RU2791250C1 - Композиционное износостойкое покрытие - Google Patents
Композиционное износостойкое покрытие Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791250C1 RU2791250C1 RU2022104247A RU2022104247A RU2791250C1 RU 2791250 C1 RU2791250 C1 RU 2791250C1 RU 2022104247 A RU2022104247 A RU 2022104247A RU 2022104247 A RU2022104247 A RU 2022104247A RU 2791250 C1 RU2791250 C1 RU 2791250C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aluminum oxide
- powder mixture
- wear
- composite coating
- powder
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к дисперсно-упрочненным детонационным покрытиям, работающим в условиях значительного изнашивания. Способ получения композиционного износостойкого покрытия, содержащего матрицу из сплава Fe66Cr10Nb5B19 с аморфной структурой и упрочняющие частицы оксида алюминия, на металлическом изделии включает приготовление порошковой смеси из порошков многокомпонентного сплава на основе железа с высокой стеклообразующей способностью с размером частиц от 20 до 40 мкм и оксида алюминия с размером частиц от 20 до 45 мкм при содержании порошка оксида алюминия в порошковой смеси 10-40 мас. % и нанесение полученной порошковой смеси на поверхность металлического изделия методом детонационного напыления. Изобретение направлено на получение композиционного покрытия с низкой пористостью в сочетании с высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. 2 ил., 1 табл.
Description
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.
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 (Al2O3). 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.
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 Fe57Mo12Cr8W3B11C9 и порошка карбидов, боридов, карбонитридов, оксидов, нитридов. Плотность мощности лазерного луча находится в диапазоне от 104 до 107 Вт/см2. 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 Fe57Mo12Cr8W3B11C9.
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.
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 (Fe66Cr10Nb5B19) 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.
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 (Fe66Cr10Nb5B19). 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.
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 мм3Н-1 м-1) 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.
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 (Fe66Cr10Nb5B19) 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.
Claims (1)
- Способ получения композиционного износостойкого покрытия, содержащего матрицу из сплава Fe66Cr10Nb5B19 с аморфной структурой и упрочняющие частицы оксида алюминия, на металлическом изделии, отличающийся тем, что готовят порошковую смесь из порошков многокомпонентного сплава на основе железа с высокой стеклообразующей способностью с размером частиц от 20 до 40 мкм и оксида алюминия с размером частиц от 20 до 45 мкм при содержании порошка оксида алюминия в порошковой смеси 10-40 мас. % и проводят нанесение полученной порошковой смеси на поверхность металлического изделия методом детонационного напыления.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791250C1 true RU2791250C1 (ru) | 2023-03-06 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8465602B2 (en) * | 2006-12-15 | 2013-06-18 | Praxair S. T. Technology, Inc. | Amorphous-nanocrystalline-microcrystalline coatings and methods of production thereof |
US8778460B2 (en) * | 2005-11-14 | 2014-07-15 | Lawrence Livermore National Security, Llc. | Amorphous metal formulations and structured coatings for corrosion and wear resistance |
RU2573309C1 (ru) * | 2014-07-08 | 2016-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения композиционного армированного порошкового материала |
CN111139422A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-05-12 | 上海离原环境科技有限公司 | 一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法 |
RU2748004C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный аграрный университет" | Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый самораспространяющимся высокотемпературным синтезом |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8778460B2 (en) * | 2005-11-14 | 2014-07-15 | Lawrence Livermore National Security, Llc. | Amorphous metal formulations and structured coatings for corrosion and wear resistance |
US8465602B2 (en) * | 2006-12-15 | 2013-06-18 | Praxair S. T. Technology, Inc. | Amorphous-nanocrystalline-microcrystalline coatings and methods of production thereof |
RU2573309C1 (ru) * | 2014-07-08 | 2016-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения композиционного армированного порошкового материала |
CN111139422A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-05-12 | 上海离原环境科技有限公司 | 一种用于核废料容器辐射防护的非晶合金涂层制备方法 |
RU2748004C1 (ru) * | 2020-11-06 | 2021-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Башкирский государственный аграрный университет" | Порошковый материал для нанесения износостойкого газотермического покрытия, получаемый самораспространяющимся высокотемпературным синтезом |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Houdková et al. | Comparative study of thermally sprayed coatings under different types of wear conditions for hard chromium replacement | |
CA2751250C (en) | Coatings, composition, and method related to non-spalling low density hardface coatings | |
Buytoz et al. | Microstructural and wear characteristics of high velocity oxygen fuel (HVOF) sprayed NiCrBSi–SiC composite coating on SAE 1030 steel | |
Vereschaka et al. | Development and research of nanostructured multilayer composite coatings for tungsten-free carbides with extended area of technological applications | |
US4911987A (en) | Metal/ceramic or ceramic/ceramic bonded structure | |
US20070031702A1 (en) | Erosion resistant coatings and methods thereof | |
Tsuda et al. | Development of functionally graded sintered hard materials | |
CN101139709A (zh) | 一种用于钛合金表面获得高适配耐磨钛基复合材料的方法 | |
US20070099015A1 (en) | Composite sliding surfaces for sliding members | |
Ulianitsky et al. | Detonation spraying of Cr3C2-NiCr coatings and their properties | |
Özkavak et al. | Comparison of wear properties of HVOF sprayed WC-Co and WC-CoCr coatings on Al alloys | |
Kim et al. | Porosity effects of a Fe-based amorphous/nanocrystals coating prepared by a commercial high velocity oxy-fuel process on cavitation erosion behaviors | |
Kuchumova et al. | Wear-resistant Fe-based metallic glass-Al2O3 composite coatings produced by detonation spraying | |
RU2791250C1 (ru) | Композиционное износостойкое покрытие | |
US6652991B1 (en) | Ductile NiAl intermetallic compositions | |
Kulu | Selection of powder coatings for extreme erosion wear conditions | |
US20130260172A1 (en) | Coated titanium alloy surfaces | |
RU2551037C2 (ru) | Способ получения износо-коррозионностойкого градиентного покрытия | |
Mahmud et al. | Mechanical property changes in HVOF sprayed nano-structured WC-17wt.% Ni (80/20) Cr coating with varying substrate roughness | |
US9376573B2 (en) | Coatings, composition and method related to non-spalling low density hardface coatings | |
Godwin et al. | Tribological and Corrosion Behavior Spray Method-A Review | |
Batraev et al. | Detonation Spraying of Binder-Free Tungsten Carbide: In-Situ Formation of Composite Coatings | |
Panin et al. | Deposition of titanium based coatings by reactive detonation spraying | |
Ranjan et al. | Morphological, microstructural, and mechanical study of FGM coatings prepared using the HVOF technique | |
Houdková et al. | The influence of thermally sprayed coatings microstructure on their mechanical and tribological characteristics |