Сплав на основе квазикристалла системы al-cu-fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия
Владельцы патента RU 2434077:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU)
Изобретение относится к прецизионной металлургии износостойких сплавов для получения функциональных покрытий, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Заявлен сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия. Сплав характеризуется тем, что он содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 2-5, карбид вольфрама 20-40, квазикристалл системы Al-Cu-Fe - остальное, причем квазикристалл системы Al-Cu-Fe имеет следующий состав, мас.%: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5. Технический результат - повышение износостойкости за счет повышения микротвердости материала наряду с повышением адгезионной и когезионной прочности наносимых покрытий. Предлагаемый сплав обладает высокой микротвердостью и может применяться для нанесения износостойких покрытий. 1 табл.
Изобретение относится к прецизионной металлургии износостойких сплавов для получения функциональных покрытий, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
Известны сплавы с высокой износостойкостью на основе железа (патенты РФ №2359056; №2332509; №2337178), меди (патент РФ №2349621) и алюминия (патент РФ №2262554).
Указанные сплавы имеют ограниченный диапазон применения, особенно в условиях интенсивного динамического износа, повышенных температур и воздействия агрессивных химических реагентов.
Поэтому в последнее время ведутся интенсивные исследования и разработки по созданию материалов в неравновесном и сверхнеравновесном состояниях (квазикристаллы, аморфные материалы).
Наиболее близким к заявляемому и взятым нами за прототип является сплав для получения износостойких электропроводящих покрытий на основе меди с армирующими наночастицами квазикристаллического соединения системы Al-Cu-Fe [1].
Проведенные экспериментальные работы при получении покрытия на основе этого сплава выявили следующие два недостатка: недостаточная пластичность и ограниченный диапазон микротвердости.
Следует особо отметить, что микротвердость является основным показателем износостойкости; она может быть оперативно определена для любого материала. Практика эксплуатации износостойких сплавов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, показывает, что необходимо иметь микротвердость материала не ниже 400-500 HV. Лучшие показатели квазикристаллов обеспечивают микротвердость не более 190 HV.
Техническим результатом изобретения является получение высокой износостойкости за счет повышения микротвердости материала наряду с повышением адгезионной и когезионной прочности наносимых покрытий.
Технический результат достигается за счет того, что сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe дополнительно содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама. Гомогенное распределение карбида вольфрама в квазикристаллической матрице обеспечивает увеличение микротвердости до 400-500 HV.
Оптимальным по достигнутому эффекту является сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| медь | 2-5 |
| карбид вольфрама | 20-40 |
| квазикристалл системы Al-Cu-Fe | остальное |
В качестве основы выбран известный квазикристалл системы Al-Cu-Fe со следующим соотношением компонентов, мас.%: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5. Эти составы обеспечивают устойчивое существование квазикристаллической фазы при нанесении покрытий и в ходе дальнейшей эксплуатации [2].
Медь выступает в качестве пластификатора при напылении покрытий. Экспериментально установлено, что содержание меди в сплаве менее 2% не дает нужного эффекта, а более 5% приводит к уменьшению твердости.
Карбид вольфрама выбран потому, что он легко когерентно связывается с квазикристаллической матрицей. Содержание в сплаве менее 20% карбида вольфрама не приводит к существенному увеличению твердости, а при содержании более 40% сплав становится хрупким и не пригодным для нанесения с квазикристаллической матрицей.
Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме: выплавка исходного сплава методом прямого сплавления компонентов; дробление полученного слитка; нанесение покрытий методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН)
Выплавка сплава производилась в высокочастотном индукторе установки типа Л3-13 мощностью 10 кВт с рабочей частотой 880 кГц в алундовых тиглях №3 и №4 при следующей последовательности введения шихтовых компонентов: квазикристалл Al-Cu-Fe → медь → карбид вольфрама. Масса получаемых слитков 0,7-0,8 кг.
Дробление полученного слитка производилось последовательно на щековой дробилке типа «Пульверизетте 1» до фракции 3-5 мм, а затем на дезинтеграторной установке типа ДЕЗИ-15 до фракции 20-100 мкм в соответствии с руководящей документацией.
Нанесение функциональных покрытий из полученного таким образом порошка производилось методом сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН) на установке типа ДИМЕТ-3 в соответствии с руководящей документацией. Температура гетерофазного потока при напылении не превышала 130°С при скоростях частиц 660-825 м/с, что обеспечивает сохранение наноструктурного состояния покрытия и практического отсутствия пористости.
В качестве подложек использовалась медь, никель и сплав Х15Ю5. Толщина получаемого покрытия составляет 18-20 мкм, что обеспечивает требуемые потребительские свойства.
Исследование микротвердости полученных покрытий проводилось по методу Виккерса при помощи автоматического микротвердомера AFFRI DM-8.
Результаты исследования представлены в табл.1.
Как следует из таблицы 1, предлагаемый сплав имеет более высокую микротвердость по сравнению с известным, что обеспечивает получение износостойких покрытий.
Источники информации
1. Патент России №2362839, кл. С23С 24/04, В82В 3/00, 2009 г.
2. Патент России №2244761, кл. С22С 1/04, 21/12, 2005 г.
| Таблица 1 | ||||||
| Сравнение свойств предлагаемого сплава и прототипа | ||||||
| Сплав | № плавки | Химический состав, мас.% | Микротвердость, HV | Примечания | ||
| медь | карбид вольфрама | квазикристалл Al-Cu-Fe | ||||
| Прототип | 90 | - | 10 | 60 | Низкая коррозионная стойкость покрытия | |
| 50 | - | 50 | 200 | |||
| 40 | 60 | 180 | ||||
| Предлагаемый | 1 | 2 | 20 | 78 | 400 | Высокие технологические свойства материала |
| 2 | 3,5 | 30 | 66,5 | 500 | ||
| 3 | 5 | 40 | 55 | 450 | ||
| Сплав с составом за пределами предложенных значений | 4 | 1,9 | 19 | 79,1 | - | Сплошного покрытия получить не удалось |
| 5 | 5,1 | 40,1 | 54,8 | 370 |
Сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe для нанесения износостойкого, наноструктурного покрытия, характеризующийся тем, что он содержит медь в виде самостоятельной фазы и карбид вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| медь | 2-5 |
| карбид вольфрама | 20-40 |
| квазикристалл системы Al-Cu-Fe | остальное, |
причем квазикристалл системы Al-Cu-Fe имеет следующий состав, мас.%: алюминий 65, медь 21,5-23,5, железо 11-13,5.
