Сплав на основі алюмінію для покриттів

Изобретение относится к технологии цветных металлов, в частности к материалам покрытий, упрочняющих поверхность деталей машин и механизмов. Известны различные материалы покрытий, повышающие эксплуатационные свойства деталей, и среди них широкое распространение получили алюминиды - интерметаллические соединения алюминия с другими металлами. Для получения алюминида Fe2Al5 (54,71мас.% Al; 45,29мас.% Fe), применяют жидкостное алитирование. Для этого стальную деталь погружают в расплавленный сплав алюминия с Fe, Ni, Mg и Si (в пределах 1 - 3мас.%) при температуре 670 - 800°C и выдержке 2 - 15мин. На поверхности возникает твердое покрытие, состоящее из интерметаллических соединений, в основном алюминидов железа, характеризующихся высокой хрупкостью, которую уменьшают в процессе диффузионного отжига деталей с нанесенным покрытием (Энциклопедия неорганических материалов. - К., 1977. - Т.1. С.44 - 46). Недостатком известного материала является невысокая твердость алитированного слоя после диффузионного отжига, а также полное разупрочнение и самой обрабатываемой детали. Если же деталь изготовлена из алюминиевого сплава, то нанесение покрытия таким способом неосуществимо. Фирма Metco (США) широко внедрила в промышленность алюминиды никеля (состава Ni3Al + NiAl, мас.% - Al: 19,5 - 20,5; Ni: 79,5 - 80,5), разработав способ газоплазменного нанесения покрытия указанного состава на детали из любого металла, включая и детали из алюминиевых сплавов, без их разупрочнения. Для этой цели предварительно изготавливают путем восстановления водородом под давлением композитный порошок, представляющий собой частички алюминия, покрытые слоем никеля. При газоплазменном нанесении в результате экзотермической реакции никеля с алюминием порошинки расплавляются и в виде микроскопических капелек привариваются к поверхности изделия, не успевая его существенно разогреть, тем самым устраняя возможность снижения твердости изделия. Эти покрытия применяют для защиты поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, реактивных двигателей, а также оборудования термических цехов, стекловаренного, литейного, для горячей обработки металлов давлением и др. (D. Zitzer. - Metal Progress, 86, №3, p.128 - 140, 1964). Недостатком этого материала является сложность изготовления исходного композитного порошка и высокое (до ~80% массы) содержание в нем дефицитного никеля. Наиболее близким к заявляемому изобретению является материал, используемый фирмой Sultzer (Швейцария) для создания алюминидных покрытий на поверхности деталей из любого металлического материала, включая алюминиевые сплавы. На поверхность деталей наносят любым способом порошок сплава, содержащего, мас.%: Si 1 - 25 Fe + Ni 1 - 35 Cu До 15 Al Остальное Собственно покрытие получается путем расплавления только слоя порошка вышеуказанного состава с помощью таких источников тепла кратковременного действия, как лазер или пучок электронов (Патент Швейцарии №675260, кл. C23C26/02). Это дает возможность избежать снижения твердости обрабатываемой детали вследствие нагрева. Недостатком сплава, используемого фирмой Sultzer является образование трещин в алюминидном слое при сосредоточенных нагрузках, обусловленное хрупкостью алюминидов группы железа в кристаллическом состоянии, вследствие чего ухудшается износостойкость сплава для покрытий. В основу изобретения поставлена задача получения сплава алюминидного типа для покрытий, в котором сочетаются высокая твердость и отсутствие образования трещин при сосредоточенных нагрузках, что обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств деталей с нанесенным покрытием и за счет этого они могут выдерживать сосредоточенные нагрузки до 3,93ГПа. Поставленная задача решается тем, что состав сплава содержит компоненты, мас.%: Fe 9 - 20,1 Ni 0,01 - 3,6 Si 0,01 - 0,95 Cu 15,1 - 20 Al Остальное Для решения поставленной задачи предлагается использовать сплав на основе алюминия, способный переходить в условиях быстрого охлаждения покрытия на поверхности холодной детали в нано- и квазикристаллическое состояния. Квазикристаллическое и, частично, нанокристаллическое состояния покрытия обеспечивают отсутствие образования трещин в алюминидном слое при сосредоточенных нагрузках в сочетании с сохранением его высокой твердости. Преимуществами указанного сплава являются простота изготовления и его низкая цена по сравнению со сплавом-прототипом. За основу взяты алюминиды железа, содержание железа ограничено до 20,1мас.%. При таком содержании железа образуется интерметаллическое соединение Al65Cu22Fe13 (икосаэдрическая фаза), которое при строгом соблюдении стехиометрии находится в квазикристаллическом состоянии. При содержании Fe меньше 9мас.% соединение Al65Cu22Fe13 образуется в недостаточном количестве ( 3,6мас.% приводит к деградации икосаэдрической фазы, поскольку Ni замещает железо в соединении Al65Cu22Fe13, нарушая его стехиометрию. Более низкое содержание Si (