RU2361710C1

RU2361710C1 - Bars made of alumo-matrix compound material for deposition of wear-resistant coating

Info

Publication number: RU2361710C1
Application number: RU2008104838/02A
Authority: RU
Inventors: Роман Сергеевич Михеев (RU); Роман Сергеевич Михеев; Николай Владимирович Коберник (RU); Николай Владимирович Коберник; Георгий Георгиевич Чернышов (RU); Георгий Георгиевич Чернышов; Татьяна Александровна Чернышова (RU); Татьяна Александровна Чернышова; Александр Васильевич Панфилов (RU); Александр Васильевич Панфилов; Алексей Александрович Панфилов (RU); Алексей Александрович Панфилов; Александр Александрович Панфилов (RU); Александр Александрович Панфилов; Алексей Валерьевич Петрунин (RU); Алексей Валерьевич Петрунин
Original assignee: Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-07-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention can be used for arc and plasma-jet hard-facing of wear-resistant layers on cars parts, operating in conditions of action of abrasive wear, impact loads, erosion at increased temperatures. Bars consist of cast compound materials on the basis of high-strength casting aluminium alloys, hardened by discrete high-modular, high-duty ceramic particles of silicon carbide (α-SiC) of hardness HV 1000. Amount of hardening particles in matrix alloy at its mid-size 28 or 40 mcm is 3-8 wt % or 3-10 wt %, respectively. Amount of silicon in matrix alloy is 7-12 wt %. Composite melt is poured by dimensions of bars for overlaying welding according to GOST 21449-75.

EFFECT: high strength and wearing capacity.

3 cl, 1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к области создания сварочных присадочных прутков из дисперсно армированных композиционных материалов (КМ) с матрицей из высокопрочных, литейных сплавов на основе алюминия, предназначенных для дуговой и плазменной наплавки износостойких слоев на детали машин и оборудования, работающие в условиях воздействия абразивного изнашивания, ударных нагрузок, эрозии при повышенных температурах.The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to the field of creating welding filler rods from dispersively reinforced composite materials (KM) with a matrix of high-strength, cast alloys based on aluminum, designed for arc and plasma surfacing of wear-resistant layers on machine parts and equipment operating in conditions the effects of abrasion, shock, erosion at elevated temperatures.

Алюминий и его сплавы обладают низкой износостойкостью. Одним из возможных путей повышения износостойкости изделий из таких материалов может стать изготовление присадочного композиционного материала на основе алюминия или его сплавов для нанесения на поверхность изделий износостойких покрытий методами дуговой или плазменной наплавки.Aluminum and its alloys have low wear resistance. One of the possible ways to increase the wear resistance of products from such materials may be the manufacture of an additive composite material based on aluminum or its alloys for applying wear-resistant coatings to the surface of products by arc or plasma surfacing.

Из уровня техники известна композиционная литая алюмоматричная проволока СвАК10, содержащая в качестве упрочняющего наполнителя кремний в количестве 7-10% [ГОСТ 7871-75]. Использование этой проволоки для износостойкой наплавки наиболее нагруженных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов неэффективно, так как полученные поверхностные слои имеют недостаточную прочность и износостойкость.The prior art composite cast aluminum matrix wire SvAK10 containing 7-10% silicon as a reinforcing filler [GOST 7871-75]. The use of this wire for wear-resistant surfacing of the most loaded parts from high-strength aluminum alloys is inefficient, since the obtained surface layers have insufficient strength and wear resistance.

Известен также литой композиционный присадочный материал на основе алюминия, содержащий 6-12% кремния, до 6% меди, 2-6% магния, до 3% железа, 16-25% никеля (патент EP N 0095604, В23К 35/28, 1983). В слоях, наплавленных этим КМ, армирующими фазами являются кремний и интерметаллиды. Недостатком этого присадочного КМ является низкая износостойкость наплавленного слоя, связанная с очень грубыми выделениями алюминидов никеля и железа (HV 250-300), не обладающих достаточной твердостью для защиты матричного материала от износа.Also known is a cast composite filler material based on aluminum, containing 6-12% silicon, up to 6% copper, 2-6% magnesium, 3% iron, 16-25% nickel (patent EP N 0095604, B23K 35/28, 1983 ) In the layers deposited by this CM, the reinforcing phases are silicon and intermetallic compounds. The disadvantage of this filler CM is the low wear resistance of the deposited layer, associated with very coarse precipitates of nickel and iron aluminides (HV 250-300), which do not have sufficient hardness to protect the matrix material from wear.

Наиболее близким к предлагаемым (прототипом) являются прутки из КМ с интерметаллидным упрочнением, содержащие 5-18% кремния, до 8% железа, до 3% меди, до 10% никеля, 0,5-2% магния, 0,5-1,5% марганца, 0,1-0,3% титана, 0,05-3% церия, 0,05-0,1% стронция, алюминий основа (патент РФ N 2067041, В23К 35/28, 1997). Недостатком таких прутков является использование большого числа легирующих элементов, что экономически нецелесообразно. Кроме того, наплавленный слой из этого КМ также не имеет достаточно высокой износостойкости.Closest to the proposed (prototype) are rods of KM with intermetallic hardening, containing 5-18% silicon, up to 8% iron, up to 3% copper, up to 10% nickel, 0.5-2% magnesium, 0.5-1 , 5% manganese, 0.1-0.3% titanium, 0.05-3% cerium, 0.05-0.1% strontium, aluminum base (RF patent N 2067041, B23K 35/28, 1997). The disadvantage of such rods is the use of a large number of alloying elements, which is not economically feasible. In addition, the deposited layer of this KM also does not have a sufficiently high wear resistance.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании присадочных прутков из КМ на основе высокопрочных литейных алюминиевых сплавов для наплавки износостойких покрытий.The problem to which the present invention is directed, is to create filler rods of KM based on high-strength cast aluminum alloys for surfacing wear-resistant coatings.

Технических результатом изобретения является получение покрытий, обладающих высокой прочностью и износостойкостью.The technical result of the invention is the production of coatings with high strength and wear resistance.

Технический результат достигается тем, что прутки из алюмоматричного композиционного материала для наплавки износостойких покрытий на основе высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, изготовленные по литейной технологии, согласно изобретению содержат в качестве упрочнителя матричных сплавов высокомодульные, высокопрочные керамические частицы карбида кремния (HV 1000); количество упрочняющих частиц наполнителя в матрице должно составлять 3-8 вес.% при среднем размере частиц 28 мкм и 3-10 вес.% при среднем размере частиц 40 мкм; количество кремния в матричном сплаве должно составлять 7-12 вес.%.The technical result is achieved by the fact that rods made of aluminomatrix composite material for surfacing wear-resistant coatings based on high-strength cast aluminum alloys, made by casting technology, according to the invention contain high-modulus, high-strength ceramic particles of silicon carbide as a hardener of matrix alloys (HV 1000); the number of reinforcing filler particles in the matrix should be 3-8 wt.% with an average particle size of 28 microns and 3-10 wt.% with an average particle size of 40 microns; the amount of silicon in the matrix alloy should be 7-12 wt.%.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый композиционный присадочный пруток содержит упрочняющие частицы карбида кремния (SiC) размером 28 мкм или 40 мкм в количестве 3-8 вес.% и 3-10 вес.% соответственно, дисперсно распределенные в матрицах из высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, содержащих 7…12 вес.% кремния.The essence of the invention lies in the fact that the proposed composite filler rod contains reinforcing particles of silicon carbide (SiC) with a size of 28 μm or 40 μm in the amount of 3-8 wt.% And 3-10 wt.%, Respectively, dispersed in matrices of high-strength casting aluminum alloys containing 7 ... 12 wt.% silicon.

Присадочные композиционные прутки получают разливкой композиционного расплава на базе литейного алюминиевого сплава с замешанными в него частицами по размерам прутков для наплавки в соответствии с ГОСТ 21449-75.Filler composite rods are obtained by casting a composite melt based on a cast aluminum alloy with particles mixed in it according to the size of the surfacing rods in accordance with GOST 21449-75.

Для изготовления композиционного расплава осуществляют рафинирование матричного расплава флюсами систем K-Al-F и Na-Al-F. Подготовленный матричный расплав должен содержать в качестве одного из легирующих компонентов кремний в количестве 7…12 вес.%. После этого в матричный расплав способом механического замешивания вводят частицы наполнителя (частицы карбида кремния - α-SiC) в количестве 3-8 вес.% при среднем размере частиц 28 мкм, а при среднем размере частиц 40 мкм в количестве 3-10 вес.%. Перед введением в расплав частицы наполнителя выдерживают в печи при температуре 550-600°С в течение 2 ч для сушки, выжигания случайных органических загрязнений и окисления свободного кремния. После получения композиционного расплава осуществляют его разливку в разъемные литейные формы, нагретые до 450°С для увеличения жидкотекучести расплава. Размеры получаемых литых композиционных присадочных прутков должны соответствовать ГОСТ 21449-75.For the manufacture of composite melt, the matrix melt is refined with fluxes of the K-Al-F and Na-Al-F systems. The prepared matrix melt should contain silicon as an alloying component in the amount of 7 ... 12 wt.%. After that, filler particles (particles of silicon carbide - α-SiC) are introduced into the matrix melt by mechanical kneading in an amount of 3-8 wt.% With an average particle size of 28 microns, and with an average particle size of 40 microns in an amount of 3-10 wt.% . Before introducing into the melt, the filler particles are kept in an oven at a temperature of 550-600 ° C for 2 hours for drying, burning out random organic impurities and oxidation of free silicon. After obtaining the composite melt, it is casted in split molds heated to 450 ° C to increase the fluidity of the melt. The dimensions of the resulting cast composite filler rods must comply with GOST 21449-75.

Содержание кремния (Si) в присадочных композиционных прутках в количестве 7-12 вес.% ограничивает межфазное взаимодействие между матричным расплавом и армирующими частицами карбида кремния в процессе жидкофазного совмещения при наплавке, а также увеличивает жидкотекучесть композиционного расплава, обеспечивая высокие сварочно-технологические свойства присадочных прутков из КМ. При содержании кремния в матричном сплаве менее 7 вес.% в процессе дуговой или плазменной наплавки происходит существенная деградация армирующих частиц карбида кремния SiC с образованием иглообразных фаз карбида алюминия Аl₄С₃ (фиг.1.а). При содержании кремния в матричном сплаве, превышающим 10 вес.%, композиционная микроструктура характеризуется значительным количеством фаз первичного кремния (фиг.1.б), что приводит к ухудшению жидкотекучести композиционного расплава.The content of silicon (Si) in the filler composite rods in the amount of 7-12 wt.% Limits the interfacial interaction between the matrix melt and the reinforcing particles of silicon carbide during the liquid-phase alignment during surfacing, and also increases the fluidity of the composite melt, providing high welding and technological properties of the filler rods from KM. When the silicon content in the matrix alloy is less than 7 wt.% During the arc or plasma surfacing, there is a significant degradation of the reinforcing particles of silicon carbide SiC with the formation of needle-shaped phases of aluminum carbide Al ₄ C ₃ (Fig.1.a). When the silicon content in the matrix alloy exceeds 10 wt.%, The composite microstructure is characterized by a significant number of phases of primary silicon (Fig.1.b), which leads to a deterioration in the fluidity of the composite melt.

Ограничения на количество вводимых упрочняющих частиц (3-8 вес.% при среднем размере 28 мкм и 3-10 вес.% при среднем размере 40 мкм) связаны со снижением жидкотекучести композиционного расплава при содержании частиц наполнителя больших верхнего предела и недостаточной износостойкостью при значениях менее нижнего предела. Литейная технология получения присадочных композиционных прутков обеспечивает отсутствие загрязнений на границе раздела частица/матрица и качественную связь между ними, что приводит к высоким свойствам КМ и покрытий, полученных методами наплавки с использованием такого присадочного материала. Кроме того, литейная технология изготовления прутков уменьшает пористость, а наплавленные ими покрытия не имеют дефектов в виде пор и трещин. Благодаря удовлетворительной жидкотекучести достигается хорошее формирование наплавленных слоев. Однородность распределения частиц в наплавленном металле обеспечивается выбором режимов наплавки. Присадочные композиционные прутки, собранные из порошков аналогичного состава, полученные по технологии порошковой металлургии, обладают низкой жидкотекучестью при наплавке, что приводит к неравномерному распределению упрочняющей фазы в наплавленном поверхностном слое.The restrictions on the number of introduced reinforcing particles (3-8 wt.% With an average size of 28 microns and 3-10 wt.% With an average size of 40 microns) are associated with a decrease in the fluidity of the composite melt when the content of the filler particles is large at the upper limit and insufficient wear resistance at values less than lower limit. The foundry technology for producing filler composite rods ensures the absence of contamination at the particle / matrix interface and a high-quality bond between them, which leads to high properties of CM and coatings obtained by surfacing using such filler material. In addition, the foundry technology for the manufacture of rods reduces porosity, and the coatings deposited by them have no defects in the form of pores and cracks. Due to satisfactory fluidity, good formation of deposited layers is achieved. The uniformity of the distribution of particles in the weld metal is provided by the choice of surfacing modes. Filler composite rods assembled from powders of a similar composition, obtained by powder metallurgy technology, have a low fluidity during surfacing, which leads to an uneven distribution of the hardening phase in the deposited surface layer.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.The invention can be illustrated by the following examples.

По вышеизложенной технологии были изготовлены литые присадочные композиционные прутки:According to the above technology, cast filler composite rods were made:

- с матрицей из сплава АК12 (Si 10…13%, Mn 0,01…0,5%; ГОСТ 1583-93), армированной частицами карбида кремния SiC в количестве 8 вес.% при среднем размере 28 мкм;- with an AK12 alloy matrix (Si 10 ... 13%, Mn 0.01 ... 0.5%; GOST 1583-93) reinforced with silicon carbide SiC particles in an amount of 8 wt.% with an average size of 28 microns;

- с матрицей из сплава АК12М2МгН (Si 11…13%, Cu 1,5…3%, Mg 0,85…1,35%, Mn 0,3…0,6, Ti 0,05…0,2, Ni 0,8…1,3; ГОСТ 1583-93), армированной частицами карбида кремния SiC в количестве 10 вес.% при среднем размере 40 мкм.- with an AK12M2MgN alloy matrix (Si 11 ... 13%, Cu 1.5 ... 3%, Mg 0.85 ... 1.35%, Mn 0.3 ... 0.6, Ti 0.05 ... 0.2, Ni 0.8 ... 1.3; GOST 1583-93), reinforced with particles of silicon carbide SiC in an amount of 10 wt.% With an average size of 40 microns.

Прутки имели следующие геометрические размеры: диаметр d=5±0,1 мм; длину L=450±9 мм. Эти литые композиционные прутки использовали в качестве присадочного материала в процессе аргонодуговой наплавки на подложку из сплава АМг6. Полученные таким способом наплавленные слои имеют отличное формирование при отсутствии трещин. Структура металла, наплавленного с использованием литых присадочных композиционных прутков из AK12M2MгH+8%SiC₂₈ ^* (фиг.2.а) и AK12+10%SiC₄₀ ^* (фиг.2.б) (где 28, 40^* - средний размер частиц в мкм), характеризуется равномерным распределением упрочняющих частиц наполнителя в объеме наплавленной матрицы; упрочняющие частицы наполнителя - частицы карбида кремния - сохраняют скольную огранку, что свидетельствует об отсутствии межфазного взаимодействия в процессе жидкофазного совмещения при дуговой наплавке.The rods had the following geometric dimensions: diameter d = 5 ± 0.1 mm; length L = 450 ± 9 mm. These cast composite rods were used as filler material in the process of argon-arc surfacing on an AMg6 alloy substrate. The deposited layers obtained in this way have excellent formation in the absence of cracks. The structure of the metal deposited using cast filler composite rods of AK12M2MgH + 8% SiC ₂₈ ^* (Fig.2.a) and AK12 + 10% SiC ₄₀ ^* (Fig.2.b) (where 28, 40 ^* is the average particle size in microns), characterized by a uniform distribution of reinforcing particles of the filler in the volume of the deposited matrix; hardening filler particles - silicon carbide particles - retain cleavage, which indicates the absence of interfacial interaction during the liquid-phase alignment during arc surfacing.

Механические свойства покрытий, наплавленных с использованием предлагаемых литых присадочных композиционных прутков, оценивали по величине твердости НВ, а трибологические (противоизносные) свойства - по величине коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Свойства покрытий, наплавленных литыми прутками, приведены в таблице. Видно, что наличие упрочняющих частиц наполнителя в наплавленном поверхностном слое приводит к увеличению его твердости, а также к снижению коэффициента трения f и существенному уменьшению интенсивности изнашивания I_v в сравнении с матричными сплавами.The mechanical properties of the coatings deposited using the proposed cast filler composite rods were evaluated by the HB hardness value, and the tribological (anti-wear) properties were evaluated by the value of the friction coefficient and wear rate. The properties of coatings deposited by cast rods are given in the table. It is seen that the presence of reinforcing particles of the filler in the deposited surface layer leads to an increase in its hardness, as well as to a decrease in the friction coefficient f and a significant decrease in the wear rate I _v in comparison with matrix alloys.

Твердость НВ, коэффициент трения f^**, интенсивность изнашивания I_v ^**матричных сплавов и слоев, наплавленных предлагаемыми литыми КМ пруткамиHB hardness, friction coefficient f ^** , wear rate I _v ^{** of} matrix alloys and layers deposited by the proposed cast KM bars № п.п.No. p.p. СоставStructure НВ, МПаHB, MPa Нагрузка Р, НLoad P, N f при частоте вращения n, об/минf at a speed of rotation n, rpm I_v, мм³/мI _v , mm ³ / m 300300 600600 10001000 1one АК12М2МгНAK12M2MgN 988988 7070 0,920.92 0,810.81 0,840.84 0,04920,0492 22 АК12M2MгH+8%SiC₂₈ AK12M2MgH + 8% SiC ₂₈ 10301030 7070 0,800.80 0,820.82 0,830.83 0,00520.0052 33 АК12AK12 624624 7070 0,930.93 0,92^*** 0.92 ^*** 0,01510.0151 4four AK12+10%SiC₄₀ AK12 + 10% SiC ₄₀ 712712 7070 0,630.63 0,620.62 0,560.56 0,00890.0089 ** - при испытании на трение скольжения на установке УМТ-1, без смазки против контртела из стали 40Х;** - when tested for sliding friction at the UMT-1 installation, without lubrication against the counterbody from 40X steel; *** - при переходе в задир.*** - upon transition to badass.

Claims

1. Cast rod for arc or plasma surfacing of wear-resistant coatings made of hardened aluminomatrix composite material based on high-strength cast aluminum alloys, characterized in that the matrix alloy contains α-SiC ceramic particles with a hardness of HV 1000 as the hardening particles, while the amount of silicon in the matrix alloy is 7-12 wt.%.

2. The rod according to claim 1, characterized in that the number of hardening particles in the matrix alloy is 3-8 wt.% With an average particle size of 28 microns or 3-10 wt.% With an average particle size of 40 microns.