ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ Российский патент 2014 года по МПК C03C8/02 C21D1/70 

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                

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.

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