Сплав на основе кобальта для нанесения покрытий

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе кобальта, предназначенных для получения износостойких покрытий с высокой микротвердостью, полученных методами гетерофазного переноса. Сплав на основе кобальта имеет следующий состав, мас.%: 20,0-30,0 Cr; 6,0-12,0 Si; 2,0-4,0 В; 0,2-0,8 Y; 0,1 - 0,6 Се; 0,3 - 0,9 La. Отношение содержания кремния к бору равно 3:1, а структура сплава представляет собой металлическую матрицу с наноразмерными частицами оксидов Се размером 30-80 нм, нитридов Y размером 50-100 нм и гидридов La размером 20-60 нм. Объемная доля наноразмерных частиц в сплаве составляет 30-50%. Предлагаемый сплав для нанесения покрытий обеспечивает повышение износостойкости покрытий за счет увеличения микротвердости до 68-72 HRc. 1 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе кобальта, предназначенных для получения износостойких покрытий с высокой микротвердостью для работы в жестких условиях эксплуатации, прежде всего в условиях абразивного износа.

Известен сплав на основе кобальта для литого микропровода в стеклянной изоляции (а.с. № 378965, Н01В1/02; С22С19/00, 01.01.1973), легированный хромом, кремнием и бором, %:

Cr: 20 - 30

Si: 5-10

В: 0,01-1,0

Со - остальное [1].

Известный сплав с относительно высокой микротвердостью разработан для процесса литья микропроводов с учетом специфики этого процесса и не может быть использован для получения функциональных покрытий без существенной корректировки состава.

Известен также сплав на основе кобальта для центробежного нанесения покрытий на внутреннюю поверхность цилиндра формовочной машины изделий из пластика (JP 60-200937, С22С19/07, 11.10.1985). Сплав состоит из мас.%: 0.1-10.0 Ni, 10-30 Cr, 0.5-3.0 В, 2.5-5.0 Si, 0.01-10.0 Ρ и неизбежные примеси и может дополнительно содержать 1-15%W и / или 1-10% Mo [2].

Сплав характеризуется относительно низкой износостойкостью, т.к. предназначен для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность цилиндра машины для формовки пластмассовых изделий, имеющих невысокую твердость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, и принятым нами за прототип, является сплав для нанесения износостойких покрытий (JP 57-032347А, С22С19/05, С23С15/00, С23С07/00, С23С17/00, 22.02.1982). Композиция состоит из мас.%: 5-45 Al, 10-40 Cr, 0.005-0.8 В, 0.01-1.0 РЗЭ, например, Y в виде простого вещества или смеси, а остальное Ni или Со [3].

Введение алюминия в кобальтовые сплавы повышает вязкость, что снижает микротвердость сплава (не более 20 HRc), вследствие чего сплав имеет относительно низкую износостойкость, например, при абразивном износе. Однако практика работы современных деталей машин в условиях абразивного износа, а также при обработке или изготовлении металлических деталей из высокопрочных сталей и сплавов, показывает, что микротвердость должна быть не менее 50 HRc. Исследование микроструктуры известных сплавов показывает, что причиной низкой микротвердости у известных сплавов является отсутствие упрочняющих армирующих компонентов, например соединений эффективных редкоземельных элементов, прежде всего иттрия, лантана и церия, активно образующих в сплаве из-за наибольшего сродства к азоту, водороду и кислороду, соответственно нитриды, гидриды и оксиды в виде наноразмерных включений.

Известно, что создание наноструктурированного состояния за счет наноразмерных когерентных выделений приводит к эффективному повышению микротвердости сплава. Однако количество таких выделений должно быть строго регламентировано.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка сплава на основе кобальта для получения износостойких покрытий с микротвердостью 68 - 72 HRc, перспективных для инновационных изделий.

Технический результат достигается за счет того, что сплав на основе кобальта для нанесения износостойких покрытий методами гетерофазного переноса, содержащий хром, бор и иттрий, в соответствии с изобретением дополнительно содержит кремний, церий и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Cr 20,0-30,0
Si 6,0-12,0
В 2,0-4,0
Y 0,2-0,8
Се 0,1-0,6
La 0,3-0,9
Со остальное,

причем отношение содержания кремния к бору равно 3:1, а структура сплава представляет собой металлическую матрицу с наноразмерными частицами оксидов Се размером 30-80 нм, нитридов Y размером 50-100 нм и гидридов La размером 20-60 нм, при этом объемная доля наноразмерных частиц в сплаве составляет 30-50%.

В качестве матричного материала (базового сплава), как показывает практика получения износостойких покрытий, целесообразно использовать сплав Co-Cr-Si-B. Введение Сг в количествах 20-30% обеспечивает создание матричного материала с оптимальной прочностью, а введение Si в количествах 6-12% и В в количествах 2-4% в соотношении 3:1 соответствует устойчивому соединению этих элементов и обеспечивает смачиваемость сплавом металлической подложки. Базовый состав имеет только один недостаток - относительно невысокую микротвердость.

Для достижения требуемой микротвердости в сплав системы Со-Сг-Si-B дополнительно вводят Y, La и Се, которые, имея наибольшее сродство к азоту, водороду и кислороду соответственно, образуют в сплаве наноразмерные включения в виде нитридов, гидридов и оксидов, когерентно связанных с матрицей, и обеспечивающих за счет этого существенное повышение микротвердости и, соответственно, износостойкости покрытия.

При содержании в сплаве Се 0,1-0,6% образуются наноразмерные выделения оксидов от 30 до 80 нм; при содержании иттрия 0,2-0,8% образуются нитриды размером 50-100 нм; при содержании лантана 0,3-0,9% - гидриды размером 20-60 нм. Это оптимальные размеры выделений для повышения микротвердости в 3-3,5 раза. Следует отметить, что при указанных размерах нановыделений обеспечивается когерентная связь с матрицей и равномерное распределение по объему. Выделения в матрице наноразмерных частиц приводят к существенному упрочнению матрицы и, соответственно, повышению микротвердости в указанных пределах. Важным является то, что указанные наноразмерные выделения образуются непосредственно при выплавке сплава и должны сохраняться при получении из слитка порошковых материалов (за счет высокоэнергетических методов обработки, а также за счет использования методов сверхзвукового гетерофазного переноса при получении функциональных покрытий).

Экспериментально установлено, что достижение требуемой микротвердости обеспечивается только при комплексном легировании сплава Y, La, Се. При этом объемная доля наноразмерных частиц в металлической матрице должна быть 30-50%, что соответствует оптимальному количеству, не приводящему к разупрочнению сплава. При меньшей объемной доле упрочняющих наноразмерных частиц эффект увеличения микротвердости незначителен. При наличии большего количества выделений (более 50%) наблюдается существенное охрупчивание сплава. Особенно этот эффект заметен в покрытиях и тонких пленках.

В лабораторных условиях были изготовлены опытные партии (9 вариантов) сплава, в которых удалось достичь требуемого результата с точки зрения микротвердости и получения качественных покрытий. Результаты испытаний приведены в Таблице 1.

Пример 1

Выплавка сплава производится в высокочастотной плавильной печи типа ЛПЗ-37 с рабочей частотой 440 кГц в алундовых тиглях. Введение шихтовых материалов производится в следующей последовательности: Со→Cr→Si→В→Y→La→Се. Масса слитка 1,0 кг. Из слитка по дезинтеграторной технологии на установке типа "ДЕЗИ-15" получают порошки фракции 40-63 мкм. Полученный таким образом порошок напыляют на установке сверхзвукового холодного газодинамического напыления "Димет-3".Этот метод нанесения покрытий обеспечивает сохранение химического и фазового состава исходного порошка, в.т.ч. и наноразмерных выделений, за счет низкой температуры гетерофазного переноса (80-120°С) и высоких скоростей потока (до 2,5 Махов/скоростей звука). Толщина покрытия 100±10 мкм. Наноструктурированное покрытие имеет включения размером 50-80 нм и объемной долей 30%.

Пример 2

Выплавка сплава производится в высокочастотной плавильной печи типа ЛПЗ-37 с рабочей частотой 440 кГц в алундовых тиглях. Введение шихтовых материалов производится в следующей последовательности: Со→Cr→Si→В→Y→La→Се. Масса слитка 1,0 кг. Из слитка по дезинтеграторной технологии на установке типа "ДЕЗИ-15" получают порошки фракции 40-63 мкм. Полученный таким образом порошок напыляют на установке микроплазменного напыления "УГНП-2/2270". Толщина покрытия примерно 150±15 мкм. Наноструктурированное покрытие имеет включения размером 50-80 нм и объемной долей 50%.

Предлагаемый сплав на основе кобальта с армирующими наноразмерными компонентами позволяет получить покрытия, полученные методами гетерофазного переноса, микротвердостью 68-72 HRc, что в 3-3,5 раза превышает микротвердость известных аналогов.

Источники информации

1. A.c. СССР № 378965 от 01.01.1973 "Сплав для литого микропровода в стеклянной изоляции" (МКИ Н01В 1/02; С22С 19/00).

2. JP № 60-200937 от 11.10.1985. "Со alloy for centrifugally coating inside of cylinder for plastic molding machine".

3. JP № 57-032347 от 22.02.1982. "Alloy for coating".

4. Дикусар А.И., Петренко В.И., Грабко Д.З., Харя Е.Е., Шикимака О.А. Микромеханические свойства сплавов Co-W при импульсных режимах осаждении. Сборник трудов XIV международной научно-практической конференции "Машиностроение и техносфера XXI века".- Донецк, 2007. - Т.1. - С. 266-270.

5. Бурканова Е.Ю., Фармаковский Б.В. Высокоскоростной механосинтез с использованием дезинтеграторных установок для получения наноструктурированных порошковых материалов системы металл-керамика износостойкого класса.- Вопросы материаловедения. - № 1(69). - С. 80-85. - 2012.

6. Патент РФ 2434077 от 20.11.2011. Сплав на основе квазикристалла системы Al-Cu-Fe для нанесения износостойкого, наноструктурированного покрытия.

7. Патент РФ 2418091 от 10.05.2011. Аморфный, износостойкий наноструктурированный сплав на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC.

Сплав на основе кобальта для нанесения износостойких покрытий методами гетерофазного переноса, содержащий хром, бор и иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, церий и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Cr 20,0-30,0
Si 6,0-12,0
В 2,0-4,0
Y 0,2-0,8
Се 0,1-0,6
La 0,3 - 0,9
Со остальное,

причем отношение содержания кремния к бору равно 3:1, а структура сплава представляет собой металлическую матрицу с наноразмерными частицами оксидов Се размером 30-80 нм, нитридов Y размером 50-100 нм и гидридов La размером 20-60 нм, при этом объемная доля наноразмерных частиц в сплаве составляет 30-50%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к формированию покрытий на медных электрических контактах и может быть использовано в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка диборида титана массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы TiB2-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным прецизионным сплавам на основе никеля для получения покрытий микроплазменным или холодным сверхзвуковым напылением.

Изобретение относится к области получения материалов, пригодных для формирования высокотемпературных эрозионно-стойких защитных покрытий на особожаропрочные конструкционные материалы (углерод-углеродные и углерод-керамические композиционные материалы, графиты, сплавы на основе тугоплавких металлов), широко применяемые в авиакосмической, ракетной и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред, в частности форсунок, тиглей, деталей тепловых узлов, высокотемпературных турбин и летательных аппаратов, испытывающих значительные механические нагрузки при эксплуатации.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности, к технологии импульсного электровзрывного нанесения беспористых композитных покрытий системы TiB2-Cu с применением в качестве взрываемого проводника композиционного электрически взрываемого материала, представляющего собой двухслойную медную фольгу с заключенной в ней порошковой навеской диборида титана, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электроэрозионной стойкостью.

Изобретение относится к получению на медных контактных поверхностях композиционного ламинатного молибден-медного покрытия. .

Изобретение относится к получению на медных контактных поверхностях псевдосплавных молибден-медных покрытий. .

Изобретение относится к способу покрытия основы и изделие с покрытием его основы. .
Изобретение относится к способам изготовления селективных мембран, функционирующих за счет избирательной диффузии водорода сквозь тонкую пленку палладия или его сплава.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к прецизионным сплавам на основе кобальта для нанесения функциональных покрытий с высокими физико-механическими свойствами методом гетерофазного переноса.
Изобретение относится к области медицины, в частности ортопедической стоматологии, и может быть использовано для изготовления сплава на основе кобальта, предназначенного для высоконагруженных каркасов бюгельных и металлокерамических зубных протезов.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения сплавов на основе кобальта, предназначенных для каркасов металлокерамических и бюгельных зубных протезов.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к обработке лент из аморфно-нанокристаллических сплавов, и может быть использовано, например, при изготовлении деталей в электронике и приборостроении.

Изобретение относится к металлургии, к составам коррозионностойких инварных сплавов, и может быть использовано в авиационной, криогенной технике, судостроении, а также для создания конструкций и приборов наземного, морского базирования, работающих в условиях повышенной влажности и морского тумана.
Изобретение относится к коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления цельнолитых и металлокерамических зубных коронок и мостовидных протезов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе кобальта, упрочняемым азотированием. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к тонким лентам, выполненным из аморфного термомагнитного материала методом закалки из расплава литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела.
Изобретение относится к сплавам на основе кобальта, содержащем редкоземельный элемент, который может быть использован в качестве катализатора для очистки газообразных выбросов от токсичной примеси углерода.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам антифрикционных материалов на основе кобальта, которые могут быть использованы в машиностроении. .
Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает уборку предшествующей культуры, внесение фосфорных удобрений, лущение стерни, внесение органических удобрений.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе кобальта, предназначенных для получения износостойких покрытий с высокой микротвердостью, полученных методами гетерофазного переноса. Сплав на основе кобальта имеет следующий состав, мас.: 20,0-30,0 Cr; 6,0-12,0 Si; 2,0-4,0 В; 0,2-0,8 Y; 0,1 - 0,6 Се; 0,3 - 0,9 La. Отношение содержания кремния к бору равно 3:1, а структура сплава представляет собой металлическую матрицу с наноразмерными частицами оксидов Се размером 30-80 нм, нитридов Y размером 50-100 нм и гидридов La размером 20-60 нм. Объемная доля наноразмерных частиц в сплаве составляет 30-50. Предлагаемый сплав для нанесения покрытий обеспечивает повышение износостойкости покрытий за счет увеличения микротвердости до 68-72 HRc. 1 табл., 2 пр.

Наверх