Защитное технологическое покрытие для сталей и сплавов

Изобретение относится к защитным технологическим покрытиям для защиты сталей и сплавов от окисления при технологических нагревах и при термомеханической обработке давлением в процессе получения деталей. Технический результат изобретения заключается в понижении сцепления покрытия к сталям и сплавам и повышении температуроустойчивости до 1100°С. Защитное технологическое покрытие для сталей и сплавов содержит, мас.%: SiO₂ - 23-55; MgO - 6,5-20; Na₂O - 0,5-6,5; 3СаО·Al₂О₃ - 1,5-8,0; MgO·ZrO₂ - 0,5-2,5; Al₂O₃·MgO - 1-1,5; Al₂О₃ - остальное. 2 табл.

 

Изобретение относится к технике производства силикатных материалов, которые могут быть использованы как защитные покрытия от окисления при технологических нагревах в процессе получения высококачественных деталей и полуфабрикатов из сталей и сплавов при термической и термомеханической обработке давлением в машиностроении и в народном хозяйстве.

Известно защитное покрытие для композиционных материалов следующего химического состава, мас.%:

SiO2	10-30
Al2O3	3-20
CaO	8-12
MgO	0,5-5
В2O3	3-12
Na2O	0,1-0,4
K2O	0,1-0,2
ВаО	3-11
MoSi2	32-70

Патент РФ №2190584

Недостатком известного покрытия является высокое сцепление к защищаемым металлам.

Известно также защитное покрытие для сталей и сплавов следующего химического состава, мас.%:

SiO2	40-75
Al2O3	6-18
CaO	4-11
MgO	1-4
В2O3	5-15
Na2O	0,5-1
K2O	0,3-3
ВаО	5-10
Al2O3·3SiO2	2-7

Патент РФ №2151110

Недостатком известного покрытия является высокое сцепление с металлической подложкой и низкая вязкость покрытия.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является защитное покрытие преимущественно для титановых сплавов следующего химического состава, мас.%:

SiO2	28-50
MgO	1-4
Na2O	1-6
3СаО·Al2О3	0,1-0,5
Al2О3	5-15
ВаО	3-12
CaO	1-6
В2O3	14-45
K2O	1-4
2CaO·SiO2	0,1-0,5

Патент РФ №2151111

Недостатком прототипа является высокое сцепление защитного технологического покрытия к поверхности стальных деталей и заготовок после проведения термической обработки и низкая вязкость покрытий при рабочих температурах до 1100°С. При изготовлении готовых деталей оставшееся защитное технологическое покрытие вследствие высокого сцепления к поверхности заготовок необходимо удалить механической или химической обработкой. Низкая вязкость покрытия сопровождается нежелательным взаимодействием покрытия с поверхностью образца конструкционной стали.

Технической задачей изобретения является создание защитного технологического покрытия, обладающего пониженным сцеплением к сталям и сплавам и повышенной температуроустойчивостью до 1100°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено защитное технологическое покрытие для сталей и сплавов, включающее SiO₂, MgO, Na₂O, 3СаО·Al₂O₃, Al₂О₃, которое дополнительно содержит MgO·ZrO₂, Al₂O₃·MgO при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	23-55
MgO	6,5-20
Na2O	0,5-6,5
3СаО·Al2О3	1,5-8,0
MgO·ZrO2	0,5-2,5
Al2O3·MgO	1-1,5
Al2O3	остальное

Авторами экспериментально установлено, что введение MgO·ZrO₂ и Al₂O₃·MgO в покрытие, а также регламентированное содержание и соотношение заявленных компонентов снизило сцепление покрытия с поверхностью деталей и заготовок из сталей и сплавов, например, ВКС12, 30ХГСНА,ВТ6 и повысило температуроустойчивость покрытия до 1100°С.

Рентгеноструктурный анализ предлагаемого защитного покрытия показал, что в процессе технологических нагревов на поверхности образуются температуроустойчивые, керамические, кристаллические фазы 2Al₂O₃·MgO и CaO·2MgO, обеспечивающие снижение сцепления покрытия с поверхностью деталей и заготовок и повышение температуроустойчивости покрытия до 1100°С.

Примеры осуществления

Пример 1.

Для приготовления шликера защитного покрытия компоненты покрытия в соответствующих мас.%: SiO₂ - 23, MgO - 20, Na₂O - 6,5, 3СаО·Al₂О₃ - 8, MgO·ZrO₂ - 0,5, Al₂O₃·MgO - 1, Al₂O₃ - 41, помещали в фарфоровый барабан с алундовыми шарами в соотношении 1:1,5, затем в барабан добавляли 100 мл водопроводной воды. Размол и перемешивание компонентов проводили в течение 24 часов на шаровой мельнице. Готовый шликер покрытия выгружали в полиэтиленовую емкость, проводили старение шликера, затем замеряли вязкость шликера вискозиметром В3246 и из краскораспылителя наносили на образцы сталей ВКС12, ЗОХГСНА и сплава ВТ6. Вязкость шликера покрытия составляла 19 с, толщина покрытия 0,5 мм. Образцы с покрытием подвергали сушке при 20°С и затем проводили термическую обработку.

Примеры 2, 3, 4 получения защитных покрытий осуществляли аналогично примеру 1.

Составы предлагаемых защитных покрытий и их свойства приведены в таблицах 1, 2.

Сцепление предлагаемого защитного покрытия к поверхности сталей ВКС12, ЗОХГСНА и сплава ВТ6 определялось по площади скола в% и по внешнему виду образцов после проведения технологических нагревов.

Вязкость покрытия определялась методом вдавливания иглы в покрытие под нагрузкой 5 г при постепенном нагревании образца с покрытием. Подъем температуры в печи осуществлялся 5°С в минуту.

По глубине проникновения иглы в покрытие по диаграмме вязкости рассчитывалась вязкость покрытия.

Из таблицы 2 видно, что окисляемость сталей ВКС12, 30ХГСНА и ВТ6 с предлагаемым покрытием при температурах 850°С, 1100°С меньше в 10 и 27 раз соответственно, на стали ВКС12, на стали ЗОХГСНА в 20 и 30 раз, на сплаве ВТ6 в 3, 5 и 4, 2 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Вязкость предлагаемого покрытия при температурах 850°С, 1100°С в 2 раза выше по сравнению с покрытием-прототипом. Площадь скола защитного покрытия с поверхности образцов после технологических нагревов и охлаждения составляет 100%.

Таким образом предлагаемое покрытие обеспечивает защиту конструкционных сталей и титановых сплавов от окисления при длительных нагревах до 1100°С и обладает низким сцеплением к поверхности защищаемых сталей и сплавов.

Применение предлагаемого защитного технологического покрытия позволит получить качественную поверхность металлических деталей и заготовок при нагревах в обычных печах вместо печей с контролируемой атмосферой, обеспечить стабильные механические свойства, снизить трудоемкость и энергоемкость производства деталей и полуфабрикатов.

Таблица №1
Номера составов покрытий	Компоненты, мас.%
SiO2	MgO	Na2O	3СаО·Al2O3	MgO·ZrO2	Al2O3·MgO	2CaO·SiO2	K2O	BaO	В2O3	CaO	Al2О3
Предлагаемое
1	23	20	6,5	8	0,5	1	-	-	-	-	-	ост.
2	55	6,5	0,5	1,5	2,5	1,5	-	-	-	-	-	"-"
3	30	10	5	5	1,75	0,75	-	-	-	-	-	"-"
							-	-	-	-		"-"
Прототип	28	1	1	0,5	-	-	0,5	1	12	45	6	5

Таблица №2
Номера составов покрытий	Окисляемость сталей ВКС12, 30ХГСНА, г/см2	Сцепление покрытия после нагрева, охлаждения воздуха, площадь скола%	Внешний вид покрытия после испытания и охлаждения воздуха	Вязкость покрытия η(пуаз)
	Температура нагрева при выдержке 5 часов, °С
850	400	850	1100	850	1100	850	1100
Предлагаемое покрытие на сталь ВКС12
1	0,2	0,3	100	100	Покрытие скололось Поверхность без следов окисления	108	106
2	0,2	0,3	100	100		108	106
3	0,2	0,3	100	100	108	106
Предлагаемое покрытие на сталь 30ХГСНА
1	0,1	0,2	100	100	Покрытие скололось. Поверхность без следов окисления	108	106
2	0,1	0,2	100	100		108	106
3	0,1	0,2	100	100	108	106
Предлагаемое покрытие на сплав ВТ6
1	0,2	0,6	100	100	Покрытие скололось. Поверхность без следов окисления	108	108
2	0,2	0,6	100	100		108	108
3	0,2	0,6	100	100	108	108
Покрытие-прототип на сталь ВКС 12	2	8	0	0	Покрытие не скалывается. Под покрытием окалина.	104	103
Покрытие-прототип на сталь 30ХГСНА	2	6	0	0	Покрытие не скалывается. Под покрытием окалина.	104	103
Покрытие-прототип на сплав ВТ6	0,7	1,4	0	0	Покрытие не скалывается. Под покрытием окалина.	104	103

Защитное технологическое покрытие для сталей и сплавов, включающее SiO₂, MgO, Na₂O, 3СаО·Al₂О₃, Al₂O₃, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит MgO·ZrO₂, Al₂O₃·MgO при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ - 23-55; MgO - 6,5-20; Na₂O - 0,5-6,5; 3СаО·Al₂O₃ - 1,5-8,0; MgO·ZrO₂ - 0,5-2,5; Al₂O₃·MgO - 1-1,5; Al₂О₃ - остальное.