Поршкова суміш для газотермічного напилення

Винахід відноситься до області металургії, більш конкретно - до нанесення покриттів методами газотермічного напилення, відновлення зношених поверхонь деталей машин, і може бути використаний в якості захисних шарів на деталях, що експлуатуються в різних галузях техніки (машинобудуванні, авіаційній, судно-будівельній промисловостях та ін.). Найбільш близькою по технічній суті та за досягнутими результатами є порошкова суміш, що містить 30-50 мас.% порошку Сr3С2, решта - магнетит. Відому порошкову суміш застосовують для нанесення покриттів методами газотермічного напилення і використовують для відновлення зношених деталей машин. Покриття із вказаної порошкової суміші володіють хорошою зносостійкістю в умовах тертя зі змащуванням та невисокими внутрішніми напруженнями при невеликих товщинах напиленого шару. Але збільшення товщини шару до 1 мм і більше приводить до виникнення таких внутрішніх напружень в покритті, котрі приводять до зменшення міцності зчеплення з основою та до самовідшарування покриття. Крім того, покриття із вказаної порошкової суміші не володіють достатньою зносостійкістю при сухому терті та кавітаційною стійкістю. Задачею винаходу є підвищення антифрикційних властивостей газотермічного покриття із порошкової суміші, що містить порошки сплаву металу та ферооксиду, при сухому терті, збільшення міцності зчеплення покриття з основою при його підвищених товщинах, а також підвищення його кавітаційної стійкості. Вирішення вказаної задачі досягається тим, що до складу порошкової суміші в якості металічної складової входять порошки залізо-бористого сплаву та сірого чавуну при слідуючих масових співвідношеннях компонентів, в %: при цьому порошок залізо-бористого сплаву включає бор в межах 3,3-5,2 мас.%, а порошок сірого чавуну, який одержано подрібненням стружки після механічної обробки відливок, містить 2,9-3,8 мас.% вуглецю та 1,02,6 мас.% кремнію. Застосування порошкової суміші вказаного складу для газотермічного напилення та вибір способу одержання порошку сірого чавуну дозволяють досягнути комплексу високих експлуатаційних характеристик покриття, котрі спостерігаються у випадку використання відомої порошкової суміші. Наявність в порошковій суміші магнетиту сприяє підвищенню антифрикційних властивостей газотермічного покриття в умовах сухого тертя. Зниження вмісту магнетиту нижче 6,0 мас.% приводить до зменшення зносостійкості покриття при сухому терті, перевищення концентрації 40,0 мас.% - до збільшення внутрішніх напружень в ньому і, в результаті, до зниження міцності зчеплення покриття з основою при підвищених товщинах. Введення сплаву "залізо-бор", схильного до аморфізації при газотермічному напиленні, приводить до підвищення його антифрикційних властивостей та кавітаційної стійкості. При введенні порошку сплаву "залізобор" менше 5,0 мас.% не забезпечується необхідна кавітаційна стійкість покриття та міцність зчеплення його з основою. Добавка сплаву вище 50,0 мас.% приводить до підвищення крихкості покриття, збільшення внутрішніх напружень і, в результаті, до зниження зносостійкості при сухому терті та самовідшарування покриття. Наявність в порошку сплаву "залізо-бор" бору, який в процесі газотермічного напилення сприяє утворенню в покритті оптимальної структури (високоміцна та відносно пластична аморфна матриця з дрібнодисперсними виділеннями боридних кристалічних фаз) приводить до підвищення міцності зчеплення покриття з основою та кавітаційної стійкості. При вмісті бору нижче 3,3 мас.% не забезпечується необхідна міцність зчеплення покриття з основою. Добавка бору в компонент порошкової суміші вище концентрації 5,2 мас.% приводить до підвищеної крихкості покриття, що, в свою чергу, зумовлює зниження кавітаційної стійкості та міцності зчеплення напиленого покриття з основою. Присутність вуглецю в складі порошку сірого чавуну, одержаного із стружки (виділення необхідної фракції або подрібненням стружки в млині), у вказаних співвідношеннях забезпечує наявність в ньому вільного графіту і його часткове попадання при газотермічному напиленні в покриття. Це приводить до підвищення антифрикційних властивостей покриття при сухому терті та сприяє збільшенню стійкості в умовах кавітації. При введенні вуглецю нижче концентрації 2,9 мас.% знижується зносостійкість покриття при сухому терті, вище концентрації 3,8 мас.% - кавітаційна стійкість та міцність зчеплення його з основою при підвищених товщинах. Наявність кремнію в сірому чавуні приводить до підвищення кавітаційної стійкості покриття. Введення кремнію нижче 1,0 мас.% приводить до зменшення стійкості покриття в умовах кавітації, вище 2,6 мас.% - до збільшення внутрішніх напружень в покритті і, в результаті, до зниження його міцності зчеплення з основою при підвищених товщинах. Крім того, при вмісті кремнію вище 2,6 мас.% знижуються антифрикційні властивості при сухому терті та кавітаційна стійкість покриття. Порошок сірого чавуну, одержаний із стружки, що утворюється після механічної обробки відливок, дозволяє досягнути в покритті із порошкової суміші поєднання високих антифрикційних властивостей із міцністю зчеплення з основою при підвищених товщинах покриття. Такий ефект пояснюється присутністю в такому порошку (на відміну від розпиленого із розплаву) вільного графіту, що приводить до зменшення коефіцієнту тертя покриття і релаксації в ньому внутрішніх напружень. Таким чином, використання порошкової суміші, що містить порошки магнетиту, залізо-бористого сплаву та сірого чавуну з оптимальною їх концентрацією, для газотермічного напилення забезпечує рівень експлуатаційних характеристик покриття, який не досягається у випадку застосування відомих порошкових матеріалів. Порошкову суміш готували в барабанному змішувачі із зміщеною віссю обертання. Приклади складів відомої та розробленої порошкової сумішей приведені в таблиці 1, а їхні властивості - в таблиці 2. Покриття наносили методами плазмово-дугового напилення порошкової суміші з розміром частинок 63100 мкм на взірці Із сталі 45 за допомогою установки УПУ-8 з використанням аргоно-азотної плазмоутворюючої суміші. Покриття охолоджували повітрям, напрямленим на пляму напилення, з витратою 2 х 10-3 м3/с, що сприяє утворенню оптимальної структури. Напилення проводили при таких режимах: сила струму 490 А, напруга 56 В, розхід плазмоутворюючого газу 7,7 х 10-4 м3/с, розхід транспортуючого газу (аргону) - 3,4 х 10-5 м3/с, дистанція напилення - 130-150 мм, розхід порошку 2,5-3,0 кг/год. Порошок сірого чавуну одержували подрібненням стружки після механічної обробки литих чавунних деталей. Подрібнення проводили в кульковому млині об'ємом 0,07 м3 твердосплавними кульками діаметром 20 мм. Співвідношення маси розмольних кульок до маси стружки складало 4:1. Випробування на тертя та зношування проводили на машині тертя СМЦ-2 по схемі "колодочка з покриттям - контртіло (чавунний ролік СЧ 24-44)". Сухе тертя здійснювали при ступінчатому підвищенні навантаження до схоплювання покриття. Значення товщини покриття, при якій відбувається його самовільне відшарування від основи - визначали при напиленні покриття на взірці із сталі 45 у вигляді паралелепіпеду розміром 40 х 40 х 10 мм на одну грань 40 х 40 мм. При послідовному нарощуванні покриття фіксували його товщину, при якій спостерігалися ділянки самовільного відшарування. Перед напиленням проводили струменево-абразивну обробку взірців корундом. Ерозійне зношування покрить в умовах кавітації проводили на магнітно-стрикційному вібраторі. Умови випробувань: частота f = 10 кГц, амплітуда - 30 мкм, час - 1 год. Зважування проводили через слідуючі проміжки часу: 5, 15, 30 та 60 хвилин. Взірці висушували та зважували з точністю до 0,05 мг. Порівняння проводилося по зменшенню маси взірців. Як випливає Із таблиці 2 покриття Із заявленої порошкової суміші володіють більш високими експлуатаційними характеристиками в порівнянні з покриттям Із відомої суміші. Вони характеризуються в 1,41,7 раз меншою Інтенсивністю зношування, в 9,6-16,6 разів менше зношують контртіло, витримують в 1,6-1,8 раз більші навантаження задиру, мають в 2,1-2,4 рази більшу максимальну товщину, при якій починається самовідшарування, а також в 1,5-1,8 раз вищу кавітаційну стійкість. Запропонована порошкова суміш призначена для зміцнення та відновлення деталей двигунів внутрішнього згоряння, компресорів, верстатів, енергетичного "обладнання, що працюють в умовах тертя ковзання (колінчаті вали, опорні поверхні роторів, деталі гідроапаратури, тормозні барабани, кільця синхронізаторів, шпінделі верстатів і т. д.), методами плазмово-дугового, газополум'яного та детонаційногазового напилення.