Защитное технологическое покрытие для бериллия

Изобретение относится к покрытиям для защиты от окисления при технологических нагревах в процессе получения высококачественных деталей и полуфабрикатов из бериллия. Технический результат изобретения заключается в создании защитного покрытия для бериллия, обладающего повышенной термостойкостью и температуроустойчивостью до 1100°С, а также пониженной вязкостью. Предложено защитное технологическое покрытие для бериллия следующего химического состава, мас.%: Al2O3 - 3-17; ВаО - 1-15; СаО - 0,5-5; MgO - 0,5-5; В2O3 - 5-10; Na2O - 0,5-10; K2O - 0,5-5; MgO·Cr2O3 - 0,5-1; SiB4 - 1-5; SiO2 - остальное. 3 табл.

Реферат

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 бериллия при термической и термомеханической обработке давлением, применяемых в машиностроении и в народном хозяйстве.

Известно защитное покрытие для композиционных материалов следующего химического состава, мас.%:

SiO210-30
Al2О33-20
CaO8-12
MgO0,5-5
В2О33-12
Na2O0,1-0,4
К2О0,1-0,2
BaO3-11
MoSi232-70

Патент РФ №2190584

Недостатком известного покрытия является высокое сцепление к защищаемым металлам, что затрудняет удаление покрытия с поверхности металла.

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

SiO240-75
Al2О36-18
CaO4-11
MgO1-4
В2O35-15
Na2O0,5-1
К2О0,3-3
BaO5-10
Al2O3·3SiO22-7

Патент РФ №2151110

Недостатком известного покрытия является высокое сцепление с металлической подложкой и высокая вязкость покрытия.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является защитное покрытие для сплавов цветных металлов, преимущественно для титановых сплавов, следующего химического состава, мас.%:

Al2O35-15
BaO3-12
CaO1-6
MgO1-4
В2O314-45
Na2O1-6
К2O1-4
3СаО·Al2О30,1-0,5
2CaO·SiO20,1-0,5
SiO228-50

Патент РФ №2151111

Недостатком покрытия-прототипа является высокая вязкость, низкая термостойкость и температуроустойчивость покрытия при рабочих температурах до 1100°С.

Высокая вязкость покрытия сопровождается нежелательным взаимодействием покрытия с поверхностью бериллия, приводящим к снижению температуроустойчивости покрытия.

Низкая термостойкость покрытия приводит к трещинам и сколам покрытия и сопровождается нежелательным окислением бериллия.

Технической задачей изобретения является создание защитного покрытия для бериллия, обладающего повышенной термостойкостью и температуроустойчивостью до 1100°С, а также пониженной вязкостью.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложено защитное покрытие для бериллия, включающее SiO2, Al2О3, BaO, CaO, MgO, В2О3, Na2O, К2О, которое дополнительно содержит MgO·Cr2O3, SiB4 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al2O33-17
BaO1-15
CaO0,5-5
MgO0,5-5
В2O35-10
Na2O0,5-10
K2O0,5-5
MgO·Cr2O30,5-1
SiB41-5
SiO2остальное

Авторами установлено, что введение MgO·Cr2O3 и SiB4 в покрытие, а также регламентированное содержание и соотношение заявленных компонентов снизило вязкость покрытия, повысило термостойкость и температуроустойчивость до 1100°С.

Рентгеноструктурный анализ предлагаемого защитного покрытия показал, что в процессе технологических нагревов при прессовании и длительных нагревах на поверхности образуются температуроустойчивые керамические кристаллические фазы CaCrAlSiO6, Al2O3·SiB4, обеспечивающие снижение вязкости, повышение термостойкости и температуроустойчивости покрытия как при технологических нагревах, так и при длительной эксплуатации.

Примеры осуществления

Пример 1

Для приготовления шликера защитного покрытия компоненты покрытия в соответствующих мас.% (табл.1) Al2О3 - 3, ВаО - 1, СаО - 0,5, MgO - 0,5, В2О3 - 5, Na2O - 0,5, К2О - 0,5, MgO·Cr2O3 - 0,5, SiB4 - 1,0, SiO2 - 87,5, 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 36 часов на шаровой мельнице. Готовый шликер покрытия выгружали в полиэтиленовую емкость, проводили старение шликера, затем замеряли вязкость шликера вискозиметром В3246 и из краскораспылителя наносили на образцы бериллия. Вязкость шликера покрытия составляла 21 с, толщина покрытия 0,15 мм. Образцы с покрытием подвергали сушке при 20°С в течение 24 часов, затем проводили формирование покрытия при температуре 1000°С.

Примеры 2, 3, 4 получения защитных покрытий осуществляли аналогично примеру 1.

Составы предлагаемого защитного покрытия и покрытия-прототипа приведены в таблице 1, свойства покрытий представлены в таблицах 2, 3.

Образцы бериллия с предлагаемым защитным покрытием и покрытием-прототипом подвергались испытаниям на температуроустойчивость и термостойкость. Эффективность применения предлагаемого защитного покрытия определялась по полученным результатам в сравнении с защитным покрытием-прототипом.

Режим нагрева образцов с покрытием при температуре 850, 1000, 1100°С с выдержкой 7 часов соответствует технологическому режиму термомеханической обработки бериллия, режим - 850, 1000, 1100°С - 100 ч соответствует режиму работы бериллия в процессе длительной эксплуатации.

Окисляемость образцов с защитным технологическим покрытием определялась путем непрерывного взвешивания без извлечения образцов из печи при заданных температурах 850, 1000, 1100°С в течение 7 и 100 часов.

Термостойкость образцов с защитным покрытием определялась количеством циклов путем термоциклирования образцов по режиму 1: 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С, с выдержкой при заданных температурах 2 часа и по режиму 2: 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С, с выдержкой 10 часов, до появления первого дефекта на защитном покрытии. Режим 1 соответствует технологическим режимам термомеханической обработки заготовок из бериллия, режим 2 - режимам длительной эксплуатации деталей из бериллия.

Эффективность защитных покрытий как высокотемпературных смазок (вязкость) при горячей деформации бериллия определялась методом замера коэффициента трения при осадке образцов d-15 mm, h-20 мм на гидравлическом прессе мощностью 25 т со скоростью 80 мм/с. На деформированном образце замеряли величину двойного угла трения и определяли величину коэффициента трения по формуле μ=tgα.

Окисляемость бериллия с предлагаемым защитным покрытием при технологических нагревах при температурах 850°С, 1000°С, 1100°С с выдержкой 7 часов меньше в 10, 12, 15 раз соответственно по сравнению с покрытием-прототипом (таблица 2).

Окисляемость бериллия с предлагаемым покрытием при режимах нагрева соответствующих длительной эксплуатации при температурах 850°С, 1000°С, 1100°С с выдержкой в течение 100 часов меньше в 12, 16, 21 раз по сравнению с покрытием-прототипом (таблица 2).

Коэффициент трения с предлагаемым покрытием при температурах нагрева 850°С, 1000°С, 1100°С меньше в 3, 5, 6 раз по сравнению с покрытием-прототипом (таблица 2).

Термостойкость образцов бериллия с предлагаемым покрытием, испытанных по режимам 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С при выдержке в течение 2 часов, соответственно в 5, 5, 10 раз выше по сравнению с защитным покрытием-прототипом (таблица 3).

Термостойкость образцов бериллия с предлагаемым защитным покрытием, испытанных по режимам 20↔850°С, 20↔1000°С, 20↔1100°С при выдержке в течение 10 часов, соответственно в 33, 50, 100 раз выше по сравнению с защитным покрытием-прототипом (таблица 3).

Следовательно, предлагаемое защитное технологическое покрытие обеспечивает защиту бериллия от окисления при технологических нагревах и в процессе длительной эксплуатации до 1100°С, является инертным и обладает низким коэффициентом трения.

Применение предлагаемого защитного покрытия позволит получить качественную поверхность деталей при нагревах в обычных печах вместо печей с контролируемой атмосферой, обеспечить стабильные механические свойства, снизить трудоемкость и энергоемкость производства деталей и полуфабрикатов, получить экономию металла и увеличить ресурс эксплуатации в 2-3 раза.

Таблица 1
Номера составов покрытийКомпоненты, мас.%
Al2O3BaOCaOMgOВ2O3Na2OК2ОMgO·Cr2O3SiB4SiO22CaO·SiO23СаО·Al2О3
Предлагаемые
1310,50,550,50,50,51,0ост.--
2101033,5552,50,752,5ост.--
3171555101051,05,0ост.--
Прототип 4512614511--280,50,5

Таблица 2
Номера составов покрытийОкисляемость бериллия с покрытиемКоэффициент трения
Температура нагрева °C
выдержка 5 часвыдержка 100 час
850100011008501000110085010001100
Убыль массы, г/м2
Предлагаемые составы
10,010,080,10,10,81,80,050,10,15
20,010,080,10,10,81,80,050,10,15
30,010,080,10,10,81,80,050,10,15
Прототип 40,10,961,51,228,837,80,150,50,9
Таблица 3
Номера составов покрытийТермостойкость образцов бериллия с покрытиемВнешний вид покрытия после испытания и охлаждения-воздух
Режим испытания 20°↔Т°С
выдержка 2 часвыдержка 10 час
8501000110085010001100
Количество теплосмен
Предлагаемые составы
1101010100100100покрытие без дефектов
2101010100100100покрытие без дефектов
3101010100100100без изменения внешнего вида
Прототип 4221321Трещина на покрытии

Защитное покрытие для бериллия, включающее SiO2, Al2О3, BaO, CaO, MgO, В2О3, Na2O, K2O, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит MgO·Cr2O3, SiB4 при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al2О3 3-17; ВаО 1-15; CaO 0,5-5; MgO 0,5-5; В2O3 5-10; Na2O 0,5-10; K2O 0,5-5; MgO·Cr2O3 0,5-1; SiB4 1-5; SiO2 остальное.