Суспензия для получения графитового покрытия Советский патент 1993 года по МПК C04B35/54 

Изобретение относится к области химических покрытий и может быть использовано в качестве подшипника скольжения, для улучшения прирабатываемое™ сопряженных деталей, защиты деталей от окисления и местной защиты от насыщения алюминием.

Цель изобретения - повышение технологических свойств нанесения, равномер- ности и сплошности покрытия.

Цель достигается тем, что в способе нанесения графитового покрытия, включающем приготовление водной суспензии, в состав которой входят фосфаты, хроматы и наполнитель - графитовый порошок, нанесение суспензии на поверхность детали и тепловую обработку, в состав суспензии дополнительно введены 30%-ный раствор пероксида водорода и аэросил, а компоненты

суспензии взяты в следующем соотношении

в мас.%; .

Ортофосфорная кислота, НзР0410-25 Хромовый ангидрид, СгОз 5-15

: 30%-ный раствор пероксида водорода, Н202 Аэросил, SS02

Коллоидный графит Дистиллированная вода, Наб

2-8 2-5 7-22

74-25

Отношение водорода к 30 % Й202 СгОз

30% раствора пероксида хромовому ангидриду

составляет 0,40-0,60 для снижения минимальной температуры тепловой обработки покрытия. Нижнее значение

отношения 0,40 определяется СгОз

необходимостью снижения минимальной температуры твердения вследствие частичного постадийного восстановления хромового ангидрида пероксидом водорода: СгОз Сг02 - СГ2021 - СГ5012 - СГ20з.

Влияние отношения пероксида водорода к хромовому ангидриду на снижение температуры формирования водостойкого покрытия показано в табл.1. Минимальную температуру формирования водостойкого покрытия определяли путем нагрева и выдержки плоских образцов из сплава Д16 с графитовым покрытием в течение 30 мин в диапазоне 80-400°С. После каждой температурной ступеньки на образец наносили каплю воды и наблюдали под микроскопом ее окрашивание и разрушение покрытия. Фиксировали минимальную температуру, при которой не было окрашивания капли и разрушения покрытия.

Верхнее значение отношения

-/°-V2-2 0,60 ограничивается охрупчиСгОз . .

ванием и шелушением покрытия при нагреве до температур выше 500°С (см. табл.1). При высоком содержании пероксида водорода при постоянном содержании хромового ангидрида восстановление последнего, очевидно, происходит полнее :

2СгОз+2Н202 Сг20з+202+2Н20

Образуются частицы оксида хрома,, которые вызывают охрупчивание и шелушение покрытия.

Отношение компонентов связки

(НзР04+СгОз) к графиту составляет 1,5-2,5 для защиты графита от окисления при повышенных температурах. Для надежной защиты это отношение должно быть более 1,5. Когда это отношение пре- вышает 2,5, интенсивно ухудшаются свойства графитового покрытия - увеличивается трение.

Графитовое покрытие о бладает новыми свойствами - более низкой минимальной температурой тепловой обработки, высокой водостойкостью, более высокой температурой эксплуатации и получается более простым методом-наливом суспензии.

Для нанесения графитового покрытия суспензия готовится следующим образом.

К определенному количеству ортофос- форной кислоты добавляют необходимое количество воды и хромового ангидрида, Полученный раствор имеет красно-коричневый цвет. При добавлении нужного количества 30% раствора пероксида водорода происходит бурная экзотермическая реакция. Цвет раствора становится зеленым, что указывает на присутствие в растворе ионов 3-х валентного хрома. В известном способе суспензия содержит ионы б-ти валентного хрома. Различное валентное состояние хрома в суспензии составляет главное физическое

отличие предлагаемого способа от прототипа. К полученному зеленому раствору, добавляют необходимое количество аэросила, и коллоидного графита. Суспензия тщательно перемешивается и готова к нанесению на

поверхность деталей.

Нанесение предлагаемого графитового покрытия на детали производят в следующей последовательности,1. Поверхность детали обезжиривают.

2. На поверхность детали наносят водную суспензию методом налива или распылением,

3. Детали сушат на воздухе при 60-80°С.

4. Проводят тепловую-обработку при температуре, превышающей на минимальную температуру формирования водостойкого покрытия, т.е. 150-220°С.

Пример 7. Приготовлена суспензия, содержащая следующие компоненты в мас.%: ортофосфорная кислота (НзР04) 24 хромовый ангидрид (СгОз) 5 графит марки С-2 7 30% раствор пероксида водорода Н202 2 аэросил марки А-175 (5Ю2) 2 вода о 59,

30 % Н202 ,

при этом отношение

СгОз

0,40,

а отношение зР04 + СгОз

графит Приготовленная суспензия ровным слоем без промежутков покрывала обезжирен- ную поверхность текстолита марки ПТК, алюминиевого сплава АК4-1. стали марки Э|И961 и вакуумной резины.

Минимальная температура водостойко- сти, замеренная на стали ЭИ961, равнялась 160°С, а толщина покрытия 13-15 мкм. Твердость покрытия, определенная по Шору, составляет 160 единиц, а у стали ЭИ961 350

ед. Коэффициент трения сталь по стали (без покрытия) составил 0,24; а с полученным покрытием 0,17.

Стальной образец с графитовым покрытием был нагрет в течение 5 часов до темпепри этом отношение

ратуры 600°С. После осмотра установлено, что покрытие сохранилось хорошо, хотя отмечено незначительное снижение его массы 0,3 г/м2.

Таким образом, данный состав суспензии обеспечивает хорошую покрываемость поверхности, высокую температурную стойкость и удовлетворительную минимальную температуру тепловой обработки, но не является оптимальным по твердости и коэффициенту трения вследствие завышенного

НзР04 + СгОз

отношения -------- . графит

Пример 8, Приготовлена суспензия, содержащая, мас.%: Ортофосфорная кислота25Хромовый ангидрид 15 Графит марки

С-2 , 22 30%-ный раствор перекиси водорода 8 Аэросил 5 Вода 25,

-0.53. а от- СгОз

НзР04 + СгОз л Q0 ношение -------- 1,82. графит

Эту суспензию наносили на поверхность текстолита, марки ЛТК, алюминиевого сплава АК4-1, стали марки ЭИ961 и вакуумной резины с помощью кисти, наливом. Покрываемость всех материалов была хорошая, без промежутков, однотонного темно-серого цвета.

Минимальная температура водостойкости, определенная на стали Э1/1961, составляла 130°С, а толщина покрытия 100-120 мкм, Твердость покрытия по Шору 54 ед., а коэффициент трения стали ЭИ961 по покрытию 0,08..

После нагрева на воздухе при 600°С в течение 5 ч отмечено незначительное уменьшение удельной массы покрытия 0,42 г/м2.

Рассматриваемый состав суспензии обеспечивает получение покрытия оптимального по многим параметрам: покры- ваемости, твердости, минимальной температуры получения водостойкого покрытия. Хорошие свойства получаются у данного покрытия по работоспособности при повышенных температурах. Однако при изучении структуры под электронным микроскопом (X 10000) в покрытии обнаруживаются микротрещины.Установлено,что в покрытиях,полученных в суспензиях выше верхнего концентрационного предела (пример 8) эти трещины увеличиваются. Особенно трещины узе- личиваются при повышении содержания аэросила выше 5 мас.%. Таким образом аэросил в пределах 2-5 мас.% способствует покрываемое™, но превышение его выше 5%, особенно при повышенных с одержани- ях компонентов, образующих твердый осадок покрытия, приводит к образованию

трещин.

Примеры осуществления способа нанесения предлагаемого графитового покрытия представленных в табл.1 и 2.

Покрытия наносили на алюминиевый

сплав Д19. С увеличением отношения 30% раствора пероксида водорода к хромовому ангидриду уменьшается минимальная температура формирования водо стойкого покрытия. Однако отношение 30% раствора

пероксида водорода к хромовому ангидриду выше 0,6 нежелательно, так как оно приводит к охрупчиванию и шелушению покрытия при деформации алюминиевой пластины. Для получения качественного покрытия,

имеющего низкую минимальную температуру получения водостойкого покрытия отношение 30% раствора пероксида водорода к хромовому ангидриду должно быть в пределах 0,40-0,60. ,

В примерах 9-15 (табл.2) показана сущность изобретения. Графитовое покрытие наносили на материалы, марки которых указаны в табл.2. В примерах 10.и 14 графитовое покрытие наносили на замки лопаток, В

примерах 9,11,12,13и16 покрытие использовали в качестве подшипников скольжения с коэффициентом трения 0,07-0,13. В примерах 9-17 (табл.2) показано влияние отношения суммы содержаний ортофосфорной

кислоты -и хромового ангидрида к содержанию графита в суспензии на твердость покрытия. При этом отношение выше 2.5 повышается твердость покрытия, что значительно снижает антифрикционные свойства

покрытия. Кроме использования разработанного покрытия в кэчестве антифрикцион- ного материала ниже представлены примеры е го применения для защиты от окисления стальной поверхности и защиты

от насыщения алюминием.

Пример 18. Заготовки под ковку из стали 40ХФА покрывали суспензией состава, указанного в примере N 10 (табл.2). Покрытые и непокрытые заготовки выдерживали при температуре 1000 и 1150°С в течение 1 часа. С помощью гравиметрического метода определяли удельное приращение массы (Am/F; г/м2) стали в процессе окисления. Для стали без покрытия приращение массы ( A m/F) составляло при 1000°С-300 г/м2, а при 1150°С-3500 г/м2. Для той же стали с графитовым покрытием приращение массы составило при - .18 г/м2, а при 1150°С - 110 г/м2. Само графитовое покрытие окислялось, защищая сталь от окисления. .

Пример 19. Графитовое покрытие из суспензии состава примера 9 наносили на замки лопаток, изготовленных из стали ЭИ961Ш. С целью защиты от низкотемпературного алитирования. Затем лопатки загружали вместе с алюминиевым порошком в контейнер, на дно которого был загружен безводный треххлористый алюминий, в количестве 1 % от массы алюминиевого порошка. Процесс проводили при температуре 500°С в течение 4 часов. После разгрузки контейнера установлено: перо лопаток имеет алюминидный слой толщиной 20 мкм, а на замковой части нет насыщения алюминием. Имеющееся на замковой части графитовое покрытие значительно легче по сравнению с алюминидным покрытием удаляется .без повреждения стальной поверхности.

Сравнение параметров известного и предлагаемого покрытий приведено в табл.3.

Использование изобретения позволяет: 1, Снизить температуру формирования водостойкого графитового покрытия с 315°С до 120-200°С, что позволяет:

- расширить применение материалов, на которые можно наносить антифрикционные покрытия. В номенклатуру этих материалов могут входить пластические массы, легкиесплавы - алюминия и магния, а также титановые, медные сплавы и стали:

- снизить энергозатраты при нанесении покрытия.

2. Повысить водостойкость графитового покрытия за счет использования связки, со- держащей ионы 3-х валентного хрома вместо 6-ти валентного.

3. Повысить температуру работоспособности графитового покрытия с 400 до 600°С, . Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Суспензия для получения графитового покрытия, включающая ортофосфорную кислоту, хромовый ангидрид, графит и воду, отличающаяся тем, что. с целью повышения технологических свойств нанесения, равномерности и сплошности покрытия, она дополнительно содержит 30%-ный раствор пероксида водоро да и аэросил, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Ортрфосфорная

кислота10-25 Хромовый ангидрид 5-15 Графит 7-22 30%-ный раствор пероксида водорода 2-8 Аэросил 2-5 Вода Остальное

2. Суспензия поп.1,отличающаяс я тем, что, с целью защиты покрытия от

окисления при температурах выше 400°С,

отношение суммарного содержания 30%ного раствора пероксида водорода и хромо вого ангидрида к графиту составляет 1,5-2,5.

3. Суспензия по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю - щ а я с я тем, что, с целью снижения минимальной температуры тепловой обработки

получения водостойкого покрытия, отношение содержания 30%-ного раствора пероксида водорода к хромовому ангидриду составляет 0,4-0,6.

Использование: относится к химическим покрытиям, в частности графитовым. Изобретение позволяет снизить температуру формирования водостойкого графитового покрытия с 315 до 120°С, тем самым расширить температуру применяемых ма- те.риалов и снизить энергозатраты при нанесении покрытия, а также повысить температуру эксплуатации покрытия с 400 до 600°С. Сущность изобретения; в водную суспензию, содержащую фосфаты и хрома- ты, дополнительно вводится 30%-ный раствор пероксида водорода и аэросил в соотношении, мас.%: ортофосфорная кислота 10-25; хромовый ангидрид 5-15; гра фмт 7-22; 30%-ный раствор пероксида водорода 2-8; аэросил 2-5; вода 74-25 при оптимальных отношениях НзРОз+СгОз/графит - 1,5- 2,5 и 30%-ный раствор пероксида водорода/хромовый ангидрид 0,4-0,6. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Т а б л и ц а 1

Влияние отношения пероксида водорода к хромовому ангидриду на снижение

минимальной температуры получения водостойкого покрытия на подложке из сплава

Д19 при НзРО-з 20 мае. % и графита 10 мае. % SI02 3,2 мае. %

Характеристика графитовых покрытий в примерах выполнения

1806117

10 Продолжение табл.1

Таблица

Сравнение параметров известного и предлагаемого графитовых покрытий

. Отношение

32llt 2C2 B§ЈI52E3 bs52

СгО,

Отношение

tkP°A ± ЈE°3 графит

Возможность нанесения покрытия на поверхность внутренних отверстий

Минимальная температура тепловой обработки

Материалы, на которые можно наносить покрытие

Водостойкость покрытия - уменьшение массы покрытия, обработанного при . минимальной температуре

при 2-х час. выдержке в воде при 2 ч выдержке в воде

уменьшение массы покрытия, обработанного при температуре .

при 2 ч выдержке в воде I при 2 ч выдержке в воде .

Потери при окислении - уменьшении массы покрытия при окислении в течении 10 ч при температуре 500 С

600°С

ТаблицаЗ

О, «10-0,60

Распыление

1,5-2,5

Распыление или наливом

15°C

2

2

да : .

I

120°t

Пластические массы, алюминиевые; магниевые, титановые сплавы и стали

120°С 0,1 г/м2 0,6 г/м2

i 8o°c ;

о

о

1,5 гУмг. 6,2 г/и

0,2 г/м2 0,8 г/м2