СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1994 года по МПК C23C10/52 C23C10/30 

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов, в частности к способам получения жаростойких покрытий на поверхности стальных изделий, в том числе муфелей, радиационных труб и других элементов печного оборудования.

Известны способы получения жаростойких покрытий на поверхности металлов, сплавов и сталей путем их диффузионного насыщения в присутствии активаторов-галогенидов металлов или аммония. Использование этих способов сопряжено с рядом технологических и аппаратурных сложностей: необходимостью использования жаропрочных контейнеров, контролируемой среды и герметичных затворов. Кроме того, указанные способы являются экологически неблагоприятными из-за выделения галогенидов металлов.

Известны способы получения жаростойких покрытий без использования галогенсодержащих соединений, а именно получение комплексных диффузионных покрытий на поверхности стальных изделий, наносимых из расплавов на основе лития, содержащих, мас. % : Al 1,2; Si 1,5-2,5; Ni 9,5-10,5; Cr 9,5-10,5; Ti 4,5-5,5; Li остальное (время обработки 1-3 ч при температурах 1000-1200^оС), или алюминия, содержащих, мас. % : Si 2-5; Fe 2-8; РЗМ 0,5-0,8. Указанные способы повышают жаростойкость и жаропрочность стальных изделий, однако представляются технологически сложными, так как предполагают погружение обрабатываемой детали в расплав, создание защитной атмосферы, большой расход дорогостоящих материалов (Li, Al).

Известны способы получения жаростойких покрытий на металлах, сплавах, сталях путем диффузионного насыщения их поверхности в вакууме, например, в среде, содержащей, мас. % : Cr 43-47; Al 3-7; Si 2-4; РЗМ 0,6-1; Al₂O₃ остальное. Недостатками данного способа, как и описанных выше, являются: необходимость использования специального дорогостоящего оборудования; высокая энергоемкость; необходимость создания опpеделенной защитной атмосферы; невозможность обработки крупногабаритных изделий и деталей.

Наиболее близким по своей сущности является способ получения жаростойких покрытий на стальных изделиях, включающий их нагрев в защитной атмосфере до 1100-1200^оС в смеси порошков кремния и кремнезема в течение 4-6 ч, охлаждение до комнатной температуры и дополнительное окисление при 1000-1100^оС в течение 4-6 ч в атмосфере воздуха.

Недостатки этого способа заключаются в сложности процедуры обработки, включающей двухстадийный нагрев изделия до высокой температуры, в жестких требованиях к атмосфере при первом нагреве и в том, что затруднена обработка крупногабаритных изделий.

Цель изобретения - повышение жаростойкости стальных изделий, существенное упрощение процедуры, повышение технологичности процесса нанесения покрытия, возможность обработки крупногабаритных изделий.

Сущность изобретения состоит в том, что смеси порошков в виде водных суспензий, паст, красок, приготавливаемых с использованием жидкого стекла, наносятся на поверхность стальных изделий путем окраски, обмазки, окунания, распыления или любым другим способом с последующим нагревом на воздухе или в любой другой среде, возможно даже в процессе эксплуатации изделия. Для приготовления суспензий, паст, красок используют порошки кремния, оксида кремния, алюминия и жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас. % : Al 12-30; Si 5-15; SiO₂ 23-44; жидкое стекло 33-48.

При нагревании стальных изделий с нанесенными на их поверхность смесями указанного состава происходит следующее. Взаимодействие кремния и прежде всего алюминия, содержащихся в смеси, с кислородом воздуха приводит к образованию ряда летучих субоксидов Al и Si. Последние создают восстановительную атмосферу около поверхности стального изделия, предотвращающую окисление как ее, так и находящихся на ее поверхности порошков. Взаимодействие кремния как с кислородом воздуха, так и SiO₂, содержащимся в смеси, приводит к образованию монооксида кремния. SiO, попадая на поверхность стального изделия, диспропорционирует с образованием кремния и SiO₂. Образовавшийся кремний диффундирует вглубь стального изделия, образуя диффузионную зону. Из образовавшихся в результате окисления оксидов кремния и алюминия, оксида кремния, содержащегося в смеси, и силиката натрия, входящего в состав жидкого стекла, образуется защитная алюмосиликатная пленка, предотвращающая дальнейшее поступление газов, содержащихся в окружающей среде к поверхности. При этом в результате взаимодействия образовавшейся оксидной композиции с входящими в состав смеси алюминием и кремнием происходит образование переходного металлокерамического слоя, представляющего собой продолжение диффузионной зоны, распространяющейся от поверхности вглубь изделия. В результате образуется плотное, газонепроницаемое металлокерамическое покрытие, имеющее довольно протяженную диффузионную зону. Последним объясняется его надежное сцепление с подложкой и устойчивость покрытия к темпоциклированию. Поддержание концентрации SiO₂ и жидкого стекла в определенных пределах необходимо для получения оксидной композиции с определенной температурой плавления, вязкостью и поверхностным натяжением, для надежного сцепления до проведения обработки наносимой смеси с поверхностью изделия и для обеспечения требуемой степени и равномерности силицирования поверхности изделия. При меньших нижнего предела содержаниях жидкого стекла и больших верхнего предела содержаниях SiO₂ не удается добиться надежного сцепления наносимой смеси с поверхностью изделия, получаемая оксидная композиция обладает слишком высокими величинами температуры плавления, вязкости и поверхностного натяжения, что приводит к несплошностям в образовавшемся покрытии. Наоборот, слишком высокие (больше верхнего предела) содержания жидкого стекла в смеси и слишком низкие содержания SiO₂ (меньше нижнего предела) приводят к образованию оксидной композиции со слишком низкими значениями температуры плавления, вязкости и поверхностного натяжения. Последнее приводит к стеканию образовавшегося оксидного расплава, окислению порошков алюминия и кремния, входящих в состав наносимой смеси, и нарушению процесса образования покрытия. При содержаниях кремния и алюминия в смеси, меньших нижнего предела, не удается получить достаточно протяженную диффузионную зону и добиться надежного сцепления образовавшегося покрытия с поверхностью изделия. В результате при эксплуатации изделия в режиме термоциклирования происходит растрескивание и отслаивание участков покрытия, что приводит к быстрой коррозии изделия. При содержаниях алюминия и кремния, больших верхнего предела, их взаимодействия с оксидом кремния и компонентами жидкого стекла происходят слишком интенсивно. Это приводит к образованию большого количества газообразных продуктов и в результате к образованию пористого негазоплотного покрытия, обладающего плохими защитными свойствами.

П р и м е р 1. Смесь состава, мас. % : Al 15; Si 10; SiO₂ 30; жидкое стекло 45, наносили кистью на поверхность пластины из стали Х18Н10Т. Пластину выдерживали в течение 5 ч в силитовой печи при 1000^оС, охлаждали и взвешивали. Затем помещали в силитовую печь и выдерживали при 1000^оС в течение 250 ч. Жаростойкость нанесенного покрытия определяли по привесу на единицу поверхности образца, которая составила 1,08cdot<N>10^-3 мг/см² ч.

П р и м е р 2. Смесь состава, мас. % : Al 18; Si 5; SiO₂ 44; жидкое стекло 33, наносили шпателем на поверхность из стали Н18Н10Т. Пластину выдерживали в течение 5 ч в силитовой печи при 1000^оС, охлаждали и взвешивали. Затем помещали в силитовую печь и выдерживали при 1000^оС в течение 250 ч. Жаростойкость нанесенного покрытия определяли по привесу на единицу поверхности образца, которая составила 1,12cdot<N>10^-3 мг/см² ч.

Остальные эксперименты по определению жаростойкости наносимых покрытий производили аналогичным образом. Полученные результаты представлены в таблице, где для сравнения приведены результаты, установленные при использовании способа-прототипа.

Как следует из таблицы, предлагаемый способ позволяет существенно увеличить жаростойкость стальных изделий. Кроме того, он дает возможность значительно упростить процедуру и повысить технологичность процесса нанесения покрытий. Технология нанесения покрытий по сути дела сводится к нанесению смесей в виде водных суспензий, паст, или красок на поверхность стальных изделий с последующим нагревом, возможно даже в процессе эксплуатации. Последнее дает также возможность наносить покрытия на крупногабаритные изделия.

(56) Авторское свидетельство СССР N 910836, кл. С 23 С 16/42, 1982.

Использование: изобретение относится к химико-термической обработки металлов, в частности к способам получения жаростойких покрытий на поверхности стальных изделий, и может быть использовано при обработке радиационных труб муфелей и других элементов печного оборудования. Сущность изобретения: на поверхность стальных изделий наносят смесь, состоящую, мас. % : алюминия 12 - 30; кремний 5 - 15; оксид кремния 23 - 44; жидкое стекло 33 - 48, в виде водной суспензии или пасты, после чего проводят нагрев. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий их нагрев и обработку смесями, содержащими кремний и оксид кремния, отличающийся тем, что смеси на поверхность изделия наносят в виде водных суспензий или паст, а в смесь дополнительно вводят алюминий и жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Алюминий 12 - 30
Кремний 5 - 15
Оксид кремния 23 - 44
Жидкое стекло 33 - 48