Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, более конкретно к способам нанесения плазменных покрытий на детали, работающие в экстремальных условиях.

Известен способ нанесения износостойкого покрытия, включающий получение порошковой шихты путем механического смешивания компонентов: самофлюсующегося сплава на основе никеля, содержащего хром, кремний, бор, и упрочняющей добавки на основе двойного борида, содержащей 22-36% от общего частиц дисперсностью 40-50 мкм и 64-78% от общего частиц дисперсностью 50-90 мкм, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление на стальные образцы, предварительно подвергнутые дробеструйной обработке и обезжириванию (патент RU 2136777, МПК C23C 4/06, 1999 г.).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая износостойкость покрытий (относительная износостойкость покрытий находится в пределах 6,4-13,2).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность стали, предварительно подвергнутой дробеструйной обработке, включающий получение дисперсной порошковой смеси самофлюсующегося сплава и упрочняющей добавки в виде диборида титана TiB₂ в количестве 20-60 об.% от общего, ввод в плазменную струю смеси и ее напыление с последующим оплавлением поверхности покрытия (Клинская-Руденская Н.А., Копысов В.А., Коцот С.В. "Особенности композиционных покрытий на основе Ni-Cr-B-Si. Исследования износостойкости покрытий". Физика и химия обработки материалов. 1994, №6, с. 52-57) (прототип).

Недостатками известного способа являются недостаточно высокие значения микротвердости и износостойкости, а также недостаточно высокое качество полученного покрытия, обусловленное наличием пористости на границе раздела.

Задача предлагаемого технического решения состоит в повышении микротвердости и износостойкости покрытия, а также его качества за счет снижения пористости.

Поставленная задача достигается тем, что в способе нанесения износостойкого покрытия на поверхность стали, включающем очистку поверхности, получение дисперсной порошковой смеси самофлюсующегося сплава и диборида титана, ввод в плазменную струю смеси и ее напыление с последующим оплавлением поверхности покрытия, очистку поверхности осуществляют путем полировки, а в качестве самофлюсующегося сплава используют сплав кобальта, предварительно механически легированный порошком алюминия с размером частиц менее 1 мкм, при этом исходные компоненты смеси взяты в следующем соотношении (мас.): сплав кобальта - 34,0÷59,5; алюминий - 6,0÷10,5; диборид титана - 30,0÷60,0.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность стали, в котором предварительную очистку поверхности осуществляют путем полировки, а в качестве самофлюсующегося сплава используют сплав кобальта, предварительно механически легированный порошком алюминия с размером частиц менее 1 мкм, при этом для приготовления исходной смеси исходные компоненты берут в предлагаемом интервале.

В ходе исследований, проведенных авторами, были определены условия нанесения износостойких покрытий на поверхность стали, позволяющие значительно повысить микротвердость, обеспечить отсутствие износа покрытий и высокое качество покрытий за счет отсутствия пор на границе раздела покрытия со сталью. Одним из условий достижения максимальной эффективности способа является очистка поверхности стали путем полировки. Именно на полированных стальных поверхностях стало возможным получение высокого качества границы раздела, которую невозможно обнаружить оптическим микроскопом без применения специального травления структуры поверхности шлифа. Существенным является использование в качестве компонента исходной смеси сплава кобальта, предварительно механически легированного порошком алюминия, дисперсность которого составляет менее 1 мкм. В процессе механического легирования ультрадисперсные частицы порошка алюминия покрывают частицы порошка кобальтового сплава за счет электростатических сил, при этом алюминий равномерно распределяется в механической смеси. Как показал эксперимент, с более крупными частицами алюминия подобного результата получить не удается, частицы алюминия в этом случае находятся в механической смеси порошков в свободном состоянии, а не закреплены за счет статических сил на частицах кобальтового сплава. Необходимым условием осуществления способа является соотношение компонентов в исходной смеси порошков, которое составляет (мас.%): сплав кобальта - 34,0÷59,5; алюминий - 6,0÷10,5; диборид титана - 30,0÷60,0. Именно при таком соотношении в покрытиях формируется фаза алюмокобальтового борида Al₃Co₂₀B₆. Данная фаза обнаружена только при больших увеличениях и представляет собой своеобразный каркас в виде сетки с неправильной геометрией ячеек. Толщина стенок ячеек сетчатых структур колеблется от 5-120 нанометров до 1 микрометра. На фоне этой сетчатой структуры распределены зерна диборида титана. Причем уменьшение содержания диборида титана TiB₂ в исходной смеси компонентов приводит к снижению количества алюмокобальтового борида Al₃Co₂₀B₆, в формировании которого участвует бор, входящий в состав диборида титана. Это осуществляется в результате смачивания частиц диборида титана самофлюсующимся сплавом, что инициирует диффузию бора в матричный самофлюсующийся сплав. В состав самофлюсующегося кобальтового сплава входит бор, однако собственного бора недостаточно для формирования подобных структур, этим и объясняется необходимость введения в кобальтовый сплав, механически легированный алюминием, частиц порошка диборида титана. Увеличение содержания диборида титана TiB₂ в исходной смеси компонентов нежелательно, так как приводит к росту пористости, поскольку количества жидкой фазы недостаточно для смачивания твердых включений, следствием чего является окисление зерен диборида титана (в покрытиях с увеличенным по сравнению с предлагаемым содержанием диборида титана обнаружены оксиды титана). Недостаточное смачивание является причиной и резкого снижения количества алюмокобальтового борида.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Для получения покрытия готовят исходную порошковую смесь, состоящую из кобальтового сплава, алюминия и диборида титана при следующем соотношении компонентов, мас.%: сплав кобальта - 34,0÷59,5; алюминий - 6,0÷10,5; диборид титана - 30,0÷60,0. Для получения механически легированного алюминием сплава кобальта берут порошок кобальтового сплава дисперсностью 40-63 мкм и порошок алюминия дисперсностью менее 1 мкм и помещают в смеситель типа "пьяная бочка", смешивают в течение 40 минут. Затем в смеситель добавляют порошок диборида титана дисперсностью 40-50 мкм и смешивают в течение 20 минут. После чего смесь подают под срез газовоздушного плазмотрона для напыления на стальные образцы, предварительно подвергнутые обезжириванию ацетоном и полировке, например, с помощью алмазной пасты. Напыление проводят на установке 15-ВБ газовоздушным плазмотроном при мощности плазмотрона 54-56 кВА, в качестве плазмообразующего газа используют смесь воздуха и природного газа в соотношении 4:1. После нанесения покрытия его подвергают оплавлению в печи при температуре 950-1050°C.

Износостойкость покрытия определяют по стандартной методике (ГОСТ 17367-71) на машине Х-4Б. Условия изнашивания: абразив - шкурка из SiC (размер зерна 50-63 мкм), эталон - ст. 50, закаленная до HRC=52-54 ед., путь трения - 15 м, нагрузка - 10 кг/см².

Микротвердость измеряют на шлифах согласно ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 100 г.

Пористость определяют микроскопическим методом.

Количество Al₃Co₂₀B₆ в конечном покрытии определяют рентгенофазовым анализом на приборе Bruker.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 119 г порошка самофлюсующегося кобальтового сплава ПГ-10К-01 дисперсностью 40-63 мкм, 21 г порошка алюминия дисперсностью менее 1 мкм и 60 г порошка диборида титана TiB₂ дисперсностью 40-50 мкм при этом соотношение составляет (мас.%): сплав кобальта - 59,5; алюминий - 10,5; диборид титана - 30. Порошок кобальтового сплава и порошок алюминия помещают в смеситель типа "пьяная бочка" и смешивают в течение 40 минут. Затем в смеситель добавляют порошок диборида титана и смешивают в течение 20 минут. Далее смесь подают под срез сопла газовоздушного плазмотрона для напыления на стальные образцы (ст. 3), предварительно подвергнутые обезжириванию ацетоном и полировке алмазной пастой. Напыление осуществляют плазменным методом на установке 15-ВБ при мощности плазмотрона 54 кВА, в качестве плазмообразующего газа используют смесь воздуха и природного газа в соотношении 4:1. После напыления покрытия проводят его оплавление в печи при температуре 950°C.

Получают покрытие со следующими характеристиками: пористость основного слоя (%) - 3-6; микротведость при нагрузке 100 г (кг/мм²) - 3500; относительная износостойкость - износ отсутствует, покрытие полируется; пористость на границе раздела (%): границу раздела невозможно обнаружить без специального травления структуры.

Пример 2. Берут 102 г порошка самофлюсующегося кобальтового сплава ПГ-10К-01 дисперсностью 40-63 мкм, 18 г порошка алюминия дисперсностью менее 1 мкм и 180 г порошка диборида титана TiB₂ дисперсностью 40-50 мкм при этом соотношение составляет (мас.%): сплав кобальта - 34; алюминий - 6; диборид титана - 60. Порошок кобальтового сплава и порошок алюминия помещают в смеситель типа "пьяная бочка" и смешивают в течение 40 минут. Затем в смеситель добавляют порошок диборида титана и смешивают в течение 30 минут. Далее смесь подают под срез сопла газовоздушного плазмотрона для напыления на стальные образцы (ст. 3), предварительно подвергнутые обезжириванию ацетоном и полировке алмазной пастой. Напыление осуществляют плазменным методом на установке 15-ВБ при мощности плазмотрона 56 кВА, в качестве плазмообразующего газа используют смесь воздуха и природного газа в соотношении 4:1. После напыления покрытия проводят его оплавление в печи при температуре 1050°C.

Получают покрытие со следующими характеристиками: пористость основного слоя (%) - 9-11; микротведость при нагрузке 100 г (кг/мм²) - 3900; относительная износостойкость - износ отсутствует, покрытие полируется; пористость на границе раздела (%): 4-6.

Остальные примеры осуществления способа приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ нанесения износостойкого покрытия позволяет значительно повысить микротвердость, качество покрытия за счет снижения пористости основного слоя и сформировать покрытие, не подверженное износу в условиях сухого абразивного трения.