Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения износостойкого многослойного композита на металлической поверхности

Изобретение относится к области металловедения, химико-термической обработке металлических изделий. к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.

Так, например известны:

- износостойкий композиционный керамический наноструктурированный материал на основе оксида алюминия, содержащий фазу карбонитрида титана на границах зерен оксида алюминия и наноразмерные частицы диоксида циркония внутри зерен оксида алюминия, отличающийся тем, что фаза карбонитрида титана представлена наноразмерными частицами и частицами субмикронного уровня размера, при этом дополнительно наноразмерные частицы карбонитрида титана и диоксида циркония присутствуют на границах зерен оксида алюминия и частиц субмикронного уровня размера фазы карбонитрида титана, а объемное содержание компонентов составляет, %: Al₂O₃ - 63-82; TiCN - 16-34; ZrO₂ - 2,0-3,0. Размер зерен оксида алюминия меньше 1,5 мкм. Способ получения материала, включающий стадии помола, смешения компонентов после помола и спекания полученной смеси, скорость нагрева смеси до температуры спекания поддерживают постоянной в диапазоне от 50 до 400 град./мин, а спекание осуществляют при температурах от 1450 до 1600°С, при воздействии электрических и/или электромагнитных полей под давлением. Способ, при котором помол карбонитрида титана проводят до получения показателя d₅₀ не более 600 нм, при этом объемное содержание частиц размером менее 100 нм в карбонитриде титана после помола составляет от 2 до 5% (патент №2525538);

- керамический материал на основе карбида бора, микроструктура которого образована зернами В₄С и одного или нескольких тугоплавких соединений, включающих бориды элементов IVb и Vb групп Периодической системы, отличающийся тем, что на поверхности упомянутых зерен равномерно распределена наноразмерная композиция, содержащая карбид бора и одно или несколько из нижеперечисленных соединений: SiC, бориды элементов IVb, Vib, VIb групп Периодической системы, и материал имеет следующий состав, об. % карбид бора 63-81, одно или несколько из соединений из ряда: SiC, дибориды элементов IVb и/или Vb групп Периодической таблицы 14-27, наноразмерная композиция 5-10. Способ получения керамического материала, включающий измельчение порошков в неводной среде мелющими телами из материала, твердость которого меньше твердости измельчаемых порошков, смешение исходных порошков, формование методом холодного изостатического прессования и последующее спекание полученных заготовок, отличающийся тем, что производят раздельное измельчение порошков карбида бора и одного из ниже перечисленных соединений: SiC, бориды элементов IVb, Vb групп Периодической системы мелющими телами из материала на основе одного из нижеперечисленных соединений: SiC, бориды элементов IVb, Vb, VIb групп Периодической системы до такой дисперсности измельченного порошка, при которой содержание частиц размером, не превышающим 1,5 мкм, составляет не менее 90 об. %, а содержание частиц размером, не превышающим 100 нм, составляет не менее 5 об. %, а спекание осуществляют без приложения давления при температуре, близкой к температуре появления расплава. После смешения порошков содержание в смеси продукта измельчения карбида бора составляет 65-90 об. %, а содержание продуктов измельчения карбида кремния, диборидов элементов IVb и/или Vb групп Периодической системы составляет 35-10 об. % (патент РФ №2396232).

Недостатком данного метода получения материала является длительность процесса, высокая стоимость, низкая прочность и износостойкость.

Задачей предлагаемого изобретения является получение многослойного наноструктурированного износостойкого композита, содержащего слой из материала с эффектом памяти формы - износостойкий керамический слой.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение прочностных характеристик, снижение времени и стоимости процесса.

Технический результат достигается способом получения износостойкого многослойного композита поверхности металлической детали с помощью высокоскоростного газопламенного напыления, при этом обработку поверхности осуществляют высокоскоростным газопламенным напылением в защитной атмосфере предварительно механически активированного порошка TiNiCo с эффектом памяти формы получением слоя толщиной 500-1000 мкм с последующим пластическим деформированием при нагреве ниже температуры начала мартенситного превращения, износостойкий слой получают путем высокоскоростного газопламенного напыления в защитной атмосфере предварительно механически активированной смеси порошков из cBN, Со при их соотношении вес. %: cBN 85-90, Со 10-15, толщиной 500-700 мкм, с получением многослойного композита, затем осуществляют нагрев полученного композита при температуре на 50-65°С выше солидуса с последующим отжигом в две ступени, на первой ступени осуществляют нагрев до температуры 800-900°C с выдержкой 0,5-1 часа, на второй ступени - нагрев до температуры 700-750°C с выдержкой 2-2,5 часа. В качестве защитной атмосферы при высокоскоростном газопламенном напылении используют аргон.

В процессе высокоскоростного газопламенного напыления механически активированных порошков происходит выделение энергии, накопленной в процессе механической активации, что обеспечивает более надежную адгезию и повышенные прочностных свойств многослойного композита, а высокая скорость напыления обеспечивает формирование наноразмерной структуры. Указанная последовательность напыления порошков при формировании композита «слой из материала с эффектом памяти формы - упрочняющий слой» обеспечивает увеличение его износостойкости, а слой из материала с эффектом памяти формы блокирует или замедляет распространение дефектов в процессе эксплуатации, что способствует повышению долговечности и прочностных свойств.

Второй слой следующего химического состава cBN-Co обладает повышенной износостойкостью. Отжиг проводится для снятия внутренних напряжений в слоях многослойного композита.

На первом этапе проводится механическая активация порошка TiNiCo, а также смеси порошков при следующем содержании компонентов вес. %: cBN 85-90, Со 10-15, которые подвергают перемешиванию и измельчению в шаровой мельнице с использованием мелющих тел (в виде шаров), содержащих WC-CrC-Ni. Механическая активация порошков осуществляется в шаровой мельнице АГО-2У. Загрузка и обработка порошков производится в инертной атмосфере (среда аргона), со следующими параметрами: частота вращения барабана 500-600 мин^-1, частота вращения водила 800-850 мин^-1, диаметр шаров 6 мм, время работы 45-50 мин.

На втором этапе проводится высокоскоростное газопламенное напыление в защитной атмосфере (среда аргона) механически активированных порошков. В камере при помощи вакуумного насоса создается вакуум, далее этот вакуум заполняется аргоном из металлического баллона. Далее механически активированные порошки TiNiCo, cBN-Co засыпают в порошковые дозаторы, связанные шлангами подачи порошков к соплу газопламенной горелки. Сопло газопламенной горелки имеет два канала для ввода порошков: первый канал сопла, связанный с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка TiNiCo, второй канал сопла, связанный с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированной смеси порошков из cBN-Co. Раздельная подача механически активированных порошков в зону напыления возможна за счет конструкции сопла газопламенной горелки.

Износостойкий многослойный композит на металлической поверхности получаем следующим образом: сначала происходит напыление первого слоя на основе механически активированного порошка с эффектом памяти формы TiNiCo толщиной 500-1000 мкм на металлическую деталь; далее на первый слой с эффектом памяти формы на основе TiNiCo наносим второй слой механически активированной смеси порошков из cBN-Co толщиной 500-700 мкм, после нанесения первого слоя с эффектом памяти формы осуществляют его пластическое деформирование на величину до 5-8% от толщины первого слоя с помощью пресса, состоящего из верхней и нижней траверс. Контроль температуры процесса осуществляют пирометром. Вакуумная камера со смотровым окном расположена на раме. В процессе поверхностного пластического деформирования осуществляют нагрев детали с первым слоем при помощи трансформатора, соединенного с нижней траверсой пресса. Весь процесс получения высокотемпературного многослойного композита осуществляется автоматически при помощи блока управления, к которому при помощи шлангов подсоединены баллоны с газами. Нагрев образца с композитом для отжига осуществляют с помощью трансформатора. Вакуумная камера смонтирована на раме.

После получения композита проводят нагрев при температуре на 50-65°С выше температуры солидуса с выдержкой в течение 20-30 мин. С последующим отжигом в две ступени: 1 ступень - 800-900°С, выдержка 0,5-1 часа; 2 ступень - 700-750°С, выдержка 2-2,5 часа. Нагрев осуществляется при помощи трансформатора.

Пример

На первом этапе проводится механическая активация порошка TiNiCo, а также смеси порошков при следующем содержании компонентов, вес. %: cBN 85, Со 15 подвергают перемешиванию и измельчению в шаровой мельнице с использованием мелющих тел (в виде шаров), содержащих WC-CrC-Ni. Механическая активация порошков осуществляется в шаровой мельнице АГО-2У. Загрузка и обработка порошков производится в инертной атмосфере (среда аргона), со следующими параметрами: частота вращения барабана 1300 мин^-1, частота вращения водила 950 мин^-1, диаметр шаров 6 мм, время работы 15 мин. На втором этапе проводится высокоскоростное газопламенное напыление в защитной атмосфере (среда аргона) механически активированных порошков. В камере при помощи вакуумного насоса создается вакуум, далее этот вакуум заполняется аргоном из металлического баллона. Далее механически активированный порошок из TiNiCo и механически активированную смесь порошков из cBN-Co засыпают в порошковые дозаторы, связанные шлангами подачи порошков к соплу газопламенной горелки. Сопло газопламенной горелки имеет два канала для ввода порошков: первый канал сопла, связанный с порошковым дозатором для подачи в зону напыления механически активированного порошка TiNiCo, второй канал сопла, связанный с порошковым дозатором для подачи, в зону напыления механически активированной смеси порошков на основе cBN-Co.

Раздельная подача механически активированных порошков в зону напыления возможна за счет конструкции сопла газопламенной горелки. Износостойкий многослойный композит на металлической поверхности получаем следующим образом: сначала производится напыление первого слоя механически активированного порошка с эффектом памяти формы TiNiCo толщиной 500 мкм на металлическую деталь; далее на первый слой с эффектом памяти формы на основе TiNiCo наносим второй слой - механически активированную смесь порошков из cBN-Co при следующем содержании компонентов, вес. %: cBN 85, Со 15, толщиной 300 мкм, после нанесения первого слоя с эффектом памяти формы осуществляют его пластическое деформирование на величину 5% от толщины первого слоя с помощью пресса, состоящего из верхней и нижней траверс. Контроль температуры процесса осуществляют пирометром. Вакуумная камера со смотровым окном расположена на раме. В процессе пластического деформирования осуществляют нагрев детали с первым слоем при помощи трансформатора, соединенного с нижней траверсой пресса. Весь процесс получения изностойкого многослойного композита осуществляется автоматически при помощи блока управления, к которому при помощи шлангов подсоединены баллоны с газами. Нагрев образца с композитом для отжига осуществляют с помощью трансформатора. Вакуумная камера смонтирована на раме. После получения композита проводят нагрев при температуре на 35°С выше температуры солидуса с выдержкой в течение 0,5 часа. С последующим старением в две ступени: 1 ступень - 800°С, выдержка 0,5 часа; 2 ступень - 700°С, выдержка 2 часа. Нагрев осуществляется при помощи трансформатора.

Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, полученный износостойкий многослойный композит на металлической поверхности с эффектом памяти формы обладает повышенными механическими свойствами.