*** - при переходе в задир.