Металлический порошок для термического нанесения покрытия на подложки
Изобретение относится к полученным распылением порошкам, предназначенным для термического нанесения покрытий на алюминиевые подложки, а также к получению и применению данных порошков. Металлический порошок состоит из частиц предварительно легированного основного железного порошка, содержащего частицы молибдена, введенные диффузионным легированием в частицы основного порошка. Частицы молибдена получены из восстановленного триоксида молибдена. Количество молибдена, введенного диффузионным легированием в частицы основного порошка, составляет более 2 мас.%, предпочтительно более 3 мас.%, а наиболее предпочтительно более 4 мас.% в расчете на массу металлического порошка. Предложено также применение данного металлического порошка. Техническим результатом изобретения является получение порошка, предназначенного для термического напыления, имеющего высокую способность к осаждению и получению покрытия улучшенного качества, при этом порошок не сегрегируется и имеет уменьшенное содержание молибдена. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к порошкам для термического напыления, их получению и применению. Более конкретно, изобретение относится к полученным распылением порошкам, предназначенным для термического нанесения покрытий на алюминиевые подложки.
Предшествующий уровень изобретения
Известны различные способы получения покрытий на алюминиевых подложках. Такие способы используются, например, при изготовлении алюминиевого блока двигателя, имеющего гильзы цилиндров, образованные термическим напылением.
В патенте США №2588422 раскрыт алюминиевый блок двигателя, имеющий гильзы цилиндров, образованные термическим напылением. Указанные гильзы наращены в два слоя на необработанную поверхность блока двигателя, при этом верхний слой представляет собой твердый скользящий слой, такой как слой стали толщиной примерно 1 мм, а нижний слой представляет собой молибденовый подслой толщиной примерно 50 микрон. Подслой, содержащий по меньшей мере 60% молибдена, сам по себе не образует скользящий слой, но является необходимым для связывания твердого скользящего слоя с алюминиевым блоком. Подслой предпочтительно состоит из чистого молибдена. Скользящий слой представляет собой слой твердого сплава, как, например, углеродистой стали, плакированной бронзой стали или нержавеющей стали, где сталь может быть сплавом, содержащим, например, никель, хром, ванадий или молибден. В принципе, данная двухслойная структура обеспечивает хороший скользящий слой, но стоимость двойного покрытия является достаточно значительной.
В современных способах термического напыления предназначенные для термического напыления порошки получают смешиванием порошкообразной стали с порошкообразным молибденом, как описано в патенте США №6095107. Возможность сегрегации вследствие разницы в свойствах порошка основной стали и порошка измельченного молибдена представляет, однако, проблему, которая может привести к получению неоднородных покрытий. Другой недостаток состоит в том, что вследствие эффекта сегрегации требуются сравнительно большие количества молибдена.
Основная задача настоящего изобретения состоит в обеспечении недорогого металлического порошка, предназначенного для термического нанесения покрытий на подложки, в особенности алюминиевые подложки.
Другая задача состоит в обеспечении порошка, который не сегрегируется и в котором количество дорогостоящего легирующего металлического молибдена может быть уменьшено по сравнению с используемыми в настоящее время способами.
Еще одна задача состоит в обеспечении порошка, предназначенного для термического напыления, который имеет высокую способность к осаждению и дает превосходное качество покрытия.
Другая задача состоит в обеспечении порошка, предназначенного для термического напыления, дающего покрытия подходящей пористости и подходящего содержания оксида, при этом поры являются преимущественного закрытыми, изолированными и имеют выгодный диапазон диаметров.
Сущность изобретения
Данные задачи решаются за счет получения металлического порошка, включающего в себя предварительно легированный основной железный порошок, содержащий частицы молибдена, например, в виде восстановленного триоксида молибдена, введенные диффузионным легированием в частицы основного порошка.
Подробное описание изобретения
Тип и размер частиц основного железного порошка выбирают, исходя из требуемых свойств конечного покрытия и подложки. Основные порошки предпочтительным образом предварительно легируют элементами, требуемыми в данном покрытии. В предварительно легированный порошок может быть введена также незначительная доля молибдена. Другие элементы, которые могут быть введены в предварительно легированный основной порошок, представляют собой C, Si, Mn, Cr, V и W. Предварительно легированный порошок может быть получен распылением водой или газом. Размеры частиц основного порошка составляют менее 500 мкм, предпочтительно между 25 и 210 мкм для плазменной наплавки-напыления (от англ. Plasma Transferred Arc, РТА) и менее 90 мкм, предпочтительно менее 65 мкм, для высокоскоростного газопламенного напыления (от англ. High-Velocity Oxy-Fuel, HVOF) или плазменного напыления.
В соответствии с настоящим изобретением основной порошок и легирующий порошок, то есть источник легирующего элемента, который предпочтительно представляет собой триоксид молибдена, смешивают в соответствии с заданной рецептурой, и смесь нагревают до температуры ниже точки плавления полученной смеси. Температура должна быть достаточно высокой для того, чтобы обеспечить соответствующую диффузию легирующего элемента в основной железный порошок для образования частично или полностью диффузионно-легированного порошка. С другой стороны, температура должна быть ниже температуры, необходимой для полного предварительного легирования. Обычно температура находится в интервале между 700°С и 1000°С, предпочтительно между 750°С и 900°С, и при этом восстановление осуществляют в восстановительной атмосфере, например, в водороде, в течение периода времени от 30 минут до 2-х часов для восстановления триоксида молибдена, который является предпочтительным источником молибдена. В качестве альтернативного источника молибдена может быть использован металлический молибден. В данном контексте может быть упомянуто, что металлические порошки, имеющие молибден, введенный диффузионным легированием в частицы основного порошка, известны, например, из опубликованных патентов Японии 8-209202, 63-137102 и 3-264642. Однако указанные известные порошки используются в порошковой металлургии (металлокерамическом производстве) для получения спеченных продуктов различных форм и размеров. Кроме того, по сравнению с порошками в соответствии с настоящим изобретением, указанные известные порошки часто содержат не только молибден, но также медь и/или никель, введенные диффузионным легированием в частицы основного порошка. В указанных известных порошках содержание введенного диффузионным легированием молибдена является обычно низким, тогда как в заявленном порошке, предназначенном для термического нанесения покрытий, содержание введенного диффузионным легированием молибдена должно быть высоким, чтобы получить эффективное скольжение. До сих пор наиболее интересные результаты были получены с использованием порошков, имеющих содержание введенного диффузионным легированием молибдена более примерно 4 мас.%. Следует также подчеркнуть, что в порошке, используемом для термического напыления в соответствии с настоящим изобретением, только молибден вводится диффузионным легированием в частицы основного порошка. Верхний предел введенного диффузионным легированием молибдена выбирается в зависимости от того, сколько молибдена могут нести основные частицы, и, по-видимому, его содержание может составлять примерно 15 мас.%, смотри ниже.
Размер частиц конечного порошка, предназначенного для термического напыления, является по существу таким же, как и размер предварительно легированного основного порошка, так как полученные при восстановлении триоксида молибдена частицы молибдена являются очень маленькими по сравнению с частицами основного порошка. Количество Мо, которое вводится диффузионным легированием в основной порошок, должно составлять по меньшей мере 2 мас.% в расчете на общую массу порошковой композиции. Количество Мо предпочтительно должно находиться между 2 и 15 мас.%, а наиболее предпочтительно - между 3 и 10 мас.%.
Различные методы нанесения диффузионно-легированных порошков на подложку на основе металла представляют собой методы нанесения покрытия напылением или плакирования сваркой, такой как газоплазменное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) и плазменное напыление или плазменная наплавка-напыление (РТА).
Изобретение дополнительно иллюстрировано, но без ограничения, следующей методикой приготовления и примером.
Пример
В эксперименте использовали новый материал для термического нанесения покрытий на подложки, основанный на распыленном водой порошке на основе Fe (Fe-3Сr-0,5 Mo),+ 5% Мо.
Использованные основные материалы и их химический анализ:
Распыленный водой железный порошок (Fe-3Сr-0,5Mo) - 71 мкм; триоксид молибдена MoO3 (средний размер частиц 3-7 мкм).
| Химический анализ (Fe-3Cr-0,5 Mo) | Ситовый анализ (Fe-3Cr-0,5 Mo) | |||
| % | мкм | % | ||
| Общее содержание О | 1,22 | 71-106 | 0,1 | |
| С | 0,48 | 63-71 | 0,8 | |
| Fe | Остальное | 53-63 | 4,7 | |
| Ni | 0,05 | 45-53 | 23,4 | |
| Мо | 0,52 | 36-45 | 23,1 | |
| Mn | 0,10 | 20-36 | 33,3 | |
| S | 0,01 | -20 | 14,6 | |
| Р | 0,01 | |||
| Cr | 2,95 | |||
| Si | <0,01 |
Методика
92,46% распыленного водой порошка Fe-3Сr-0,5Mo и 7,54% MoO3 смешивали вместе в смесителе Lödige и осуществляли отжиг при следующих условиях:
Температура: 820°С.
Время: 60 мин.
Атмосфера: восстановительная атмосфера (типа H2, N2, CO2 и смеси указанных газов).
После отжига слипшуюся массу неспрессованного порошка дробили и просеивали до получения частиц с размером менее 75 мкм.
Ситовый анализ и химический состав (порошковая смесь после отжига):
| Химический анализ (Fe-3Cr-0,5 Mo) | Ситовый анализ (Fe-3Cr-0,5 Mo) | |||
| % | мкм | % | ||
| Общее содержание О | 1,5 | 71-106 | 0,1 | |
| С | 0,60 | 63-71 | 1,4 | |
| Fe | Остальное | 53-63 | 6,5 | |
| Ni | 0,05 | 45-53 | 34,1 | |
| Мо | 5,57 | 36-45 | 20,4 | |
| Mn | 0,10 | 20-36 | 30,8 | |
| S | 0,01 | -20 | 6,7 | |
| Р | 0,01 | |||
| Cr | 2,75 | |||
| Si | <0,1 |
Полученный порошок использовали в процессе плазменного напыления для нанесения покрытия на подложку на основе Al. Неожиданно было получено гомогенное и высококачественное покрытие с минимальным количеством Мо. Фиг.1 представляет собой микроснимок полученного порошка, содержащего молибден, введенный диффузионным легированием в поверхность частиц основного порошка. Фиг.2 показывает полученное покрытие.
1. Применение металлического порошка для термического нанесения покрытий на подложки, при этом порошок, по существу, состоит из частиц предварительно легированного основного железного порошка, содержащего частицы молибдена, введенные диффузионным легированием в частицы основного порошка, причем частицы молибдена получены из восстановленного триоксида молибдена и количество молибдена, введенного диффузионным легированием в частицы основного порошка, составляет более 2%, предпочтительно более 3%, а наиболее предпочтительно более 4% в расчете на массу металлического порошка.
2. Применение по п.1, где количество молибдена, введенного диффузионным легированием в частицы основного порошка, составляет между 2 и 15%, предпочтительно между 3 и 10%, а наиболее предпочтительно между 4 и 10% в расчете на массу металлического порошка.
3. Металлический порошок для термического нанесения покрытий на подложки, по существу, состоящий из частиц предварительно легированного основного железного порошка, содержащего частицы молибдена, введенные диффузионным легированием в частицы основного порошка, причем частицы молибдена получены из восстановленного триоксида молибдена и количество молибдена, введенного диффузионным легированием в частицы основного порошка, составляет более 4% в расчете на массу металлического порошка.
4. Порошок по п.3, в котором количество молибдена, введенного диффузионным легированием в частицы основного порошка, составляет между 4 и 10% в расчете на массу металлического порошка.
5. Порошок по п.3 или 4, в котором предварительно легированный основной порошок представляет собой порошок, распыленный газом.
6. Порошок по п.3 или 4, в котором предварительно легированный основной порошок представляет собой порошок, распыленный водой.
7. Порошок по п.3, в котором предварительно легированный основной порошок включает в себя по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, состоящей из углерода, кремния, марганца, хрома, молибдена, ванадия и вольфрама.
8. Порошок по п.3, имеющий размер частиц менее 500 мкм, предпочтительно между 25 и 210 мкм.
9. Порошок по п.3, имеющий размер частиц менее 90 мкм, предпочтительно менее 65 мкм.
10. Порошок по п.3, используемый для термического нанесения покрытий на алюминиевые подложки.
