СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬ Российский патент 2021 года по МПК C23C4/134 C23C4/11 

Изобретение относится к технологии плазменного нанесения защитных покрытий и может быть использовано в машиностроении, нефтяной, энергетической и химической отраслях промышленности для защиты стальных конструкций, эксплуатируемых в условиях Арктики и Крайнего Севера и удовлетворяющих требованиям к арктическим материалам, устойчивым к низким температурам, интенсивным ветроволновым и ледовым динамическим нагрузкам, коррозионному и эрозионному воздействию.

Известны износостойкие покрытия, получаемые различными способами на поверхности конструкций из алюминиевых сплавов. Например, способами напыления или наплавки получают покрытия, которые состоят из сложных по структуре и составу компонентов, что обеспечивает достаточно высокие показатели прочности покрываемого изделия (Патент РФ № 2198066 «Способ восстановления изношенных деталей из алюминия и его сплавов»).

Одним из наиболее значимых недостатков таких покрытий и способов их получения является сложность обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с металлом основы, вследствие чего высока вероятность отслаивания покрытия и нарушения его сплошности.

Известно применение композиционного алюминий-оксидного покрытия для защиты сталей от коррозии и износа (Патент РФ № 90440 «Композиционное алюминий-оксидное покрытие для защиты сталей от коррозии и износа»). Покрытие формируется плазменным напылением на стальной основе, из слоя алюминия пористостью 5-10 %, который затем оксидируют микродуговым методом, оставляя непрооксидированным подслой алюминия, прилегающий к поверхности стали, толщиной 35-65 мкм.

Недостатком способа является использование для получения покрытия агрессивной среды (щелочная среда), а также сложность контроля необходимого диапазона пористости покрытия.

Известен способ по патенту РФ № 2492281 «Способ нанесения защитного покрытия на изделия из стали или титана», включающий нанесение подслоя из кремния, или порошкообразных металлов из группы переходных металлов, или металлов подгруппы хрома с помощью плазменного напыления и проведение химико-термической обработки деталей в шликерной обмазке, содержащей активную порошковую смесь. При этом насыщение подслоя активной порошковой смесью осуществляют в вакууме или в защитной среде из инертного газа при термообработке в течение 1-4 часов при температуре в диапазоне 800-1100°С.

Недостатком указанного способа является сложность и длительность его осуществления вследствие необходимости реализации нескольких технологических стадий в условиях вакуума или в среде из инертного газа.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ по патенту РФ № 2698160 «Способ формирования оксидного титанового покрытия на стальной поверхности».

Недостатками этого способа являются низкая адгезия защитного покрытия к стали вследствие воздействия низких температур (при -60°С), а также невозможность нанесения защитного покрытия в промышленных масштабах.

Изобретение направлено на получение поверхностного покрытия, характеризующегося высокой коррозионной стойкостью, механической и химической устойчивостью, высокой прочностью сцепления со стальной основой и обеспечивающего увеличение срока службы стальных изделий.

Указанный технический результат достигается плазменным напылением на стальную основу суспензии гетерогенного состава: K_0.06TiO₂+H₂O+Na₂SiO₃. при температуре 2000-2200°С. При этом прочность сцепления между покрытием и основой в технологии напыления в наибольшей степени зависит от температуры и скорости частиц, транспортируемых плазменным потоком.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующим описанием.

Синтез материала на основе K_0.06TiO₂ проводится по методике, описанной в патенте РФ № 2683150 «Механохимический способ получения оксидной калий-титановой бронзы».

Гетерогенная водно-силикатная суспензия готовится из материала с размером частиц менее 150 нм, для увеличения сплошности получаемого покрытия и, как следствие, повышения антикоррозионной устойчивости. При размере частиц более 150 нм покрытие становится большим по толщине, пористым и несплошным. Исследования сплошности покрытий оценивали на металлографическом микроскопе Axiovert 200 MAT.

Средняя толщина покрытия порядка 75 мкм, обеспечивает высокую адгезию покрытия к стальной основе. Уменьшение толщины покрытия позволяет снизить экономические и ресурсные затраты. Изображение топографии покрытий получали с помощью атомно-силового микроскопа NanoEducator.

Пример осуществления технического решения

Стальную основу зачищают с помощью шлифовальной бумаги М40 и обезжиривают ацетоном. Суспензию готовят в весовом соотношении K_0.06TiO₂:H₂О:Na₂SiO₃ (в NaOH_водн) = 0,05:1:0,05. Полученную суспензию напыляют ровным слоем на стальную основу с помощью аппарата для воздушно-плазменной резки Мультиплаз - 2500 М.

Рентгенофазовый анализ осуществляли на рентгеновском дифрактометре ARL X`TRA. Исследования фазового состава подтверждают сохранение в составе материала оксидной калий-титановой бронзы.

Физическо-химические свойства полученного покрытия следующие:

- прочность сцепления со стальной основой (адгезия) - 4 МПа;

- прочность покрытия при изгибе стальной пластины – отслоение происходит при изгибе основы на 30°;

- воздействие высокими температурами осуществлялось с помощью газовой горелки (1100-1200 °С) – разрушения покрытия не наблюдалось;

- воздействие низкими температурами осуществлялось с помощью криостата (-60 °С) – разрушения покрытия не наблюдалось;

- химическая стойкость сталь – покрытие увеличилась в 4 раза.

Полученное по описанной технологии арктическое оксидное защитное покрытие стали от коррозии обладает высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с известными аналогами. Надежная защита стали от коррозии и механического износа достигается благодаря высокой адгезии, сплошности и коррозионной стойкости разработанного покрытия, вследствие чего увеличивается срок службы стальных изделий в условиях Крайнего Севера. Простой способ получения защитного покрытия является экологически безопасным и удобным для использования в промышленном масштабе.

Изобретение относится к технологии плазменного нанесения защитных покрытий и может быть использовано для защиты стальных конструкций, эксплуатируемых в условиях Арктики и Крайнего Севера. Способ нанесения защитного покрытия на стальные изделия, эксплуатируемые в условиях Арктики и Крайнего Севера, включает нанесение на стальную основу суспензии состава K_0.06TiO₂+H₂O+Na₂SiO₃ с размером частиц от 10 до 150 нм плазменным напылением в диапазоне температур 2000-2200°С, причем создают защитное покрытие толщиной 50-100 мкм. Изобретение направлено на получение покрытия, характеризующегося высокой коррозионной стойкостью, механической и химической устойчивостью, высокой прочностью сцепления со стальной основой и обеспечивающего увеличение срока службы стальных изделий. 1 пр.

Способ нанесения защитного покрытия на стальные изделия, эксплуатируемые в условиях Арктики и Крайнего Севера, включающий нанесение на стальную основу суспензии защитного состава K_0.06TiO₂+H₂O+Na₂SiO₃, отличающийся тем, что производят нанесение суспензии с размером частиц от 10 до 150 нм плазменным напылением в диапазоне температур 2000-2200°С, причем создают защитное покрытие толщиной 50-100 мкм.