CS217720B1 - Electrically conductive protection layer - Google Patents

Description

Vynález se týká povrchové ochranné vrstvy schopné jednak zprostředkovat přenos elektrického proudu na podložní materiál, jednak tento materiál chránit proti působení vysokých teplot a proti korozi.

V současné době je známo a popsáno značné množství ochraných vrstev keramických, kovových i takových, které jsou vytvořeny ze směsi kovu a keramiky. Jejich vlastnosti, zvláště u keramických a kovových vrstev, jsou dostatečně známy i popsány. Keramické ochranné vrstvy nalézají své uplatnění při ochraně podložky proti působení vysokých teplot, proti rychlému působení koroze za vyšších teplot, proti erozi a abrazi apod. Kovové vrstvy nalézají uplatnění hlavně v případech, kdy se jedná o ochranu podložky proti korozi nebo o vytvoření tvrdšího funkčního povrchu, než je materiál podložky, dále v případech, kdy je třeba vytvořit elektricky vodivý povrch podložky nebo vylepšit vzhled výrobku. Směsné vrstvy z keramiky a kovu v sobě zahrnují vlastnosti jak keramických, tak kovových vrstev. Výsledné vlastnosti směsné vrstvy pak závisí do značné míry na poměru obou složek.

Schopnost keramické vrstvy chránit podložku proti korozi je však silně závislá na průchozí pórovitosti vrstvy. Ta se dá ovlivňovat mnoha faktory, např. přítomností skelné fáze ve vrstvě, při· použití stříkacích technologií, granulometrií výchozího práškového keramického materiálu a technologickými parametry procesu, následným nanesením utěsňující vrstvy, např. kovové, nebo nanášením keramiky společně s kovem.

Pro některá použití však vlastnosti výše uvedených vrstev nevyhovují. Jedná se hlavně o ty případy, kdy je třeba vytvořit na povrchu podložky takovou vrstvu, která by ji dostatečně chránila před korozí při působení vysokých teplot, přičemž v průběhu vystavení podložky teplotám v intervalu —30 stupňů Celsia až 1000 °C nebo 1200 °C by vrstva byla schopna zajistit přívod elektrického proudu na podložku, jako např. u ochrany grafitových elektrod obloukových pecí před oxidací.

Tyto nevýhody známých ochranných vrstev odstraňuje elektricky vodivá ochranná vrstva podle vynálezu tím, že se skládá z 49 až 90 °/o\ hmot. kysličníkové keramiky, z jednoho nebo více kovových materiálů s měrným odporem v rozmezí 0,0149.10⁶ až 0,065.10Ω . m a nejméně z jednoho kysličníku tohoto kovového materiálu, přičemž obsah kovového materiálu je 9 až 50 % hmot. a obsah kysličníků tohoto materiálu je 1 až 35 % hmot. vrstvy. Povrchová vrstva má měrný elektrický odpor v rozmezí teplot —30 °C až 800 °C 0,5 . ΙΟ“⁶ až 360.10⁶ Ω. m, přičemž po vystavení vlivu teploty nad 1100 °C až 1500 °C a ochlazení na 20 °C je její měrný elektrický odpor 1,0.10^-1 až 1,0.10+⁸ Ω . m.

Rozptýlený kysličník kovové fáze může být s výhodou obsažen na vnitřním povrchu pórů keramické fáze. Vrstva se může skládat z 50 až 90 % hmot. směsi tetragonálního ZrO₂, jednoklonného ZrO₂, rentgenamorfního SiO₂ a ZrSiO₄, 10 až 50 % hmot. kovové mědi a 1 až 35 % hmot. kysličníků mědi, nebo z 50 až 90 % hmot. směsi krystalického A1₂O₃, rentgenamorfního A1₂O₃, TiO₂ a Cr₂O₃, 10 až 50 %! hmot. kovového niklu a 1 až 35 % hmot. kysličníků niklu, nebo z 50 až 90 % hmot. směsi ZrO₂, CaO, MgO, 10 až 50 % hmot. kovové mědi a 1 až 35 % hmot. kysličníků mědi.

Nanesena na podložku obsahuje tedy vrstva keramickou fázi, kovovou fázi a kysličníky použitého kovu.

Keramická fáze funguje jako vlastní ochranná vrstva proti korozi a kovová fáze zprostředkuje přívod elektrického proudu na podložku. Kysličník kovu, který je obsažen na vnitřním povrchu pórů keramické fáze, působí jako plnivo pórů, a to i za teplot, kdy kovová fáze už ve vrstvě není obsažena. To má za následek tu skutečnost, že nedojde ke snížení stupně pokrytí povrchu podložky při vymizení kovové fáze z vrstvy do takové míry jako u vrstvy, která před vystavením účinkům vysokých teplot neobsahovala kysličník přimíšeného kovu. Dalším důsledkem je skutečnost, že zvýšení celkové porózity po vymizení kovové fáze má za následek snížení tepelné vodivosti vrstvy a tím, při zachování původního stupně pokrytí povrchu, zvýšení schopnosti vrstvy chránit podložku před působením vysokých teplot a v případě oxidační atmosféry před oxidací.

Vrstva popsaná v tomto materiálu vykazuje odolnost vysokým teplotám. Přilnavost vrstvy k běžným způsobem očištěným a zdrsněným podložkám je stejná nebo ve většině případů vyšší než u vrstev pouze keramických. Je ji možno vytvořit na podložky pevného skupenství s bodem zážehu vyšším než 200 °C, přičemž u vrstev silnějších, případně u aplikací na podložní materiály s podstatně odlišnou tepelnou roztažností, lze použít i vhodné dilatační mezivrstvy.

V následujících příkladech provedení je znázorněno použití ochranné vrstvy, která je předmětem tohoto vynálezu.

Příklad 1

Na grafitovou elektrodu 0 100 mm a délka 1270 mm byla po jejím otryskání nanesena vrstva o parametrech:

tloušťka 0,4 mm měrný el. odpor 8,0.10^_θ Ω . m složení 58 % hmot. směsi tetragonálního ZrO₂, jednoklonného ZrO₂, rentgenamorfního SiO₂ a ZrSiO₄, vznikající při plazmovém nanášení ochranné vrstvy % hmot. Cu % hmot. CuO a Cu₂O

Elektroda byla nasazena od elektrické obloukové pece pro tavení měděného kamínku. Teplota taveniny byla 1350 °C. Za dobu provozu v peci zachovala elektroda díky ochranné vrstvě válcovitý tvar na více než 95 % své délky a její váhový úbytek činil 50 % váhového úbytku sousedních grafitových elektrod, které nebyly opatřeny žádnou ochrannou vrstvou. V mimopecním prostoru zprostředkovala vrstva díky své vodivosti přenos elektrické energie do těla elektrody.

Příklad 2

Na grafitovou elektrodu 0 100 mm a délka 1300 mm byla po jejím otryskání nanesena vrstva o těchto parametrech:

tloušťka 0,3 mm měrný el. odpor 24.10~^e Ω . m složení 50 % hmot. směsi krystalického a rentgenamorfního A1₂O₃ % hmot. TiO₂ 2 % hmot. Cr₂O₃ % hmot. Ni 5 % hmot. kysličníků Ni

Elektroda byla použita k propalování odpichového otvoru elektrické obloukové pece na výrobu křemíku. Vhodnou volbou parametrů plazmového hořáku se docílilo, že rozptýlený kysličník kovového materiálu se vytvořil na vnitřním povrchu pórů keramické fáze oxidací kovového materiálu v okamžiku dopadu částic nanášené vrstvy a tyto póry podstatně zmenšil nebo utěsnil. Elektroda opatřená vrstvou uvedenou v tomto příkladě zachovala svůj průměr na více než 90 % své délky, naproti tomu u elektrod bez ochranné vrstvy dochází vlivem značné oxidace při jejich zahřátí do bílého žáru ke zmenšování průměru přibližně na 40 % jejich délky.

Příklad 3

Na grafitovou elektrodu 0 12,6 mm a délka 500 mm byla po jejím otryskání nanesena vrstva o těchto parametrech;

tloušťka 0,2 mm měrný el. odpor 0,7 . ΙΟ^-6 Ω . m složení 60 % hmot. ZrO₂ % hmot. CaO 1 °/o hmot. MgO 14 % hmot. Cu % hmot. CuO a Cu₂O

Elektroda opatřená touto vrstvou byla použita jako katoda stejnosměrného elektrického oblouku ve vodou stabilizovaném plazmovém hořáku. Bylo dosaženo úbytku elektrody 3 mm/min oproti 4 mm/min u grafitové elektrody, která nebyla opatřena žádnou ochrannou vrstvou, přičemž doba Chodu hořáku a proud jím procházející byly v obou případech stejné.

Claims (5)

1. Elektricky vodivá ochranná vrstva na bázi kysličníkové keramiky a kovového plnidla, zejména žárově nebo plazmově nanášená vrstva tloušťky 0,1 až 2 mm, vyznačená tím, že se skládá ze 49 až 90 °/o hmot. kysličníkové keramiky, 9 až 50 % hmot. jednoho nebo více kovových materiálů s měrným elektrickým odporem v rozmezí 0,0149 .

. 10“⁶ až 0,165 . ΙΟ⁶ Ω . m a z 1 až 35 % hmot. nejméně jednoho kysličníku tohoto kovového materiálu.

2. Elektricky vodivá ochrana vrstva podle bodu 1, vyznačená tím, že kysličník kovového materiálu je rozptýlen na vnitřním povrchu pórů kysličníkové keramiky.

3. Elektricky vodivá ochranná vrstva podle bodu 1, vyznačená tím, že kysličníkovou keramiku tvoří směs kysličníku zirkoničitého, kysličníku křemičitého a křemičitanu zirkoničitého, kovovým materiálem je měd a kysličníky tohoto kovového materiálu jsou kysličník měďný a kysličník měďnatý.

4. Elektricky vodivá ochranná vrstva podle bodu 1, vyznačená tím, že kysličníkovou keramiku tvoří směs kysličníku hlinitého, kysličníku titaničitého a kysličníku chromitého, kovovým materiálem je nikl a kysličníky tohoto kovového materiálu jsou kysličníky niklu.

5. Elektricky vodivá ochranná vrstva podle bodu 1, vyznačená tím, že kysličníkovou keramiku tvoří směs kysličníku zirkoničitého, kysličníku vápenatého a kysličníku hořečnatého, kovovým materiálem je měď a kysličníky tohoto kovového materiálu jsou kysličník měďný a kysličník měďnatý.