СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ Российский патент 1995 года по МПК C23C22/24 

Описание патента на изобретение RU2036978C1

Изобретение касается химических покрытий и может быть использовано для повышения коррозионной стойкости металлических деталей.

Известны способы нанесения металлокерамических покрытий на детали:
патент США N 3248251 кл. 427-223 [1] по которому покрытие наносят из водной суспензии, содержащей 42-46 мас. алюминиевого порошка и 58-54 мас. неорганической связки, состоящей из раство- ренных в воде фосфатов и хроматов при тепловой обработке выше 260оС;
патент США N 3869293 кл. 106-14 [2] по которому для повышения коррозионной стойкости стальных деталей в качестве наполнителя в суспензию вводят порошки алюминия и магния;
авторское свидетельство 1773078 [3] по которому для повышения покрываемости и уменьшения пористости покрытия в суспензию вводят аэросил;
авторское свидетельство N 1716825 [4] по которому для получения покрытия при низких температурах тепловой обработки и с низкой шероховатостью суспензия содержит формалин с целью восстановления шестивалентного хрома до трехвалентного;
авторское свидетельство N 1560621 [5] по которому на деталь наносят алюмофосфатохроматный подслой по [3] а затем для повышения жаростойкости и корозионной стойкости подслой обрабатывают 20-58%-ным раствором дегидрофосфата щелочного металла с последующим отжигом покрытия при 250-700оС.

Прототипом предлагаемого изобретения является патент России N 1835129, по которому для снижения температуры тепловой обработки, повышения экологичности процесса нанесения покрытия деталь обрабатывают водным раствором при следующем соотношении составляющих, мас. Ортофосфорная кислота 10-27; Хромовый ангидрид 3-10; 30%-ный раствор пероксида водорода 2-8; Оксид кремния в виде- аэросила 2-8; Оксид магния 1-3; Магний или алюминий или сумма магния и алюминия 0,8-2,0; Вода 81,2-42 при отношениях 0,07-0,08; 0,2-0,3; 0,4-0,8
Данный раствор может применяться для получения стеклокерамической пленки:
на поверхности детали, изготовленной из алюминиевого, титанового и других сплавов и стали;
на алюминидной поверхности стальной детали;
на поверхности детали, имеющей предварительно нанесенный алюмофосфатохроматный подслой.

Рассматриваемое изобретение относится только к последнему случаю, т.е. является способом, по которому на поверхность детали сначала наносят алюмофосфатный подслой из суспензии [3] состоящей из мас. Фосфорная кислота 12-15 Хромовый ангидрид 3-4 Оксид магния 2,5-3,5 Аэросил 1-5 Алюминий 41-43 Вода 31,5-40,5, а затем после тепловой обработки на данный подслой наносят стеклокерамическую пленку из водного раствора [6]
Благодаря разработке эффективного состава водного раствора для получения стеклокерамической пленки [6] этот способ нанесения покрытия является эффективным для защиты не только хромистых коррозионных, но и углеродистых сталей. Поэтому он перспективен для защиты деталей от коррозии при производстве автомобильного, авиационного, печного машиностроения, а также при производстве труб вместо покрытий, полученных гальваническим, горячим методами, и лакокрасочных покрытий.

Однако рассматриваемый способ имеет недостатки:
для получения алюмофосфатохроматного подслоя готовят суспензию по одной рецептуре, а раствор для получения стеклокерамической пленки по другой. Получается, что суспензия и раствор готовятся практически из одних и тех же компонентов, но представляют собой различные продукты. Следовательно, необходимы различные емкости и условия транспортировки от их изготовителя до потребителя;
суспензия [3] необходимая для получения алюмофосфатохроматного подслоя, имеет собственные недостатки:
она содержит шестивалентный хром, что снижает ее экологическую чистоту;
повышенную температуру (более 260оС) тепловой обработки алюмофосфатохроматного подслоя.

Целью изобретения является упрощение технологии приготовления суспензии и повышение экологической чистоты ее применения при снижении температуры тепловой обработки подслоя.

Достигается это тем, что в качестве водной связки суспензии для получения алюмофосфатохроматного подслоя используется раствор, используемый для получения стеклокерамической пленки, содержащей, мас. Ортофосфорная кислота 10-27 Хромовый ангидрид 3-10
30%-ный раствор перокси- да водорода 2-8
Оксид кремния в виде аэросила 2-8 Оксид магния 1-3 Алюминий 0,2-1,0 Вода 81,8-43 при отношениях 0,2-0,3; 0,4-0,8
0,009-0,045
Для получения суспензии в указанный состав раствора добавляют порошки алюминия или сплавов системы алюминий-кремний или алюминий магний с частицами диаметром до 10 мкм в отношении

Возможность использования раствора [6] для получения суспензии сразу достигает две цели:
повышается экологическая чистота, так как для приготовления суспензии используется раствор, в котором шестивалентный хром уже переведен в трехвалентный в процессе приготовления раствора при добавке 30%-ного раствора пероксида водорода в соотношении
0,4-0,8
В [4] восстанавливается шестивалентный хром с помощью добавки в суспензию формалина, но летучесть последнего снижает экологичность процесса приготовления и использования суспензии;
снижается температура тепловой обработки подслоя 150оС с 260 до 120оС [6]
Предлагаемый способ обладает отличительными признаками, вытекающими из нового назначения раствора [6] который должен удовлетворять как требованиям связки суспензии для получения алюмофосфатохроматного подслоя, так и требованиям раствора для получения стеклокера- мической пленки на развитой поверхности подслоя.

Рассмотрим отличительные признаки.

Во-первых, для получения суспензии в готовый раствор добавляют порошки сплавов на основе алюминия в отношении

В табл. 1 показано влияние наполнителя на свойства суспензии, полученной с помощью водного раствора, имеющего верхнее (нечетные примеры 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13) и нижнее (четные примеры 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14) содержания компонентов по [6] по сравнению с показателями суспензии, полученной [3] Суспензия по [3] обладает положительным комплексом свойств: плотностью и вязкостью, необходимыми для хорошей покрываемости поверхности за исключением отмеченных выше недостатков по технологии приготовления и содержанию бихроматов.

Основное влияние на свойства суспензии плотность и вязкость оказывает содержание наполнителя. При содержании наполнителя более 65 мас. (примеры 11, 13, 14 табл. 1) происходит резкое возрастание вязкости и плотности, что уменьшает растекаемость и покрываемость суспензии поверхности детали. Кроме того, при содержании наполнителя более 65 мас. Особенно при минимальном содержании комплектов в связке (примеры 12 и 14, табл. 1) адгезионно-когезионные свойства полученного покрытия снижаются. Это наглядно видно при нанесении параллельных царапин на покрытии.

При содержании наполнителя менее 35 мас. (примеры 1, 2 табл. 1) менее 94% поверхности детали покрыто однородным слоем. На 6% поверхности образуются "ручьи", в которых отсутствует наполнитель; имеется только тонкий слой связки.

При нижнем граничном значении содержания наполнителя 35 мас. и верхнем 65 мас. (табл. 1), рекомендуемые (эффективные) составы суспензии: 45-55 мас. наполнителя и 55-45 мас. в раствора (примеры 26-29) даны в табл. 3. Но оптимальным составом является ≈50% наполнителя ≈ 50% раствора (примеры 27 и 28, табл. 3).

Во-вторых, содержание алюминия в растворе, используемом для получения связки суспензии и стеклокерамической пленки по сравнению с прототипом (заявка 5018516) уменьшено и отношение 0,009-0,045 (примеры 15-25, табл.2). Этот отличительный признак физически объясняется следующим. Раствор по [6] для получения стеклокерамической пленки наносили в основном на алюминидную плотную поверхность, в которой максимальная концентрация алюминия, по данным микрорентгеновского анализа, составляет ≈ 55 мас.

В предлагаемом изобретении раствором обрабатывают пористую поверхность алюмофосфатохроматного слоя, в котором содержание алюминия достигает 88 мас. Очевидно при нанесении раствора на подслой происходит взаимодействие и верхние слои обогащаются алюминием, поэтому при отношении > 0,045
наблюдается растрескивание пленки (пример 25, табл. 2), которое хорошо видно при увеличении более 80 крат. Однако полностью убрать алюминий из раствора нельзя (пример 15, табл. 2) т.к. в этом случае образуется недостаточное количество связующего типа AlPO4 [1, 2] которое определяет толщину, прочность и покрываемость пленки. В составе раствора отношение более 0,009 (пример 16-24 таблица 2). В этом случае при одновременном содержании 30% раствора Н2О2 алюминий увеличивает толщину стеклопленки (табл. 2).

В-третьих, после добавления 35-65 мас. наполнителя в виде порошков сплавов на основе алюминия к 65-35 мас. раствора, состав которого используется и для получения стеклокерамической пленки суспензию необходимо кратковременно нагреть до температуры 30-70оС (примеры 30-38, табл. 4).

Без кратковременного нагрева (пример 30) даже в лучшей по составу композиции суспензии (пример 27, табл. 3) происходит реакция гидратации алюминийсодержащих порошков. Эта реакция протекает не только в суспензии, но при нанесении ее на деталь. Реакция сопровождается обильным выделением пузырьков, что приводит к вздутию, разрыхлению алюмофосфатохроматного слоя и к резкому ухудшению его качества.

Обнаружено, что прекратить данную реакцию можно путем нагрева суспензии выше 30оС. При температуре 30оС еще наблюдается слабое взаимодействие наполнителя и связки (пример 31), а выше 35оС взаимодействие отсутствует. Однако при нагреве выше 70оС в суспензии происходит "комкование" наполнителя в суспензии, которое усиливается с повышением температуры (примеры 37 и 38, табл. 4). В процессе временного нагрева до температуры 30-70оС, очевидно, происходит формирование оксидной оболочки вокруг частиц порошка алюминия, которая предотвращает реакцию его взаимодействия при сохранении высокого качества суспензии. Время нагрева составляет 3-5 мин. При увеличении массы суспензии время увеличивается, что связано с теплопроводностью при перемешивании суспензии время уменьшается. Указанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна". Признаки, отличающие техническое решение от прототипа при изменении донной и смежных областей выявлены и, следовательно, ему обеспечено соответствие критерию "существенные отличия".

Примеры осуществления предлагаемого способа.

П р и м е р А. Приготовили 2 кг суспензии состава 27 на базе раствора состава 0, табл. 3. В качестве наполнителя использовали порошок алюминия марки АСДУ при отношении При перемешивании алюминиевого порошка в растворе при температуре 18оС и выдержке при этой температуре наблюдается взаимодействие алюминиевого порошка с раствором. Суспензия покрывается "пеной". При нагреве этой суспензии до температуры 55оС в течение 3 мин и перемешивании "пена" оседает и быстро полностью исчезает. Суспензию охлаждают до комнатной температуры и она стабильна неограниченное время (более 4000 ч) при хранении в герметичной емкости. Полученную суспензию контролировали на содержание бихроматов химическим методом [3] Установлено, что в суспензии весь хром содержится в хроматах. Бихроматов не обнаружено.

Суспензией данного состава обработали колесо-крыльчатку из алюминиевого сплава марки АК4-1 путем погружения его в приготовленную суспензию с подогревом при 170оС в течение 2 ч. Поскольку температура обработки 170оС меньше температуры сгорания этого сплава 190оС [4] то на структуру и механические свойства нанесение покрытия не оказало влияния. На полученный алюмофосфатнохроматный слой была нанесена стеклокерамическая пленка из раствора состава N 0 при последующем нагреве при 170оС в течение 2 ч. Общая толщина покрытия составила 62 мкм.

Колесо-крыльчатка с полученным комплексным покрытием и аналогичное колесо-крыльчатка после анодного анодирования были поставлены на сравнительные испытания в камеру тропического климата на 3 мес. После коррозионных испытаний определили остаточную долговечность при постоянных нагрузках. Установлено, что долговечность колеса-крыльчатки с комплексным покрытием составляет 98% а анодированного колеса-крыльчатки 29% от долговечности нового колеса-крыльчатки.

Таким образом, предполагаемый способ позволил повысить коррозионную стойкость сплава АК4-1 без снижения его механических свойств и соблюдения экологической чистоты при нанесении покрытия.

П р и м е р Б. Приготовили 3 кг суспензии состава 28 на базе раствора состава 0, табл. 3. В качестве наполнителя использовали порошок сферической формы диаметром до 10 мкм, полученный из алюминий-магниевого сплава марки АМГ 5.

Отношение
Cуспензию нагревали до 60оС и охлаждали. Взаимодействия не было. Приготовленную суспензию наносили на детали шарикоподшипников из стали ШХ15 с целью защиты их от коррозии.

Суспензию наносили методом пневматического распыления с последующим нагревом при температуре 150оС в течение 3 ч. Толщина покрытия составляла 45-50 мкм. Сравнительным коррозионным испытаниям в электролитах, содержащих ионы хлора, подвергали детали с покрытием и аналогичные детали без покрытия, смазанные ЦИАТИМом 201. Длительность испытания составляла 170 сут. После испытания провели металлографическое исследование. Установлено, что детали с покрытием имели глубину коррозионных поражений менее 10 мкм, а детали без покрытия до 400 мкм.

Данный пример подтвердил, что суспензия, полученная простым способом, оказалась эффективной для получения коррозионностойкого покрытия, полученного при низкой температуре 150оС. Температура отпуска стали ШХ15 составляет 170оС [5]
П р и м е р В. Приготовили 3 кг суспензии состава 27 на базе раствора 0, табл. 3. В качестве наполнителя использовали порошок силумина марки АЛ4, частицы которого имели сферическую форму и диаметр до 15 мкм.

Отношение
Приготовленная суспензия была нанесена на лопатки компрессора, изготовленные из хромистой стали ЭИ961 и титанового сплава ВТ3-1. После сушки при 90оС лопатки с покрытием обжигали при температуре 250оС в течение 0,2 ч. Затем на этот слой наносили стеклокерамическую пленку из раствора 0 и вновь обжигали 0,5 ч. В итоге получили покрытие толщиной 50-60 мкм. На аналогичные лопатки наносили покрытие известным способом, а именно: сначала наносили суспензию, состоящую из 42 мас. алюминиевого порошка, 13% Н3РО4, 3,5% СrО3; 3% MgO; 3% аэросила остальное вода. Обжиг проводили в течение 0,2 ч при 500оС, а затем вновь наносили стеклокерамическую пленку по составу, близкую раствору 0, и вновь обжигали 0,5 ч. Оба покрытия по эксплуатационным (коррозионностойким) свойствам равнозначны. Но покрытие, полученное по предлагаемому способу, имеет следующие преимущества:
суспензия готовится путем добавления наполнителя в раствор и кратковременного нагрева при 60оС;
суспензия не содержит бихроматы, т.е. более экологически чистая;
водостойкость покрытия получается при более низкой температуре обжига, что снижает энергозатраты на его получение.

Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным способом позволяет (см. табл. 5):
упростить технологию приготовления суспензии путем использования связки раствора, который применяют для получения стеклокерамической пленки;
в составе суспензии не содержится бихроматов: весь хром содержится в виде хроматов, что повышает экологическую чистоту приготовления суспензии и ее нанесение на поверхность деталей;
снижается температура тепловой обработки покрытия, что сокращает энергетические затраты.

Похожие патенты RU2036978C1

название год авторы номер документа
СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ АЛЮМОСИЛИЦИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ 1993
  • Иванов Евгений Григорьевич
RU2032764C1
СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ ПЛЕНКА НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЯХ 1991
  • Иванов Евгений Григорьевич
SU1835129A3
Суспензия для получения графитового покрытия 1991
  • Иванов Евгений Григорьевич
SU1806117A3
СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ АЛЮМОХРОМОСИЛИЦИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ 2006
  • Иванов Евгений Григорьевич
  • Пащенко Геннадий Трофимович
  • Самойленко Василий Михайлович
RU2326183C1
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ 2012
  • Каримова Светлана Алексеевна
  • Виноградов Сергей Станиславович
  • Губенкова Ольга Александровна
  • Демин Семен Анатольевич
RU2510716C2
СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЯХ 2012
  • Каримова Светлана Алексеевна
  • Виноградов Сергей Станиславович
  • Губенкова Ольга Александровна
  • Демин Семен Анатольевич
RU2480534C1
Способ нанесения защитных покрытий 1988
  • Иванов Евгений Григорьевич
  • Зайцев Леонид Климович
  • Пономаренко Борис Иванович
SU1560621A1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА 2013
  • Новиков Виктор Иванович
  • Соловьев Евгений Михайлович
RU2579713C2
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ 2010
  • Ильин Вячеслав Александрович
  • Семенычев Валентин Владимирович
  • Панарин Александр Витальевич
  • Тюриков Евгений Владимирович
  • Сатаев Евгений Есынович
RU2430993C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОБАРЬЕРНОЙ ЗАЩИТЫ И МНОГОСЛОЙНОЕ ПОКРЫТИЕ, СПОСОБНОЕ СФОРМИРОВАТЬ ТЕПЛОВОЙ БАРЬЕР 2011
  • Менюе,Жюстин
  • Ансар,Флоранс
  • Бонино,Жан-Пьер
  • Фенеш,Жюстин
  • Вьяззи,Селин
RU2561550C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 036 978 C1

Реферат патента 1995 года СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ

Изобретение касается химических покрытий и может быть использовано в различных отраслях промышленности для повышения коррозионной стойкости металлических деталей. Сущность изобретения: в способе в качестве связки суспензии используют раствор, используемый для получения стеклокерамической пленки, содержащей, мас.%: H3PO4 10 -27; CrO3 3 -10; 30-ный раствор H2O2 2 - 8; SiO2 2 - 8; MgO 1 -3; Al 0,2 - 1; H2O 81,8 - 43 при SiO2/H3PO4 = 0,2 - 0,3; 30% -ный H2O2/CrO3 = 0,4 - 0,8; Al/ H3PO4 = 0,009 - 0,045, а для получения суспензии в этот раствор вводят порошки алюминия или его сплавов в отношении раствор/порошок = 35 - 65/65 - 35 и для прекращения взаимодействия раствора с порошком суспензию кратковременно нагревают до 30 - 70°С. Положительный эффект состоит в упрощении технологии приготовления суспензии, повышении экологической чистоты применения суспензии и снижении температуры тепловой обработки. 5 табл.

Формула изобретения RU 2 036 978 C1

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ДЕТАЛИ, включающий нанесение подслоя из водной алюмофосфатной суспензии, его тепловую обработку и нанесение дополнительно стеклокерамической пленки из фосфатного раствора и ее тепловую обработку, отличающийся тем, что в качестве связки для получения подслоя и последующей стеклокерамической пленки используют раствор следующего состава, мас.

Ортофосфорная кислота 10 27
Хромовый ангидрид 3 10
30%-ный Раствор пероксида водорода 2 8
Оксид магния 1 3
Алюминий 0,2 1,0
Оксид кремния в виде аэросила 2 8
Вода 81,8 43
при отношениях



а в качестве наполнителя используют порошки алюминия или его сплавов в соотношении раствора и наполнителя 65 35 35 65 и для прекращения взаимодействия раствора с наполнителем суспензию кратковременно нагревают до 30 70oС.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1995 года RU2036978C1

Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1
СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ ПЛЕНКА НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЯХ 1991
  • Иванов Евгений Григорьевич
SU1835129A3

RU 2 036 978 C1

Авторы

Иванов Евгений Григорьевич

Даты

1995-06-09Публикация

1993-05-18Подача