Композиційний антифрикційний жаростійкий матеріал для захисних покриттів

1. Композиційний антифрикційний жаростійкий матеріал для захисних покриттів на основі нітриду алюмінію, який містить диборид та дисиліцид перехідного металу IV групи Періодичної системи, який відрізняється тим, що він додатково містить нікель та хром при такому співвідношенні компонентів, мас. %: диборид перехідного металу IV групи 20-28 Періодичної системи дисиліцид перехідного металу IV групи 5-7 Періодичної системи нікель 24-40 хром 6-10 нітрид алюмінію решта. 2. Матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що як перехідний метал IV групи Періодичної системи використано титан або цирконій, або гафній. UA (11) (21) a200612636 (22) 01.12.2006 (24) 11.03.2008 (72) ПОДЧЕРНЯЄВА ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА, UA, ПАНАСЮК АЛЛА ДЕНИСІВНА, UA, ГРИГОРЬЄВ ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ПАНАШЕНКО ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ, UA, ЖИГИНАС ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ЛАБУНЕЦЬ ВАСИЛЬ ФЕДОРОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ.І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) SU, 1 159 283, A1, 15.06.1994 SU, 1 273 351, A1, 30.11.1986 SU, 1 571 037, A1, 15.06.1990 UA, 51 499, C2, 15.11.2002 UA, 60 724, A, 15.10.2003 UA, 79 775, C2, 25.10.2007 US, 5 464 463, A, 07.11.1995 US, 6 074 497, A, 13.06.2000 JP, 10-154746, A, 09.06.1998 Щепетов В.В., Иолхов А.М. Повышение износостойкости детонационных покрытий путем оптимизации режимов напыления//Трение и износ.-1990.-Том 11.№ 5.С.844-848 Podchernyaeva I.F., Panasyuk F.D.> Teplenko M.A. Formation of fine-dispersion structures of wear- and corrosion-resistant coatings using AlN-TiB2 composite//Key Eng. Mat. - 2002.-206-213.- P.499 C2 2 (19) 1 3 зростаючими вимогами до покриттів вищезазначені матеріали на основі металевих сплавів не завжди відповідають експлуатаційним вимогам, що призводить до необхідності розробки композиційних матеріалів на основі кераміки. Існує матеріал на основі карбіду кремнію системи SiC-Al2O3-ZrO2 з NiCr зв'язкою [И.А.Подчерняева, А.Д.Панасюк, В.В.Щепетов и др. Триботехнические свойства детонационного покрытия на основе SiC-Al2O3-ZrO2/ Проблемы трибологии. - 2003. - №1. - С.81-86], що містить такі компоненти, (мас.%): оксид алюмінію 23,8 оксид цирконію 11,2 хром 6 нікель 24 карбід кремнію решта Цей матеріал забезпечує меншу інтенсивність зношування газотермічного покриття у порівнянні з твердим сплавом WC-15Co, що традиційно використовується як матеріал зносостійкого покриття, але високий вміст діелектричних компонентів в цьому матеріалі (70мас.%) не дозволяє використовувати його як матеріал покриття, що наноситься в умовах проходження електричного струму через зразок (методи магнетронного осадження, плазмово-дугового напилення, електроіскрового легування тощо). Найбільш близьким за складом є композиційний антифрикційний жаростійкий матеріал для захисних покриттів [Podchernyaeva I.A., Panasyuk A.D., Teplenko M.A. Formation of finedispersion structures of wear-and corrosion-resistant coatings using AlN-TiB2 / ZrB2 composite / Key Eng. Mat. - 2002. - 206-213. - P.499-502], який містить такі компоненти, (мас.%): диборид титану (цирконію, гафнію) 40 дисиліцид титану (цирконію, гафнію) 10 нітрид алюмінію решта. Недоліком цього матеріалу є низький адгезійний зв'язок керамічних компонентів з металом підкладки, що знижує зносостійкість покриття. В основу винаходу «Композиційний антифрикційний жаростійкий матеріал для захисних покриттів» поставлено задачу шляхом додавання нікелю і хрому і дотримання оптимального кількісного співвідношення інгредієнтів забезпечити підвищення рівня механічних та триботехнічних характеристик як самого матеріалу, так і покриття, що наноситься. Поставлена задача вирішується тим, що композиційний антифрикційний жаростійкий матеріал для захисних покриттів на основі нітриду алюмінію, який містить диборид та дисиліцид перехідного металу IV групи Періодичної системи, додатково містить нікель і хром у такому співвідношенні компонентів, (мас.%): диборид перехідного металу IV групи Періодичної системи 20-28 дисиліцид перехідного металу IV групи Періодичної системи 5-7 82157 4 нікель 24-40 хром 6-10 нітрид алюмінію решта. В якості перехідного металу IV групи Періодичної системи використовують титан, або цирконій, або гафній. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу і технічного результату очевидний із нижченаведеного. Як основа матеріалу використовуються нітрид алюмінію і диборид перехідного металу IV групи Періодичної системи (титану, цирконію, гафнію), які забезпечують відповідно високу корозійну стійкість і твердість. Сполучення нітриду алюмінію з дісиліцидом перехідного металу (титану, цирконію, гафнію) в умовах високотемпературного окислення та трибоокислення приводить до утворення мулітів, які, з одного боку, забезпечують формування корозійностійкого шару окалини, а з другого - відіграють роль високотемпературного твердого мастила в умовах сухого тертя, що обумовлює одночасно підвищення жаростійкості матеріалу/покриття, його міцності і зниження інтенсивності його зношування. NiCr зв'язка, яка змочує металевий сплав підкладки (на основі Ni, Ті) і боридну та силіцидну компоненти матеріалу, забезпечує міцний адгезійний зв'язок в системі "покриття - підкладка". Крім того, утворення в процесі високотемпературного окислення та трибоокислення хроміту нікелю, наявність котрого підтверджується розподілом елементів на поверхні матеріалу електрода/покриття, додатково сприяє підвищенню зносо- та жаростійкості матеріалу/покриття і дозволяє рекомендувати матеріал, що пропонується, як для самостійного застосування, так і для нанесення захисних покриттів. Запропонований матеріал може використовуватись у вигляді електродів для електроіскрового легування, магнетронного та плазмоводугового осадження, у вигляді порошків для лазерного і газотермічного напилення тощо на деталі машин і пристроїв з конструкційних сплавів, що працюють в умовах сухого тертя при підвищених швидкісно-навантажувальних параметрах, а також самостійно як матеріал деталей і пристроїв трибологічного призначення, у тому числі як конструкційний жаро-, зносостійкий матеріал. Матеріал одержували таким чином: керамічний електродний матеріал одержували методом порошкової металургії. Вихідні порошки нітриду алюмінію, дибориду та силіциду перехідного металу (титану, цирконію, гафнію) разом з NiCr зв'язкою, змішували та розмелювали у відповідних співвідношеннях в середовищі ацетону або спирту-ректифікату в планетарному млині протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просівали крізь сито. Середній розмір частинок отриманої шихти не перевищував 1...3мкм. Зразки електродів одержували методом гарячого пресування шихти в графітових прес - формах в температурному інтервалі 1540-1600°С під тиском 35-40МПа, час витримки 25...45 хвилин. Залишкова пористість 5 таких зразків становила 1...3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Гранульований порошок для газотермічного напилення з розміром частинок 80-120мкм виготовляли шляхом спікання отриманої шихти з наступним подрібненням. Отримані компактні зразки з матеріалу, що заявляється, використовували для вимірювання міцності на згин та зносостійкості матеріалу, гранульовані порошки - для нанесення плазмових покриттів. Результати експериментів відображені в Таблиці. 82157 6 33,5:26,8:6,7:26,4:6,6 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6...8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. Середній розмір частинок 1...3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових прес-формах у температурному інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 4. Порошки нітриду алюмінію, дибориду титана, дисиліциду титана, нікелю і хрому змішували у співвідношенні 35:28:7:24:6 Таблиця відповідно та розмелювали у планетарному млині Склад матеріалу, міцність на згин матеріалу електроду (стзг, МПа) та інтенсивністьабо спирту-ректифікату в середовищі ацетону зношування матеріалу електроду (І е, мкм/км) і плазмового покриття (І п, мкм/км) Суміш висушували в протягом 6...8 годин. сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. Середній розмір № Склад матеріалу,мас.% Властивості матеріалу системичастинокn'B2-MeIVSі2 Зразки A1N-Me 1...3мкм. одержували методом гарячого пресування в складу MeIV=Ті Zr Hf графітових прес-формах у температурному IV IV s зг±25, Ie, 10-2 Іп, 10-2 s зг±25, Іе, 10-2 Іп, 10-2 s зг±25, Ie, 10-2 Іп, 10-2 A1N Me B2 Me Si2 Ni Cr інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час ±0,5, ±0,5, ±0,5, ±0,5, ±0,5 ±0,5, МПа МПа МПа витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість мкм/км мкм/км мкм/км мкм/км мкм/км мкм/км таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували 1 12,5 10 2,5 60 15 405 6,2 2,0 410 6,0 1,7 500 5,4 1,4 та полірували до 12 класу чистоти. 2 25 20 5 40 10 510 2,5 3,5 Приклад 2,0 Порошки 650 570 3,0 1,6алюмінію, 2,8 5. нітриду 3 33,5 26,8 6,7 26,4 6,6 600 2,0 3,0 660 титана, дисиліциду титана, нікелю і 1,5 2,5 700 1,1 2,0 дибориду 4 35 28 7 24 6,0 580 2,8 3,7 640 2,5 у співвідношенні 37,5:30:7,5:20:5 3,0 720 2,2 2,6 хрому змішували відповідно та розмелювали у 730 планетарному млині 5 37,5 30 7,5 20 5,0 560 3,5 4,5 630 3,0 4,0 2,5 3,5 в середовищі ацетону або спирту-ректифікату Прототип: протягом 6...8 годин. Суміш висушували в 6 50 40 10 540 8,3 8,8 600 7,0 8,0 630 5,7 7,0 сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. Середній розмір частинок 1...3мкм. Зразки Приклади одержання матеріалу: одержували методом гарячого пресування в Приклад 1. Порошки нітриду алюмінію, графітових прес-формах у температурному дибориду титана, дисиліциду титана, нікелю і інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час хрому змішували у співвідношенні витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість 12,5:10:2,5:60:15 відповідно та розмелювали у таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували планетарному млині в середовищі ацетону або та полірували до 12 класу чистоти. спирту-ректифікату протягом 6...8 годин. Суміш Приклад 6. Порошки нітриду алюмінію, висушували в сушильній шафі, а потім просіювали дибориду цирконію, дисиліциду цирконію, нікелю і крізь сито. Середній розмір частинок 1...3мкм. хрому змішували у співвідношенні 25:20:5:40:10 Зразки одержували методом гарячого пресування відповідно та розмелювали у планетарному млині в графітових прес-формах у температурному в середовищі ацетону або спирту-ректифікату інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час протягом 6...8 годин. Суміш висушували в витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували Середній розмір частинок 1...3мкм. Зразки та полірували до 12 класу чистоти. одержували методом гарячого пресування в Приклад 2. Порошки нітриду алюмінію, графітових прес-формах у температурному дибориду титана, дисиліциду титана, нікелю і інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час хрому змішували у співвідношенні 25:20:5:40:10 витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість відповідно та розмелювали у планетарному млині таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували в середовищі ацетону або спирту-ректифікату та полірували до 12 класу чистоти. протягом 6...8 годин. Суміш висушували в Приклад 7. Порошки нітриду алюмінію, сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. дибориду цирконію, дисиліциду цирконію, нікелю і Середній розмір частинок 1...3мкм. Зразки хрому змішували у співвідношенні одержували методом гарячого пресування в 33,5:26,8:6,7:26,4:6,6 відповідно та розмелювали у графітових прес-формах у температурному планетарному млині в середовищі ацетону або інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час спирту-ректифікату протягом 6...8 годин. Суміш витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість висушували в сушильній шафі, а потім просіювали таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували крізь сито. Середній розмір частинок 1...3мкм. та полірували до 12 класу чистоти. Зразки одержували методом гарячого пресування Приклад 3. Порошки нітриду алюмінію, в графітових прес-формах у температурному дибориду титана, дисиліциду титана, нікелю і інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час хрому змішували у співвідношенні витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість 7 таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 8. Порошки нітриду алюмінію, дибориду гафнію, дисиліциду гафнію, нікелю і хрому змішували у співвідношенні 33,5:26,8:6,7:26,4:6,6 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6...8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. Середній розмір частинок 1...3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових прес-формах у температурному інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1 ...3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Приклад 9. Порошки нітриду алюмінію, дибориду гафнію, дисиліциду гафнію, нікелю і хрому змішували у співвідношенні 35:28:7:24:6 відповідно та розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6...8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали крізь сито. Середній розмір частинок 1...3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових прес-формах у температурному інтервалі 1540-1600°С, під тиском 35...40МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1...3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. З наведених у Таблиці властивостей видно, що матеріал, який заявляється під номером 3, має оптимальні параметри, а саме більшу міцність на згин ( s зг) та меншу інтенсивність зношування (І) як самого матеріалу, так і плазмового покриття, отриманого з цього матеріалу. Плазмові покриття наносили на сталь 30ХГСА із використанням установки УПУ-8М. Транспортуючим газом був аргон, плазмоутворюючим - суміш аргону з азотом. Відстань від плазмотрону до зразка становила 100-120мм, витрата газу - 0,03...0,05м3/хв. Інтенсивність зношування (І, мкм/км) визначали за схемою торцевого тертя «палець площина» без мастила на установці УМТ-3М при навантаженні Р=5МПа та швидкості ковзання 1,4м/с, коефіцієнт взаємодії дорівнював 1. Міцність на згин ( s зг, МПа) визначали згідно з ГОСТ 18288-72 із використанням 3-хточкової схеми згину, яка передбачає зразки розміром 3x4x36мм. Механічна обробка поверхні електродів алмазними кругами проводилась по довжині зразків. По ребрам знімались фаски. Матеріал, що заявляється, можна використовувати в якості зносо -, жаростійкого конструкційного матеріалу у вигляді електродів як для електроіскрового легування конструкційних сплавів, так і для магнетронного, плазмоводугового напилення, тощо, а також у вигляді порошку для отримання лазерних, газотермічних (плазмових, детонаційних, газо-полум'яних) покриттів, які працюють в умовах сухого тертя при високих швидкісно-навантажувальних параметрах, зокрема, для компонентів двигунів в автомобіле - і 82157 8 авіабудуванні, легкій, хімічній промисловостях та ін.