ЗАЩИТНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ БЕРИЛЛИЯ Российский патент 2008 года по МПК C03C8/02 

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.%:

SiO₂10-30Al₂О₃3-20CaO8-12MgO0,5-5В₂О₃3-12Na₂O0,1-0,4К₂О0,1-0,2BaO3-11MoSi₂32-70

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.%:

SiO₂40-75Al₂О₃6-18CaO4-11MgO1-4В₂O₃5-15Na₂O0,5-1К₂О0,3-3BaO5-10Al₂O₃·3SiO₂2-7

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.%:

Al₂O₃5-15BaO3-12CaO1-6MgO1-4В₂O₃14-45Na₂O1-6К₂O1-43СаО·Al₂О₃0,1-0,52CaO·SiO₂0,1-0,5SiO₂28-50

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.%:

Al₂O₃3-17BaO1-15CaO0,5-5MgO0,5-5В₂O₃5-10Na₂O0,5-10K₂O0,5-5MgO·Cr₂O₃0,5-1SiB₄1-5SiO₂остальное

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 1Номера составов покрытийКомпоненты, мас.%Al₂O₃BaOCaOMgOВ₂O₃Na₂OК₂ОMgO·Cr₂O₃SiB₄SiO₂2CaO·SiO₂3СаО·Al₂О₃Предлагаемые            1310,50,550,50,50,51,0ост.--2101033,5552,50,752,5ост.--3171555101051,05,0ост.--Прототип 4512614511--280,50,5

Таблица 2Номера составов покрытийОкисляемость бериллия с покрытиемКоэффициент тренияТемпература нагрева °Cвыдержка 5 часвыдержка 100 час    850100011008501000110085010001100 Убыль массы, г/м²   Предлагаемые составы         10,010,080,10,10,81,80,050,10,1520,010,080,10,10,81,80,050,10,1530,010,080,10,10,81,80,050,10,15Прототип 40,10,961,51,228,837,80,150,50,9Таблица 3Номера составов покрытийТермостойкость образцов бериллия с покрытиемВнешний вид покрытия после испытания и охлаждения-воздухРежим испытания 20°↔Т°Свыдержка 2 часвыдержка 10 час 8501000110085010001100Количество теплосменПредлагаемые составы       1101010100100100покрытие без дефектов2101010100100100покрытие без дефектов3101010100100100без изменения внешнего видаПрототип 4221321Трещина на покрытии

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.

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.