ЗАЩИТНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2015 года по МПК C03C8/02 

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 2Al₂O_3·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 В_{аморфный} 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.

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.

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 B_{аморфный} 0,5-2 MoSi₂ 20-30 SiO₂ остальное