СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ГРАФИТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОДА К НАНЕСЕНИЮ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2024 года по МПК C23C4/02 C23C4/10 C23C4/12 H05B7/85 

Изобретение относится к электродному производству, в частности, к способам подготовки поверхности графитированных электродов к нанесению защитных покрытий, и может быть использовано при изготовлении или подготовке электродов к выплавке металлов и сплавов в дуговых печах.

Известны различные способы предварительной подготовки поверхности металлических изделий к нанесению защитных покрытий, такие как очистка поверхности и ее подогрев, способы, связанные с созданием рельефа на подготавливаемой поверхности (струйно-абразивная, механическая обработка и др.), а также нанесением на подготавливаемую поверхность металлических и неметаллических подслоев сцепления [1].

Однако не все из известных способов подготовки металлических изделий могут быть применены при подготовке к нанесению защитных покрытий на поверхность неметаллических материалов, таких как графитированные электроды, характеризующихся неоднородной крупнозернистой структурой с большим количеством пор и других дефектов технологического происхождения.

Указанное может приводить к разрушению приповерхностных областей графитированного электрода, подготавливаемых к нанесению защитных покрытий с использованием, например, струйно-абразивной обработки, что можно объяснить недостаточной когезионной прочностью графита и его низкой твердостью.

Известен способ нанесения жаростойкого покрытия на основе алюминида железа на поверхность графитированных электродов, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии [2], включающий в качестве подготовки к нанесению покрытия очистку поверхности электрода, ее подогрев до 200-250 °С и последующее нанесение покрытия, отличающийся тем, что покрытие толщиной 0,1-1,6 мм наносится методом дуговой металлизации с использованием порошковой проволоки, состоящей из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащего, мас. %: алюминий 15-20, железо – остальное.

При реализации подготовки поверхности графитированного электрода к нанесению жаростойкого покрытия по указанному способу не может быть обеспечена высокая прочность сцепления наносимого покрытия с поверхностью графитированного электрода из-за отсутствия рельефа, по которому может происходить механическое зацепление капель наносимого покрытия с поверхностью графита, что приводит, в конечном итоге, к отслоению покрытия от графита и ухудшению его защитных свойств при эксплуатации в условиях высокотемпературной газовой коррозии.

Известен также графитированный электрод с защитным покрытием [3], содержащий графитированную основу, на которую нанесено защитное двухслойное покрытие общей толщиной 0,1-2,0 мм, первый слой (подслой сцепления) которого выполнен методом дуговой металлизации с использованием сплошной проволоки из алюминия или его сплава, содержащего 5-10% кремния, а второй – с использованием порошковой проволоки, состоящей из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащего, мас. %: алюминий 15,0-20,0, хром 2,0-6,0, иттрий 0,5-3,0, железо – основа.

Первый слой защитного покрытия (подслой сцепления), нанесен согласно изобретению [3], из сплошной проволоки алюминия или его сплава, содержащего 5-10% кремния и вступает в химическое взаимодействие с графитом при высоких температурах, обеспечивая высокую прочность сцепления первого слоя покрытия с основой, а также способствует релаксации термических напряжений в композиции за счет близости коэффициентов термического расширения со вторым (основным) слоем покрытия из алюминида железа, благодаря чему обеспечивается сцепление обоих слоев покрытия с графитом в целом.

Однако реализация химического взаимодействия первого слоя защитного покрытия (подслой сцепления) с графитом для обеспечения требуемой прочности сцепления второго (основного) слоя покрытия из алюминида железа начинается при температуре не ниже температуры плавления алюминия, составляющей 658-660 °C, за время протекания химического взаимодействия может происходить отслоение как первого, так второго слоя защитного покрытия от поверхности графита, что приводит, в конечном итоге, к ухудшению его защитных свойств при эксплуатации в условиях высокотемпературной газовой коррозии.

Общим недостатком указанных решений [2, 3] является низкая прочность сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода из-за отсутствия при подготовке поверхности графита к нанесению покрытия совместной реализации обоих механизмов обеспечения прочности сцепления защитного покрытия с графитированным электродом, а именно механического зацепления капель наносимого покрытия по рельефу поверхности графита и химического взаимодействия графита с материалом наносимого покрытия.

В качестве прототипа принят способ подготовки поверхности графита к нанесению защитного покрытия, описанный в работе [4], включающий механическую (токарно-лезвийную) обработку поверхности графита, нанесение на его поверхность рельефа в виде резьбы глубиной 0,25-1,0 мм, а также плазменно-порошкового покрытия (подслоя сцепления) из алюминиевого порошка АСД-0 толщиной 0,08-0,15 мм.

Само защитное покрытие толщиной 0,6-0,7 мм наносится из механической смеси порошков АСД-0+БрХ1 (50/50) при помощи плазменного напыления.

Авторами работы [4] установлен почти 40%-й рост значений прочности сцепления покрытия к графитовой основе при сравнении легкой (крацевание) и существенной (резьба глубиной 1,0 мм) степени изменения профиля поверхности.

Также показано, что наилучшие параметры прочности сцепления в исследованной группе порошковых материалов достигаются для алюминиевого порошка АСД-0, что объясняется почти полным проплавлением частиц порошка алюминия при напылении и хорошим заполнением профиля поверхности графита. При этом реализуется механизм анкерного зацепления и достигаются высокие показатели сцепления покрытия с графитовой основой, которые в 2 раза выше, чем у материала с наименьшим значением прочности сцепления (порошка на основе никеля и титана ПР Н55Т45).

Основными недостатками способа подготовки поверхности графита к нанесению защитного покрытия, принятого в качестве прототипа [4], являются невысокая прочность сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графита порядка 8-10 МПа, а также сложность реализации самого способа - необходимость выполнения токарно-лезвийной обработки поверхности графита, нанесения на его поверхность рельефа в виде резьбы глубиной 0,25-1,0 мм, а также плазменно-порошкового покрытия (подслоя сцепления).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение прочности сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода после подготовки поверхности.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в предлагаемом способе подготовки поверхности графитированного электрода к нанесению защитного покрытия, включающем механическую обработку поверхности электрода для удаления загрязнений, нанесение на его поверхность рельефа и подслоя сцепления, в отличие от прототипа, для повышения прочности сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода после удаления загрязнений с использованием механической обработки диаметр поверхности электрода отличается от диаметра электрододержателя на 0,1-5,0 мм, после нанесения рельефа глубина неровностей на поверхности электрода составляет 0,2-3,0 мм, а для нанесения подслоя сцепления толщиной 0,05-0,5 мм используется алюминий или его сплавы, содержащие 5-10% кремния.

В качестве метода механической обработки поверхности электрода для удаления остатков маркировочной краски, ржавчины и других загрязнений, которые могут приводить к локальному отслоению покрытия, по предлагаемому способу выбрана бесцентровая обработка графитированного электрода на роликовом вращателе при помощи пневматической шлифмашины, оснащенной алмазными чашками, при этом для удаления загрязнений допускается применение другого абразивного и эльборового инструмента, абразивно-полимерных, металлических щеток и др.

В отличие от токарно-лезвийной обработки, предлагаемой в способе-прототипе, по предлагаемому способу не требуется изготовление специальной оснастки, для установки графитированного электрода в токарный станок, благодаря чему увеличивается скорость обработки при допустимой точности.

При диаметре поверхности электрода после удаления загрязнений с использованием механической обработки, отличающемся от диаметра поверхности электрододержателя более чем на 0,1-5,0 мм, увеличивается контактное сопротивление между электродом и электрододержателем, что может приводить к выходу электрододержателя из строя при эксплуатации электродов в ходе выплавки металлов и сплавов в дуговых печах.

Обеспечение диаметра поверхности электрода после удаления загрязнений с использованием механической обработки, отличающегося от диаметра поверхности электрододержателя, менее чем на 0,1 мм ограничено точностью обработки, а диаметра поверхности электрода, отличающегося от диаметра поверхности электрододержателя, более чем на 5,0 мм нецелесообразно ввиду увеличения зазора и контактного сопротивления между электродом и электрододержателем.

В качестве метода нанесения рельефа с глубиной неровностей 0,2-3,0 мм на поверхность электрода по предлагаемому способу выбрано бучардирование с использованием пневматической бучарды, оснащенной твердосплавными головками (насадками), при этом для нанесения рельефа допускается использование рычажно-шлифовальных станков, оснащенными планшайбами с сегментами типа франкфурт и др.

В отличие от нарезания резьбы глубиной 0,25-1,0 мм, предлагаемой в качестве метода нанесения рельефа в способе-прототипе, при бучардировании обеспечивается создание развитой контактной поверхности графита, благодаря чему обеспечивается повышение прочности сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода.

Нанесение на поверхность графитированного электрода рельефа с глубиной неровностей менее 0,2 мм не обеспечивает создания развитой контактной поверхности графита и существенного повышения прочности сцепления защитного покрытия с графитом. В тоже время, нанесение на поверхность графитированного электрода рельефа с глубиной неровностей более 3,0 мм приводит возникновению концентраторов напряжений и разрушению защитного покрытия с растрескиванием и отслоением при нанесении.

В качестве метода нанесения подслоя сцепления толщиной 0,05-0,5 мм на поверхность электрода по предлагаемому способу выбрана дуговая металлизация. Это обусловлено простотой реализации, высокой производительностью, а также низкой стоимостью материала для нанесения покрытий (сплошной проволоки из алюминия или его сплавов, содержащих 5-10% кремния) в сравнении с методами распыления порошков (например, в сравнении с плазменным напылением порошка алюминия, используемым в прототипе) при сопоставимом уровне качества наносимого подслоя сцепления.

Нанесение на поверхность графитированного электрода подслоя сцепления с толщиной менее 0,05 мм не обеспечивает перекрытия неровностей рельефа на поверхности графита и существенного повышения прочности сцепления защитного покрытия с графитом. В тоже время, нанесение на поверхность графитированного электрода подслоя сцепления с толщиной более 0,5 мм приводит растрескиванию и отслоению подслоя сцепления при нанесении вследствие увеличения уровня остаточных напряжений.

Подслой сцепления, наносимый согласно предлагаемому способу, из сплошной проволоки алюминия или его сплава, содержащего 5-10% кремния, вступает в химическое взаимодействие с графитом при высоких температурах с образованием стабильных карбидов алюминия и кремния Al₄C₃ и SiC [5] на границе раздела «подслой сцепления-основа», обеспечивая высокую прочность сцепления основного слоя покрытия с графитовой основой.

При увеличении содержания в алюминиевой проволоке кремния свыше 10% в подслое сцепления образуется избыток карбидов, что приводит к растрескиванию покрытия, а при содержании кремния менее 5% образующееся количество карбидов Al₄C₃ и SiC не обеспечивает требуемую прочность сцепления подслоя с графитовой основой.

Реализация предлагаемого способа подготовки поверхности графитированного электрода к нанесению защитного покрытия позволяет обеспечить прочности сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода, что будет продемонстрировано в примере конкретного выполнения ниже.

Пример конкретного выполнения

Для определения прочности сцепления защитных покрытий после реализации различных способов подготовки поверхности была выбрана схема по испытанию на кольцевой срез, так же, как и для прототипа [4], испытания проводили на испытательной машине Instron 3382.

Для проведения испытаний на образцы диаметром 40 мм, изготовленные из графитированных электродов марки ЭГ-20 по ТУ 14-139-177-2018 диаметром 75 мм, после подготовки поверхности наносилось защитное покрытие в виде кольца шириной 14 мм.

Нанесение защитного покрытия толщиной 0,6-0,7 мм согласно прототипу осуществлялось при помощи плазменного напыления (ток 310 А, напряжение 57-60 В, аргоно-водородная плазма) из равнообъемной механической смеси порошков алюминия АСД-0 по ТУ 1791-99-019-98 и бронзы БрХ1 ГОСТ 28377-89.

В качестве подслоя сцепления толщиной 0,08 мм напылялся порошок алюминия АСД-0 по ТУ 1791-99-019-98, в качестве способа подготовки поверхности использовалась механическая (токарно-лезвийная) обработка и нанесение рельефа в виде резьбы глубиной 1,0 мм.

Нанесение защитного покрытия толщиной 0,6-0,7 мм согласно предлагаемому способу осуществлялось при помощи дуговой металлизации (ток 300-320 А, напряжение 30-32 В) порошковой проволоки, оболочка которой изготавливалась из стали марок 08кп, 08пс, а сердечник выполнялся из шихты, содержащей, мас. %: порошок алюминиевый ПА4 15, железо – остальное.

В качестве подслоя сцепления толщиной 0,05-0,5 мм напылялась сплошная проволока из сплава алюминий-кремний СвАК5 по ГОСТ 7871-2019, в качестве способа подготовки поверхности использовалась механическая обработка при помощи пневматической шлифмашины, оснащенной алмазными чашками и нанесение рельефа с глубиной неровностей 0,2-3,0 мм с использованием пневматической бучарды, оснащенной твердосплавными головками (насадками).

Измерение толщины подслоя сцепления производилось с использованием электромагнитного толщиномера Константа К5, а глубины неровностей рельефа - с использованием глубиномера микрометрического ГМ- 25 0,01 МИК.

Максимальная прочность сцепления защитных покрытий с поверхностью образцов графитированных электродов, подготовленной в соответствии со способом - прототипом, составила 9,22 МПа, в то время как максимальная прочность сцепления защитных покрытий с поверхностью образцов графитированных электродов, подготовленной в соответствии с разработанным способом составила 13,14 МПа.

Техническим результатом является увеличение прочности сцепления защитного покрытия с поверхностью образцов графитированных электродов, подготовленной в соответствии с разработанным способом, по сравнению с прототипом на 29,8%, Таблица 1.

Таблица 1 Прочность сцепления защитного покрытия в зависимости от толщины подслоя и глубины неровностей рельефа на поверхности образцов электродов, МПа*

Толщина подслоя сцепления, мм Глубина неровностей рельефа, мм 0,1-0,5 1,0-1,5 2,0-2,5 3,0-3,5 0,05-0,10 6,47 9,13 12,65 9,11 0,15-0,20 7,83 10,47 13,14 10,35 0,25-0,30 7,52 9,72 11,06 9,42 0,35-0,40 6,79 8,45 10,07 7,24 0,45-0,50 6,02 8,13 9,68 Разрушение до испытаний

*Прочность сцепления защитного покрытия определялась не менее чем на 6 образцах для каждого варианта подготовки поверхности.

Список литературы

1. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс / пер. с нем. Е. М. Стрельцова, Д.Н. Маневич. – М.: Машиностроение, 1966. – 432 с.

2. Способ нанесения жаростойкого покрытия на основе алюминида железа на поверхность изделий, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии // Патент РФ 2772342 от 10.09.2021 / Балин А.Н., Вишневский А.А. и др.

3. Графитированный электрод с покрытием на основе алюминида железа и высокой жаростойкостью // Патент РФ 2772342 от 16.03.2023 / Невежин С.В., Герасимов А.С.

4. Studying the adhesion strength of plasma powder metal coatings on the surface of graphite / Yu. V. Nikolin, D. I. Vichuzhanin et al. // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2022. - Iss. 5. - P. 23-39.

https://dream-journal.org/DREAM_Issue_5_2022_Nikolin_Yu.V._et_al._023_039.pdf

5. Смачивание графита расплавами алюминия, алюминий-титан и алюминий-кремний / Киселев А.В., Ченцов В.П. и др. // Расплавы. - 2006. - № 5. - С. 8.

Изобретение относится к способу подготовки поверхности графитированного электрода к нанесению защитного покрытия. Проводят механическую обработку поверхности электрода для удаления загрязнений. Наносят на его поверхность рельеф и подслой сцепления. После удаления загрязнений с использованием механической обработки диаметр поверхности электрода отличается от диаметра электрододержателя на 0,1-5,0 мм. После нанесения рельефа глубина неровностей на поверхности электрода составляет 0,2-3,0 мм. Для нанесения подслоя сцепления толщиной 0,05-0,5 мм используют алюминий или его сплавы, содержащие 5-10% кремния. Обеспечивается повышение прочности сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода после подготовки поверхности. 1 табл., 1 пр.

Способ подготовки поверхности графитированного электрода к нанесению защитного покрытия, включающий механическую обработку поверхности электрода для удаления загрязнений, нанесение на его поверхность рельефа и подслоя сцепления, отличающийся тем, что для повышения прочности сцепления наносимого защитного покрытия с поверхностью графитированного электрода после удаления загрязнений с использованием механической обработки диаметр поверхности электрода отличается от диаметра электрододержателя на 0,1-5,0 мм, после нанесения рельефа глубина неровностей на поверхности электрода составляет 0,2-3,0 мм, а для нанесения подслоя сцепления толщиной 0,05-0,5 мм используют алюминий или его сплавы, содержащие 5-10% кремния.