Способ нанесения покрытия из антифрикционного твердого сплава методом взрывного прессования

Изобретение относится к области нанесения покрытий с применением взрывного прессования смесей порошков карбида кремния с титаном и может быть использовано при изготовлении заготовок многослойных композиционных деталей узлов торцевых механических уплотнителей для использования во вращающемся оборудовании, для обеспечения герметизации вала, передающего механическую энергию к рабочему органу механизма, типа насосов, компрессоров, химических реакторов и т.д.

Известен способ получение твердых сплавов с использованием прослойки (Харламов В.О., Крохалев А.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И., Рогозин В.Д. / Известия Волгоградского государственного технического университета, 2012, №14, с. 110-119) в качестве которой, использовался титановый порошок толщиной 1 мм между стальным основанием и порошковой смесью (78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti), при этом общая насыпная толщина порошка составляет 7 мм.

Недостатком данных способов получения покрытия является низкая прочность соединения (70-75 МПа) между порошковым твердым сплавом карбида хрома с титаном (78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti) и слоя титанового порошка из-за высокого уровня термических напряжений и не равномерного распределения.

Наиболее близким по техническому уровню и полученному результату является известный способ нанесения покрытия (RU 2619550 C1, B23K 20/08, опубл. 16.05.2017 Бюл. №14), при котором осуществляют нанесение покрытия из порошкового материала на поверхность детали путем инициирования заряда взрывчатого вещества, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности соединения при нанесении покрытий, в промежуточный слой вводится идентичный порошковый материал с большим содержанием металлической связки.

Недостатком данного способа является невысокая прочность соединения (135…150 МПа) между порошковым твердым сплавом карбида хрома с титаном (78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti), и слоем титанового порошка (титан 100 мас. %) из-за высокого уровня остаточных термических напряжений, возникающих при совместном охлаждении слоев спрессованных взрывом порошковых материалов, имеющих значительную разницу коэффициентов линейного расширения.

В связи с этим актуальной задачей является разработка нового способа нанесения покрытия из антифрикционного твердого сплава взрывным прессованием смесей порошков карбида хрома с титаном, позволяющего изготавливать высококачественные многослойные композиционные детали узлов торцевых механических уплотнителей, обеспечивая высокую прочность.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении изобретения, - увеличение прочности соединения покрытия с металлической подложкой.

Поставленный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе нанесения покрытия из антифрикционного твердого сплава на металлическую подложку, включающий последовательное нанесение на поверхность металлической подложки порошковых материалов, состоящих из слоя титанового порошка и смеси порошков карбида хрома с титаном Cr₃C₂ и Ti, и взрывное прессование смесей порошков, между слоем из титанового порошка и слоем из смеси порошков карбида хрома Cr₃C₂ и Ti размещают промежуточный слой из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti, при этом слой из смеси порошков карбида кремния и титана составляет 2,5-3,5 мм.

В отличие от прототипа, благодаря введению промежуточного слоя из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti имеющего значение коэффициента линейного расширения 6,3×10°С^-1, достигается состояние при котором происходит значительное изменение коэффициента линейного расширения от 8,5×10°С^-1 у слоя из титанового порошка до 7,8×10°С^-1 у слоя из антифрикционного твердого сплава карбида хрома с титаном в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti, что увеличивает торможение усадки верхнего и нижнего порошковых слоев, приводящее к увеличению прочности соединения покрытия со стальным основанием, а так же введение промежуточного слоя из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti снижает упругое последействие из-за более низкого модуля упругости, что приводит к уменьшению внутренних напряжений в слое смеси порошков карбида хрома с титаном в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti и в слое титанового порошка.

Вводя промежуточный слой из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении больше 42 мас. % SiC и соответственно менее 58 мас. % Ti уменьшается коэффициент линейного расширения менее 6,3×10°С^-1, что приводит к увеличению напряжений между слоем из карбида хрома с титановой связкой. Уменьшая содержания в смеси порошков карбида кремния SiC менее 38 мас. % и соответственно увеличение содержания титанового порошка более 62 мас. % Ti увеличивает коэффициент линейного расширения выше 6,3×10°С^-1, что приводит к снижению способности материала к релаксации термических напряжений.

Введение промежуточного слоя с высоким коэффициентом температурного расширения из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti толщиной 2,5-3,5 мм обеспечивает высокое сцепление из-за снижения температурного расширения смеси порошков карбида хрома с титаном в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti и титаном.

Увеличение толщины слоя из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti свыше 3,5 мм, приводит к недостаточному разогреву всего покрытия из-за высокой теплопроводности, что приводит к недостаточной спресованности порошковых смесей и как следствие низкой прочности соединения покрытий (таблица 1). Кроме того, увеличение толщины промежуточного слоя свыше значения, равного 3,5 мм, приведет к снижению толщины слоя из смеси порошков карбида кремния и титана в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti, а следовательно, и к снижению толщины рабочего слоя из антифрикционного твердого сплава после взрывного прессования, что негативно скажется на ресурсе работы узла трения.

Уменьшение торщины промежуточного слоя менее 2,5 мм так же приводит к негативным последствиям в виде снижения прочности соединения покрытия вследствие не возможности перераспределения и релаксации термических напряжений.

Опытные данные по влиянию толщины слоя получены на средних значениях из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 40 мас. % SiC и 60 мас. % Ti на прочность соединения покрытия приведены в таблице 1.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема нанесения покрытия из порошкового твердого сплава взрывным прессованием нормально падающей детонационной волной, на фиг. 2 - микроструктура и распределение полученного твердого сплава.

Предлагаемый способ нанесения покрытия осуществляется в следующей последовательности (фиг. 1). Во взрывной камере (или на полигоне) на сформированную подушку 1 из утрамбованного влажного песка устанавливают металлическую подложку 2 (заготовку узла трения). На поверхность подложки устанавливают картонный контейнер высотой h=7 мм, внутрь которого методом свободной засыпки наносят слой из титанового порошка 3, толщиной h₁=1 мм. Далее наносят промежуточную прослойку из смеси порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti 4 толщиной h₂=2,5-3,5 мм. Затем наносят слой из смеси порошков карбида хрома и титана в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti толщиной h₃ 5. Далее на порошковый материал устанавливают металлическую пластину 6 с контейнером для ВВ 7 и отрезками детонирующего шнура 8 равной длины связанных с электродетонатором 9. Затем монтируют электрическую цепь, подключая ее к взрывной машинке. После инициирования заряда ВВ нормально падающая детонационная волна со скоростью D=4200 м/с, воздействуя через промежуточную пластину на порошок, вызывает появление в нем ударной волны, двигающейся по направлению к основанию, которая уплотняет порошковый материал до практически беспористого состояния (остаточная пористость не более 1%) и создает условия, оптимальные (максимальное давление прессования 13-15 ГПа; температура разогрева порошковой смеси до Т=0,4 Т_пл, где Т_пл - температура плавления карбида, К) для соединения компонентов между собой и со стальной заготовкой.

Пример №1

Предлагаемый способ нанесения покрытия из антифрикционного твердого сплава на металлическую подложку взрывным прессованием смесей порошков карбида кремни с титаном и карбида вольфрама с титаном опробовали при изготовлении образцов уплотнителей из антифрикционного покрытия. Способ осуществляли на полигоне согласно схеме, приведенной на фиг. 1. На поверхность металлической подложки, после зачистки от окислов и удаления жировых загрязнений устанавливали картонный контейнер высотой 7 мм, в который последовательно насыпали слои порошкового материала. Использовали порошок чистого карбида кремния SiC (ГОСТ Р 52381-2005), дисперсность 6-10 мкм, порошок титана ПТОМ-1 (ТУ 14-22-57-92), дисперсность 10-15 мкм, порошок чистого карбида хрома Cr₃C₂ КХНП-1 (ТУ 14-22-28-90) дисперсность 3-10 мкм и порошок титана ПТС (ТУ 14-22-57-92) дисперсность 50-150 мкм Исходные порошки подвергали просеву через сито, а затем смешивали в необходимых для получения заданного состава смеси пропорциях. С целью достижения однородности порошковой смеси применяли сухое перемешивание без размольных тел в барабанном смесителе типа «пьяная бочка». Насыпную плотность порошковых смесей (таблица 2) определяли экспериментально путем взвешивания мерной чашки известного объема.

Сначала на поверхность подложки путем свободной засыпки наносили слой, состоящий из титанового порошка толщиной h₁=1,0 мм, далее промежуточный слой из смеси порошков порошков карбида кремния с титаном в соотношении 40 мас. % SiC и 60 мас. % Ti толщиной h₂=3 мм. Затем наносили смесь порошков карбида кремния и титана в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti, толщиной h₃=3 мм. Далее на порошковый материал устанавливали металлическую пластину из Ст. 3 толщиной 0,75 мм с контейнером для ВВ (аммонит 6 ЖВ ГОСТ 21984-76). В контейнер с ВВ устанавливали отрезки детонирующего шнура равной длины (300 мм), которые свободным концом связывали с электродетонатором. После взрывного прессования нормально падающей детонационной волной получили заготовку для торцевого уплотнителя насосов ЦНС с покрытием из антифрикционного твердого слава из смеси порошков карбида кремния и титана в соотношении 78 мас. % Cr₃C₂ и 22 мас. % Ti. Как видно из фиг. 2, получившееся покрытие имеет равномерное распределение частиц карбида хрома Cr₃C₂ в титановой матрице с остаточной пористостью около 1%, а так же равномерное распределение частиц карбида кремния SiC в титановой матрице с остаточной пористостью около 1% которое не отслаивается при последующей токарной обработке и испытаниях в условиях эксплуатации. После вырезки образцов для механических испытаний прочность соединения покрытия составила 190 МПа, что выше, чем у прототипа.

Пример №2

Способ получения покрытия совпадает с примером №1, но в качестве промежуточной прослойки взята смесь порошков карбида кремния с титаном в соотношении 38 мас. % SiC и 62 мас. % Ti толщиной 3 мм. После вырезки образцов для механических испытаний получили прочность соединения покрытия на срез 185 МПа. Данный показатель прочности значительно выше показателей прочности прототипа, и попадает в диапазон значений полученных при изменении насыпной толщины слоя 2,5-3,5 мм.

Пример №3

Способ получения покрытия совпадает с примером №1, но в качестве промежуточной прослойки взята смесь порошков карбида кремния с титаном в соотношении 42 мас. % SiC и 58 мас. % Ti толщиной 3 мм. После вырезки образцов для механических испытаний получили прочность соединения покрытия 185 МПа. Данный показатель прочности значительно выше показателей прочности прототипа, и попадает в диапазон значений полученных при изменении насыпной толщины слоя 2,5-3,5 мм.

При использовании в качестве промежуточной прослойки смесь порошков карбида кремния в соотношении менее 38 мас. % SiC и соответственно более 62 мас. % Ti или больше 42 мас. % SiC и соответственно менее 58 мас. % Ti толщиной 3 мм, получаем прочность соединения покрытия в пределах 140-150 МПа.

Таким образом, приведенный способ позволяет получить высокую прочность соединения покрытия со стальным основанием при использовании карбида кремния с титаном является 38..42 мас. % SiC и 58..62 мас. % Ti и толщина слоя h₂=2,5-3,5 мм.