Износостойкое покрытие

 

Изобретение относится к области композиционных материалов, в частности к нанесению газотермических покрытий для упрочнения и восстановления деталей, эксплуатируемых в условиях износа и агрессивных сред. Износостойкое покрытие содержит, мас. %: оксид алюминия (Al₂О₃) - 2,2-4,0, диоксид титана (ТiO₂) - 54,0-74,0, диоксид циркония (ZrO₂) - 1,8-3,0, диоксид кремния (SiО₂) - 19,0-42,0. Способ получения износостойкого покрытия включает получение порошковой шихты путем смешения исходных оксидов, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление с использованием в качестве подслоя состав Ni-Cr, осуществляют напыление не менее двух слоев с толщиной слоя не менее 0,1 мм и с охлаждением каждого слоя после напыления до температуры не выше 300^oС, при этом в качестве плазмообразующего газа используют газ следующего состава, мас.%: воздух 70-75, природный газ 25-30. Изобретение позволяет получить покрытие, которое характеризуется высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами за счет получения покрытия с аморфно-кристаллической структурой. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области композиционных материалов, в частности к нанесению газотермических покрытий для упрочнения и восстановления деталей, эксплуатируемых в условиях износа и агрессивных сред.

Известно износостойкое покрытие на основе оксида алюминия Аl₂О₃ (Борисов Ю. С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 348-354). Известное покрытие характеризуется недостаточно высокой адгезионной прочностью 1,33-1,72 кг/мм² и высокой пористостью 5-15%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является износостойкое покрытие следующего состава, мас.%: 87 - Аl₂О₃; 13 - TiО₂ (Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 364-365). Известное покрытие предназначено для работы пар трения в условиях высоких контактных нагрузок и агрессивных сред. Оно имеет кристаллическую структуру и характеризуется низкой адгезионной прочностью 1,03-1,5 кг/мм² со стальной основой, недостаточной износостойкостью 0,13-1,0 и высокой пористостью 8-15%.

Известное покрытие получают следующим образом. Эвтектическую композицию из оксидов алюминия и титана вводят в плазменную струю и напыляют с использованием в качестве подслоя состав Ni-Сr (Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 352).

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать износостойкое покрытие, обладающее высокой адгезионной стойкостью, высокой износостойкостью и низкой пористостью.

Поставленная задача решена путем использования износостойкого покрытия, содержащего оксид алюминия и диоксид титана, которое дополнительно содержит диоксид циркония и диоксид кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: Оксид алюминия (Аl₂О₃) - 2,2-4,0 Диоксид титана (TiО₂) - 54,0-74,0 Диоксид циркония (ZrО₂) - 1,8-3,0 Диоксид кремния (SiО₂) - 19,0-42,0.

Поставленная задача решена также в способе получения износостойкого покрытия, включающем получение порошковой шихты путем смешения исходных оксидов, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление с использованием в качестве подслоя состав Ni-Cr, в котором осуществляют напыление не менее двух слоев с толщиной слоя не менее 0,1 мм и с охлаждением каждого слоя после напыления до температуры не выше 300^oС, при этом в качестве плазмообразующего газа используют газ следующего состава, мас.%: воздух 70-75, природный газ 25-30.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известно износостойкое покрытие предлагаемого состава, а также способ получения покрытия, в котором осуществляют послойное напыление с охлаждением каждого напыленного слоя до определенной температуры.

Диоксид титана ТiO₂ в составе предлагаемого покрытия является основой - матричным материалом, в который внедрены оксид алюминия Аl₂О₃ и диоксид циркония ZrО₂. Диоксид кремния SiО₂ присутствует в виде аморфной фазы, тогда как в качестве исходного порошка используют порошок оксида кремния в виде кварца, обладающего кристаллической структурой. В целом предлагаемое покрытие имеет многослойную структуру с чередованием слоев с аморфной и кристаллической структурой.

Таким образом, новая совокупность компонентов в предлагаемом покрытии, а также способ его получения обеспечивают его особую аморфно-кристаллическую структуру, которая в свою очередь обусловливает его высокие физико-механические и эксплуатационные свойства.

В ходе исследований были установлены пределы входящих в состав покрытия компонентов. Увеличение содержания диоксида кремния выше 42 мас.% и соответственно снижение содержания диоксида титана ниже 54 мас.%, оксида алюминия ниже 2,2 мас.% и диоксида циркония ниже 1,8 мас.% ведет к повышению пористости покрытия за счет частичного испарения диоксида кремния и снижению износостойкости за счет снижения твердости покрытия.

Уменьшение содержания диоксида кремния менее 19 мас.% и соответственно увеличение содержания диоксида титана более 74 мас.%, оксида алюминия более 4,0 мас. % и диоксида циркония более 3,0 мас.% также характеризуется снижением износостойкости и повышением пористости, что объясняется следующими причинами. В процессе формирования многослойного покрытия образуются несмешивающиеся фазы в виде твердого рутила и жидкого диоксида кремния, и в данном случае жидкой фазы не достаточно для образования аморфных слоев, чередующихся со слоями рутила (коэффициент температуропроводности диоксида титана на порядок ниже, чем у диоксида кремния, поэтому создаются условия для кристаллизации жидкого диоксида кремния, то есть структура покрытия становится полностью кристаллической).

Поставленная задача решена также и в предлагаемом способе получения износостойкого покрытия, который обеспечивает формирование многослойного покрытия с чередующимися кристаллическими и аморфными слоями именно за счет напыления монослоев и их последующего охлаждения. При этом сводятся к минимуму термические напряжения, возникающие в напыляемом слое, материал которого является теплоизолятором по отношению к подложке. Состав плазмообразующего газа выбран оптимальным для обеспечения коэффициента использования порошка, равного 55%. Снижение расхода природного газа менее 25% в плазмообразующей смеси приводит к уменьшению производительности напыления и возрастанию потерь материала (КИП<50%) соответственно, повышение содержания природного газа выше 30% является причиной резкого снижения стойкости узлов плазмотрона.

Предлагаемое износостойкое покрытие может быть получено следующим образом.

Для получения покрытия готовят исходную порошковую шихту, в состав которой входят оксиды титана, алюминия, циркония и кремния, имеющие кристаллическую структуру, дисперсностью 40-100 мкм. Шихту тщательно перемешивают и затем подают внутрь сопла плазмотрона за 5 мм до среза для напыления на стальные образцы (Ст. 3). Стальные образцы предварительно обезжиривают, дробеструят и покрывают подслоем из NiCr (80:20). Параметры процесса: ток - 240 А, напряжение - 180 В, состав плазмообразующего газа, %: воздух - 70, природный газ - 30. Напыление шихты осуществляют циклически: наносят слой толщиной не менее 0,1 мм, охлаждают до температуры не выше 300^oС. Напыление таким образом осуществляют до получения необходимой толщины покрытия (например, 1,0 или 1,5 мм). Испытания покрытия на износостойкость проводят по стандартной методике на машине Х4-Б (ГОСТ 17367-71). В качестве эталона используют Ст. 50, закаленную до твердости 52-54 ед. НRС. Адгезионную прочность измеряют по методике 1.3.2 (Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С. Л. Справочник "Газотермические покрытия из порошковых материалов", Киев: Наукова думка, 1987, стр. 119-122) с помощью конического штифта. Пористость покрытия определяют микроскопическим методом по ГОСТ 5369-65.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примерами.

Пример 1. Для получения покрытия готовят исходную порошковую шихту, в состав которой входят оксиды титана 68,0 мас.%, алюминия 3,6 мас.%, циркония 2,4 мас.% и кремния 26,0 мас.%, имеющие кристаллическую структуру, дисперсностью 40-100 мкм. Шихту тщательно перемешивают и затем подают внутрь сопла плазмотрона за 5 мм до среза для напыления на стальные образцы (Ст. 3). Стальные образцы предварительно обезжиривают, дробеструят и покрывают подслоем из NiCr (80:20). Параметры процесса: ток - 240 А, напряжение - 180 В, состав плазмообразующего газа мас. %: воздух - 70, природный газ - 30. Напыление шихты осуществляют циклически: наносят слой толщиной 0,1 мм, охлаждают до температуры не выше 300^oС. Для получения покрытия толщиной 1,0 мм осуществляют напыление 10 слоев. Получают покрытие с относительной износостойкостью 3,5; пористостью 3%; прочность сцепления характеризуется отсутствием разрыва по границе раздела покрытие-сталь.

Таким образом, предлагаемое износостойкое покрытие и способ его получения позволяют получить покрытие, которое характеризуется высоким физико-механическими и эксплуатационными свойствами за счет получения покрытия с аморфно-кристаллической структурой.

Формула изобретения

1. Износостойкое покрытие, содержащее оксид алюминия и диоксид титана, отличающееся тем, что дополнительно содержит диоксид циркония и диоксид кремния при следующем соотношении компонентов мас.%: Оксид алюминия (Аl₂О₃) - 2,2-4,0 Диоксид титана (ТiO₂) - 54,0-74,0 Диоксид циркония (ZrO₂) - 1,8-3,0 Диоксид кремния (SiO₂) - 19,0-42,0
2. Способ получения износостойкого покрытия, включающий получение порошковой шихты путем смешения исходных оксидов, ввод в плазменную струю полученной шихты и последующее напыление с использованием в качестве подслоя состава Ni-Cr, отличающийся тем, что осуществляют напыление не менее двух слоев с толщиной слоя не менее 0,1 мм и с охлаждением каждого слоя после напыления до температуры не выше 300^oС, при этом в качестве плазмообразующего газа используют газ следующего состава, мас.%: воздух 70-75, природный газ 25-30.

РИСУНКИ

Рисунок 1