СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ
PROCEDURE FOR MANUFACTURE OF COMPOSITE COATING

Изобретение относится к способам получения композиционных покрытий, применяемых в качестве покрытий деталей трения в авиационной, судостроительной, автомобильной и других областях промышленности.
Современный уровень конструирования узлов трения выдвигает задачу получения покрытий с высокой твердостью и износостойкостью, низким коэффициентом трения и абразивностью, устойчивостью к агрессивным средам. Одними из эффективных материалов, удовлетворяющих этим требованиям, являются композиционные материалы, содержащие в качестве армирующей фазы квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe или Al-Cu-Mg. Для получения композиционных покрытий, включающих квазикристаллическую фазу, наиболее широко используются термические способы напыления.
Известен способ получения композиционного покрытия с квазикристаллической фазой Al-Cu-Fe, включающий получение порошка сплава Al-Cu-Fe, содержащего квазикристаллическую фазу в заданном объемном соотношении с матричной фазой, методом распыления расплава инертным газом, плазменное напыление полученного порошка при околозвуковых скоростях газового потока смеси водорода и аргона, в качестве плазмообразующего тела, на металлическую подложку изделия (патент США №6254700).
Недостатками способа являются высокая энергоемкость, сложность и высокая стоимость используемого оборудования. В процессе напыления материал претерпевает прямой и обратный фазовые переходы, фазовый состав покрытия оказывается весьма чувствительным к технологическим режимам, что снижает качество покрытия.
Известен способ получения композиционного покрытия с квазикристаллической фазой, включающий получение мишеней из элементарных материалов, магнетронное распыление мишеней в вакуумной камере, осаждение чередующихся тонких (1…3 мкм) слоев на поверхность до необходимой общей толщины в стехиометрическом соотношении и последующую выдержку в течение 2 часов при температуре 600°C для образования квазикристаллической фазы (патент США №6294030).
Недостатками данного способа являются использование вакуумной камеры, что делает невозможным обработку крупногабаритных изделий, малая толщина получаемых покрытий, высокая энергоемкость и продолжительность технологического процесса.
Менее распространены способы получения покрытий, не предполагающие существенного термического воздействия.
Известен способ получения композиционного покрытия с квазикристаллической фазой, включающий получение суспензии тонкодисперсного порошка квазикристаллических частиц в растворе соли матричного металла и электрохимическое соосаждение матричного металла и порошка квазикристалла из электролита (патент США №7309412).
К недостаткам данного способа можно отнести низкую прочность получаемого покрытия и невысокую адгезию к поверхности детали.
Известен способ получения металлических покрытий напылением порошковых материалов холодным сверхзвуковым газовым потоком. Способ включает формирование высокоскоростного газового потока. В качестве рабочего газа могут быть использованы воздух, аргон, гелий или их смеси. В поток с помощью дозатора вводят порошок напыляемого материала с размером частиц 1-200 мкм, обеспечивая нужную плотность массового расхода частиц. Введенные в поток частицы ускоряют до скорости 650-1200 м/с и полученной газопорошковой смесью обрабатывают покрываемое изделие, формируя покрытия (патент РФ №1618778).
Существенным недостатком способа является большой расход в качестве рабочего тела таких газов, как гелий или аргон, без использования этих газов добиться высокой скорости потока в сопле невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ получения композиционного покрытия, включающий ускорение порошкового материала предварительно нагретым до 100-350°C потоком воздуха со скоростью более 300 м/с и нанесение его на поверхность изделия, а в качестве порошкового материала используют порошки, содержащие по крайней мере два компонента: не менее 5% по массе пластичного металла или сплава, например меди, и материала, твердость которого не менее чем в три раза превышает твердость включенного в порошкообразный материал металла или сплава, например карбиды, оксиды, нитриды и другие керамические материалы, а также твердые металлы, такие как никель, хром, вольфрам и т.п. В качестве твердого компонента может быть использован порошок керамики в количестве не менее 10% по массе или твердые металлы в количестве не менее 20% по массе. Сжатый, предварительно подогретый воздух поступает в сверхзвуковое сопло, где, расширяясь, приобретает сверхзвуковую скорость. Также в сопло при помощи дозатора вводится порошковый материал, поток воздушно-порошковой смеси направляется перпендикулярно поверхности обрабатываемой детали и производится напыление покрытия (патент РФ №2038411).
Однако этот способ нанесения композиционных покрытий имеет недостатки. Поскольку твердый компонент порошковой смеси является одновременно как компонентом композиционного покрытия, так и технологической добавкой, возникают ограничения на состав композиционного покрытия при используемых режимах нанесения. Из-за необходимости поддержания определенного минимального значения концентрации порошковых частиц в газовоздушном потоке при нанесении тонких (менее 10 мкм) покрытий в них отмечаются несплошности либо превышение толщины. При нанесении толстых (более 300 мкм) покрытий качество поверхности и равномерность толщины снижаются очень значительно из-за эффекта ухудшения условий закрепления частиц во впадинах рельефа, покрытие имеет раковины и поры.
Технической задачей является разработка способа получения композиционного покрытия на основе меди, включающего квазикристаллические частицы, обеспечивающего высокое качество покрытия за счет низкого коэффициента трения, низкой пористости, повышенной адгезии.
Для решения поставленной задачи предлагается способ получения композиционного покрытия, включающий ускорение порошкового материала предварительно нагретым до 100-350°C потоком воздуха со скоростью более 300 м/с и нанесение его на поверхность изделия, в котором 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, отличающийся тем, что в качестве твердого компонента используют мелкодисперсный порошок квазикристаллических частиц в количестве 10-60 мас.% и дополнительно в порошковый материал вводят порошок железа в количестве 20-80 мас.% с размером частиц 100-200 мкм.
Нанесение композиционного покрытия проводят под углом 85-75 градусов к поверхности обрабатываемой детали. В качестве твердого компонента порошкового материала используют квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe, Al-Cu-Mg.
При нанесении порошкового материала, включающего пластичные частицы меди и твердые квазикристаллические частицы сверхзвуковым потоком воздуха, пластичный металл сильно деформируется как за счет перехода собственной кинетической энергии в деформацию, так и за счет импульсного деформирующего (прижимающего) давления при ударах твердого компонента - квазикристаллических частиц. В этом механизме роль твердого компонента является существенной, поскольку величина импульсного давления возрастает при увеличении твердости вещества. Деформированные при ударах пластичные частицы образуют пространственную матрицу, в которой закреплены твердые частицы, прочно соединенные с материалом пластичного компонента. Эффективность уплотнения сильно зависит от концентрации квазикристаллических частиц в воздушно-порошковом потоке, оптимальным является 10-60 мас.%, при снижении концентрации качество покрытия снижается. Не все частицы закрепляются в слое наносимого покрытия - часть из них отскакивает, соответственно снижается эффективность использования материала.
Для улучшения качества покрытия и увеличения коэффициента использования материала в порошковую смесь вводят частицы железа размером 100-200 мкм, которые в дальнейшем не входят в состав покрытия. Критерием возможности закрепления частицы при холодном газодинамическом напылении является, главным образом, ее скорость в момент соударения с подложкой. С ростом размера частицы ее масса растет быстрее площади поперечного сечения, поэтому, начиная с некоторой величины, за время взаимодействия со сверхзвуковым потоком воздуха частица не может приобрести скорость, достаточную для ее закрепления в напыляемом материале. В то же время, крупные частицы железа благодаря своей массе имеют достаточно большую кинетическую энергию, чтобы эффективно уплотнять и выравнивать напыляемый материал, создавая эффект одновременного напыления и дробеструйной обработки.
Если нанесение покрытия производится не перпендикулярно поверхности детали, а под углом, в момент удара частицы возникает скатывающий момент, который больше для частиц крупного размера. Эмпирически установлено, что если нанесение покрытия проводится под углом 85-75 градусов к поверхности детали, то этот угол на закрепление мелких частиц существенного влияния не оказывает, а крупные частицы, прокатываясь по поверхности покрытия, сглаживают неровности, возникающие в процессе напыления.
Примеры осуществления
Пример 1
Было проведено напыление смеси порошка меди 60 мас.%, порошка квазикристаллических частиц системы Al-Cu-Fe (дисперсность - 40 мкм) 20% и порошка железа дисперсностью 200 мкм 20 мас.% на установке ДИМЕТ-403 (рабочее тело - воздух, температура предварительного подогрева 100°C, диаметр сопла - 6 мм) на пластины из нержавеющей стали и кольца из стали 30X13. Напыление производилось под углом 85 градусов к поверхности деталей. Полученные покрытия имели толщину до 3 мм, содержание квазикристаллической фазы 12…16%.
Пример 2
Было проведено напыление смеси порошка меди 58 мас.%, порошка квазикристаллических частиц системы Al-Cu-Mg (дисперсность - 40 мкм) 10 мас.% и порошка железа 32 мас.% дисперсностью 100 мкм на установке ДИМЕТ-403 (рабочее тело - воздух, температура торможения 250°С, диаметр сопла - 6 мм) на пластины из нержавеющей стали толщиной 2 мм и кольца из стали 30Х13. Напыление производилось под углом 75 градусов к поверхности.
Пример 3
Было проведено напыление смеси порошка меди 8 мас.%, порошка квазикристаллических частиц системы Al-Cu-Fe (дисперсность - 40 мкм) 12 мас.% и порошка железа 80 мас.% дисперсностью 200 мкм на установке ДИМЕТ-403 (рабочее тело - воздух, температура торможения 250°С, диаметр сопла - 6 мм) на пластины из нержавеющей стали толщиной 2 мм и кольца из стали 30Х13. Напыление производилось под углом 80 градусов к поверхности.
Пример 4 (по прототипу)
Было произведено напыление (по прототипу) смеси порошка меди 80 мас.% и карбида кремния 20 мас.% с дисперсностью менее 40 мкм на установке ДИМЕТ-403 (рабочее тело - воздух, температура торможения 250°С, диаметр сопла - 6 мм) на пластины из нержавеющей стали толщиной 2 мм и кольца из стали 30Х13. Напыление производилось под углом 90 градусов к поверхности.
Микроструктура шлифов напыленных образцов была исследована на оптическом микроскопе Neophot-21 при увеличении 950x. Для образцов 1-3 - поверхность покрытия ровная, без раковин. Включения частиц железа практически отсутствуют. Для образца 4 - отдельные раковины на поверхности при толщине покрытия 1 мм.
Для плоских образцов была произведена оценка адгезии покрытия методом трехточечного изгиба. Наилучшую адгезию показали образцы по примерам 1-3.
Были проведены измерения коэффициента трения полученных образцов на испытательной машине И-47 в паре с контртелом из стали 30X13, при осевой нагрузке 25 МПа и скорости 0,3 м/с в течение 1 часа без смазки. Образец 4 разрушился на 17 минуте испытания. Данные испытаний приведены в таблице 1.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволит получать композиционные покрытия, обеспечивающие деталям трения высокую твердость, износостойкость, низкую пористость, низкий коэффициент трения.
Таблица 1
Образец
Состояние поверхности
Пористость, %
Испытание методом изгиба
Коэффициент трения
Нагрузка в момент излома, кг
Ширина зоны отслоения, мм
1
Ровная
1,8
20
3
0,52
2
Ровная
1,7
20
3
0,50
3
Ровная
1,7
22
3
0,46
4
Отдельные раковины
3
19
5
-