Защитное технологическое покрытие для сталей и сплавов

Изобретение относится к защитным покрытиям от окисления при технологических нагревах в процессе получения высококачественных деталей и полуфабрикатов из сталей и сплавов. Технический результат изобретения заключается в повышении температуроустойчивости и теплоизоляционных свойств защитного технологического покрытия для сталей и сплавов при нагревах до 1200°С. Защитное технологическое покрытие содержит, мас.%: Al₂О₃ - 17-33; СаО - 0,5-7,8; MgO - 0,5-5; 2CaO·SiO₂ - 0,5-1; 3СаО·Al₂О₃ - 0,5-1; 2MgO·Al₂O₃·5SiO₂ - 5-10; СаО·6Al₂О₃ - 5-10; SiO₂ - остальное. 2 табл.

 

Изобретение относится к технике производства силикатных материалов, которые могут быть использованы как защитные покрытия от окисления при технологических нагревах в процессе получения высококачественных деталей и полуфабрикатов из сталей и сплавов при термической и термомеханической обработке давлением в машиностроении и в народном хозяйстве.

Известно защитное покрытие для композиционного материала следующего химического состава, мас.%:

SiO2	10-30
Al2O3	3-20
CaO	8-12
MgO	0,5-5
В2О3	3-12
Na2O	0,1-0,4
K2O	0,1-0,2
ВаО	3-11
SiB4	0,5-5
MoSi2	32-70

Патент РФ №2190584.

Недостатком известного покрытия являются низкие теплоизоляционные свойства покрытий при высокотемпературных нагревах.

Известно также защитное покрытие для сталей и сплавов следующего химического состава, мас.%:

Al2O3	6-18
CaO	4-11
MgO	1-4
В2O3	5-15
Na2O	0,5-1
К2O	0,3-3
BaO	5-10
Al2O3·3SiO2	2-7
SiO2	40-75

Патент РФ №2151110.

Недостатком известного покрытия являются низкие теплоизоляционные свойства при высокотемпературных нагревах.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является защитное покрытие, следующего химического состава, мас.%:

Al2O3	5-15
CaO	1-6
MgO	1-4
2CaO·SiO2	0,1-0,5
3CaO·Al2O3	0,1-0,5
В2O3	14-45
Na2O	1-6
К2O	1-4
BaO	3-12
SiO2	28-50

Патент РФ №2151111.

Недостатком покрытия-прототипа являются пониженные теплоизоляционные свойства и температуроустойчивость при нагревах до 1200°С.

Технической задачей изобретения является повышение температуроустойчивости и теплоизоляционных свойств защитного технологического покрытия для сталей и сплавов при нагревах до 1200°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено защитное технологическое покрытие для сталей и сплавов, включающее Al₂O₃, CaO, MgO, 2CaO·SiO₂, 3СаО·Al₂О₃, SiO₂, которое дополнительно содержит 2MgO·Al₂O₃·5SiO₂, СаО·6Al₂О₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al2O3	17-33
CaO	0,5-7,8
MgO	0,5-5
2CaO·SiO2	0,5-1
3СаО·Al2O3	0,5-1
2MgO·Al2O3·5SiO2	5-10
СаО·6Al2О3	5-10
SiO2	остальное

Авторами экспериментально установлено, что введение 2MgO·Al₂O₃·5SiO₂ и СаО·6Al₂О₃ в покрытие, а также регламентированное содержание и соотношение заявленных компонентов повысило теплоизоляционные свойства покрытия и его температуроустойчивость при нагревах до 1200°С.

Рентгеноструктурный анализ предлагаемого покрытия показал, что в процессе технологических нагревов в покрытии образуются керамические кристаллические фазы 2Al₂O₃·MgO, CaO·2MgO и 3Al₂O₃·2SiO₂, обеспечивающие повышение теплоизоляционных свойств и температуроустойчивости покрытия до 1200°С.

Примеры осуществления

Пример 1. Для приготовления шликера защитного покрытия компоненты покрытия в соответствующих мас.% (таблица 1) Al₂O₃ - 17, СаО - 0,5, MgO - 5, 2CaO·SiO₂ - 1, 3СаО·Al₂О₃ - 1, 2MgO·Al₂O₃·5SiO₂ - 5, СаО·6Al₂О₃ - 5, SiO₂ - 65,5 помещали в фарфоровый барабан с алундовыми шарами в соотношении 1:1,5, затем в барабан добавляли 150 мл водопроводной воды. Размол и перемешивание компонентов проводили в течение 24 часов на шаровой мельнице. Готовый шликер покрытия выгружали в полиэтиленовую емкость, проводили старение шликера в течение 3 суток, затем замеряли вязкость шликера вискозиметром В3246 и из краскораспылителя наносили на образцы сталей ВКС130, ВНС2 и сплавов ЭИ826, ВТ22. Вязкость шликера покрытия составляла 19 с, толщина покрытия 0,5 мм. Образцы с покрытием подвергали сушке при 20°С в течение 24 часов и затем проводили нагрев до 1000°С и 1200°С с выдержкой 10 ч. Данные режимы нагревов соответствуют режимам термической обработки и горячей обработки давлением.

Примеры 2, 3, 4 получения защитных покрытий для сталей и сплавов осуществляли аналогично примеру 1.

Составы предлагаемых покрытий и покрытия-прототипа, а также их свойства приведены в таблицах 1, 2.

Температуроустойчивость (окисляемость) образцов с предлагаемым покрытием и покрытием-прототипом определялась термогравиметрическим методом путем непрерывного взвешивания образцов с покрытием при температурах нагрева 1000°С, 1200°С и выдержкой 10 ч.

Теплоизоляционные свойства предлагаемого покрытия и покрытия-прототипа определялись по скорости охлаждения заготовки с покрытием после нагрева ее до температуры 1000°С и 1200°С при выдержке 10 ч после выгрузки заготовки на воздух.

Для точного определения скорости охлаждения поверхности и сердцевины заготовки с покрытием в заготовку были вмонтированы термопары к поверхности и в сердцевину образца.

Разность скоростей охлаждения поверхности и сердцевины заготовки с предлагаемым покрытием наиболее полно характеризует его теплоизоляционные свойства.

Из таблицы 2 видно, что температуроустойчивость образцов сталей ВКС130, ВНС2 и сплавов на никелевой основе ЭИ826 и на титановой основе ВТ22 с предлагаемым защитным покрытием при температурах 1000°С и 1200°С соответственно меньше на стали ВКС130, ВНС2 и на сплаве ЭИ826 в 20 и 30 раз, а на сплаве ВТ22 в 20 и 40 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Таблица 2
Номера составов покрытий	Окисляемость сталей и сплавов, г/см2	Скорость охлаждения образцов с покрытием °С/мин
	поверхности	сердцевины
	Температура нагрева при выдержке 10 часов, °С
1000	1200	1000	1200	1000	1200
Предлагаемые покрытия на сталь ВКС130
1	0,1	0,2	3,5	5,5	3	5
2	0,1	0,2	3,5	5,5	3	5
3	0,1	0,2	3,5	5,5	3	5
Предлагаемые покрытия на сталь ВНС2
1	0,25	0,5	3,5	5,5	3	5
2	0,25	0,5	3,5	5,5	3	5
3	0,25	0,5	3,5	5,5	3	5
Предлагаемые покрытия на сплав ЭИ826
1	0,08	0,15	2,5	3,5	2	3
2	0,08	0,15	2,5	3,5	2	3
3	0,08	0,15	2,5	3,5	2	3
Предлагаемые покрытия на сплав ВТ22
1	0,2	0,4	8	10	6	8
2	0,2	0,4	8	10	6	8
3	0,2	0,4	8	10	6	8
Покрытие-прототип на сталь ВКС 130	2	6	26	80	12	30
Покрытие-прототип на сталь ВНС2	5	15	18	48	12	16
Покрытие-прототип на сплав ЭИ826	1,6	4,5	18	32	18	18,6
Покрытие-прототип на сплав ВТ22	4	16	30	65	20	30

Скорость охлаждения сталей ВКС130, ВНС2 и сплавов ЭИ826, ВТ22 с поверхности образцов с предлагаемым защитным покрытием при температурах нагрева 1000°С и 1200°С соответственно меньше на стали ВКС130 в 7,4 и в 14,5 раз, ВНС2 в 5,14 и в 8,7, на сплаве ЭИ826 в 7,2 и в 9,14, ВТ22 меньше в 3,8 и в 6,5 раз по сравнению с покрытием-прототипом.

Скорость охлаждения сердцевины образцов сталей ВКС130, ВНС2 и сплавов ЭИ826, ВТ22 с предполагаемым защитным покрытием при температурах нагрева 1000°С и 1200°С соответственно на стали ВКС130 меньше в 4 и 6 раз, на стали ВНС2 в 4 и 6 раз, на сплаве ЭИ826 меньше в 9 и 6,2 раз, на сплаве ВТ22 в 3,3 и 3,75 раз по сравнению с покрытием прототипом.

Таким образом предлагаемое защитное покрытие обеспечивает защиту сталей и сплавов от окисления при технологических нагревах до 1200°С и обладает высокими теплоизоляционными свойствами, обеспечивая снижение скорости охлаждения заготовок и равномерный их нагрев по всему объему заготовки в процессе термообработки и штамповки.

Так разность скоростей охлаждения поверхности для образцов стали ВКС130 с предлагаемым покрытием при температуре нагрева 1000°С по сравнению с покрытием-прототипом составляет 22,5°С/мин, при 1200°С - 74,5°С/мин, для образцов стали ВНС2 при 1000°С составляет 14,5°С/мин, при 1200°С - 42,5°С/мин, для образцов сплава ЭИ826 при 1000°С составляет 15,5°С/мин, при 1200°С - 28,5°С/мин, для образцов сплава ВТ22 при 1000°С составляет 22°С/мин, при 1200°С - 55°С/мин.

Разность скоростей охлаждения сердцевины для образцов стали ВКС130 с предполагаемым покрытием при температуре нагрева 1000°С по сравнению с покрытием прототипом составляет 9°С/мин, при 1200°С - 25°С/мин, для образцов стали ВНС2 при 1000°С составляет 9°С/мин, при 1200°С - 9°С/мин, для образцов сплава ЭИ826 при 1000°С - 16°С/мин, при 1200°С - 15,6°С/мин, для образцов сплава ВТ22 при 1000°С - 14°С/мин, при 1200°С - 22°С/мин.

Полученные данные свидетельствуют, что предлагаемое покрытие по сравнению с покрытием-прототипом обеспечивает равномерное температурное поле в заготовках при температурах нагрева 1000°С, 1200°С, и является защитным покрытием с высокими теплоизоляционными свойствами.

Применение предлагаемого покрытия позволит получить качественную поверхность металлических деталей и заготовок при нагревах в обычных печах вместо печей с контролируемой атмосферой, снизить трудоемкость, энергоемкость производства металлических деталей и полуфабрикатов и повысить ресурс их эксплуатации в 1,5-2 раза.

Защитное покрытие для сталей и сплавов, включающее SiO₂, Al₂О₃, СаО, MgO, 2CaO·SiO₂, 3СаО·Al₂О₃, которое дополнительно содержит 2MgO·Al₂O₃·5SiO₂, СаО·6Al₂О₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al₂О₃ 17-33; СаО 0,5-7,8; MgO 0,5-5; 2CaO·SiO₂ 0,5-1; 3СаО·Al₂О₃ 0,5-1; 2MgO·Al₂O₃·5SiO₂ 5-10; СаО·6Al₂О₃ 5-10; SiO₂ - остальное.