Патент на изобретение №2201994

(54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ СОСТАВ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ БЕТОНОСМЕСИТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении как для получения защитных износостойких покрытий на деталях машин, так и непосредственно для восстановления изношенных деталей бетоносмесителя. Композиционный состав включает смесь порошка на основе железа и порошка на основе никеля, при этом порошок на основе железа содержит, 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, железо – остальное, а порошок на основе никеля содержит, 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. Соотношение порошков на основе железа и никеля составляет соответственно 70-75% и 30-25%. Технический результат: способ позволяет наносить на детали материал требуемой толщины без использования газовой защитной среды с сохранением высокой износостойкости и коррозионной устойчивости при ударно-абразивном воздействии.

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении как для получения защитных износостойких покрытий на деталях машин, так и непосредственно для восстановления изношенных деталей бетоносмесителя.

Известен порошкообразный материал для нанесения защитного покрытия, который может использоваться и для восстановления изношенных деталей, состоящий из смеси двух порошков, на основе железа и никеля (см. патент РФ 2130506, С 23 С 4/04, 1999).

Недостатками известной композиции порошкообразного материала являются низкая прочность сцепления с основным металлом деталей машин, образование пористого слоя, незначительная толщина восстановления, а также то, что при его нанесении требуется использование защитных газов.

В основу изобретения поставлена задача создания композиционного состава порошкообразного материала, который может наноситься на восстанавливаемые детали бетоносмесителя требуемой толщины, без использования газовой защитной среды с сохранением высокой износостойкости и коррозионной устойчивости при ударно-абразивном воздействии на рабочие поверхности деталей бетоносмесителя.

Поставленная задача решается тем, что в композиционном составе порошкообразного материала, состоящем из смеси двух порошков на основе железа и никеля, порошок на основе железа содержит, мас.% состав: 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; а второй порошок на основе никеля имеет следующий состав мас. %: углерод – 0,6-1,0; хром – 16-17; кремний – 3,4-4,6; бор – 2,5-4,0 и железо не более 4, при этом порошок на основе железа в смеси составляет 70-75%, а порошок на основе никеля – 30-25%.

В связи с тем что первый порошок имеет основу железо и, соответственно, указанный выше мас.% состав, а второй порошок имеет никелевую основу и, соответственно, свой, указанный также выше мас.% состав, обеспечивается получение композиционного материала, который может работать в условиях абразивного износа при значительных ударных и динамических нагрузках на рабочих поверхностях деталей бетоносмесителя, в частности рабочих поверхностях лопаток.

Композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей бетоносмесителя содержит два порошка. Первый порошок имеет основу железо и, соответственно, следующий состав, 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
Железо – Остальное
а второй порошок имеет никелевую основу и, соответственно, следующий состав, 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 порошок на основе железа в смеси составляет 70-75%, а порошок на основе никеля – 30-25%.

На основании экспериментальных исследований при напылении этих смесей порошков были подобраны режимы напыления. Так, при добавке алюминия образуется прочная оксидная пленка, что позволяет восстанавливать детали без применения защитных газов. Алюминий, являясь сильным раскислителем и нитридообразующим элементом, способствует одновременно удалению продуктов раскисления, что в свою очередь повышает качество напыления. В результате алюмотермической реакции образуется покрытие – алюминид никеля, отличающееся высокой стойкостью к окислению и температурой плавления 1500^oС. Указанной смесью можно напылять слои значительной толщины без трещин. Износостойкость получаемого покрытия превосходит соответствующий показатель закаленной стали, марки Ст.45 в 3,5 раза.

При напылении частицы порошка нагреваются до температуры, при которой происходит экзотермическая реакция, сопровождающаяся дополнительным выделением тепла и повышением температуры. Количество теплоты определяется массой металла, и чем больше толщина покрытия и толщина детали, тем больше продолжительность и ниже скорость оплавления. Частицы при соприкосновении с напыляемой поверхностью образуют плотный износостойкий слой, прочность сцепления которого близка к оплавленным слоям. При напылении необходимо предварительно подогревать поверхности, особенно тех деталей, которые имеют сложную конфигурацию, не ниже 100-120^oС, так как градиент изменения температуры (потеря тепла на воздухе) для этих деталей будет выше, чем у деталей простой конфигурации.

При напылении площадь непосредственного контакта как между самими частицами, так и между частицами и основным металлом весьма мала, что является одной из главных причин образования пористого слоя, прочность которого очень низкая. При воздействии на такой слой сравнительно низких нагрузок происходит его скалывание. Последующее оплавление дает возможность повысить плотность и прочность напыленного слоя.

При оплавлении покрытие необходимо нагревать до температуры, при которой происходит характерное “запотевание” слоя, выражающееся в появлении на оплавляемых участках блестящей поверхности.

Наличие жидкой фазы является одним из главных условий возможности протекания процесса оплавления. При этом для образования жидкой фазы не следует перегревать напыленные самофлюсующимися сплавами покрытия до полного расплавления.

Оплавленные покрытия данной композиции имеют мелкозернистую структуру и повышенную твердость ее составляющих с включением Аl₂О₃ и Al₃Fe. Измельчению структуры способствует алюминий, входящий в состав порошка на железной основе, который является более сильным раскислителем, чем самофлюсующиеся бор и кремний.

При нагреве до оплавления алюминий реагирует с кислородом более интенсивно, предохраняя от выгорания бор и кремний и тем самым поддерживая процесс самофлюсования. В этом случае прочность сцепления снижается до 270 МПа, однако она вполне достаточна для интенсивной эксплуатации деталей, восстановленных плазменным напылением с последующим оплавлением в условиях ударно-абразивного воздействия на рабочие поверхности деталей бетоносмесителя.

Переходная зона у таких оплавленных композиций несколько шире. Это объясняется более высокой температурой оплавления при использовании этих сплавов. Основной металл у поверхности оплавления имеет мартенситную структуру с переходом к троститной. Исследования микроструктуры композиционного состава порошкообразного материала показали, что структура состоит из карбидов, боридов хрома в ледебуритно-аустенитной основе и отличается высокой твердостью.

При нагреве покрытия за счет расплавления легкоплавкой составляющей структуры – эвтектики – жидкая фаза появляется за 100 – 150^oС до их полного расплавления. В то же время исходные составляющие структуры сплавов (твердый раствор и карбиды) остаются в твердом состоянии и сохраняют общую целостность покрытий. Возникшая жидкая фаза заполняет образовавшиеся при напылении поры, обеспечивая диффузию элементов, в результате чего происходит флюсование и окончательное формирование структуры покрытия. При этом самофлюсующиеся элементы бор и кремний диффундируют в основной металл, а железо из основного – в покрытие.

Восстановление изношенных деталей бетоносмесителя с использованием предложенной смеси производят следующим образом.

Берется порошок на основе железа со следующим содержанием, маc.%: углерод – 4,25; хром – 31,5; кремний – 3,75; марганец – 2,25; никель – 4,25; алюминий – 4,0; железо – остальное и порошок на основе никеля со следующим содержанием, мас.%: углерод – 0,8; хром – 16,5; кремний – 4,0; бор – 3,25; железо – не более 2,0; никель – остальное при процентном составе указанных порошков соответственно 70% и 30%. Порошки смешиваются, а фракционность каждого компонента в предложенной смеси составляет не более 100 мкм.

Перед напылением предварительно подогревают поверхность детали до 110 С^o. При напылении частицы порошка нагреваются до температуры, при которой происходит экзотермическая реакция, сопровождающаяся дополнительным выделением тепла и повышением температуры. При оплавлении покрытие нагревают до появления на оплавляемых участках блестящей поверхности.

Исследования на износостойкость показали, что рабочие поверхности деталей бетоносмесителя, находящиеся в сопряжении с вышеуказанными оплавляемыми покрытиями, практически не подвергаются износу.

Формула изобретения

Композиционный состав порошкообразного материала для восстановления деталей бетоносмесителя, состоящий из смеси порошка на основе железа и порошка на основе никеля, отличающийся тем, что порошок на основе железа содержит, 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
Железо – Остальное
а порошок на основе никеля содержит, 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%.

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.07.2004

Извещение опубликовано: 10.03.2006 БИ: 07/2006