Защитное технологическое покрытие

Изобретение относится к области производства силикатных материалов, которые могут быть использованы как защитные технологические покрытия от окисления и в качестве высокотемпературной смазки при технологических нагревах в процессе изготовления деталей и полуфабрикатов в машиностроении и в других отраслях народного хозяйства. Защитное технологическое покрытие содержит, мас.%: 2,5-27 Al₂O₃; 1-15 СаО; 6-8 MgO; 1,5-2,5 B₂O₃; 1-2,5 ВаО; 5-7,52 BaO·3SiO₂; 3-5 2MgO·2Al₂O₃·SiO₂; 0,5-2 В_{аморфный}; 20-30 MoSi₂; SiO₂ - остальное.

Технический результат - понижение значений окисляемости, коэффициента трения и требуемого удельного давления на заготовку в процессе горячей обработки давлением, а также повышение смачивающей способности поверхности заготовки при высоких температурах нагрева до 1450°C. 2 табл.

 

Изобретение относится к области производства силикатных материалов, которые могут быть использованы как защитные технологические покрытия от окисления и в качестве высокотемпературной смазки при технологических нагревах в процессе изготовления деталей и полуфабрикатов в машиностроении и в других отраслях народного хозяйства.

Известно защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO2	40-75
Al2O3	6-18
СаО	4-11
MgO	1-4
B2O3	5-15
Na2O	0,5-1
K2O	0,3-3
ВаО	5-10
Al2O3·3SiO2	2-7

(RU 2151110, 18.01.1999).

Известно защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO2	10-30
Al2O3	3-20
СаО	8-12
MgO	0,5-5
B2O3	3-12
Na2O	0,1-0,4
K2O	0,1-0,2
ВаО	3-11
SiB4	0,5-5
MoSi2	32-70

(RU 2190584, 28.11.2000).

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

SiO2	22-55
MgO	6,5-20
Na2O	0,5-6,5
СаО	1-6
B2O3	14-45
3СаО·Al2O3	1,5-8
MgO·ZrO2	0,5-2,5
Al2O3·MgO	1-1,5
Al2O3	остальное

(RU 2312827, 20.12.2007).

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

Al2O3	17-33
СаО	0,5-7,8
MgO	0,5-5
2CaO·SiO2	0,5-1
3СаО·Al2O3	0,5-1
2MgO·Al2O3·5SiO2	5-10
СаО·6Al2O3	5-10
SiO2	остальное

(RU 2345963, 10.02.2009).

Известно также защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO2	12-20
MgO	1,5-5
3СаО·Al2O3	10-15
Al2O3·MgO	3-10
BaO·2SiO2	1,5-5
ZnO2·Al2O3	3-8
Al2O3	остальное

(RU 2379239, 20.01.2010).

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас.%:

Al2O3	3-21
СаО	1,5-13
MgO	0,5-5,5
B2O3	3-18
ВаО	3-13
K2O	0,1-5
2BaO3·SiO2	1-3
2Al2O3·B2O3	1-3
SiO2	остальное

(RU 2379238, 20.01.2010).

Недостатками известных защитных технологических покрытий являются повышенное значение коэффициента трения и требуемого удельного давления на заготовку в процессе горячей обработки давлением, а также высокая окисляемость и низкая смачивающая способность при высокотемпературных нагревах до 1450°C.

Техническим результатом является понижение значений окисляемости, коэффициента трения и требуемого удельного давления на заготовку в процессе горячей обработки давлением, а также повышение смачивающей способности поверхности заготовки при высоких температурах нагрева до 1450°С.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что предложено защитное технологическое покрытие, содержащее, мас.%: Al₂O₃, СаО, MgO, B₂O₃, ВаО, 2BaO·3SiO₂, SiO₂, при этом оно дополнительно содержит 2MgO·2Al₂O₃·SiO₂, B_{аморфный} и MoSi₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al2O3	2,5-27
СаО	1-15
MgO	6-8
B2O3	1,5-2,5
ВаО	1-2,5
2BaO·3SiO2	5-7,5
2MgO·2Al2O3·SiO2	3-5
Ваморфный	0,5-2
MoSi2	20-30
SiO2	остальное

Предложенное защитное технологическое покрытие приводит к снижению окисляемости, требуемого удельного давления на заготовку в процессе горячей обработки давлением, коэффициента трения и повышению смачивающей способности поверхности образцов сплавов интерметаллидной системы Ti-Al-Nb, никелевого жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного титанового сплава ВТ23 при высоких температурах нагрева заготовок и деталей до 1450°C.

Введение 2MgO₂·Al₂O₃·SiO₂, В_{аморфный} и MoSi₂ в предлагаемое защитное технологическое покрытие при заявленном содержании компонентов снижает окисляемость и краевой угол смачивания, а также снижает удельное давление и коэффициент трения.

Рентгеноструктурный анализ предлагаемого защитного технологического покрытия показал, что в процессе технологических нагревов в покрытии образуются температуроустойчивые фазы 2MgO₂·Al₂O₃·5SiO₂, 3Al₂O₃·2SiO₂, 2CaO·Al₂O₃·SiO₂ и 3ВаО·Al₂O₃, обеспечивающие снижение окисляемости и повышение смачивающей способности, а также снижение удельного давления и коэффициента трения при температурах нагрева до 1450°C.

Примеры осуществления.

Технология изготовления шликера для защитного технологического покрытия проводилась следующим образом. Для получения фритты защитного технологического покрытия следующие компоненты: Al₂O₃, CaO, MgO, В₂О₃, BaO, 2BaO·3SiO₂, 2MgO·Al₂O₃·SiO₂, В_{аморфный}, MoSi₂, SiO₂, в пропорциях, указанных в таблице 1, помещали в фарфоровый барабан с алундовыми шарами в соотношении 1: 1,5, где проводили размол и перемешивали компоненты в течение 3 ч на валковой мельнице. Варку фритты проводили в алундовых тиглях в камерной печи. Далее приготавливали шликер покрытия путем размола фритты и перемешивания компонентов с добавлением 250 мл водопроводной воды в фарфоровых барабанах валковой мельницы в течение 36 ч. Готовый шликер покрытия выгружали в полиэтиленовую емкость, где проходило старение шликера в течение 5 суток.

Шликер с вязкостью 21 Па·с, определенной вискозиметром ВЗ 246, наносили краскораспылителем КРУ4 на образцы сплавов интерметаллида системы Ti-Al-Nb, жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного сплава ВТ 23. Толщина предлагаемого защитного покрытия составляла 0,25 мм. Образцы с защитным технологическим покрытием подвергали сушке при 20°C в течение 24 ч, затем проводили нагрев при 1150 и 1450°C с выдержкой 10 ч. Данные режимы нагревов соответствуют режимам изотермической штамповки и термообработки заготовок из сплавов интерметаллида системы Ti-Al-Nb, жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного сплава ВТ23.

Свойства предлагаемого покрытия и его прототипа приведены в таблице 2.

Образцы сплава интерметаллида системы Ti-Al-Nb, жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного титанового сплава ВТ23 с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям для определения окисляемости, краевого угла смачивания, удельного давления и коэффициента трения при температурах 1150 и 1450°C.

Окисляемость образцов с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом определялась путем непрерывного их взвешивания через 3 ч, 5 ч, 10 ч, без извлечения образцов из высокотемпературной камерной печи ТК1600 при заданных температурах нагрева 1150 и 1450°C.

Смачивающая способность покрытия оказывает существенное влияние на качество защитного действия данного покрытия. Смачивающая способность предлагаемого защитного покрытия определялась по значениям краевого угла смачивания поверхности образцов сплава интерметаллида системы Ti-Al-Nb, жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного сплава ВТ23 при заданных температурах нагрева 1150 и 1450°C. Для определения краевого угла смачивания из сухого шликера предлагаемого покрытия и покрытия-прототипа прессовали штабики диаметром 4 мм и высотой 2 мм. Изготовленные штабики устанавливали на пластины сплава интерметаллида системы Ti-Al-Nb, жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного сплава ВТ23, загружали в печь и нагревали на заданные температуры 1150 и 1450°C в течение 0,5 ч. После выгрузки образцы охлаждали на воздухе до комнатной температуры и исходя из размеров площади растекшегося штабика определялся краевой угол смачивания по формуле:

$${\Theta }^{о}=\frac{\pi d^2}{2}$$ , где $${\Theta }^{о}$$ - краевой угол смачивания, град,

d - диаметр растекания капли покрытия, мм.

Сниженное удельное давление, прикладываемое на заготовку при деформации и обусловленное использованием защитных технологических покрытий, позволяет получать точные штамповки с минимальными припусками, которые в дальнейшем удаляются механической обработкой, что соответственно повышает коэффициент использования металла. Снижение требуемого удельного давления на поверхность заготовки объясняется тем, что защитное технологическое покрытие играет роль высокотемпературной смазки и при давлении равномерно распределяется по всей поверхности заготовки. Таким образом, для получения заготовки заданной формы при горячей штамповке при использовании предложенного покрытия необходимо прикладывать меньшее удельное давление к заготовке.

Удельное давление замерялось манометром при деформации образцов с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом при заданных температурах нагрева 1150 и 1500°C.

Коэффициент трения, характеризующий эффективность действия покрытий в качестве высокотемпературных смазок при горячей обработке давлением, определялся при горячей осадке образцов диаметром 5 мм и высотой 20 мм на гидравлическом прессе мощностью 2,5 т со скоростью 80 мм/с по формуле:

µ=tgα, где µ - коэффициент трения, α - двойной угол трения.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2. Нижеприведенные экспериментальные данные соответствуют средним значениям, полученным из 3-х измерений окисляемости, краевого угла смачивания, удельного давления и коэффициента трения.

Окисляемость:

- образцов сплавов интерметаллида системы Ti-Al-Nb с предлагаемым покрытием при высокотемпературных нагревах при температуре 1150°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 12,7 раз, а при температуре 1450°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 3,2 раз по сравнению с защитным технологическим покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного сплава ВЖ172, с предлагаемым покрытием при высокотемпературных нагревах при температуре 1150°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 11 раз, а при температуре 1450°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 7 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов высокопрочного сплава ВТ23, с предлагаемым покрытием при высокотемпературных нагревах при температуре 1150°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 12 раз, а при температуре 1450°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 12,5 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Краевой угол смачивания защитного технологического покрытия:

- образцов сплавов интерметаллида Ti-Al-Nb при технологических нагревах при температуре 1150°C меньше в 2,2 раза, а при температуре 1450°C меньше в 2,6 раз по сравнению с защитным технологическим покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного сплава ВЖ172 при технологических нагревах при температуре 1150°C меньше в 2,6 раз, а при температуре 1450°C меньше в 3 раза по сравнению покрытием-прототипом;

- образцов высокопрочного сплава ВТ23, при технологических нагревах при температуре 1150°C меньше в 3 раза, а при температуре 1450°C меньше в 3,5 раза по сравнению с покрытием-прототипом.

Удельное давление при деформации образцов:

- сплавов интерметаллида Ti-Al-Nb с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1150°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 2,5 раза, а при температуре 1450°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 3,75 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- жаропрочного сплава ВЖ172, с предлагаемым защитным покрытием при температуре 1150°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 3,6 раз, а при температуре 1450°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 5,8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- высокопрочного сплава ВТ23, с предлагаемым защитным покрытием при температуре 1150°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 3,3 раза, а при температуре 1450°C (с выдержкой 10 ч) меньше в 4,3 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Коэффициент трения с предлагаемым защитным технологическим покрытием:

- образцов сплавов интерметаллида Ti-Al-Nb при технологических нагревах при температуре 1150°C меньше в 4 раза, а при температуре 1450°C меньше в 8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного сплава ВЖ172, при технологических нагревах при температуре 1150°C меньше в 4 раза, а при температуре 1450°C меньше в 8 раз по сравнению с покрытием-прототипом;

- образцов высокопрочного сплава ВТ23, при технологических нагревах при температуре 1150°C меньше в 4 раза, а при температуре 1450°C меньше в 8 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

В процессе термомеханической обработки сплавов интерметаллида Ti-Al-Nb, жаропрочного сплава ВЖ172 и высокопрочного сплава ВТ23 происходит равномерное растекание защитного технологического покрытия по всей поверхности заготовки, что говорит о его работе в качестве высокотемпературной смазки.

Применение предлагаемого защитного технологического покрытия позволит получить точные штамповки, экономию металла 8-11%, снизить трудоемкость механической обработки заготовок на 20-30%, реализовать процесс изотермического деформирования заготовок на воздухе, так как покрытие выполняет роль разделительной пленки между штамповым инструментом и деформируемой заготовкой, обеспечивая легкое удаление деформируемой заготовки из штампа, так как без покрытия происходит процесс диффузионной сварки между инструментом и заготовкой.

Защитное технологическое покрытие, содержащее Al₂O₃, CaO, MgO, B₂O₃, BaO, 2BaO·3SiO₂, SiO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит 2MgO·2Al₂O₃·SiO₂, B_{аморфный} и MoSi₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al2O3	2,5-27
CaO	1-15
MgO	6-8
B2O3	1,5-2,5
BaO	1-2,5
2BaO·3SiO2	5-7,5
2MgO·2Al2O3·SiO2	3-5
Bаморфный	0,5-2
MoSi2	20-30
SiO2	остальное