RU2742643C1 - Применение суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником - Google Patents
Применение суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742643C1 RU2742643C1 RU2020136901A RU2020136901A RU2742643C1 RU 2742643 C1 RU2742643 C1 RU 2742643C1 RU 2020136901 A RU2020136901 A RU 2020136901A RU 2020136901 A RU2020136901 A RU 2020136901A RU 2742643 C1 RU2742643 C1 RU 2742643C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron nitride
- increase
- hexagonal boron
- heat flux
- external source
- Prior art date
Links
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 67
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 66
- 239000000725 suspension Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 230000004907 flux Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title abstract description 28
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 18
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 17
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 13
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 10
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 7
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical class [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical class [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CSSYLTMKCUORDA-UHFFFAOYSA-N barium(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Ba+2] CSSYLTMKCUORDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- -1 graphite Chemical compound 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 238000001192 hot extrusion Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 239000010721 machine oil Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Chemical class 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Chemical class 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/78—Combined heat-treatments not provided for above
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к увеличению теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, и может быть использовано, например, в котлах-утилизаторах и в других инженерных конструкциях. Применение суспензии гексагонального нитрида бора, нанесенной на поверхность элементов стальных конструкций, отожженной в атмосфере воздуха при температуре 300-500°С для обеспечения испарения связующего и спекания нитрида бора, в качестве покрытия для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, с одновременной их защитой от агрессивной среды. Обеспечивается возможность использования суспензии с гексагональным нитридом бора на спиртовой или водной основе для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, с одновременной их защитой от агрессивной среды. 11 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к увеличению теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, и может быть использовано в различных областях техники, в которых внешний источник, например, горячие газы, неравномерно нагревают поверхности элементов конструкции, через которые тепловой поток передаётся теплоносителю, например, в котлах-утилизаторах и в других инженерных конструкциях. При этом одновременно с этим соответствующие инженерные конструкции защищаются от воздействия агрессивных сред, например, кислот.
Многие процессы химической технологии протекают в условиях возникновения необходимости отвода теплоты, например, при охлаждении газов, жидкостей или при конденсации паров. Охлаждение осуществляют с помощью охлаждающих теплоносителей (охлаждающих агентов) в результате протекающего между ними и охлаждаемой средой теплообмена.
В большинстве технических конструкций необходимо осуществлять теплоперенос от газообразных к жидким средам, в частности, в конвекционных секциях печей или в котлах-утилизаторах. В результате процесса теплопереноса образуется агрессивная (кислотная) среда, которая, воздействуя на элементы конструкции, приводит к их разрушению. Указанное разрушение происходит, например, при снижении температуры газов в котлах-утилизаторах ниже точки росы. Это приводит к взаимодействию сконденсированной воды с окислами серы или азота с образованием кислот.
Суспензии, содержащие нитрид бора, нашли широкое применение в различных областях техники. Такие суспензии отличаются как составом своей жидкой фазы (вода, спирт, масло и пр.), так и её вязкостью. Суспензии наносятся на различные защищаемые поверхности различными способами, такими как нанесение краски, в том числе аэрозоля, погружением, центрифугированием и иным образом.
Из уровня техники известно применение суспензий с нитридом бора на водной или иной основе для защиты инженерных конструкций и их элементов от износа, для снижения трения, для защиты от коррозии, для защиты от износа двигателей внутреннего сгорания, для снижения коэффициента трения (в том числе при высоких температурах). Известные суспензии применяются в качестве:
краски (спрея) на водной основе (https://www.zypcoatings.com/product/bn-glass-release-spray/) /1/;
краски (спрея) на спиртовой основе (https://www.condat-lubricants.com/product/aerosols/bstop-boron-nitride-varnish/) /2/;
смазки CE300 (https://oil-xenum.ru/catalog/prisadki/prisadki-v-masla/ce300/) /3/;
разделительного состава на основе нитрида бора (http://crcural.ru/CRC-US-mr/CRC-US-Boron-Nitride.html) /4/;
многоцелевой смазки IKV-FILMSEC 1024 (спрей 520 мл) (http://profitoil.com.ua/page/33289) /5/;
защитного спрея для тиглей FOSSATI (https://uvelir.am/index.php?route=product/product&path=6819_6822_6638_6828&product_id=3701) /6/.
При использовании суспензий, содержащих нитрид бора, в качестве антифрикционных покрытий, называемых также смазывающими красками, в которых цветовой пигмент заменяют на твердый смазочный материал (в том числе нитрид бора), наносимых различными способами в зависимости от геометрии деталей: трафаретная печать, аэрозоль, погружение, электролитическое осаждение и центрифугирование, обеспечивают защиту от износа, снижение трения и защиту поверхности деталей от коррозии. Толщина антифрикционной пленки, как правило, составляет 5-15 мкм, поскольку более толстый слой предрасположен к скалыванию и растрескиванию, а более тонкий – не обеспечивает требуемых характеристик по снижению трения, защите от коррозии и износа.
При использовании суспензий, содержащих нитрид бора, жидкая фаза которых представляет собой машинное масло, в качестве масел обеспечивается эффективная защита двигателя внутреннего сгорания от износа.
При использовании суспензий, содержащих нитрид бора, жидкая фаза которых представляет собой высоковязкие среды, в качестве высокотемпературных смазок, благодаря тугоплавкости нитрида бора (Тдис = 3000ºC) и свойств легкого скольжения он сохраняет свою смазывающую способность в большом диапазоне температур и нагрузок. Благодаря своему наноразмеру, эти частицы абсолютно безопасны для масляных фильтров.
Известен патент Российской Федерации № 2135632 /7/, в котором обрабатывают магнитомягкий железосодержащий материал путем нанесения на него из суспензии на спиртовой основе термостойкого оксидного покрытия, способного образовывать ферриты, причём в качестве соединения, способного образовывать ферриты, используют оксиды или соли бария или магния, или никеля, или железа или кобальта или стронция или меди или марганца или лития или свинца. При этом, предварительно проводят оксидирование поверхности, на которое наносится покрытие при температуре 500-600°С в течение 10-30 мин, а термообработку покрытия проводят в водороде или вакууме в течение 4-8 часов при температуре 1150-1300°С со скоростью подъёма температуры не более 300°С/ч и охлаждением до температуры 150-200°С со скоростью 50-150°С/ч.
В данном патенте оксиды или соли бария, а также оксид бора не используются для увеличения теплового потока, проходящего через металлические элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды. Они используются для увеличения магнитной проницаемости в 1,5-5 раз и уменьшения коэрцитивной силы в 2,5 раза при сохранении электроизоляционных свойств материала.
Известен патент Российской Федерации № 2497783 /8/, в соответствии с которым запатентовано теплозащитное покрытие, включающее, в мас.%: кремнеземистый заполнитель 38-58; алюмоборфосфатное связующее 3-34; Al2O3 3SiO2 1-10; оксид натрия 1-2; оксид магния 1-2; оксид алюминия 1-3; нитрид кремния 1-2; оксид бора 2-3; нитрид бора 1-3.
Такое покрытие обеспечивает повышение термостойкости, то есть увеличение отраженного от покрытия теплового потока. Поэтому содержащийся в таком покрытии нитрид бора не используется для увеличения теплового потока, проходящего через металлические элементы конструкций, подверженные неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды.
Кроме того, в известных технических решениях /7/ и /8/ нитрид бора не является основой наносимого материала, а входит в его состав в малых количествах.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является спрей на спиртовой основе /2/, который используется в качестве смазки для снижения трения при горячей экструзии алюминия. Способ его применения состоит в нанесении на защищаемую поверхность путём распыления спрея для уменьшения трения. Недостатком такого способа является ограниченная область применения.
Таким образом, использование суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды, не известно из уровня техники.
Задачей и техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности использования суспензии с гексагональным нитридом бора на спиртовой или водной основе для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды, в частности котлов-утилизаторов.
Указанная задача решается, а результат достигается тем, что для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, с одновременной их защитой от агрессивной среды, применяют суспензию гексагонального нитрида бора на спиртовой или водной основе, которую в качестве покрытия наносят поверхность элементов стальных конструкций и отжигают в атмосфере воздуха при температуре 300-500°С для обеспечения испарения связующего и спекания нитрида бора.
Предпочтительно, суспензию наносить на очищенную пескоструйной обработкой и не подвергнутую предварительному окислению поверхность.
Нитрид бора BN — бинарное соединение бора и азота, являющееся основным материалом для многих современных технологий.
Кристаллический нитрид бора изоэлектронен углероду и подобно ему существует в нескольких аллотропных модификациях: гексагональный (α) – h-BN, кубический (β) - BN (боразон) и плотно гексагональный (ромбоэдрический) типа вюрцита γ-BN.
Нитрид бора гексагональный, как электронный аналог графита, имеет очень большое сходство с его структурой. Его молярная масса составляет 24,818 г/моль, а насыпная плотность 2,18-2,29 г/см³.
Кристаллическая структура α-BN состоит из графитоподобных сеток, расположенных, в отличие от структуры графита, точно одна под другой с чередованием атомов бора и азота по оси Z. Расстояние между сетками в решетке кристаллов нитрида бора 3,34Ǻ и меньше, чем у графита (3,40 Ǻ), что свидетельствует о более прочной связи между сетками в структуре нитрида бора в сравнении с графитом. Из-за близости структуры и некоторых физических свойств графита и нитрида бора α-BN называют «белым графитом». В отличие от графита отдельные кристаллы α-BN прозрачны. Модификация нитрида бора α-BN давно применяется в качестве твёрдой высокотемпературной смазки и в этом превосходит графит.
Гексагональный нитрид бора выпускается предприятиями в России и за рубежом по нескольким ТУ:
ТУ 2-036-707-77 или ТУ 2-036-238-74;
ТУ У 26.8-00222226-007-2003;
ТУ 2155-313-05808008-00;
ТУ 6-00-05808008-285-93;
ТУ 2112-003-49534204-2002.
Характеристики промышленного гексагонального нитрида бора представлены в таблице 1 (https://www.umeks.ru/articles/issledovaniya-tribosostavov-na-osnove-geksagonalnogo-nitrida-bora/).
Таблица 1
| Показатели содержания | Гексагональный нитрид бора |
| Нитрид бора (α-BN), %, не менее | 97,4 |
| Оксид бора (B2O3), %, не более | 0,2 |
| Карбид бора (B4C), %, не более | 1,5 |
| Насыпная плотность, г/см³ | не менее 0,33 |
| Индекс графитации, ед. | - |
| Содержание фракции минус 100 мкм, %, не менее | 95 |
| Содержание фракции менее 20 мкм, %, не менее | 90 |
Из данных Таблицы 1 следует, что в суспензии присутствует не только гексагональный нитрид бора, но и некоторое количество примесей, в частности оксид бора и карбид бора.
Заявленное изобретение иллюстрируется следующими графическими изображениями, на которых показано:
Фиг.1 - Условное изображение неанизодиаметричных кристаллов нитрида бора в связующем и распространение теплового потока (линия со стрелками);
Фиг.2 - Условное изображение анизодиаметричных кристаллов нитрида бора в связующем и распространение теплового потока (линия со стрелками);
Фиг.3 – Распространение теплового потока при небольшой анизодиаметричности;
Фиг.4 - Распространение теплового потока при высокой анизодиаметричности;
Фиг.5 - Пластина из стали 12Х1МФ после нанесения суспензии с гексагональным нитридом бора;
Фиг.6 - Пластина из стали 12Х1МФ с нанесённым и отожжённым покрытием;
Фиг.7-9 - Снимки электронного микроскопа покрытия после отжига;
Фиг.10 - Снимок тепловизора FLIR T620bx двух пластин из одного материала, одна из которых была без покрытия, а другая с покрытием, размещенные на одном и том же нагревателе одинаковым образом рядом друг с другом в одной и той же температурной зоне нагревателя;
Фиг.11 – График роста теплопроводности при одновременном нагреве одинаковых пластин из стали 12Х1МФ, на одну из которых было нанесено покрытие в виде суспензии гексагонального нитрида бора, а на другой такого покрытия не было.
Отличительной особенностью гексагонального нитрида бора является чешуйчатая структура его дисперсных частиц, при этом коэффициент анизодиаметричности (dmax/dmin) может достигать значения 10 и выше. Именно этим фактом объясняются высокие значения теплопроводности систем, наполненных нитридом бора.
Если использовать не гексагональный нитрид бора, а другие модификации кристаллического нитрида бора (кубический β-BN (боразон) или ромбоэдрический γ-BN), то они являются изотропными, то есть у них отсутствует анизодиаметричность - (dmax/dmin) ~ 1. Расположение таких кристаллов нитрида бора в связующем представлено на Фиг.1.
На Фиг.1 чёрная линия со стрелками показывает движение теплового потока. Повышение теплопроводности в данном случае существенно затруднено в силу того, что отсутствует контакт между частицами, а связующее ведёт себя, как термическое сопротивление, препятствующее теплопереносу.
Гексагональный нитрид бора, как и графит, являются анизотропными по структуре. У них большая анизодиаметричность.
Поэтому распространение теплового потока при использовании анизотропных наполнителей, таких как графит и гексагональный нитрид бора иное, что иллюстрируется на фиг.2.
В случае, показанном на фиг.2, по сравнению со случаем, показанным на фиг.1, имеется больше контактных точек при том же количестве наполнителя (гексагонального нитрида бора или графита или иного анизодиаметричного наполнителя). Следствием этого является резкое уменьшение термического сопротивления, что является причиной увеличения теплопроводности.
В результате проведенных нами исследований установлено, что чешуйки гексагонального нитрида бора, обладая существенной анизодиаметричностью, увеличивали теплопроводность в 2,5 раза по сравнению с другими аллотропными модификациями нитрида бора.
Выявленное явление является следствием того, что увеличение размера частиц (dmax) приводит к уменьшению количества точек контакта между частицами, а любые контактные точки являются терморезисторами. В результате теплопроводность тем выше, чем выше анизодиаметричность. Это хорошо иллюстрируется на фиг.3 и фиг.4.
При большей анизодиаметричности тепловой поток имеет меньше термических сопротивлений. Контакты между анизодиаметричными частицами представляют собой так называемые тепловые мостики, а вся их совокупность есть, так называемая тепловая матрица.
Гексагональный нитрид бора обладает высокой стойкостью к атмосфере аммиака при высоких температурах. Он также устойчив в парах йода. Концентрированная серная кислота также не разрушает нитрид бора. Это способствует защите поверхности, на которую нанесено покрытие из гексагонального нитрида бора, от воздействия агрессивных сред.
Проведённые нами исследования подтверждают повышение теплопроводности при использовании анизодиаметричных частиц, таких как нитрид бора.
Проведение отжига в атмосфере воздуха при температуре 300-500°С ещё более повышает теплопроводность по сравнению со случаем без проведения отжига и, как следствие, сохранения связующего на поверхности элементов конструкций. Связующее – это всегда некоторое тепловое сопротивление, уменьшающее теплопроводность. При отжиге связующее (вода или спирт) испаряются, а частицы гексагонального нитрида бора спекаются, что исключает тепловое сопротивление связующего.
Спекание происходит при повышении температуры плавившимся оксидом бора, который присутствует в суспензии в качестве примеси вместе с гексагональным нитридом бора. Оксид бора не имеет полностью определенной точки плавления, поскольку зависит от того, насколько он кристаллический или стекловидный. Чисто кристаллическая форма плавится при 450°С, однако стекловидная форма плавится при температуре от 300 до 700ºC.
Возможность использования промышленно выпускаемых суспензий с гексагональным нитридом бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды, подтверждена экспериментально.
Для экспериментов, показывающих существенное повышение теплопроводности, использовались пластины разных марок стали, в частности стали марки 12Х1МФ. Теплоустойчивая сталь 12Х1МФ применяется для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре до 600°С в течении длительного времени. Рекомендуемая температура применения 570-585°С.
Из стали 12Х1МФ изготовляют трубы пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления. В экспериментах использовалась суспензия с гексагональным нитридом бора на спиртовой основе в виде краски (спрея) /2/, предназначенная для защиты от коррозии и в качестве предварительной смазки матриц для прессования, обеспечивающая существенное продление срока службы инструмента, уменьшение поверхностного трения, даже при низких скоростях и незначительных нагрузках, прекрасно работающая при тяжелых механических и температурных нагрузках, обладающая высокой покрывающей способностью, создающая тонкий равномерный и однородный слой покрытия, защищающая от появления царапин, задиров и т.п., не приводящая к появлению дефектов типа «пузырь» («blister»), а также промышленно выпускаемый спрей на водной основе (Полипресс НП 500).
Спрей на спиртовой основе предназначен для защиты от коррозии и в качестве предварительной смазки матриц для прессования. Спрей с гексагональным нитридом бора на водной основе является разделительной смазкой для алюминиевых сплавов.
Задача проведения экспериментов состояла в установлении возможности использования суспензии с гексагональным нитридом бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды. Суспензия с гексагональным нитридом бора наносилась на пластины из стали 12Х1МФ путём распыления из аэрозольного баллончика и затем нагревалась до температуры спекания нитрида бора путём нагревания до 500°С.
Пластина из стали 12Х1МФ после нанесения суспензии с гексагональным нитридом бора имела вид, показанный на фиг.5.
После проведения отжига в атмосфере воздуха при температуре 300-500°С пластина из стали 12Х1МФ с нанесённым и отожжённым покрытием показана на фиг.6.
При отжиге нанесённого на поверхность спрея связующее испарилось, а гексагональный нитрид бора спекся, вследствие чего образовался трехмерный сплошной каркас, являющийся своеобразным «тепловым мостиком». Этот каркас хорошо виден на снимках электронного микроскопа покрытия после отжига, представленных на фиг.7-9.
Гексагональный нитрид бора характеризуется анизодиаметричными кристаллами. Кристаллы, расположенные вдоль поверхности, на которую наносится покрытие, обеспечивают теплоперенос вдоль поверхности, а кристаллы, ориентированные поперёк этой поверхности, обеспечивают поперечный теплоперенос. Теплоперенос вдоль поверхности, на которую наносится покрытие, обеспечивает выравнивание температурного поля вдоль поверхности. При неравномерном по поверхности нагреве внешним источником за счёт поверхностного теплопереноса температура на поверхности выравнивается, что интегрально увеличивает теплоперенос через поверхность, так как более холодные участки поверхности, нагретые за счёт поверхностного теплопереноса, начинают передавать через поверхность большее количество тепла.
Две пластины из одного и того же материала, одна из которых была без покрытия, а другая с покрытием, размещали на одном и том же нагревателе одинаковым образом рядом друг с другом в одной и той же температурной зоне нагревателя. При этом только часть пластин находилась на нагревателе, как это показано на снимке тепловизора FLIR T620bx (фиг.10).
Увеличение теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, подтверждалось в экспериментах с пластинами измерением температур тепловизором в одинаково расположенных точках на пластинах в пределах нагревательного элемента и вне его.
С помощью измерения температур при тепловизионной съёмке фиксировалось два эффекта – увеличение теплового потока, проходящего через пластину, и перенос тепла вдоль поверхности (приводит к выравниванию температур вдоль поверхности при неравномерном нагреве элементов конструкций внешним источником).
Увеличение теплового потока характеризуется более высокой температурой на пластине с покрытием по сравнению с контрольной пластиной без покрытия при измерении температуры в одинаково расположенных точках на пластинах, находящихся в пределах геометрических размеров нагревательного элемента.
Перенос тепла вдоль поверхности характеризуется более высокой температурой на пластине с покрытием по сравнению с контрольной пластиной без покрытия при измерении температуры в одинаково расположенных точках на пластинах, находящихся вне пределов геометрических размеров нагревательного элемента.
Одновременный нагрев одинаковых пластин стали 12Х1МФ, на одну из которых было нанесено покрытие в виде суспензии гексагонального нитрида бора, а на другой такого покрытия не было, показало рост теплопроводности, что подтверждается графиком, показанным на фиг.11. На этом графике синими точками отмечены температуры пластины из стали 12Х1ХФ без покрытия, а красными точкам с покрытием. Измерения проводились одновременно на двух пластинах через равные промежутки времени. Номер измерения указан на горизонтальной оси, а на вертикальной оси указана температура в °С.
Перенос тепла вдоль поверхности характеризуется более высокой температурой на пластине с покрытием по сравнению с контрольной пластиной без покрытия при измерении температуры в одинаково расположенных точках на пластинах, находящихся вне пределов геометрических размеров нагревательного элемента.
Результаты экспериментов сведены в таблицы 2 и 3.
Таблица 2
Результаты экспериментов с покрытием на основе использования эмульсии с гексагональным нитридом бора на спиртовой основе
| Марка стали | Температура в зоне нагрева в одинаково расположенных точках на пластине с покрытием и пластине без покрытия, °C | Температура вне зоны нагрева в одинаково расположенных точках на пластине с покрытием и пластине без покрытия, °C | ||||
| Пластина без покрытия | Пластина с покрытием | дельта | Пластина без покрытия | Пластина с покрытием | дельта | |
| Ст20 | 249,8 | 260,1 | 10,3 | 141,2 | 160,9 | 19,7 |
| 09Г2С | 276,7 | 292,9 | 16,2 | 174,6 | 179,2 | 4,6 |
| 03СП | 220,3 | 236,8 | 16,5 | 124,3 | 144,9 | 20,6 |
| 12Х1МФ | 243,7 | 266 | 22,3 | 133,1 | 156,9 | 23,8 |
| 08ПС | 125,2 | 151,9 | 26,7 | 66,1 | 81,9 | 15,8 |
Таблица 3
Результаты экспериментов с покрытием на основе использования эмульсии с гексагональным нитридом бора на водной основе.
| Марка стали | Температура в зоне нагрева в одинаково расположенных точках на пластине с покрытием и пластине без покрытия, °C | Температура вне зоны нагрева в одинаково расположенных точках на пластине с покрытием и пластине без покрытия, °C | ||||
| Пластина без покрытия | Пластина с покрытием | дельта | Пластина без покрытия | Пластина с покрытием | дельта | |
| Ст20 | 248,3 | 257,7 | 9,4 | 139,7 | 158,5 | 18,8 |
| 09Г2С | 276,4 | 291,9 | 15,5 | 174,3 | 178,2 | 3,9 |
| 03СП | 225,3 | 239,4 | 14,1 | 129,3 | 147,5 | 18,2 |
| 12Х1МФ | 244,8 | 265,8 | 21 | 134,2 | 156,7 | 22,5 |
| 08ПС | 127,6 | 152,3 | 24,7 | 68,5 | 82,3 | 13,8 |
Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможность использования суспензии гексагонального нитрида бора на спиртовой или водной основе в качестве покрытия для стальных конструкций, обеспечивающего существенное увеличение теплового потока, проходящего через элементы указанных стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником с одновременной их защитой от агрессивной среды.
Claims (1)
- Применение суспензии гексагонального нитрида бора, нанесенной на поверхность элементов стальных конструкций, отожженной в атмосфере воздуха при температуре 300-500°С для обеспечения испарения связующего и спекания нитрида бора, в качестве покрытия для увеличения теплового потока, проходящего через элементы стальных конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником, с одновременной их защитой от агрессивной среды.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136901A RU2742643C1 (ru) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | Применение суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником |
| PCT/RU2021/050361 WO2022103305A1 (ru) | 2020-11-10 | 2021-10-28 | Применение суспензии гексагонального нитрида бора в покрытии |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136901A RU2742643C1 (ru) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | Применение суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2742643C1 true RU2742643C1 (ru) | 2021-02-09 |
Family
ID=74554405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020136901A RU2742643C1 (ru) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | Применение суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2742643C1 (ru) |
| WO (1) | WO2022103305A1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2776525C1 (ru) * | 2021-10-28 | 2022-07-21 | Акционерное общество «ЦТК-ЕВРО» | Применение керамического покрытия solcoat для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником |
| WO2023075647A1 (ru) * | 2021-10-28 | 2023-05-04 | Акционерное Общество "Цтк-Евро" | Применение керамического покрытия solcoat для увеличения теплового потока |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2384605C2 (ru) * | 2003-12-05 | 2010-03-20 | Зульцер Метко (Кэнэда) Инк. | Способ получения композитного материала для применений в качестве покрытия |
| CN108483413A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-09-04 | 桂林理工大学 | 一种表面负载超薄氮化硼纳米片的竹节状氮化硼纳米管分级结构的制备方法 |
| RU2695195C1 (ru) * | 2015-12-22 | 2019-07-22 | Арселормиттал | Способ обеспечения теплопередачи неметаллического или металлического изделия |
| RU2718793C1 (ru) * | 2019-03-05 | 2020-04-14 | Евгений Викторович Харанжевский | Способ получения сверхтвердых износостойких покрытий с низким коэффициентом трения |
-
2020
- 2020-11-10 RU RU2020136901A patent/RU2742643C1/ru active
-
2021
- 2021-10-28 WO PCT/RU2021/050361 patent/WO2022103305A1/ru active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2384605C2 (ru) * | 2003-12-05 | 2010-03-20 | Зульцер Метко (Кэнэда) Инк. | Способ получения композитного материала для применений в качестве покрытия |
| RU2695195C1 (ru) * | 2015-12-22 | 2019-07-22 | Арселормиттал | Способ обеспечения теплопередачи неметаллического или металлического изделия |
| CN108483413A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-09-04 | 桂林理工大学 | 一种表面负载超薄氮化硼纳米片的竹节状氮化硼纳米管分级结构的制备方法 |
| RU2718793C1 (ru) * | 2019-03-05 | 2020-04-14 | Евгений Викторович Харанжевский | Способ получения сверхтвердых износостойких покрытий с низким коэффициентом трения |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2776525C1 (ru) * | 2021-10-28 | 2022-07-21 | Акционерное общество «ЦТК-ЕВРО» | Применение керамического покрытия solcoat для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником |
| WO2023075647A1 (ru) * | 2021-10-28 | 2023-05-04 | Акционерное Общество "Цтк-Евро" | Применение керамического покрытия solcoat для увеличения теплового потока |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022103305A1 (ru) | 2022-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5209195B2 (ja) | 窒化ケイ素を含有する耐久性ハードコーティング | |
| Eichler et al. | Boron nitride (BN) and boron nitride composites for applications under extreme conditions | |
| RU2742643C1 (ru) | Применение суспензии гексагонального нитрида бора для увеличения теплового потока, проходящего через элементы конструкций, подверженных неравномерному по поверхности нагреву внешним источником | |
| Wu et al. | Effects of annealing on the microstructures and wear resistance of CoCrFeNiMn high-entropy alloy coatings | |
| Günen et al. | The investigation of corrosion behavior of borided AISI 304 austenitic stainless steel with nanoboron powder | |
| Garcia et al. | Thermally sprayed Y 2 O 3-Al 2 O 3-SiO 2 coatings for high-temperature protection of SiC ceramics | |
| He et al. | Solubility, crystal growth, and film-formation mechanism of NbC-modified ZrC coating under oxyacetylene flame | |
| Stepnov et al. | Control over the porosity of plasma sprayed aluminum oxide parts by heat treatment | |
| Yang et al. | Microstructure and high PV wear behavior of novel amorphous Al 2 O 3-YAG ceramic coating fabricated by atmospheric plasma spraying | |
| An et al. | Tribological and thermal properties of mullite coating prepared by atmospheric plasma spraying | |
| Nechepurenko et al. | Oxidation protection of graphite by BN coatings | |
| Kovaleva et al. | Effect of heat treatment on the microstructure and microhardness of nanostructural Al 2 O 3 coatings | |
| Rudolph | Composition and application of coatings based on boron nitride | |
| Jing et al. | Preparation of compact Al 2 O 3 film on metal for oxidation resistance by polyvinylpyrrolidone | |
| CN108047777A (zh) | 一种钢铁高温防氧化复合涂料及其制备方法 | |
| Shi et al. | Effect of precoated carbon layer on microstructure and anti‐erosion properties of SiC coating for 2D‐C/C composites | |
| JPH06104888B2 (ja) | 高温鋼材用搬送ロ−ル | |
| Rudolph et al. | Boron nitride release coatings | |
| Pivinskii et al. | Research in the area of preparing materials based on fuzed quartz HCBS. Part 9. Effect of alkali additions on material cristobalitization and thermal expansion after nonisothermal heating | |
| TWI853517B (zh) | 鋼板之輸送用輥 | |
| US3196056A (en) | Methods for protecting furnace parts and the like | |
| JP2014133919A (ja) | 熱分解炭素被覆部材 | |
| KR102564481B1 (ko) | 내침식성/내부식성 배리어 코팅 | |
| Han et al. | A novel wear resistant glass-ceramic coating material | |
| RU2756616C2 (ru) | Защитно-смазочный материал для горячей обработки металлов давлением |