Жаростойкое ситалловое покрытие для нихромовых сталей и сплавов

 

Изобретение относится к области синтеза жаростойких покрытий для защиты нихромовых сталей и сплавов. Покрытие включает стекломатрицу состава, мас.%: SiO₂ 15,10-55,00, CaO 3,00-12,00, BaO 1,00-4,50, ZnO 1,00-9,00, TiO₂ 4,00-10,00, Li₂O 3,50-10,00, глиноземсодержащий отход 18,5-47,4, добавки на помол (сверх 100%), мас. %: глина 2,5-8,5, Н₃ВО₃ 0,005-0,05, СоО 1,0-6,0 и вода 40-50% от сухой смеси компонентов. Покрытие имеет серо-зеленый цвет. Температура формирования покрытия на поверхности нихромовой стали и сплавов 950-1000^oС. Технический результат изобретения - снижение температуры обжига покрытия без ухудшения его термомеханических свойств и удешевление технологии производства покрытий.

Изобретение относится к области синтеза жаростойких покрытий для защиты нихромовых сплавов и сталей от газовой коррозии, в частности электронагревателей и деталей обжигового инструмента при производстве эмалированных изделий.

Известна стеклокристаллическая эмаль для жаростойкого покрытия, предназначенного для защиты от высокотемпературной коррозии нихромовых сплавов (А. с. 1805101) состава, мас.%: SiО₂ - 34,63-45,16 BaO - 1,64-2,74 СаО - 7,26-11,50 MgO - 1,52-2,27 К₂O - 0,10-6,90 Li₂O - 2,74-8,32 Аl₂O₃ - 26,60-29,25 TiO₂ - 4,54-10,38 Na₂O - 0,81-3,64
Недостатком покрытия является то, что в качестве добавки на помол вводится Сr₂O₃, который при эксплуатации сублимирует из покрытия. При этом Сr₂О₃, реагируя с белым или светлым эмалевым покрытием изделий, способствует образованию цветных пятен на их поверхности, вызывая тем самым брак изделий.

Наиболее близким к изобретению является жаростойкое покрытие (Патент 2163897) для защиты жаропрочных никелевых сплавов от разрушения под действием газовой коррозии высокоскоростного потока горячих газов, состава, мас.%:
SiO₂ - 38,0-52,6
Аl₂О₃ - 18,0-20,0
MgO - 0,9-2,0
СаО - 3,5-7,5
BaO - 7,0-9,0
TiO₂ - 2,5-4,0
В₂O₃ - 6,0-7,5
Сr₂O₃ - 4,0-5,5
Минеральное комплексное соединение - 5,5-6,5
Состав минерального комплексного соединения на основе SiO₂, мас.%:
SiO₂ - 56,25-58,5
Аl₂O₃ - 34,30-35,10
MgO - 1,0-1,1
СаО - 1,0-1,2
К₂O - 2,5-2,6
Na₂O - 0,6-0,7
SO₃ - 0,15-0,25
TiO₂ - 1,6-1,8
Fе₂O₃ - 0,8-1,0
SiB₄ - 18,0-21
Недостатком этого покрытия является высокая температура обжига покрытия при его нанесении на нихром. Так как нихром, например, марки Х20Н80 уже при 1180-1200^oС претерпевает структурные изменения, то температура защитных покрытий для него должна быть не выше 1100-1150^oС. Кроме того, в составе покрытия содержится Сr₂O₃, который при эксплуатации сублимирует из покрытия. При этом Сr₂О₃, реагируя с белым или светлым эмалевым покрытием изделий, способствует образованию цветных пятен на их поверхности, вызывая тем самым брак изделий.

Задачей данного изобретения является снижение температуры обжига покрытия без ухудшения его термомеханических свойств при эксплуатации, а также удешевление технологии производства покрытий.

Данная задача решена путем введения в шихту стекломатрицы покрытия глиноземсодержащих отходов металлургической промышленности, а также оксидов Li₂O, ZnO, что несколько снижает тугоплавкость жаростойкой стекломатрицы на 100^oС.

Состав покрытия выражается следующим соотношением компонентов, мас.%:
стекломатрица:
SiO₂ - 15,10-55,00
CaO - 3,00-12,00
BaO - 1,00-4,50
ZnO - 1,00-9,00
ТiO₂ - 4,00-10,00
Li₂O - 3,50-10,00
Отходы - 18,50-47,40
состав отходов, мас.%:
SiO₂ - 15,14
Al₂O₃ - 72,23
Fе₂O₃ - 1,95
CaO - 1,77
MgO - 5,55
TiO₂ - 0,32
MnO - 0,052
К₂O - 2,22
Na₂O - 1,59
добавки на помол, мас.%:
Глина - 2,5-8,5
Н₃ВО₃ - 0,005-0,05
СоО - 1,0-6,0
Вода - 40-50% от сухой смеси компонентов
Покрытие имеет серо-зеленый цвет, высокие термомеханические свойства, температура формирования покрытия на поверхности нихромовой стали и сплавов составляет 950-1000^oС.

Для достижения высоких показателей термомеханических свойств в состав стекломатрицы вводятся Li₂O, ZnO и отходы с высоким содержанием Аl₂O₃, что обеспечивает формирование мелкозернистой объемной микрокристаллизации стекла. При этом удается снизить температуру формирования покрытия до 950-1000^oС, что благоприятно для эксплуатации нихромовых сталей и сплавов марок Х20Н80.

Для повышения прочности сцепления в системе нихром-покрытие в качестве добавки на помол вводится СоО.

Для улучшения реологических свойств в качестве добавок в состав шликера вводятся борная кислота и глина Часов-Ярского месторождения.

Пример 1.

Стекломатрица данного покрытия может быть получена смешением сырьевых компонентов в указанном соотношении с учетом химического состава отходов. Синтез стекломатрицы осуществляется в электрической печи с силлитовыми нагревателями непосредственно в алундовых тиглях при температуре 1250-1300^oС. Время выдержки стекломассы при температуре синтеза составляет 2,5-3 ч. Выливается стекло в жаростойкие металлические желоба и остывает. Охлажденное стекло и добавки на помол подвергаются измельчению до полного прохождения через сито 10000 отв/см². Составляется шликер согласно его составу, наносится на нихром, сушится при температуре 150^oС, обжиг осуществляется при температуре 1000^oС. Для испытания взята композиция, мас.%:
стекломатрица:
SiO₂ - 34,80
СаО - 7,10
Li₂O - 5,90
ТiO₂ - 4,50
BaO - 4,20
ZnO - 3,50
Отходы - 40,00
состав отходов, мас.%:
SiO₂ - 6,00
Аl₂О₃ - 28,67
Fе₂O₃ - 0,77
CaO - 0,70
MgO - 2,20
TiO₂ - 0,13
MnO - 0,02
K₂O - 0,88
Na₂O - 0,63
добавки на помол, сверх 100%:
Глина - 4,5
Н₃ВО₃ - 0,005
СоО - 2,0
Вода - 45% от веса сухой смеси стекломатрицы с добавками
Полученное покрытие имеет серо-зеленый цвет. Испытание образца на 180 (ГОСТ 24405 - 80) позволяет присвоить покрытию 3 балла (20- 30% скола). Термостойкость покрытия составляет 10 термоударов 1000^oС - вода при комнатной температуре - ТКЛР (температурный коэффициент линейного расширения) равен 110•10^-7К^-1.

Температура синтеза покрытия 970-1000^oС.

Пример 2.

Стекломатрица:
SiO₂ - 15,10
СаО - 12,00
Li₂O - 10,00
TiO₂ - 10,00
BaO - 4,50
ZnO - 1,00
Отходы - 47,40
состав отходов, мас.%:
SiO₂ - 7,12
Аl₂O₃ - 33,95
Fе₂O₃ - 0,92
СаО - 0,83
MgO - 2,61
TiO₂ - 0,15
MnO - 0,02
K₂O - 1,04
Na₂O - 0,76
добавки на помол, сверх 100%:
Глина - 5,00
Н₃ВО₃ - 0,01
СоО - 5,0
Вода - 50% от веса сухой смеси стекломатрицы с добавками
Полученное покрытие имеет серо-зеленый цвет. Прочность сцепления очень высокая - 5 баллов, около 1% сколов. Термостойкость составляет свыше 80 теплосмен. ТКЛР - 125•10^-7K^-1.

Температура синтеза покрытия - 1000 ^oС.

Пример 3.

Стекломатрица:
SiO₂ - 55,00
СаО - 3,00
Li₂O - 3,50
ТiO₂ - 10,00
ВаО - 1,00
ZnO - 9,00
Отходы - 18,50
состав отходов, мас.%:
SiO₂ - 2,78
Аl₂O₃ - 13,23
Fе₂O₃ - 0,36
СаО - 0,33
MgO - 1,02
TiO₂ - 0,06
MnO - 0,01
K₂O - 0,42
Na₂O - 0,29
добавки на помол, сверх 100%:
Глина - 7,5
Н₃ВО₃ - 0,05
СоО - 6,0
Вода - 40% от веса сухой смеси стекломатрицы с добавками
Полученное покрытие имеет серо-зеленый цвет. Прочность сцепления покрытия- 5 баллов. Термостойкость покрытия составляет 100 теплосмен. ТКЛР - 125•10^-7К^-1. Однако температура синтеза покрытия на нихромовом субстрате - 1100^oС.

Формула изобретения

Жаростойкое ситалловое покрытие для нихромовых сталей и сплавов, включающее в себя SiO₂, CaO, BaO, TiO₂, отличающееся тем, что дополнительно содержит глиноземсодержащий отход, ZnO, Li₂O и добавки на помол при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO₂ - 15,10-55,00
CaO - 3,00-12,00
BaO - 1,00-4,50
ZnO - 1,00-9,00
ТiO₂ - 4,00-10,00
Li₂O - 3,50-10,00
глиноземсодержащий отход: 18,5-47,4 состава, мас.%:
SiO₂ - 15,14
Al₂O₃ - 72,23
Fе₂O₃ - 1,95
CaO - 1,77
MgO - 5,55
TiO₂ - 0,32
MnO - 0,052
К₂O - 2,22
Na₂O - l,59
добавки на помол, сверх 100%:
Глина - 2,5-8,5
Н₃ВО₃ - 0,005-0,05
СоО - 1,0-6,0
Вода - 40-50% от сухой смеси компонентовн