Cамофлюсующийся порошок

Самофлюсующийся порошок — это порошкообразный сплав на основе никеля, кобальта, меди или железа, легированный бором и кремнием, предназначенный для создания износостойких, коррозионностойких и жаростойких покрытий методами газотермического напыления и наплавки.

Почему порошок называется «самофлюсующимся»

Название отражает ключевую особенность этих материалов: бор и кремний в составе сплава при нагреве образуют легкоплавкие боросиликатные шлаки прямо в процессе оплавления покрытия. Эти шлаки выполняют сразу три функции: защищают расплав от окисления, активируют поверхность подложки и повышают жидкотекучесть расплава. Отдельный флюс не требуется — отсюда и название.

Твёрдость и износостойкость покрытию обеспечивают бориды хрома и комплексные карбобориды хрома, равномерно распределённые в никелевой или кобальтовой матрице. Эти тугоплавкие соединения при нагреве не растворяются полностью, а постепенно усваиваются расплавом, что и определяет широкий интервал плавления — характерную особенность самофлюсующихся сплавов.

Порошки производятся газовым распылением расплава: расплавленный сплав дробится струёй инертного газа, образуя частицы преимущественно сферической формы со структурой литого состояния. Полидисперсный материал после распыления рассеивается на узкие фракции для конкретных технологий нанесения.

Влияние легирующих элементов на свойства покрытия

Понимание этих зависимостей необходимо для правильного выбора марки под конкретное техническое задание.

• Хром (Cr): образует бориды (CrB, Cr₂B) и карбобориды (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆), повышая твёрдость и износостойкость. Также обеспечивает окалиностойкость покрытия.
• Бор (B) и кремний (Si): снижают начальную температуру плавления сплава и расширяют интервал плавления ΔТ. Повышение их содержания улучшает жидкотекучесть расплава при оплавлении, но также снижает ударную вязкость покрытия.
• Углерод (C): увеличивает твёрдость за счёт дополнительного образования карбидов хрома. При высоком содержании формируется более прочный карбид Cr₇C₃.
• Железо (Fe): при введении в никелевую основу снижает твёрдость и жидкотекучесть покрытия по сравнению с чистой никелевой матрицей. Сплавы на железной основе не устойчивы к кислотной коррозии.
• Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W): вводятся как карбидообразующие добавки в ряде специализированных марок для повышения твёрдости и жаростойкости.

Общая закономерность: рост содержания Cr, C, B, Si одновременно повышает твёрдость и износостойкость, но снижает ударную вязкость покрытия. Выбор марки всегда компромисс между твёрдостью и стойкостью к ударным нагрузкам.

Системы самофлюсующихся сплавов и области применения

Никелевые сплавы Ni-Cr-B-Si

Наиболее широко применяемая группа. Основа — никель, легирующие элементы — хром, бор, кремний, в ряде марок углерод. Охватывает широкий диапазон твёрдости покрытий: от мягких, хорошо обрабатываемых (20–30 HRC) до высокотвёрдых (55–65 HRC). Типичные марки по ГОСТ 28377-89: ПР-НХ15СР2, ПР-НХ17СР4, ПР-НХ16СР3 и другие в той же системе обозначений; по ГОСТ 21448-75 — ПГ-10Н-01, ПГ-12Н-01.

Покрытия стойки к механическому износу трением, к абразивному изнашиванию (у высокотвёрдых марок), к окислению до 850 °C, к коррозии в пресной и морской воде, солевых и щелочных растворах, нефтесодержащих средах, аммиаке. Наносятся преимущественно на стальные и чугунные детали.

Типичные объекты применения: валки прокатных станов, рольганги, детали насосов и трубопроводов для перекачки пульп и агрессивных жидкостей, пресс-формы и шейки валов в стекольном и керамическом производстве, запорная арматура, буровая техника, опоры скольжения.

Никель-медные сплавы Ni-Cu-B-Si

Основа — никель с высоким содержанием меди (до 40–42%). Пониженная твёрдость покрытия (до 215 HB), высокая ударостойкость. Хорошо смачивают чугун, теплоустойчивы, стойки к расплавам стекла. Применяются преимущественно для нанесения на чугунные детали — пресс-формы, компоненты стеклоформующих машин.

Медные (бронзовые) самофлюсующиеся сплавы

Основа — медь, в различных марках с добавками олова, никеля, бора, кремния. Наносятся на медные изделия и медные сплавы. Применяются также при соединении меди со сталью — для получения биметаллических покрытий.

Сплавы на основе железа

Высоколегированные железные сплавы с добавками хрома, никеля, марганца, бора, кремния. Основное достоинство — высокая стойкость к гидроабразивному износу (работа в водоабразивных средах: шламы, пульпы, гидросмеси). Применяются в горнодобывающей отрасли, строительстве дорог, сельскохозяйственной технике, металлургии. Не следует применять там, где покрытие контактирует с кислотами.

Кобальтовые сплавы Co-Cr-B-Si

Сплавы на кобальтовой основе предназначены для покрытий, работающих при высоких температурах и повышенных нагрузках. Стойки к абразивному изнашиванию в диапазоне рабочих температур 540–840 °C, устойчивы к фреттинг-коррозии. Применяются на деталях энергетического оборудования, лопатках турбин, уплотнениях, клапанах.

Технологии нанесения и пористость покрытий

Самофлюсующиеся порошки применяются в двух принципиально разных режимах: напыление без оплавления и напыление с последующим оплавлением (или наплавка).

При газопламенном напылении без оплавления пористость покрытия достигает 15–20%, прочность сцепления с подложкой относительно невысока. Такое покрытие используется там, где не требуется максимальная плотность.

При газопламенном напылении с оплавлением (или при плазменной, газопорошковой, индукционной наплавке) покрытие нагревают до температуры оплавления — 1000–1200 °C. При этом боросиликатный шлак всплывает, пористость снижается до 1–3%, прочность покрытия возрастает в 5–10 раз, формируется диффузионный переходный слой между покрытием и подложкой, обеспечивающий металлургическое сцепление.

При плазменном напылении без оплавления пористость составляет 10–12%. Плазменная технология позволяет работать с более тугоплавкими составами и обеспечивает лучшее качество по сравнению с газопламенным напылением без оплавления.

Детонационное напыление даёт покрытия с пористостью до 1% за счёт высокой скорости частиц, без последующего оплавления.

Оптимальная температура оплавления — вблизи пика плавления ТП (температура максимального изменения теплосодержания по кривой DTA). При достижении ТП покрытие уплотняется, пористость исчезает и формируется диффузионный слой необходимой толщины.

Гранулометрический состав

Размер частиц определяет пригодность порошка для конкретной технологии нанесения. Слишком крупные частицы не успевают прогреться в факеле горелки, слишком мелкие — сгорают или уносятся потоком газа.

Технология нанесения	Диапазон фракций, мкм
Газопламенное напыление с оплавлением, лазерная наплавка, электроискровое напыление	15–45; 20–63; 40–100; 45–106; 45–125
Плазменная наплавка, газопорошковая наплавка, индукционная наплавка	63–200; 80–160; 100–280; 160–280; 280–400

Конкретную фракцию выбирают совместно с технологом, исходя из применяемого оборудования и требований к покрытию. По согласованию возможно изготовление порошков других гранулометрических составов.

Нормативная база и маркировка

Основные действующие стандарты на порошки для газотермического напыления и наплавки:

• ГОСТ 28377-89 — классификация и обозначение порошков металлов и сплавов для газотермического напыления и наплавки. Устанавливает систему буквенно-цифровых обозначений: «ПР» — распылённый порошок, далее химические элементы в составе. Например: ПР-НХ16СР2 — порошок распылённый, никелевый с хромом (16%), кремнием и бором (2%).
• ГОСТ 21448-75 — технические условия на порошки из сплавов для наплавки серии ПГ. Определяет химический состав, гранулометрию, влажность и форму частиц.
• ГОСТ 28844-90 — общие требования к газотермическим упрочняющим и восстанавливающим покрытиям; устанавливает систему обозначения покрытий в конструкторской документации.

Среди часто применяемых марок: ПР-НХ15СР2, ПР-НХ17СР4, ПР-НХ16СР3, ПР-НХ7С4Р3, ПГ-10Н-01, ПГ-12Н-01, ПГ-Ж14 и другие. Правильный выбор марки требует сравнения химического состава, твёрдости и температуры плавления — эти данные приведены в паспорте на каждую партию порошка.

Смежные материалы для износостойких покрытий: порошок ПР-НХ10С3Р2 и порошок вольфрам-кобальт для композиционных наплавочных смесей.

Формы поставки

Самофлюсующийся порошок поставляется в герметичной таре (металлические банки, пластиковые контейнеры или запаянные пакеты) с указанием марки, партии и гранулометрического состава. К каждой партии прилагается паспорт с результатами контроля химического и гранулометрического состава. При заказе необходимо указать марку порошка и требуемую фракцию.