RU2559244C1

RU2559244C1 - Защитное технологическое покрытие

Info

Publication number: RU2559244C1
Application number: RU2014126628/03A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Каблов; Валентина Алексеевна Розененкова; Надежда Александровна Миронова; Денис Вячеславович Гращенков; Владимир Геннадьевич Лепщиков
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Изобретение относится к защитным покрытиям от окисления и в качестве высокотемпературной смазки при технологических нагревах в процессе изготовления деталей. Технический результат изобретения заключается в понижении значений окисляемости и в повышении термостойкости и сцепления покрытия с поверхностью защищаемых жаропрочных никелевых сплавов при температурах нагрева до 1250°C. Защитное технологическое покрытие включает, мас.%: Al₂O₃2-21, BaO 16-18, CaO 7,5-9, MgO 6-8,5, B₂O₃3-15, MgO·Cr₂O₃1,5-2, TiB₂3-5, Ni₃Al 1,5-3,5, BaO·B₂O₃5-7,5, SiO₂ - остальное. 2 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области производства силикатных материалов, которые могут быть использованы как защитные покрытия от окисления и в качестве высокотемпературной смазки при технологических нагревах в процессе изготовления деталей и полуфабрикатов в машиностроении и в других отраслях народного хозяйства.

Известно защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас.%:

Al₂O₃	3-21
CaO	1,5-13
MgO	0,5-5,5
B₂O₃	3-18
BaO	3-13
K₂O	0,1-5
2BaO 3SiO₂	1-3
2Al₂O₃·B₂O₃	1-3
SiO₂	остальное

(RU 2379238 C1, 20.01.2010).

Недостатком известного покрытия является низкая температуроустойчивость при рабочих температурах до 1250°C.

Известно защитное покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO₂	10-30
Al₂O₃	3-20
CaO	8-12
MgO	0,5-5
B₂O₃	3-12
Na₂O	0,1-0,4
K₂O	0,1-0,2
BaO	3-11
SiB₄	0,5-5
MoSi₂	32-70

(RU 2190584 C2, 28.11.2000).

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

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

(RU 2345963 C1, 10.02.2009).

Недостатком известных покрытий является низкая температуроустойчивость и термостойкость при температурах нагрева до 1250°C.

Al₂O₃	19-35
CaO	1-8
MgO	1-7,5
3CaO·Al₂O₃	0,8-1,2
CaO·6Al₂O₃	3-11
BaO·6Al₂O₃	3-5
MgO·Al₂O₃	0,3-1
SiO₂	остальное

(RU 2404933 C1, 27.11.2010).

Недостатком известного покрытия является низкое сцепление покрытия с поверхностью защищаемого металла после технологических нагревов до 1250°C.

Известно также защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас.%:

SiO₂	12-20
MgO	1,5-5
3CaO·Al₂O₃	10-15
Al₂O₃·MgO	3-10
BaO·2SiO₂	1,5-5
ZnO₂·Al₂O₃	3-8
Al₂O₃	остальное

(RU 2379239 C1, 20.01.2010).

Недостатком известного покрытия является низкие температуроустойчивость и сцепление с поверхностью защищаемого металла при температурах нагрева до 1250°C.

Наиболее близким аналогом является защитное технологическое покрытие следующего химического состава, мас. %:

Al₂O₃	3-17
BaO	1-15
CaO	0,5-5
MgO	0,5-5,5
B₂O₃	5-10
Ka₂O	0,5-10
K₂O	0,5-5
MgO·Cr₂O₃	0,5-1
SiB₄	1-5
SiO₂	остальное

(RU 2317954 C1, 27.02.2008).

Недостатком известного покрытия является низкая температуроустойчивость, термостойкость и низкое сцепление с поверхностью защищаемого металла при температурах нагрева до 1250°C.

Техническим результатом является понижение значений окисляемости, а также повышение термостойкости и сцепления покрытия с поверхностью защищаемых жаропрочных никелевых сплавов при температурах нагрева до 1250°C.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что предложено защитное технологическое покрытие, содержащее, мас. %: Al₂O₃, BaO, CaO, MgO, B₂O₃, MgO·Cr₂O₃, SiO₂, при этом оно дополнительно содержит TiB₂, Ni₃Al и BaO·B₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Al₂O₃	2-21
BaO	16-18
CaO	7,5-9
MgO	6-8,5
B₂O₃	3-15
MgO·Cr₂O₃	1,5-2
TiB₂	3-5
Ni₃Al	1,5-3,5
BaO·B₂O₃	5-7,5
SiO₂	остальное

Как показал рентгеноструктурный анализ предлагаемого защитного технологического покрытия, введение TiB₂, Ni₃Al и BaO·B₂O₃ в покрытие при заявленном содержании компонентов приводит к образованию температуроустойчивых фаз 3BaO·Al₂O₃ (боралюминат), MgO·2Al₂O₃(шпинель), CaO 2Al₂O₃ (алюминат кальция) и ВаО 6А1₂ O₃ (алюминат бария), обеспечивающих снижение окисляемости, повышение термостойкости, а также сцепление защитного технологического покрытия с поверхностью защищаемого жаропрочного никелевого сплава при температурах нагрева до 1250°C.

Экспериментальные исследования также показали, что изменение концентраций дополнительно введенных компонентов TiB₂, Ni₃Al и BaO·B₂O₃ приводит к изменению массового соотношения компонентов защитного технологического покрытия и его технологических и термических свойств. Установлено, что в процессе нагревов образцов с покрытием, в котором не соблюдена указанная концентрация компонентов, при температуре до 1250°C с выдержкой 15 часов покрытие расслаивается, спекается в виде керамического слоя, без образования стекловидной пленки. Керамическая пленка является пористой и не обеспечивает защиту жаропрочных никелевых сплавов от окисления, кроме того, является абразивной и не может служить в качестве высокотемпературной смазки.

Примеры осуществления.

Технологический процесс изготовления шликера для защитного технологического покрытия проводился следующим образом. Для получения фритты защитного технологического покрытия брали следующие компоненты: Al₂O₃, BaO, CaO, MgO, B₂O₃, MgO·Cr₂O₃, TiB₂, Ni₃Al и BaO·B₂O₃, SiO₂, в пропорциях, указанных в таблице 1, их поместили в фарфоровый барабан с алундовыми шарами и проводили размол и перемешивание компонентов на валковой мельнице. Варку фритты проводили в алундовых тиглях в камерной печи. Далее приготовили шликер покрытия путем размола фритты и перемешивания компонентов с добавлением водопроводной воды в фарфоровом барабане валковой мельницы. Готовый шликер покрытия выгрузили в полиэтиленовую емкость, где в течение 5 суток проходило старение шликера.

Шликер с вязкостью 21 Па·с, определенной вискозиметром ВЗ 246, наносили краскораспылителем КРУ4 на образцы жаропрочных никелевых сплавов ЭП975, ЭИ698 и ЭП742. Толщина предлагаемого защитного покрытия составляла 0,25 мм. Образцы с защитным покрытием подвергали сушке при комнатной температуре в течение нескольких часов, затем проводили нагрев при 1100 и 1250°C с выдержкой 15 часов. Температура и время испытания образцов с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом определялась технологическим процессом нагрева заготовок из сплавов ЭП975, ЭИ698 и ЭП742.

Свойства предлагаемого защитного технологического покрытия и его прототипа приведены в таблице 2.

Образцы жаропрочных никелевых сплавов ЭП975, ЭИ698 и ЭП742 с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям для определения окисляемости, термостойкости при температурах 1000 и 1250°C, прочности сцепления покрытия с защищаемым сплавом.

Окисляемость образцов с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом определялась путем непрерывного их взвешивания через 5, 10, 15 часов, без извлечения образцов из высокотемпературной камерной печи ТК1600 при заданных температурах нагрева 1100 и 1250°C.

Термостойкость предлагаемого защитного технологического покрытия и покрытия-прототипа определялась при циклировании образцов по режимам 1100↔20°C и 1250↔20°C. Образцы с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом загружали в камерную печь ТК1400 при температурах 1100 и 1250°C, выдерживали в течение 30 минут и выгружали на воздух. Термоциклирование проводили до появления первой трещины. При отсутствии трещин термоциклирование образцов прекращали после 50 циклов.

Сцепление предлагаемого защитного технологического покрытия и покрытия-прототипа определялось площадью скола покрытия с защищаемой поверхностью образца.

Образцы с предлагаемым защитным технологическим покрытием и покрытием-прототипом нагревали в печи ТК1400 при температуре 1100 и 1250°C, выдержке 30 минут, после чего образцы выгружали из печи и подвергали удару металлическим шариком диаметром 3 мм с высоты 50 см. При этом покрытие, исследуемое данным методом, может скалываться с защищаемой поверхности в виде окружностей и прямоугольников. После удара замерялись площадь скола по формулам: S_окр=2πr², где S_окр - площадь окружности, r - радиус круга, S_пр=ℓ·b, где S_пр - площадь прямоугольника, ℓ - длина, b - ширина. Общая площадь сколовшегося покрытия 8скола с защищаемой поверхности образца определялась суммарной площадью скола покрытия.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2. Нижеприведенные экспериментальные данные соответствуют средним значениям, полученным из трех измерений окисляемости, термостойкости и сцепления покрытия с защищаемым металлом.

Термостойкость:

- образцов жаропрочного никелевого сплава ЭП975 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1100°C выше в 10 раз, а при температуре 1250°C выше в 50 раз по сравнению с предлагаемым защитным покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного никелевого сплава ЭИ698 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1100°C выше в 10 раз, а при температуре 1250°C выше в 50 раз по сравнению с предлагаемым защитным покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного никелевого сплава ЭП742 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1100°C выше в 10 раз, а при температуре 1250°C выше в 50 раз по сравнению с предлагаемым защитным покрытием-прототипом.

Образцы жаропрочных никелевых сплавов ЭП975, ЭИ698, ЭП742 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1250°C выдерживают 50 циклов по режиму термоциклирования 1250°C↔20°C (1 цикл - 30 минут) без изменения качества покрытия (внешнего вида), притом как защитное покрытие-прототип при заданном режиме термоциклирования полностью разрушается.

Окисляемость:

- образцов жаропрочного никелевого сплава ЭП975 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1100°C (с выдержкой 15 часов) меньше в 10 раз, при температуре 1250°C (с выдержкой 15 часов) меньше в 7,5 раз по сравнению с предлагаемым защитным покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного никелевого сплава ЭИ698 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1100°C (с выдержкой 15 ч) меньше в 10 раз, при температуре 1250°C (с выдержкой 15 ч) меньше в 10 раз по сравнению с предлагаемым защитным покрытием-прототипом;

- образцов жаропрочного никелевого сплава ЭП742 с предлагаемым защитным технологическим покрытием при температуре 1100°C (с выдержкой 15 ч) меньше в 25 раз, при температуре 1250°C (с выдержкой 15 ч) меньше в 10 раз по сравнению с предлагаемым защитным покрытием-прототипом.

Сцепление предлагаемого защитного технологического покрытия:

- с жаропрочным никелевым сплавом ЭП975 при температурах 1100 и 1250°C (с выдержкой 15 ч) составляет 100%, т.е. покрытие не скалывается (площадь скола - 0%) и сохраняется на всей поверхности образца;

- с жаропрочным никелевым сплавом ЭИ698 при температурах 1100 и 1250°C (с выдержкой 15 ч) составляет 100%, т.е. покрытие сохраняется на всей поверхности образца;

- с жаропрочным никелевым сплавом ЭП742 при температурах 1100 и 1250°C (с выдержкой 15 ч) составляет 100%, т.е. и сохраняется на всей поверхности образца.

Сцепление защитного покрытия-прототипа:

- с жаропрочным никелевым сплавом ЭП975 при температуре 1100°C (с выдержкой 15 ч) составляет 6%. Покрытие-прототип скалывается с 94% поверхности образца, а при температуре 1250°C (с выдержкой 15 ч) составляет 2%, скалывается с 98% поверхности образца;

- с жаропрочным никелевым сплавом ЭИ698 при температуре 1100°C (с выдержкой 15 ч) составляет 3%. Покрытие-прототип скалывается с 97% поверхности образца, а при температуре 1250° (с выдержкой 15 ч) составляет 1%, скалывается с 99% поверхности образца;

- с жаропрочным никелевым сплавом ЭП742 при температурах 1100 и 1250°C (с выдержкой 15 ч) составляет 2%. Покрытие-прототип скалывается с 98% поверхности образца.

Предложенное защитное технологическое покрытие приводит к снижению окисления, повышению термостойкости, а также сцепления покрытия к поверхности защищаемого жаропрочного никелевого сплава при температурах нагрева до 1250°C.

Применение предлагаемого защитного технологического покрытия позволит проводить термическую обработку жаропрочных никелевых сплавов ЭП975, ЭИ698, ЭП742 в обычных печах вместо печей с контролируемой атмосферой, использовать повторно защитное технологическое покрытие перед следующим технологическим циклом (закалка, нормализация, штамповка), повысить качество, надежность готовых деталей и производительность труда, получить точные штамповки, экономию металла 5-10%, инертного газа (аргона) и электрокорунда.

Claims

Защитное технологическое покрытие, включающие Al₂O₃, BaO, CaO, MgO, B₂O₃, MgO·Cr₂O₃, SiO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит TiB₂, Ni₃Al и BaO·B₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al₂O₃ 2-21 BaO 16-18 CaO 7,5-9 MgO 6-8,5 B₂O₃ 3-15 MgO·Cr₂O₃ 1,5-2 TiB₂ 3-5 Ni₃Al 1,5-3,5 BaO·B₂O₃ 5-7,5 SiO₂ остальное