способ получения покрытий на поверхности стальных изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий их обработку смесями, содержащими кремний и оксид кремния и нагрев, отличающийся тем, что смеси на поверхность изделия наносят в виде водных суспензий или паст, а в смесь дополнительно вводят алюминий, железо и жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий - 39 - 48

Железо - 5 - 15

Кремний - 6 - 16

Оксид кремния - 9 - 20

Жидкое стекло - 20 - 30

причем между содержанием железа и кремния в смеси должно быть выполнено соотношение

[%Si] = (0,8 - 1,2) [%Fe].

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к способам получения жаростойких покрытий на поверхности стальных изделий, в том числе муфелей, радиационных труб и других элементов печного оборудования.

Известны способы получения жаростойких покрытий на поверхности металлов, сплавов и сталей путем из диффузионного насыщения в присутствии активаторов-галогенидов металлов или аммония [1]. Использование этих способов сопряжено с рядом технологических и аппаратурных сложностей: необходимостью использования жаропрочных контейнеров, контролируемой среды и герметичных затворов. Кроме того, указанные способы являются экологически неблагоприятными из-за выделения галогенидов металлов.

Известны способы получения жаростойких покрытий без использования галогенсодержащих соединений, а именно получение комплексных диффузионных покрытий на поверхности стальных изделий, наносимых из расплавов на основе лития, содержащих, % : Al 1,2, Si 1,5-2,5, Ni 9,5-10,5, Cr 9,5-10,5, Ti 4,5-5,5 Li - остальное (время обработки 1-3 ч, при температурах 1000-1200^оС) или алюминия, содержащих, % Si 2-5, Fe 2-8, РЗМ 0,5-0,8. Указанные способы повышают жаростойкость и жаропрочность стальных изделий, однако представляются технологически сложными, так как предполагают погружение обрабатываемой детали в расплав, создание защитной атмосферы, большой расход дорогостоящих материалов (Li, AL).

Известны способы получения жаростойких покрытий на металлах, сплавах, сталях путем диффузионного насыщения их поверхности в вакууме, в среде содержащей, % Cr 43-47, Al - 3-7, Si - 2-4, РЗМ 0,6-1, Аl₂O₃ - остальное. Недостатками данного способа, как и описанных выше, являются: n необходимость использования специального дорогостоящего оборудования: высокая энергоемкость; необходимость создания определенной защитной атмосферы; невозможность обработки крупногабаритных изделий и деталей.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ получения жаростойких покрытий на стальных изделиях, включающий их нагрев в защитной атмосфере до 1100-1200^оС в смеси порошков кремния и кремнезема в течении 4-6 ч, охлаждение до комнатной температуры и дополнительное окисление при 1000-1100^оС в течении 4-6 ч в атмосфере воздуха. Недостатки этого способа заключаются в сложности процедуры обработки, включающей двухстадийный нагрев изделия до высокой температуры, в жестких требованиях к атмосфере при первом нагреве и в том, что затруднена обработка крупногабаритных изделий.

Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости стальных изделий, существенное упрочнение процедуры, повышение технологичности процесса нанесения покрытия, возможность обработки крупногабаритных изделий.

Сущность изобретения состоит в том, что смеси порошков ингредиентов и жидкого стекла в виде водных суспензий, паст, красок, наносятся на поверхность стальных изделий путем окраски, обмазки, окунания, распыления или любым другим способом с последующим нагревом на воздухе или в любой другой среде, возможно даже в процессе эксплуатации изделия.

Для приготовления суспензий, паст, красок используют порошки кремния, оксида кремния, железа, алюминия и жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас. % : Al 39-48, Fe 5-15, Si 6-16, SiO 9-20, жидкое стекло 20-30, причем между содержаниями кремния и железа в смеси существуют соотношение: [% Si] = (0,8-1,2) [% Fe].

При нагревании стальных изделий с нанесенными на их поверхность смесями указанного состава происходит следующее. Взаимодействие кремния и, прежде всего алюминия, содержащихся в смеси с оксидными компонентами, а также с кислородом окружающей атмосферы, приводит к образованию ряда летучих субоксидов Аl и Si. Последние создают восстановительную атмосферу около поверхности стального изделия, предотвращающую окисление как ее, так и находящихся на ней порошков. Одновременно происходит восстановление оксидов (в том числе оксидных пленок) находящихся на поверхности стали. Из образовавшихся в результате протекания указанных реакций оксидов алюминия и кремния оксида кремния, содержащегося в смеси, и силикатов натрия, входящих в состав жидкого стекла, образуется защитная алюмосиликатная пленка, предотвращающая дальнейшее поступление газов, содержащихся в окружающей атмосфере к поверхности. В результате на очищенной поверхности стали остаются порошки железа, кремния и алюминия, защищенные от воздействия окружающей среды образовавшейся алюмосиликатной пленкой. Оставшиеся количества металлических компонентов смеси сами по себе или совместно с материалом обрабатываемого изделия образуют расплав, который затвердевает, насыщаясь металлами, входящими в состав обрабатываемого изделия. С другой стороны металлический расплав приходит в равновесие с оксидной алюмосиликатной пленкой. В результате образуется плотное, газонепроницаемое металлокерамическое покрытие, имеющее довольно протяженную диффузионную зону. Последним объясняется его надежное сцепление с подложкой и устойчивость покрытия к термоциклированию.

Поддержание концентрации SiO₂ и жидкого стекла в определенных пределах необходимо для получения оксидной композиции с определенной температурой плавления, вязкостью и поверхностным натяжением и для надежного сцепления всей массы наносимой смеси с поверхностью стали до проведения термообработки. При меньших нижнего предела содержаниях жидкого стекла не удается добиться надежного сцепления наносимой смеси с поверхностью изделия. При больших верхнего предела содержаниях SiO₂ получаемая оксидная композиция характеризуется слишком высокими величинами температуры плавления, вязкости и поверхностного натяжения, что приводит к комкованию образующегося покрытия. Наоборот, слишком высокие (большие верхнего предела) содержания жидкого стекла в смеси и слишком низкие содержания SiO₂ (меньшие нижнего предела) приводят к образованию оксидной композиции со слишком низкими значениями температуры плавления, вязкости и поверхностного натяжения. Последнее приводит к стеканию образовавшегося оксидного расплава, окислению порошков алюминия и кремния, входящих в состав наносимой смеси и нарушению процесса образования покрытия.

Поддержание концентрации алюминия, кремния и железа в смеси в определенных пределах, а также соотношения между концентрациями железа и кремния необходимо для создания защитной атмосферы в приповерхностном слое; восстановления оксидов (в том числе оксидных пленок), имеющихся на поверхности, и для создания металлической композиции с определенной температурой плавления и химическим сродством как к обрабатываемой стали, так и образующемуся оксидному слою. При концентрациях алюминия и кремния, меньших нижнего предела, их количеств недостаточно для создания защитной атмосферы около поверхности стали, восстановления содержащихся на поверхности оксидов и образования металлического расплава. Это приводит к выгоранию смеси и нарушению процесса образования покрытия. При содержаниях алюминия, железа и кремния, больших верхнего предела, а также значениях отношения концентраций Si к Fe больших 1,2 получаемые металлические композиции характеризуются слишком высокими температурами плавления. В результате не происходит образование металлического расплава и нарушается процесс образования покрытия. При содержании железа, меньших нижнего предела, и значениях отношения концентраций кремния к железу меньших 0,8, металлическая композиция оказывается плохо совместимой с алюмосиликатной пленкой и сталью, что приводит к низким адгезионным характеристикам покрытия и постепенному отслаиванию покрытия при термоциклировании.

П р и м е р 1. Смесь состава, мас.%: Al 48, Fe 5, Si 6 SiO₂ 11, жидкое стекло 30 ([% Si]/[% Fe] = 1,2) доводили водой до сметанообразного состояния и наносили кистью на поверхность пластины из стали Х18Н10Т. Пластину выдерживали в течении 5 ч вы силитовой печи при 1000^оС, охлаждали и взвешивали. Затем помещали в силитовую печь и выдерживали при 1000^оС в течении 250 ч. Жаростойсть нанесенного покрытия определяли по величине привеса на единицу поверхности образца, которая составила 8,5 10 мг/см²ч.

П р и м е р 2. Смесь состава, мас.%: Al 39, Fe 15, Si 12, SiO₂ 14 жидкое стекло 20 ([% Si]/[% Fe] = 0,8) доводили водой до пастообразного состояния и наносили шпателем на поверхность пластины из стали Х18Н10Т. Пластину выдерживали в течении 5 часов в силитовой печи при 1000^оС, охлаждали и взвешивали. Затем помещали в силитовую печь и выдерживали при 1000^оС в течении 250 ч. Жаростойкость нанесенного покрытия определяли по величине привеса на единицу поверхности образца, которая составила 8,9 10 мг/см²ч.

Остальные эксперименты по определению жаростойкости наносимых покрытий производили аналогичным образом. Полученные результаты представлены в таблице, где для сравнения приведены результаты, установленные при использовании способа прототипа.

Как следует из таблицы представленный способ позволяет существенно увеличить жаростойкость стальных изделий. Кроме того, он дает возможность значительно упростить процедуру и повысить технологичность процесса нанесения покрытий. Технология нанесения покрытий, по сути дела, сводится к нанесению смесей в виде водных суспензий, паст или красок на поверхность стальных изделий с последующим нагревом, возможно даже в процессе эксплуатации. Последнее дает также возможность наносить покрытия на крупногабаритные изделия.