КОМПОЗИЦИОННОЕ ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ
WEAR-RESISTANT COMPOSITE COATING

Изобретение относится к композиционным покрытиям, в частности к дисперсно-упрочненным детонационным покрытиям, работающим в условиях изнашивания в агрессивных средах и может быть применена в машиностроении для защиты поверхности рабочих колес морских насосов, трубопроводного транспорта и палуб морских судов.
Благодаря высокой твердости (~9000 МПа) и химической стойкости сплавы с высокой стеклообразующей способностью на основе железа эффективно используются для создания покрытий методами газотермического напыления. Вместе с тем низкая пластичность (менее 1%) и трещиностойкость может приводить к внезапному растрескиванию и отслоению покрытий в процессе эксплуатации. Увеличить надежность и срок эксплуатации покрытий из многокомпонентных сплавов на основе железа можно путем повышения трещиностойкости материала за счет добавки упрочняющего компонента, например, порошка оксида алюминия.
2
3
Известно композиционное покрытие (патент США №8465602 В2. Опубл. 18.06.2013) формируемое методом детонационного напыления. Композиционное покрытие имеет формулу M''CrAlY+X, где М'' - Ni, Со, Fe или различное сочетание указанных химических соединений, и X - порошок оксида алюминия (AlO). Композиционное покрытие толщиной около 3 мм состоит из металлической аморфной фазы (10 об. %), металлической нанокристаллической фазы (10 об. %) и микрокристаллической фазы упрочняющего порошка оксида алюминия (80 об. %).
Недостатком известного композиционного покрытия является высокое содержание микрокристаллической фазы порошка оксида алюминия, которое может привести к снижению износостойкости композиционного покрытия вследствие выкрашивания частиц оксида алюминия в процессе эксплуатации.
57
12
8
3
11
9
57
12
8
3
11
9
4
7
2
Известен способ получения композиционного покрытия (патент США №8389059 В2. Опубл. 05.03.2013), при котором лазерным лучом переплавляют газотермические покрытия, нанесенные на металлическую подложку (основу) методом высокоскоростного газопламенного напыления, из порошковой смеси, состоящей из порошка сплава FeMoCrWBC и порошка карбидов, боридов, карбонитридов, оксидов, нитридов. Плотность мощности лазерного луча находится в диапазоне от 10 до 10 Вт/см. Твердость, полученного покрытия, составляет 1800 HV. Исходные газотермические покрытия толщиной 300-400 мкм имеют высокую пористость и низкую прочность соединения с материалом основы. Дополнительная лазерная обработка увеличивает адгезию покрытия с материалом основы, но способствует кристаллизации матрицы из многокомпонентного сплава FeMoCrWBC.
Недостатком известного композиционного покрытия является применение дополнительной лазерной обработки, что снижает технологичность процесса получения покрытия, которая, в свою очередь, способствует кристаллизации многокомпонентного сплава, и может привести к снижению износостойкости покрытия.
Известно композиционное покрытие (патент США №8778460 В2. Опубл. 15.06.204) из сплава на основе железа или никеля, формируемое методом холодного газодинамического напыления (рабочая температура составляет около 500°С) на металлической подложке. Сплав должен состоять из более чем 11 химических элементов, включающих: Fe, Со, Νi, Μn, В, С, Cr, Mo, W. Si, Та, Nb, Al, Zr, Ti, La, Gd, Y, O, and N. Покрытие постепенно переходит от металлической подложки, на которую наносится покрытие, к металлическому многослойному покрытию с аморфной структурой, и, в конечном счете, к внешнему слою из оксида алюминия, обеспечивающему высокую коррозионную стойкость и износостойкость.
Недостатком известного композиционного покрытия является метод формирования покрытий, в процессе которого порошок многокомпонентного сплава не достигает температуры плавления, так как температура плавления сплавов на основе железа и никеля составляет более 1538°С и 1455°С, что может привести к формированию высокопористого покрытия с высоким содержанием кристаллической фазы, снижению износостойкости и прочности соединения покрытия с материалом подложки.
Предлагаемое изобретение позволяет формировать покрытия с высокой прочностью соединения с материалом подложки без нанесения дополнительного подслоя.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке детонационного композиционного покрытия с низкой пористостью, сочетающего высокую износостойкость, коррозионную стойкость и высокую прочность соединения с металлической подложкой без напыления дополнительного подслоя.
66
10
5
19
Технический результат достигается тем, что композиционное покрытие состоит из матрицы и упрочняющего компонента: в качестве матрицы выступает порошок многокомпонентного сплава на основе железа с высокой стеклообразующей способностью (FeCrNbB) фракции 20-40 мкм и в качестве упрочняющего компонента - порошок оксида алюминия фракции 20-45 мкм. Добавка упрочняющего компонента (порошка оксида алюминия) в исходную порошковую смесь составляет 10-40 масс. %. Покрытия формируются из порошковой смеси на металлической подложке без нанесения дополнительного подслоя при помощи современного детонационного комплекса (CCDS2000), отличающегося прецизионной
газораспределительной системой, основанной на электромагнитных клапанах, с меньшим временем срабатывания (2-4 мс вместо 15 мс) и контролируемой дозированной локальной подачей порошка. Для напыления используется 40-60% объема взрывчатой ацетиленокислородной смеси эквимолярного состава (О/С≈1). Свойства покрытия: адгезия = 140-145 МПа, пористость = 2-3%, твердость HV = 6-7 ГПа, содержание нанокристаллической фазы в матрице = 2-3%, коэффициент трения в условиях сухого трения = 0,65-0,70.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг. 1 показана схема композиционного покрытия, формируемого методом детонационного напыления.
На Фиг. 2 показана структура поперечного сечения композиционного износостойкого покрытия.
Композиционное покрытие (Фиг. 1) включает два вида частиц: 1 -матрицу из многокомпонентного сплава на основе железа и упрочняющие частицы порошка оксида алюминия - 2, которые одновременно осаждаются на подложку из порционно вводимой в ствол порошковой смеси. В качестве материала подложки (3) может использоваться изделие, выполненное из любого металла различных габаритных размеров и формы, так как детонационный комплекс (CCDS2000) позволяет формировать покрытия на изделиях со сложной формой.
Возможность воспроизведения настоящего композиционного покрытия с достижением указанного технического результата поясняет нижеследующий пример получения предлагаемого композиционного покрытия методом детонационного напыления.
66
10
5
19
Керамический порошок, используемый в качестве упрочняющего компонента, вводится в исходную порошковую смесь в соотношении 10-40 масс. % от массы порошка многокомпонентного сплава на основе железа (FeCrNbB). Обрабатываемая металлическая основа подвергается пескоструйной обработке для активации поверхностного слоя непосредственно перед детонационным напылением. После получения порошковой смеси и активации обрабатываемой поверхности металлического изделия проводят напыление порошковой смеси на детонационном комплексе CCDS2000 с использованием 40-60% объема взрывчатой ацетиленокислородной смеси эквимолярного состава (О/С≈1) относительно ствола детонационного комплекса с частотой инициирования взрывчатой смеси в диапазоне 5-10 Гц. Окончательным этапом обработки детонационных покрытий является шлифование, либо шлифование и полирование, в зависимости от квалитета точности готового изделия. Толщина композиционных покрытий должна подбираться с учетом припусков на механическую обработку.
3
-1
-1
Таким образом, композиционное покрытие позволяет увеличить износостойкость деталей, работающих в условиях значительного изнашивания. Проведенные на универсальной машине трения Bruker UTM-2 испытания износостойкости в условиях возвратно-поступательного сухого трения (интенсивность изнашивания, измеряемая в ммН м) полированных поверхностей композиционных покрытий с добавкой 20 и 40 масс. % порошка оксида алюминия и нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т в состоянии поставки показали результаты, представленные в таблице.
Наименьшей интенсивностью изнашивания обладают образцы покрытий из порошковой смеси, содержащей 20 масс. % порошка оксида алюминия. Однако в представленном изобретении предложен диапазон вводимого порошка оксида алюминия от 20 до 40 масс. % в напыляемую порошковую смесь, так как интенсивность изнашивания покрытий, полученных из порошковых смесей, содержащих 20 и 40 масс. %, имеет незначительное расхождение. Добавка упрочняющего порошка оксида алюминия может варьироваться исходя из условий эксплуатации изделий с композиционными покрытиями.
66
10
5
19
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в увеличении износостойкости металлических изделий, работающих в условиях изнашивания за счет формирования композиционных покрытий, состоящих из матрицы и упрочняющего компонента: в качестве матрицы выступает многокомпонентный сплав на основе железа (FeCrNbB) с аморфной структурой и в качестве упрочняющего компонента - порошок оксида алюминия. Добавка упрочняющего компонента в исходную порошковую смесь составляет 10-40 масс. %. Покрытия формируются из порошковой смеси при помощи современного детонационного комплекса (CCDS2000). Для напыления используется 40-60% объема взрывчатой ацетиленокислородной смеси эквимолярного состава (О/С≈1) относительно ствола детонационного комплекса. Высокая прочность соединения керамических покрытий с материалом подложки достигается за счет применения относительно небольшой фракции упрочняющего порошка оксида алюминия (20-45 мкм) без дополнительного формирования подслоя. Свойства покрытия: адгезия = 140-145 МПа, пористость = 2-3%, твердость HV = 6-7 ГПа, содержание нанокристаллической фазы в матрице = 2-3%, коэффициент трения в условиях сухого трения = 0,65-0,70.