Защитное технологическое покрытие для бериллия

Изобретение относится к покрытиям для защиты от окисления при технологических нагревах в процессе получения высококачественных деталей и полуфабрикатов из бериллия. Технический результат изобретения заключается в создании защитного покрытия для бериллия, обладающего повышенной термостойкостью и температуроустойчивостью до 1100°С, а также пониженной вязкостью. Предложено защитное технологическое покрытие для бериллия следующего химического состава, мас.%: Al₂O₃ - 3-17; ВаО - 1-15; СаО - 0,5-5; MgO - 0,5-5; В₂O₃ - 5-10; Na₂O - 0,5-10; K₂O - 0,5-5; MgO·Cr₂O₃ - 0,5-1; SiB₄ - 1-5; SiO₂ - остальное. 3 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 бериллия при термической и термомеханической обработке давлением, применяемых в машиностроении и в народном хозяйстве.

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

SiO2	10-30
Al2О3	3-20
CaO	8-12
MgO	0,5-5
В2О3	3-12
Na2O	0,1-0,4
К2О	0,1-0,2
BaO	3-11
MoSi2	32-70

Патент РФ №2190584

Недостатком известного покрытия является высокое сцепление к защищаемым металлам, что затрудняет удаление покрытия с поверхности металла.

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

SiO2	40-75
Al2О3	6-18
CaO	4-11
MgO	1-4
В2O3	5-15
Na2O	0,5-1
К2О	0,3-3
BaO	5-10
Al2O3·3SiO2	2-7

Патент РФ №2151110

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

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

Al2O3	5-15
BaO	3-12
CaO	1-6
MgO	1-4
В2O3	14-45
Na2O	1-6
К2O	1-4
3СаО·Al2О3	0,1-0,5
2CaO·SiO2	0,1-0,5
SiO2	28-50

Патент РФ №2151111

Недостатком покрытия-прототипа является высокая вязкость, низкая термостойкость и температуроустойчивость покрытия при рабочих температурах до 1100°С.

Высокая вязкость покрытия сопровождается нежелательным взаимодействием покрытия с поверхностью бериллия, приводящим к снижению температуроустойчивости покрытия.

Низкая термостойкость покрытия приводит к трещинам и сколам покрытия и сопровождается нежелательным окислением бериллия.

Технической задачей изобретения является создание защитного покрытия для бериллия, обладающего повышенной термостойкостью и температуроустойчивостью до 1100°С, а также пониженной вязкостью.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено защитное покрытие для бериллия, включающее SiO₂, Al₂О₃, BaO, CaO, MgO, В₂О₃, Na₂O, К₂О, которое дополнительно содержит MgO·Cr₂O₃, SiB₄ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al2O3	3-17
BaO	1-15
CaO	0,5-5
MgO	0,5-5
В2O3	5-10
Na2O	0,5-10
K2O	0,5-5
MgO·Cr2O3	0,5-1
SiB4	1-5
SiO2	остальное

Авторами установлено, что введение MgO·Cr₂O₃ и SiB₄ в покрытие, а также регламентированное содержание и соотношение заявленных компонентов снизило вязкость покрытия, повысило термостойкость и температуроустойчивость до 1100°С.

Рентгеноструктурный анализ предлагаемого защитного покрытия показал, что в процессе технологических нагревов при прессовании и длительных нагревах на поверхности образуются температуроустойчивые керамические кристаллические фазы CaCrAlSiO₆, Al₂O₃·SiB₄, обеспечивающие снижение вязкости, повышение термостойкости и температуроустойчивости покрытия как при технологических нагревах, так и при длительной эксплуатации.

Примеры осуществления

Пример 1

Для приготовления шликера защитного покрытия компоненты покрытия в соответствующих мас.% (табл.1) Al₂О₃ - 3, ВаО - 1, СаО - 0,5, MgO - 0,5, В₂О₃ - 5, Na₂O - 0,5, К₂О - 0,5, MgO·Cr₂O₃ - 0,5, SiB₄ - 1,0, SiO₂ - 87,5, помещали в фарфоровый барабан с алундовыми шарами в соотношении 1:1,5, затем в барабан добавляли 150 мл водопроводной воды. Размол и перемешивание компонентов проводили в течение 36 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 бериллия. Вязкость шликера покрытия составляла 21 с, толщина покрытия 0,15 мм. Образцы с покрытием подвергали сушке при 20°С в течение 24 часов, затем проводили формирование покрытия при температуре 1000°С.

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

Составы предлагаемого защитного покрытия и покрытия-прототипа приведены в таблице 1, свойства покрытий представлены в таблицах 2, 3.

Образцы бериллия с предлагаемым защитным покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям на температуроустойчивость и термостойкость. Эффективность применения предлагаемого защитного покрытия определялась по полученным результатам в сравнении с защитным покрытием-прототипом.

Режим нагрева образцов с покрытием при температуре 850, 1000, 1100°С с выдержкой 7 часов соответствует технологическому режиму термомеханической обработки бериллия, режим - 850, 1000, 1100°С - 100 ч соответствует режиму работы бериллия в процессе длительной эксплуатации.

Окисляемость образцов с защитным технологическим покрытием определялась путем непрерывного взвешивания без извлечения образцов из печи при заданных температурах 850, 1000, 1100°С в течение 7 и 100 часов.

Термостойкость образцов с защитным покрытием определялась количеством циклов путем термоциклирования образцов по режиму 1: 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С, с выдержкой при заданных температурах 2 часа и по режиму 2: 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С, с выдержкой 10 часов, до появления первого дефекта на защитном покрытии. Режим 1 соответствует технологическим режимам термомеханической обработки заготовок из бериллия, режим 2 - режимам длительной эксплуатации деталей из бериллия.

Эффективность защитных покрытий как высокотемпературных смазок (вязкость) при горячей деформации бериллия определялась методом замера коэффициента трения при осадке образцов d-15 mm, h-20 мм на гидравлическом прессе мощностью 25 т со скоростью 80 мм/с. На деформированном образце замеряли величину двойного угла трения и определяли величину коэффициента трения по формуле μ=tgα.

Окисляемость бериллия с предлагаемым защитным покрытием при технологических нагревах при температурах 850°С, 1000°С, 1100°С с выдержкой 7 часов меньше в 10, 12, 15 раз соответственно по сравнению с покрытием-прототипом (таблица 2).

Окисляемость бериллия с предлагаемым покрытием при режимах нагрева соответствующих длительной эксплуатации при температурах 850°С, 1000°С, 1100°С с выдержкой в течение 100 часов меньше в 12, 16, 21 раз по сравнению с покрытием-прототипом (таблица 2).

Коэффициент трения с предлагаемым покрытием при температурах нагрева 850°С, 1000°С, 1100°С меньше в 3, 5, 6 раз по сравнению с покрытием-прототипом (таблица 2).

Термостойкость образцов бериллия с предлагаемым покрытием, испытанных по режимам 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С при выдержке в течение 2 часов, соответственно в 5, 5, 10 раз выше по сравнению с защитным покрытием-прототипом (таблица 3).

Термостойкость образцов бериллия с предлагаемым защитным покрытием, испытанных по режимам 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С при выдержке в течение 10 часов, соответственно в 33, 50, 100 раз выше по сравнению с защитным покрытием-прототипом (таблица 3).

Следовательно, предлагаемое защитное технологическое покрытие обеспечивает защиту бериллия от окисления при технологических нагревах и в процессе длительной эксплуатации до 1100°С, является инертным и обладает низким коэффициентом трения.

Применение предлагаемого защитного покрытия позволит получить качественную поверхность деталей при нагревах в обычных печах вместо печей с контролируемой атмосферой, обеспечить стабильные механические свойства, снизить трудоемкость и энергоемкость производства деталей и полуфабрикатов, получить экономию металла и увеличить ресурс эксплуатации в 2-3 раза.

Таблица 1
Номера составов покрытий	Компоненты, мас.%
Al2O3	BaO	CaO	MgO	В2O3	Na2O	К2О	MgO·Cr2O3	SiB4	SiO2	2CaO·SiO2	3СаО·Al2О3
Предлагаемые
1	3	1	0,5	0,5	5	0,5	0,5	0,5	1,0	ост.	-	-
2	10	10	3	3,5	5	5	2,5	0,75	2,5	ост.	-	-
3	17	15	5	5	10	10	5	1,0	5,0	ост.	-	-
Прототип 4	5	12	6	1	45	1	1	-	-	28	0,5	0,5

Таблица 2
Номера составов покрытий	Окисляемость бериллия с покрытием	Коэффициент трения
	Температура нагрева °C
выдержка 5 час	выдержка 100 час
	850	1000	1100	850	1000	1100	850	1000	1100
	Убыль массы, г/м2
Предлагаемые составы
1	0,01	0,08	0,1	0,1	0,8	1,8	0,05	0,1	0,15
2	0,01	0,08	0,1	0,1	0,8	1,8	0,05	0,1	0,15
3	0,01	0,08	0,1	0,1	0,8	1,8	0,05	0,1	0,15
Прототип 4	0,1	0,96	1,5	1,2	28,8	37,8	0,15	0,5	0,9
Таблица 3
Номера составов покрытий	Термостойкость образцов бериллия с покрытием	Внешний вид покрытия после испытания и охлаждения-воздух
	Режим испытания 20°↔Т°С
выдержка 2 час	выдержка 10 час
	850		1000	1100	850	1000	1100
Количество теплосмен
Предлагаемые составы
1	10	10	10	100	100	100	покрытие без дефектов
2	10	10	10	100	100	100	покрытие без дефектов
3	10	10	10	100	100	100	без изменения внешнего вида
Прототип 4	2	2	1	3	2	1	Трещина на покрытии

Защитное покрытие для бериллия, включающее SiO₂, Al₂О₃, BaO, CaO, MgO, В₂О₃, Na₂O, K₂O, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит MgO·Cr₂O₃, SiB₄ при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al₂О₃ 3-17; ВаО 1-15; CaO 0,5-5; MgO 0,5-5; В₂O₃ 5-10; Na₂O 0,5-10; K₂O 0,5-5; MgO·Cr₂O₃ 0,5-1; SiB₄ 1-5; SiO₂ остальное.