Никелевые и железные самофлюсующиеся сплавы для покрытий

Общие сведения о материалах и покрытиях из самофлюсующихся сплавов

Самофлюсующиеся никелевые сплавы Ni-B-Si и Ni-Cr-B-Si-С.

Материалы используется для напыления и наплавки покрытий, стойких против коррозии, к изнашиванию трением и абразивными частицами. Покрытия устойчивы против газовой коррозии вплоть до температур 700-850 °С, стойки в пресной и морской воде, солевых растворах, нефтесодержащих средах, аммиаке и в др. агрессивных средах.  Не стойки или слабостойки в растворах минеральных кислот. Сплавы плавятся в диапазоне температур, характерном для материалов с эвтектикой в структуре. Основная структурная фаза покрытий из сплавов:  γ- твердый пересыщенный раствор на основе никеля; упрочняющие фазы: бориды хрома и никеля переменного состава, карбиды хрома типа Cr₂₃C₆ и карбобориды хрома; в порошках с повышенным содержанием углерода дополнительно присутствуют частицы более прочного карбида Cr₇C₃. Твердость и износостойкость покрытий увеличивается по мере увеличения в  никелевых сплавах содержания хрома, бора, кремния и углерода. Бор и кремний образуют с никелем легкоплавкие эвтектики с температурой плавления 950-1080°С, а также восстанавливают окисные пленки на поверхности подложки с образованием боросиликатных шлаков (самофлюсование) в присутствии жидкой фазы и улучшают смачиваемость подложки жидким металлом.

Адгезия, когезия и сопротивление изнашиванию покрытий из сплавов одинакового состава при сухом трении и абразивном воздействии, как правило, повышается с увеличением плотности (снижении пористости) покрытия. Пористость неоплавленных плазменных покрытий из самофлюсующихся сплавов может достигать 10 - 12%, газопламенных до 20%. Снижение пористости покрытий и, как следствие,  увеличение прочности в 5 - 10 раз достигается оплавлением покрытия, которое производится либо одновременно с напылением при плазменной наплавке (PTA процесс) или при послойном нанесении покрытия методом газопорошковой наплавки, путем чередования процесса напыления слоев с их оплавлением. Оплавление напыленных покрытий производится  также газопламенной горелкой, пламенем плазмотрона, нагревом в печи или токами высокой частоты. Детонационные покрытия, благодаря высокой плотности (пористость, как правило, менее 1%), не требуют оплавления после напыления. Влияние пористости на качество и работоспособность покрытий не является однозначным. В сопряженных поверхностях в условиях полусухого трения оптимальная пористость, получаемая, например, при плазменном напылении без оплавления, может способствовать наименьшему износу узла трения. Поры, аккумулируя смазку, предотвращают заедание сопряженных поверхностей.

Дилатометрические исследования напыленных покрытий из базовых сплавов НХ13СР, НХ15СР2, НХ16СР3, НХ17СР4 показывают отсутствие в них фазовых превращений при охлаждении в диапазоне температур от 960 до 20°С. Поэтому, фазовые превращения, протекающее в системе железо-углерод с изменением объема создает  опасность растрескивания покрытия на стальных и чугунных подложках при охлаждении. В связи с этим, охлаждение изделий с нанесенным покрытием из самофлюсующихся сплавов рекомендуется проводить в замедленном темпе. Интервал рекомендуемых скоростей охлаждения составляет, например,  для стали 10 – менее 100 °С/с, для стали 45 – менее 35 °С/с, для стали 70 – менее 5 °С/с.
К общим характеристикам Ni-Cr-B-Si-С сплавов относится также свойство сохранять твердость и сопротивление абразивному изнашиванию после отпуска с нагревом до 600°С. Твердость же сплавов при повышенных температурах («горячая» твердость), например, при 650°С может составить 50-70% от измеренной при комнатной температуре.

Область применения порошков из никелевых сплавов: износостойкие покрытия на деталях металлургического, горно-нефтедобывающего, энергетического, стекольного и химического оборудования,  штампового и прессового инструмента, деталях автомобильного, железнодорожного и судового транспорта, газоперекачивающих установок, сельскохозяйственной техники и др. Сплавы применяются также для получения смесей с другими материалами для покрытий: карбидами, интерметаллидами и другими материалами.

Самофлюсующиеся сплавы на железной основе представлены высокоуглеродистым сплавом ПР-Х4ГСР, легированным ванадием, хромом и марганцем, железо-никель-хромовым сплавом ПГ-Ж14 и среднеуглеродистыми сплавами ФМИ эвтектического состава. Покрытие из высокоуглеродистого сплава характеризуется повышенной твердостью и высокой стойкостью к абразивному изнашиванию в водной среде, эвтектические сплавы (ФМИ) - стойкостью к изнашиванию трением при больших скоростях скольжения.

Самофлюсующаяся оловянисто-никелевая бронза Cu-Sn-Ni-B-Si представлена материалом для создания износостойких покрытий на изделиях из меди, медных сплавов и стали.

Самофлюсующиеся сплавы производятся распылением расплава газом. Полученные  полидисперсные порошки подвергаются рассеву на узкие по размерам частиц фракции для различных технологий напыления и наплавки покрытий: детонационного и сверхзвукового напыления, газопорошковой наплавки, газопламенного и плазменного напыления, лазерной и электроискровой наплавки, плазменной  и индукционной наплавки.

Размеры частиц (основные фракции)

Основные фракции порошков для различных технологий получения покрытий:

По согласованным сторон возможно изготовление порошков другого гранулометрического состава.
Минимальные размеры сеток, используемых для классификации порошков, - 40 мкм (~400 меш) 45 мкм (325 меш). Рассев порошков на сетках меньших 40 мкм не производится, т.к. распыленные газом порошки содержат, как правило, небольшое количество тонких частиц меньше 15 -22 мкм.

Форма и структура частиц порошков

Распыленные газом порошки имеют преимущественно сферическую форму частиц со  структурой литого состояния материала

рис.1

рис. 2

рис. 3

рис. 4

При дилатометрическом анализе самофлюсующихся сплавов кривые изменения теплосодержания указывают на характерные точки: температуру появления жидкой фазы - Т₀ и температуру, при которой наблюдается максимальное изменение теплосодержания - Т_П (пик плавления на кривой DTA).  Этот диапазон плавления самофлюсующихся сплавов, параметр ΔТ = Т₀ - Т_П,  играет важную роль при выборе оптимальной температуры оплавления покрытия. Рекомендуется, чтобы температура оплавления была как можно ближе к  Т_П,  при которой покрытие уплотняется (исчезает пористость), формируется переходной диффузионный слой необходимой толщины и  достигается  максимальная прочность покрытия с подложкой.  В действительности, никелевые сплавы системы Ni-Cr-B-Si-С, содержащие бориды и силициды никеля, а также бориды и карбобориды хрома плавятся в более широком, чем в ΔТ диапазоне температур, с постепенным усвоением в расплаве при нагреве (растворением в никеле) кластеров из тугоплавких соединений.

Характеристики и области применения порошков

Примечание к таблице:
Т_П – температура плавления (первый пик на кривой изменения теплосодержания DTA), справочные данные;
T_S  - температура солидус;
T_L  -  температура ликвидус;
f – коэффициент трения в паре трения со сталью, справочные данные.
Приведенные в таблице характеристики материалов и покрытий являются справочными.

Примеры структуры покрытий

рис. 5

рис. 6

Наверх

Печать страницы