Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 6958
(13) U
(46) 2011.02.28
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(51) МПК (2009)
C 22C 1/00
(54) КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ
(21) Номер заявки: u 20100370
(22) 2010.04.14
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Белый Алексей Владимирович;
Кузей Анатолий Михайлович; Таран
Игорь Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной ака-
демии наук Беларуси" (BY)
(57)
Композиционное покрытие, состоящее из двухслойной матрицы, первый слой которой
выполнен из сплава никель-бор, и закрепленных в ней дисперсных частиц, отличающееся
тем, что второй слой матрицы выполнен из сплава никель-бор-азот при следующих соот-
ношениях компонентов в сплаве (мас. %):
бор 0,1-9,0
азот 0,02-1,5
никель остальное,
а в качестве дисперсных частиц используются частицы нитрида бора при следующих со-
отношениях компонентов в композиционном покрытии (мас. %):
частицы нитрида бора 0,04-16
двухслойная матрица остальное.
(56)
1. Шепило В.Б., Звонарев Е.В., Кузей A.M. Получение, свойства и применение порош-
ков алмаза и кубического нитрида бора. - Минск: Беларуская навука, 2003. - С. 335.
2. Патент РФ 40941 на полезную модель. Ограночный диск. / Ю.Н.Ребрик, A.M.Кузей,
Э.А. Марцинкевич. - 19.01.2004 г.
Предлагаемая полезная модель относится к области цветной металлургии, а именно к
покрытиям, используемым в качестве защиты от износа, коррозии, а так же и как абразивные.
Известно композиционное покрытие, состоящее из двухслойной матрицы, выполнен-
ной из слоя никеля и слоя железа, в которой расположены дисперсные частицы алмаза [1].
Недостатком известного композиционного покрытия является его низкая износостой-
кость. Частицы алмаза непрочно закреплены в матрице и в процессе шлифования под дейст-
вием ударных и тепловых нагрузок выкрашиваются из матрицы, полностью не изнашиваясь,
что и приводит к низкой износостойкости покрытия.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композиционное
покрытие, состоящее из двухслойной матрицы, первый слой которой выполнен из сплава
никель-бор, а второй - из железа и закрепленных в ней дисперсных частиц алмаза.
BY6958U2011.02.28

2. BY 6958 U 2011.02.28
2
Недостатком известного технического решения является его низкая абразивная спо-
собность. В процессе изнашивания (при шлифовании) алмазные зерна внедряются в мат-
рицу, и матрица контактирует с контртелом (обрабатываемым материалом). Фрикционное
взаимодействие железа с обрабатываемым материалом приводит к схватыванию матрицы
с обрабатываемым материалом, вырывом частиц матрицы и частиц алмаза, ростом темпе-
ратуры в зоне контакта и частицы алмаза, непрочно закрепленные в матрице (из-за пла-
стичного, непрочного слоя железа) полностью не изнашиваясь, выкрашиваются из нее.
Это приводит к снижению износостойкости композиционного покрытия.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение износостойкости
композиционного покрытия.
Задача решается тем, что в композиционном покрытии, состоящем из двухслойной
матрицы, первый слой которой выполнен из сплава никель-бор, и закрепленных в ней
дисперсных частиц, второй слой матрицы выполнен из сплава никель-бор-азот при сле-
дующих соотношениях компонентов в сплаве (мас. %):
бор 0,1-9
азот 0,02-1,5
никель остальное,
а в качестве дисперсных частиц используются частицы нитрида бора, при следующих со-
отношениях компонентов в композиционном покрытии (мас. %):
частицы нитрида бора 0,04-16
двухслойная матрица остальное.
Применение вместо слоя железа слоя сплава никель-бор-азот позволяет повысить
прочность закрепления дисперсных частиц нитрида бора в покрытии и снизить тепловы-
деление при контактном взаимодействии матрицы с обрабатываемым материалом. Введе-
ние азота в сплав никель-бор снижает размеры зерен α-твердого раствора бора в никеле,
размеры частиц боридов, а повышает твердость сплава и стабильность твердого раствора
на основе бора и азота. Дисперсные частицы нитрида бора в меньшей степени, чем части-
цы алмаза склонные к схватыванию с материалом контртела, что позволяет снизить фрик-
ционные взаимодействия покрытия с материалом контртела (либо обрабатываемым
материалом). Помимо этого частицы нитрида бора более активно взаимодействуют с ни-
келем, чем частицы алмаза и в меньшей степени выкрашиваются из матрицы при воздей-
ствии ударных нагрузок, что повышает износостойкость покрытия.
В процессе трения о контртело (например, при шлифовании), контактное взаимодей-
ствие подавлено, что приводит к снижению числа микросхватываний в пятнах контакта и
интенсивности тепловыделения на границе раздела матрицы с контртелом (обрабатывае-
мым материалом).
Присутствие в поверхностном слое матрицы (сплаве никель-бор-азот) множества на-
норазмерных частиц бора, двойных, тройных боридов повышает прочность закрепления
дисперсных частиц нитрида бора в матрице и одновременно снижает контактное взаимо-
действие с обрабатываемым материалом. Это приводит к повышению износостойкости
матрицы и снижает долю дисперсных частиц нитрида бора выкрашивающихся из матрицы.
Следствием этого является повышение износостойкости композиционного покрытия в целом.
Снижение концентрации частиц нитрида бора в композиционном покрытии менее
0,04 мас. %, повышает интенсивность контактного взаимодействия матрицы с материа-
лом контртела, приводит к повышению температуры в зоне контакта и схватыванию мат-
рицы с контртелом в пятнах контакта. Следствием этого является повышенный износ
композиционного покрытия. Повышение концентрации частиц нитрида бора в компози-
ционном покрытии более 16 мас. % разупрочняет матрицу вследствие снижения толщины
прослоек матрицы между частицами. При локальных динамических воздействиях, в про-
цессе скольжения по контртелу, прослойки матрицы разрушаются, частицы нитрида бора
выкрашиваются из покрытия, увеличивая степень его износа.

3. BY 6958 U 2011.02.28
3
Снижение концентрации бора в слое сплава никель-бор-азот менее 0,1 мас. %, приво-
дит к увеличению размеров зерен, снижению твердости слоя. Следствием этого является
выкрашивание частиц нитрида бора из композиционного покрытия и снижение его изно-
состойкости.
К подобному эффекту приводит и снижение концентрации азота в сплаве никель-бор-
азот. Снижение концентрации азота менее 0,02 мас. % приводит к распаду твердого рас-
твора бора в никеле, снижению твердости сплава, интенсификации контактного взаимо-
действия сплава никель-бор-азот с материалом контртела. Увеличение концентрации бора
в сплаве никель-бор-азот более 9 мас. % повышает хрупкость сплава, снижает его твер-
дость. Результатом этого является разрушение слоя сплава никель-бор-азот и снижение
износостойкости композиционного покрытия.
Повышение концентрации азота в сплаве никель-бор-азот более 1,5 мас. % приводит к
распаду твердого раствора бора в никеле, снижению твердости сплава, снижению прочно-
сти закрепления частиц нитрида бора в матрице. Следствие этого является снижение из-
носостойкости композиционного покрытия.
Пример. Композиционные покрытия наносили комплексным электрохимическим ме-
тодом на поверхность сегментов из стали 45 (40×30 мм), которые наклеивали по перифе-
рии диска диаметром 300 мм и таким образом формировали рабочую зону шириной 40 мм
инструмента формы 6А2. В качестве дисперсных порошков использовали порошки нит-
рида бора фракции 1/0.
В таблице представлены эксплуатационные характеристики покрытий. В качестве
контртела использовали пластину из сплава ВК-8 диаметром 10 мм, которую перемещали
по поверхности рабочей зоны со скоростью 0,25 м/мин. Частота осцилляции пластины по
рабочей зоне - 0,05 с-1
.
Влияние состава покрытия на его износостойкость
Состав композиционного покрытия (мас. %)
Состав сплава никель-бор-азотДвухслойная
матрица
Частицы BN
(частицы алмаза) В N Ni
Снижение массы
композиционного по-
крытия, г/дм2
×час.
99,96 0,04 0,1 0,02 99,88 0,360
92 8 4,5 0,7 94,8 0,210
84 16 9 1,5 89,5 0,280
99,9 0,1 9 1,5 89,5 0,320
99,9 0,1 4,5 0,7 94,8 0,250
99,9 0,1 0,1 0,02 99,88 0,300
99,98 0,02 0,1 0,02 99,88 0,630
83 17 0,1 0,02 99,88 1,110
99,9 0,1 0,08 0,02 99 0,690
99,9 0,1 0,1 0,01 98,99 0,520
99,9 0,1 10 1,5 88,5 1,250
99,9 0,1 10 1,6 88,4 2,620
Прототип 0,720
Данные, приведенные в таблице, показывают, что предлагаемое покрытие обладает
большей износостойкостью, чем известное (прототип).
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет повы-
сить износостойкость покрытия.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.