КОМПОЗИЦИОННЫЙ СОСТАВ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

Название	КОМПОЗИЦИОННЫЙ СОСТАВ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
Разработчик (Авторы)	Трифонов Григорий Игоревич, Кравченко Игорь Николаевич, Жачкин Сергей Юрьевич, Карцев Сергей Васильевич, Пеньков Никита Алексеевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2803173
Дата регистрации	07.09.2023
Правообладатель	Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Область применения (класс МПК)	C23C 4/08 (2006.01) C23C 24/04 (2006.01) C23C 30/00 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к материалам для плазменного напыления покрытий. Изобретение может быть использовано в машиностроении, металлургии, энергетике, авиации, судостроении, оборонной промышленности и других сферах производства, в частности при нанесении на рабочие поверхности деталей машин и механизмов функциональных покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

При разработке новых материалов для газотермического напыления, в частности для плазменного напыления, с необходимыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами, как правило, за основу принимают высоколегированные сплавы на основе никеля или железа [Ловшенко Ф.Г. Композиционные наноструктурные механически легированные порошки для газотермических покрытий: монография / Ф.Г. Ловшенко, Г.Ф. Ловшенко // Могилев: Белорус. - Рос. ун-т, 2013.-215 с.]. На сегодняшний день научные исследования по напылению порошковых материалов на стальные рабочие поверхности деталей, которые эксплуатируются в условиях в условиях ударно-абразивного и эрозионного изнашивания, недостаточно изучены. Следовательно, задача по разработке новых составов материалов с целью их плазменного напыления для упрочнения и восстановления рабочих поверхностей различных деталей машин имеет большое значение для современных производств [Новые материалы. Коллектив авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. М: «МИСИС», 2002. - 736 с.], поскольку нанесение порошкообразных материалов плазменным напылением позволяет получать покрытия с необходимыми свойствами, что резко увеличивает срок службы изделий в целом.

Известны: порошковый материал для газотермического нанесения покрытий [Патент SU №1774965 A3, МПК С22С 30/00, С23С 4/06, опубл. 7.11.1992 г., Бюл. №41], состоящий из 40-80% порошка ПГ-ФБХ6-2 и 20-60% порошка ПГ-10Н-01; смесь для нанесения покрытий [Патент RU №2038406 С1, С22С 33/02, B22F 1/00, С23С 4/08 опубл. 27.06.1995 г.], состоящая из инструментальной стали на основе железа и сплава на основе никеля с фракциями 40-63 мкм; композиционный материал для плазменного напыления покрытий и способ его получения [Патент SU №1378414 А1, МПК С23С 4/12, опубл. 27.10.1996 г.], состоящий из порошка на основе никеля и графита, а также порошка силиката натрия.

Однако недостатком приведенных порошков и материалов является относительно низкая твердость получаемого покрытия. В выше перечисленных аналогах твердость находится в диапазоне 57-60 HRC, что при активном трении рабочих поверхностей обработанной детали в условиях ударных воздействий может оказаться недостаточным и привести к возникновению дефектов, которые будут оказывать отрицательное влияние на процесс эксплуатации в целом.

Также известен композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей бетоносмесителя [Патент RU №2201994 С1, С23С 4/04, B22F 1/02, опубл. 10.04.2003 г., Бюл. №10], состоящий из смеси порошка на основе железа, включающем в себя, мас. %: углерод - 4,1…4,4, хром - 30…33, кремний - 3,5…4,0, марганец - 2,0…2,5, никель - 4,0…4,5, алюминий - 3,5…4,5, остальное железо, и порошка на основе никеля, включающем в себя, мас. %: углерод - 0,6…1,0, хром - 16…17, кремний - 3,4…4,6, бор - 2,5…4,0, железо - не более 4, никель - остальное, при этом процентный состав порошков в смеси на основе железа и никеля составляет соответственно 70-75% и 30-25%.

Недостатком приведенного композиционного состава порошкообразного материала является низкая износостойкость получаемых покрытий ввиду того, что при изнашивании верхнего слоя покрытия, обнажается менее упрочненный слой и интенсивность изнашивания резко возрастает.

Известен композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей строительных и дорожных машин [Патент RU №2342467 С1, С23С 4/04, B23K 9/04, опубл. 27.12.2008 г., Бюл. №36], состоящий из смеси порошка на основе железа, включающем в себя, мас. %: углерод - 3,3…3,5, кремний - 2,0…2,5, марганец - 10,0…12,0, бор - 2,5…3,0, титан-3,0…4,0, остальное железо, и порошка на основе никеля, включающем в себя, мас. %: углерод -0,9…1,5, хром - 16…18, кремний - 4,5…5,0, бор - 4,0…4,7, никель - остальное, при этом процентный состав порошков в смеси на основе железа и никеля составляет соответственно 70-75% и 30-25%. Данный композиционный состав порошкообразного материала принят за прототип.

К недостаткам указанного прототипа относится низкая ударная прочность сформированного покрытия.

Техническим результатом изобретения является повышение качества формируемого покрытия при напылении и последующем оплавлении композиционного состава порошкообразного материала на поверхности деталей за счет повышения твердости, износостойкости и ударной прочности получаемого покрытия ввиду теоретически и экспериментально обоснованного подбора рационального состава порошкообразного материала с необходимыми размерами фракций.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный состав порошкообразного материала для плазменного напыления состоит из порошков на основе железа и никеля и дополнительно содержит порошок алюминия, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: порошок на основе железа с фракционным составом 40…100 мкм - 70…73%, порошок на основе никеля с фракционным составом 40…64 мкм - 20…23%, порошок алюминия с фракционным составом 30…40 мкм - 3…4%.

Сущность изобретения заключается в том, что композиционный состав порошкообразного материала для плазменного напыления дополнительно содержит порошок алюминия, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: порошок на основе железа - 70…73%, порошок на основе никеля - 20…23%, порошок алюминия - 3…4%. Порошок на основе железа имеет следующий состав, мас. %: 3,5…5,0% углерода, 32…37% хрома, 1,0…2,5% кремния, 1,5…4,0% марганца, остальное железо, и порошок на основе никеля имеет следующий состав, мас. %: 14…17% хрома, 3,5…4,5% кремния, 3,0…3,8% бора, 0,5…1,0% углерода, железа не более 5%, остальное никель. При этом порошок на основе железа имеет фракционный состав 40…100 мкм, порошок на основе никеля имеет фракционный состав 40…64 мкм, а порошок алюминия - 30…40 мкм.

Достижение указанного технического результата объясняется:

с добавлением 3…4% порошка алюминия наблюдается повышение твердости нанесенных покрытий (на 3-5 HRC), по сравнению с плазменной наплавкой исходными порошковыми твердыми сплавами, не содержащими алюминий [Карцев С.В. Особенности плазменной наплавки порошковых материалов / С.В. Карцев, А.Н. Шиповалов, Г.А. Храпков, С.М. Зубачев // Труды ГОСНИТИ. - 2009. -Т. 103. - С. 146-148.]. При уменьшении содержания алюминия появляются поры, а при увеличении - ухудшается формируемое покрытие (на поверхности основного металла образуется грубая трудноотделимая корка) [Мордынский В.Б. Влияние газообразующих добавок на параметры слоев при плазменной порошковой наплавке / В.Б. Мордынский, М.В. Ильичев, А.С. Тюфтяев // Технология машиностроения. - 2016. - №3. - С. 40-42.] и [Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах / Н.М. Новожилов. - М.: Машиностроение, 1979. - 231 с.];

плазменное напыление композиционного состава порошкообразного материала от мас. % на основе железа - 70…73% фракционного состава 40…100 мкм, на основе никеля - 20…23% фракционного состава 40…64 мкм, и порошка алюминия - 3…4% фракционного состава 30…40 мкм, производят при следующих технологических режимах:

сила тока дуги плазмотрона - 170…175 А,

напряжение - 165…170 В,

расход плазмообразующих газов - 2,5…2,7 м3/ч при давлении 0,2 МПа,

расход напыляемого порошка - 10 г/с;

дистанция напыления - 140…160 мм;

скорость перемещения плазмотрона - 40 см/мин.

После проведения напыления разработанного композиционного состава порошкообразного материала производится плазменное оплавление покрытия при следующих технологических режимах:

ток дуги плазмотрона - 190…200 А,

расход плазмообразующего газа - 2,5…2,7 м3/ч при давлении 0,2 МПа;

дистанция оплавления - 40…60 мм,

скорость перемещения плазмотрона - 15…18 см/мин.

Предлагаемый композиционный состав порошкообразного материала для плазменного напыления может быть нанесен на поверхности детали с помощью сертифицированного специального оборудования для плазменного напыления [Научно-производственная фирма «Плазмацентр» https://www.plasmacentre.ru/oborudovanie/ (Дата обращения 02.09.2022 г.)]. При этом 73% порошка на основе железа может быть использован, например, наплавочный порошок ПР-ФБЮ1-4 [http://www.bvb-alyans-magnitogorsk.ru/goods/149247193-poroshok_naplavochny_pg_fbkh_6_2 (Дата обращения 05.09.2022 г. )], 23% порошка на основе никеля может быть использован, например, порошок ПР-Н70Х17С4Р4 [http://www.polema.net/nikelevye-samofljusujushhiesja-splavy-dlja-pokrytij.html (Дата обращения 05.09. 2022 г.], а порошок алюминия может быть изготовлен, например, в компании «Снабтехмет» [https://msk.snabtechmet.ru/product/aljuminievyj_poroshok_40_mkm__pa-1_gost_6058-73/ (Дата обращения 05.09.2022 г.)].

С целью подтверждения заявленного технического результата проводились следующие исследования нанесенного покрытия из заявленного материала:

измерение твердости покрытия (HRC) на приборе ТК-14-250 по ГОСТ 23677-79;

измерение износостойкости покрытия [Металлографические исследования структуры и физико-механических свойств покрытий, полученных плазменными методами/И.Н. Кравченко, С.В. Карцев, С.А. Величко [и др.] //Металлург. -2021. - №8. - С. 69-76] с помощью абразиво-струйный пистолета, электрокорунда, защитной камеры, сети сжатого воздуха (компрессор К-3), аналитических весов ВЛТ-1 и секундомера;

измерение на ударной прочности с использованием стенда разработки научно-производственного объединения HI ill «Гиперон», который обеспечивает определение ударной прочности до 3,7 МДж/м2. Ударную прочность определяли, как энергию удара, отнесенную к площади контакта двух соударяемых поверхностей, по формуле: , где Пуд - ударная прочность, МДж/м2; m - масса падающего груза, кг; h - высота падения груза, м; S - площадь контакта, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Так, по итогу измерения твердости были получены данные, представленные в таблице 1.

По итогу измерения износостойкости исследуемого покрытия и прочих образцов были получены данные, представленные в таблице 2.

По итогу измерения износостойкости были получены данные, представленные в таблице 3.

Из анализа приведенных данных в таблицах 1-3 видно, что полученное покрытие из разработанного материала превосходит образцы с аналогичными покрытиями по всех трем исследуемым параметрам.

Анализ микроструктуры оплавленных покрытий из предлагаемого композиционного состава порошкообразного материала для плазменного напыления с последующим плазменным оплавлением показал, что их структура состоит из карбидов, боридов хрома на ледебуритно-аустенитной основе [Металлографические исследования структуры и физико-механических свойств покрытий, полученных плазменными методами / Кравченко И.Н., Карцев С.В., Величко С.А. [и др.]. -Текст: непосредственный // Металлург.2021. №8. С.69-76]. Структура самофлюсующихся сплавов представляет собой тонкоразветвленную эвтектику боридов никеля в матрице, легированной твердым раствором на основе никеля с первичными мелкодисперсными частицами карбидов и боридов хрома. Микроструктура становится ячеистой и грубой, с разноосными глобулярными зернами, уменьшается количество пор, размеры некоторых фаз увеличиваются и пропадают границы между частицами. При плазменном напылении с оплавлением структура оплавленного покрытия становится однородной, мелкодисперсной и приближается к структуре исходного порошка [Metallographic Studies into the Structure and Physicomechanical Properties of Coatings Obtained Using Plasma Methods /I.N. Kravchenko, S.V. Kartsev, S.A. Velichko [et al.] // Metallurgist. - 2021. - Vol. 65. - No 7-8. - P. 893-903.]. В покрытии распределение по нему элементов происходит равномерно, а при оплавлении самофлюсующегося покрытия наблюдается перераспределение элементов. Выполненный химический анализ исходной порошковой смеси с результатами химического анализа оплавленного покрытия показал, что химический состав изменяется незначительно за исключением алюминия, который как сильный раскисли-тель выгорает до 45% [Metallurgical Features of Plasma Surfacing with Powder Hard Alloy with Addition of Aluminum Powder / I. N. Kravchenko, S.V. Kartsev, A.V. Kolomeichenko [et al.] // Metallurgist. - 2021. - Vol. 64. - No 9-10. - P. 1077-1085].

Уменьшение содержания углерода в наплавленном покрытии достигается путем смешения высокоуглеродистых порошковых сплавов с низкоуглеродистыми сплавами до предела, гарантирующего наплавку покрытий толщиной до 3 мм без пор и трещин. Добавление в твердые сплавы на основе железа 3…4 мас. % порошкового алюминия, являющегося одновременно сильным раскислителем и нитридо-образующим элементом, позволило использовать в качестве транспортирующего газа азот, смесь сжатого воздуха и горячих углеводородов вместо аргона и получать наплавочные покрытия высокого качества. В результате реакций окисления потери легирующих элементов (С, Cr, Mn, Si) при плазменной наплавке составляют 30-55%, что объясняется дисперсностью частиц и их развитой поверхностью. При этом использование порошкового алюминия уменьшает потери легирующих элементов и повышает твердость наплавленных покрытий на 3-5 HRC, поскольку при плазменной наплавке он выгорает почти полностью, способствуя сохранению других химических элементов, определяющих твердость наплавленных покрытий.

По итогу плазменного напыления с последующим плазменным оплавлением разработанного композитного состава порошкообразного материла на поверхности обрабатываемой детали (образца), как показала практика и лабораторные исследования (таблицы 1-3), формируется покрытие высокого качества, обладающее повышенной твердостью, износостойкостью и ударной прочностью.

Формула изобретения

1. Порошковый материал для плазменного напыления, содержащий порошки на основе железа и никеля, отличающийся тем, что он дополнительно содержит порошок алюминия, при следующем соотношении компонентов: порошок на основе железа фракции 40-100 мкм – 73 мас.%, порошок на основе никеля фракции 40-64 мкм – 23 мас.%, порошок алюминия фракции 30-40 мкм – 4 мас.%.

2. Порошковый материал для плазменного напыления по п. 1, отличающийся тем, что порошок на основе железа имеет следующий состав, мас.%: углерод 3,5-5,0, хром 32-37, кремний 1,0-2,5, марганец 1,5-4,0, железо - остальное, а порошок на основе никеля имеет следующий состав, мас. %: хром 14-17, кремний 3,5-4,5, бор 3,0-3,8, углерод 0,5-1,0, железо не более 5, никель - остальное.

Изобретение " КОМПОЗИЦИОННЫЙ СОСТАВ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ" (Трифонов Григорий Игоревич, Кравченко Игорь Николаевич, Жачкин Сергей Юрьевич, Карцев Сергей Васильевич, Пеньков Никита Алексеевич ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога