Защитное покрытие для сталей и сплавов
Изобретение относится к защитным покрытиям для сталей и сплавов от окисления при технологических нагревах. Технический результат изобретения заключается в уменьшении сцепления покрытия к сталям и увеличении вязкости покрытия при сохранении температуроустойчивости до 1150°C. Защитное покрытие содержит следующие компоненты, мас. %: SiO2 - 23-55, MgO - 6,5-20, Na2O - 0,5-6,5, 3СаО·Al2O3 - 1,5-8,0, BaO·Al2O3· SiO2 - 1,5-4,0, Al2O3- остальное. 2 табл.
Изобретение относится к покрытиям для защиты от окисления при технологических нагревах в процессе получения высококачественных деталей и полуфабрикатов из сталей и сплавов при термической и термомеханической обработке заготовок.
Известно защитное покрытие для сталей и сплавов (см Патент РФ №2151110, МПК C03C 8/02, от 18.01.1999) следующего химического состава, масс.%:
SiO2 | 40 | - | 75 |
Al2O3 | 6 | - | 18 |
СаО | 4 | - | 11 |
MgO | 1 | - | 4 |
B2O3 | 5 | - | 15 |
Na2O | 0,5 | - | 1 |
K2O | 0,3 | - | 3 |
BaO | 5 | - | 10 |
Al2O3·3SiO2 | 2 | - | 7 |
Недостатком известного покрытия является высокое сцепление с металлической подложкой и низкая вязкость покрытия.
Известно защитное покрытие для композиционных материалов (см. Патент РФ №2190584, МПК С04В 41/86 от 28.11.2000 г) следующего химического состава, масс.%:
SiO2 | 10 | - | 30 |
Al2O3 | 3 | - | 20 |
СаО | 8 | - | 12 |
MgO | 0,5 | - | 5 |
B2O3 | 3 | - | 12 |
Na2O | 0,1 | - | 0,4 |
K2O | 0,11 | - | 0,2 |
BaO | 3 | - | 11 |
SiB4 | 0,5 | 5 | |
MoSi2 | 32 | - | 70 |
Недостатком известного покрытия является высокое сцепление с защищаемым металлом.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является защитное покрытие преимущественно для титановых сплавов (см. Патент РФ №2312827, МПК C03C 8/02 от 26.06.2006 г.) следующего химического состава, масс.%:
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 |
Al2O3 | Остальное |
Недостатком прототипа является высокое сцепление защитного технологического покрытия к поверхности стальных и титановых деталей и заготовок после проведения термической обработки и низкая вязкость покрытий при рабочих температурах до 1100°C. При изготовлении окончательно готовых деталей оставшееся защитное технологическое покрытие вследствие высокого сцепления с поверхностью заготовок, после проведении термической обработки и охлаждения необходимо обязательно удалить механической или химической обработкой.
Технической задачей изобретения является создание защитного технологического покрытия, обладающего пониженным сцеплением к сталям и сплавам и повышенной вязкостью покрытия при сохранении температуроустойчивости до 1150°C.
Решение задачи достигается тем, что предложено защитное покрытие, включающее SiO2, Al2O3, MgO, Na2O, 3СаО·Al2O3, которое дополнительно содержит ВаО-Al2O3-SiO2 при следующем соотношении компонентов, масс.%:
BaOAl2O3SiO2 | 1,5 | - | 4,0 |
SiO2 | 23 | - | 55 |
MgO | 6,5 | - | 20 |
Na2O | 0,5 | - | 6,5 |
3СаО·Al2O3 | 1,5 | - | 8,0 |
Al2O3 | остальное |
Экспериментально установлено, что введение ВаО-Al2O3·SiO2 в покрытие, а также регламентированное содержание и соотношение заявленных компонентов снизило сцепление покрытия с поверхностью деталей и заготовок из сталей и сплавов, например ВКС10, 30ХГСНА, и повысило температуроустойчивость до 1150°C.
Рентгеноструктурный анализ предлагаемого защитного покрытия показал, что в процессе технологических нагревов на поверхности образуются температуроустойчивые керамические кристаллические фазы, обеспечивающие снижение сцепления покрытия с поверхностью деталей и заготовок и повышение температуроустойчивости покрытия до 1150°C.
Изобретение поясняется следующими примерами:
Пример 1
Для приготовления шликера защитного покрытия компоненты покрытия в соответствующих масс.% (таблица 1) SiO2 - 23, MgO - 20, Na2O - 6,5, 3CaO·Al2O3 - 8,0, ВаО-Al2O3-SiO2 - 1,5, Al2O3 - 41 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 24 часов на шаровой мельнице. Готовый шликер покрытия выгружали в полиэтиленовую емкость, проводили старение шликера в течение 3 суток, затем замеряли вязкость шликера вискозиметром В3246 и из краскораспылителя наносили на образцы сталей ВКС10, ВКС-12, 30ХГСНА. Вязкость шликера покрытия составляла 18 с, толщина покрытия 0,4 мм. Образцы с покрытием подвергали сушки при 20°C в течение 24 часов 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.
Таблица 1 | ||||||||||||
Компоненты, масс.% | ||||||||||||
Номера составов покрытий | SiO2 | MgO | Na2O | 3CaO·Al2O3 | BAO-Al2O3-SiO2 | 2CaO·SiO2 | K2O | BaO | B2O3 | CaO | Al2O3 | |
Предлагаемые | ||||||||||||
1 | 23 | 20 | 6,5 | 8 | 1,5 | - | - | - | - | - | ост. | |
2 | 55 | 6,5 | 0,5 | 1,5 | 4,0 | - | - | - | - | - | ост. | |
3 | 30 | 10 | 5 | 5 | 3,0 | - | - | - | - | - | ост. | |
Прототип 4 | 28 | 1 | 1 | 0,5 | - | - | 0,5 | 1 | 12 | 45 | 6 | 5 |
Сцепление предлагаемого защитного покрытия с поверхностью образцов сталей ВКС-10, ВКС12, 30ХСНА определялось по площади скола в % и по внешнему виду образцов после проведение технологических нагревов.
Вязкость покрытий определялась методом вдавливания иглы в покрытие под нагрузкой 5 г при постепенном нагревании образца с покрытием. Подъем температуры в печи осуществлялся 5°C в минуту.
По глубине проникновения иглы в покрытие по диаграмме вязкости рассчитывалась вязкость покрытия.
Из таблицы 2 видно, что окисляемость сталей ВКС12, 30ХГСНА и сплава ВТ6 с предлагаемым покрытием при температурах 850°C и 1150°C меньше в 10 и 25 раз соответственно на стали ВКС10, на стали 30ХГСНА в 20 и 32 раза по сравнению с покрытием прототипом.
Вязкость предлагаемого покрытия для сталей и сплавов при температурах 850°C, 1150°C в 2 раза выше по сравнению с покрытием прототипа. Площадь скола защитного покрытия с поверхности образцов после технологических нагревов и охлаждения составляет 100%.
Таким образом, предлагаемое покрытие обеспечивает защиту конструкционных сталей от окисления при длительных нагревах до 1150°C и обладает низким сцеплением с поверхностью защищаемых сталей и сплавов, не требуется дополнительного процесса удаления покрытия с заготовок.
Применение предлагаемого защитного технологического покрытия позволит получить качественную поверхность металлических деталей и заготовок при нагревах в обычных печах вместо печей с контролируемой атмосферой 5, обеспечить стабильные механические свойства, снизить трудоемкость и энергоемкость производства металлических деталей и полуфабрикатов.
Таблица 2 | ||||||||
Номера составов покрытий | Окисляемость сталей ВКС10, 30ХГСНА и г/см2 | Сцепление покрытия после нагрева, охлаждения воздухом, площадь скола % | Внешний вид покрытия после испытания и охлаждения воздухом | Вязкость покрытия, η (пуаз) | ||||
Температура нагрева при выдержке 5 часов, °C | ||||||||
900 | 1150 | 900 | 1150 | 900 | 1150 | 900 | 1150 | |
Предлагаемые покрытия на сталь ВКС10 | ||||||||
1 | 0,25 | 0,35 | 100 | 100 | Покрытие | 108 | 106 | |
2 | 0,25 | 0,35 | 100 | 100 | скололось | 108 | 106 | |
3 | 0,255 | 0,35 | 100 | 100 | Поверхность без следов окисления | 108 | 106 | |
Предлагаемые покрытия на сталь 30ХГСНА | ||||||||
1 | 0,15 | 0,25 | 100 | 100 | Покрытие | 108 | 106 | |
2 | 0,15 | 0,25 | 100 | 100 | скололось | 108 | 106 | |
3 | 0,15 | 0,25 | 100 | 100 | Поверхность без следов окисления | 108 | 106 | |
Покрытие-прототип на сталь ВКС10 | 2 | 8 | 0 | 0 | Покрытие не скалывается | 103 | 102 | |
Под покрытием окалина | ||||||||
Покрытие-прототип на сталь 30ХГСНА | 2 | 6 | 0 | 0 | Покрытие не скалывается | 103 | 102 | |
Под покрытием окалина | ||||||||
Защитное покрытие для сталей и сплавов, включающее SiO2, MgO, Na2O, 3СаО·Al2O3, Al2O3, отличающееся тем, что дополнительно содержит BaO-Al2O3-SiO2 при следующем соотношении компонентов, масс.%:
BaOAl2O3SiO2 | 1,5 | - | 4,0 |
SiO2 | 23 | - | 55 |
MgO | 6,5 | - | 20 |
Na2O | 0,5 | - | 6,5 |
3СаО·Al2O3 | 1,5 | - | 8,0 |
Al2O3 | остальное |