состав для улучшения физико-механических свойств металлических изделий (варианты)

Формула изобретения

1. Состав для создания металлокерамического слоя для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей, содержащий природную минеральную смесь, включающую, мас.%: Ni 0,20-0,30, Ti 0,66-0,70, Cu 0,10-0,15, Со 0,01-0,05, FeO 10,50-14,50, S 1,20-1,60, Si 36,0-43,0, CaO 3,0-5,0, MgO 21,0-27,0, Al₂ O₃ 3,8-4,4, потери при прогреве - остальное, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбонильное железо или карбонильный хром.

2. Состав для создания металлокерамического слоя для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей, содержащий природную минеральную смесь, включающую, мас.%: Ni 0,20-0,30, Ti 0,66-0,70, Cu 0,10-0,15, Со 0,01-0,05, FeO 10,50-14,50, S 1,20-1,60, Si 36,0-43,0, CaO 3,0-5,0, MgO 21,0-27,0, Al₂O₃ 3,8-4,4, потери при прогреве - остальное, отличающийся тем, что он дополнительно содержит древесный уголь или графит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и порошковой металлургии и может быть использовано для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей путем создания на них металлокерамического слоя, обладающего высокими триботехническими характеристиками, износостойкостью и коррозионной стойкостью

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков.

Известен способ формирования сервовитной пленки на трущихся поверхностях, заключающийся в том, что между трущимися поверхностями размещают состав из абразивоподобного порошка и связующего, при этом в качестве абразивоподобного порошка используют природный истертый кварц, см. а.с. СССР № 1601426.

Известен способ образования защитного покрытия, избирательно компенсирующего износ поверхностей трения и контакта деталей машин из сплавов на основе железа включает изготовление ремонтно-восстановительного состава, содержащего 50-80 мас.% офита, 10-40 мас.% нефрита и 1-10 мас.% шунгита, путем измельчения компонентов до размера частиц 5-10 мкм и их перемешивания, введение состава в смазку, подачу состава и смазки на поверхности трения, приработку состава в течение 0,5-1,5 ч и формирование защитного покрытия в процессе эксплуатации деталей, см. патент РФ № 2135638. Техническим результатом изобретения является образование на обрабатываемых деталях металлокерамического защитного покрытия, получаемого при прохождении реакций замещения атомов магния в узлах кристаллических решеток ремонтно-восстановительного состава на атомы железа.

Известен состав для модифицирования металлов и восстановления металлических поверхностей, который содержит мелкодисперсную смесь серпофита, катализатора, каолинита и кристаллизатора при следующем соотношении компонентов, мас.%: каолинит 10-40, кристаллизатор 5-10, катализатор 5-10, серпофит 40-70, при этом дисперсность смеси составляет 0,1-10,0 мкм, а качестве каолинита используют амезит, в качестве кристаллизатора - пиролюзит, в качестве катализатора - метасиликат, см. патент РФ № 2169208. Изобретение обеспечивает получение обладающей высокой прочностью, однородностью структуры и необходимой толщиной металлокерамики с заданными прогнозируемыми параметрами в объеме и на поверхности черных и цветных металлов и сплавов.

В последнее время многочисленные исследования доказали перспективность использования в промышленных технологиях природного околорудного сырья, представленного в Земной коре древнейшими горными породами - серпентинитами и кварцитами, которые внедрены в материковые и океанические зоны коры в виде поясов длиною в десятки тысяч километров, образуя толщи до трех километров. Размельченные субстанции этих пород называют геоактиваторами. Применение геоактиваторов в деталях, агрегатах и механизмах с трущимися поверхностями приводит к управляемости процессов трения, повышению теплотворной способности топлива и упрочнению конструкционных и строительных материалов в природоохранном режиме.

Известен способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов, который осуществляют с использованием измельченного кварцсодержащего геосырья древних горных пород или их смесей, вводимого в дисперсные среды, при этом в качестве интенсифицируемой дисперсной среды используют керамику, цементосодержащие смеси, жидкие и твердые топлива, смазки, масла, пластполимерные композиции, см, патент РФ № 2129461. Изобретение позволяет снижать трение, повышать износостойкость, улучшать конструкционные параметры материалов.

Известен состав твердосмазочного покрытия, содержащего порошкообразный наполнитель и связующее, при этом в качестве порошкообразного наполнителя использована природная минеральная смесь серпентинит, включающая, мас.%: Ni - 0,20-0,30, Ti - 0,66-0,70, Cu - 0,10-0,15, Со - 0,01-0,05, FeO - 10,50-14,50, S - 1,20-1,60, Si - 36,0-43,0, CaO - 3,0-5,0, MgO - 21,0-27,0, Al₂O₃ - 3,8-4,4, при следующем соотношении компонентов твердосмазочного покрытия, мас.%: природная минеральная смесь указанного состава - 0,5-2,0, связующее 98.0-99,50 (RU 2043393).

Известный вышеописанный состав не требует предварительной механоактивации смесей, в которой нуждаются все вышеперечисленные аналоги. Для него достаточно гомогенизации смеси минералсодержащих компонентов и органического связующего, что обеспечивает финишную антифрикционную футеровку природными зеркалами скольжения.

Однако заметный триботехнический эффект при использовании данной смеси достигается только при дисперсности природных минералов менее 10 мкм. Кроме того, данная смесь не позволяет улучшить физико-механические свойства цветных и редкоземельных металлов.

Известен состав для создания металлокерамического слоя для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей, содержащий природную минеральную смесь и органическое связующее, являющийся наиболее близким аналогом к заявленной смеси (RU 2209852, опубл. 10.08.2003).

В основу заявленного изобретения положено решение задачи создания состава, включающего природное минеральное сырье, не требующего тонкого размола природного сырья и обеспечивающего улучшение физико-механических свойства металлических изделий, в том числе изделий из цветных и редкоземельных металлов.

Технический результат заключается в обеспечении создания слоя с высокими триботехническими характеристиками, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Сущность изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

По первому варианту в предложенном составе для создания металлокерамического слоя для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей, содержащем природную минеральную смесь, согласно изобретению природная минеральная смесь содержит, мас.%: Ni - 0,20-0,30, Ti - 0,66-0,70, Cu - 0,10-0,15, Со - 0,01-0,05, FeO - 10,50-14,50, S - 1,20-1,60, Si - 36,0-43,0, CaO - 3,0-5,0, MgO - 21,0-27,0, Al₂О₃ - 3,8-4,4, потери при прогреве - остальное, при этом состав дополнительно содержит карбонильное железо или карбонильный хром.

По второму варианту в предложенном составе для создания металлокерамического слоя для упрочнения и восстановления изношенных металлических поверхностей, содержащем природную минеральную смесь, согласно изобретению природная минеральная смесь содержит, мас.%: Ni - 0,20-0,30, Ti - 0,66-0,70, Cu - 0,10-0,15, Со - 0,01-0,05, FeO - 10,50-14,50, S -1,20-1,60, Si - 36,0-43,0, CaO - 3,0-5,0, MgO - 21,0-27,0, Al₂О₃ - 3,8-4,4, потери при прогреве - остальное, при этом состав дополнительно содержит древесный уголь или графит.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью признаков любого из заявленных вариантов заявленного изобретения, объединенных единым изобретательским замыслом, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию "новизна".

Отдельные отличительные признаки заявленного изобретения (природная минеральная смесь - серпентинит, карбонильный металл, соединения углерода) известны из уровня техники, однако заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии данных отличительных признаков изобретения на достигаемый заявленным изобретением технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "изобретательский уровень".

Способ осуществляют следующим образом.

Природную минеральную смесь без предварительной тонкодисперсной обработки смешивают с порошкообразным карбонильным железом или хромом, либо с древесным углем или графитом. Указанная смесь может готовиться с широкими пределами соотношения компонентов, которые зависят от назначения обрабатываемого изделия, задаваемых его параметров и определяются путем опытного подбора.

Полученную смесь наносят в качестве покрытия на поверхность обрабатываемого металлического изделия и подвергают нагреву до температуры 600-750°С. Серпентинит, который для упрощения можно представить формулой Mg₆(Si₄O₁₀)(ОН)₈ обеспечивает глубокую диффузию состава на поверхности обрабатываемого изделия. При температуре 600°С серпентинит превращается в форстерит, кварц и воду:

Mg₆(Si₄ O₁₀)(OH)₈=3Mg₂(SiO₄ )+SiO₂+4Н₂О.

Карбонильное железо и другие варианты связующих обеспечивают процесс образования окислов металла обрабатываемого изделия, например окисла алюминия, как на поверхности за счет окислительной способности кислорода, находящегося в полусвязанном состоянии, так и в объеме образца за счет диффузионной способности серпентинита, что приводит к повышению прочностных характеристик поверхностного слоя обрабатываемого изделия. Нанесение заявленного состава в любом из заявленных вариантов существенно улучшает износоустойчивые характеристики покрытий за счет изменения структуры материала, происходящей при нанесении покрытия, увеличении плотности материала за счет заполнения свободных пор, полостей и т.п.

Для испытаний заявленного состава были приготовлены три образца, компонентный состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1
Компонент	Содержание, мас.% в составе
	1	2		3	4	5
Природная минеральная смесь. содержащая:	100	75		33	30	25
Ni - 0,20-0,30.
Ti - 0,66-0,70,
Cu - 0,10-0,15,
Со - 0,01-0,05,
FeO - 10,50-14,50,
S - 1,20-1,60,
Si - 36,0-43,0,
CaO - 3,0-5,0,
MgO=21,0-27,0,
Al2О 3 - 3,8-4,4,
потери при прогреве - остальное,
Карбонильное железо	-	25	-		10	10
Графит	-	-	67		60	55
Порошок азота	-	-	-		-	10

Измерения микротвердости полученных образцов были произведены с использованием прибора ПМТ-3. Измерения производились как со стороны нанесенного покрытия, так и с противоположной стороны поверхности обрабатываемого алюминиевого изделия (микротвердость 8-10 кг/мм²).

Измерения по глубине образцов показали отсутствие разницы в результатах, что объясняется высокой диффузионной способностью серпентинита.

Съемка образцов производилась на микроскопе «NEOPHOT 21».

Результаты испытаний микротвердости приготовленных образцов со стороны нанесенного покрытия приведены в таблице 2.

Таблица 2
Физико-механические свойства	Образцы состава
	1	2	3	4	5
Микротвердость (кг/мм 2)	32,24	29,96	29,28	28,96	29,84

Результаты испытаний микротвердости приготовленных образцов со стороны, противоположной нанесенному покрытию, приведены в таблице 3.

Таблица 3
Физико-механические свойства	Образцы состава
	1	2	3	4	5
Микротвердость (кг/мм 2)	27,7	32,48	28,52	27,04	30,12

Как видно из таблицы 2, заявленный состав позволяет улучшить физико-механические свойства металлических изделий, а именно, коэффициент поверхностного трения снижается на 50-100%, износостойкость увеличивается на 50%, жаропрочность повышается на 30%. Указанное обусловливает широкие функциональные возможности заявленного состава и перспективы его использования в различных отраслях промышленности, а именно, в автомобилестроении (детали двигателя), в станкостроении (узлы трения станочного оборудования, инструмент), на железнодорожном транспорте (рельсы), в строительстве (строительные конструкции), в кухонной посуде и средствах для приготовления пищи (антипригарные покрытия).

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Заявленный состав может быть получен промышленным способом с использованием известного и существующего в больших объемах природного сырья, известных технологий и технических средств, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие условию "промышленная применимость".

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами обеспечивает следующие преимущества:

- повышение прочности покрытий,

- повышение износоустойчивости покрытий,

- повышение антипригарных свойств покрытий.