Результат интеллектуальной деятельности: Износостойкий сплав на основе квазикристаллической композиции Al-Cu-Fe

Изобретение относится к области создания износостойких функциональных покрытий на основе квазикристаллов системы Al - Cu - Fe для защиты от механических нагрузок изделий прецизионного машино- и энергомашиностроения.

Известны сплавы с высокой износостойкостью на основе железа (патенты РФ №2359056, №2332509, №2337178), меди (патенты РФ 2349621. №2525876, №2553799), никеля (патенты РФ №2219279, №2418091, №2527543, №2561627) и алюминия (патенты РФ №2262554, №2413024, №2434713).

Известны также износостойкие сплавы на основе квазикристаллических соединений Al - Cu - Fe, успешно работающих в условиях сухого трения (патенты РФ №2362839, №2434077). Последний сплав взят в качестве прототипа, содержащий (масс. %):

медь - 2-5;

карбид вольфрама - 20-40

квазикристалл Al - Cu - Fe - остальное.

Сплав имеет относительно высокую микротвердость (400-500 HV) и может работать в режиме сухого трения.

Общим недостатком известных сплавов, в т.ч. и сплава - прототипа является то, что они не выдерживают динамических нагрузок (экстремальные условия работы - пуск и остановку двигателя, прекращение подачи смазки). Для этого микротвердость покрытия должна быть на уровне 700-800 HV.

Техническим результатом изобретения является создание износостойкого сплава на основе квазикристаллической композиции Al - Cu - Fe, обеспечивающего повышение микротвердости покрытия более 700 HV за счет дополнительного введения карбида титана и циркония и выбора диапазона легирующих компонентов.

Технический результат достигается за счет введения в сплав на основе квазикристаллической композиции карбида титана с микротвердостью 32,0 ГПа в количестве 20-30 масс. %. В качестве пластификатора используется цирконий, который когерентно связывается с квазикристаллической матрицей.

Требуемый результат достигается при следующем соотношении компонентов (масс. %):

цирконий - 4-7;

карбид титана - 20-30;

квазикристаллы Al - Cu - Fe - остальное.

В качестве основы выбран известный стабильный квазикристалл системы Al - Cu - Fe с соотношением компонентов, масс. %:

алюминий - 65;

медь - 21,5-23,5;

железо - 11,0-13,5.

Эти составы обеспечивают стабильное существование квазикристаллической фазы в процессе нанесения функциональных покрытий и в ходе их дальнейшей эксплуатации.

Цирконий выступает в качестве эффективного пластификатора. Экспериментально установлено, что содержание циркония менее 4% не дает нужного эффекта, а более 7% приводит к уменьшению микротвердости.

В качестве упрочняющей компоненты экспериментально были опробованы HfC, ZrC, VC, NbC и TiC, имеющие показатели микротвердости выше, чем у WC. Наилучшая технологичность получения покрытий с использованием метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН) была достигнута при изготовлении функциональных покрытий при добавлении в сплав 20-30 масс. % TiC. Покрытие получалось с требуемой микротвердостью, качественное, без трещин и сколов. При содержании менее 20% TiC в сплаве покрытие имело недостаточную микротвердость, при содержании TiC более 30% имело место образование трещин.

Ниже приводится конкретный пример реализации предлагаемого изобретения.

Выплавка предлагаемого состава сплава производилась на высокочастотной установке типа ЛЗ-13 мощностью 10 кВт с рабочей частотой 880 кГц в алундовых тиглях. Масса слитка составляла 1,0 кг. Последовательность введения компонентов следующая: (Al - Cu - Fe)→Zr→TiC.

Карбид титана вводился в расплав в виде наноразмерных частиц фракции 60-80 нм.

После получения слитка осуществлялось его дробление на высокоскоростной щековой дробилке типа «Пульверизетт-1» до фракции 3-5 мм, а затем на дезинтеграторной установке типа ДЕЗИ-15 до фракции 20-60 мкм.

Из полученного порошка методом ХГДН на установке типа ДИМЕТ-3 с приставкой из программного комплекса Kawasaky было нанесено покрытие при скоростях напыления 780-800 м/с и температуре гетерофазного потока 110°С. Эти режимы обеспечивают отсутствие пористости и высокую адгезию покрытия к ленточной подложке из стали Х15Ю5. Толщина полученного покрытия составляла 80-120 мкм. Определение микротвердости производилось по методу Виккерса с использованием микротвердомера AFFRI DM-8 до динамических нагрузок и после них.

Составы полученных покрытий следующие (масс. %):

1.

- цирконий - 4,0;

- карбид титана - 20,0;

- квазикристалл Al - Cu - Fe - остальное,

2.

- цирконий - 7,0;

- карбид титана - 30,0;

- квазикристалл Al - Cu - Fe - остальное.

Оценка микротвердости разработанных покрытий проводилась в соответствии с ускоренной оценкой износостойкости сопряжений в условиях сухого трения. В качестве контртела была выбрана сталь 20X13. Испытания проводили при линейной скорости 5,0 м/с. Контактное давление при данной нагрузке составляло 18-20 МПа. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Полученные результаты испытания покрытий показывают их пригодность для практического использования в элементах машино- и энергомашиностроения в качестве защитных покрытий при динамических нагрузках.