20.01.2015

Для защиты активных по отношению к атмосферным газам металлов от газонасыщения применяют защитные покрытия. Их наносят на металлы для уменьшения газонасыщения при нагреве под обработку давлением, в процессе обработки давлением и охлаждения после нее, при термической обработке. Часто защитные покрытия служат одновременно смазкой, облегчающей формообразование при обработке давлением. Использование защитных покрытий позволяет резко уменьшить угар металла при нагреве, сократить отходы, связанные с удалением газонасыщенных слоев, сохранить свойственные основному металлу физико-химические и механические свойства, существенно повысить производительность труда.
Состав покрытия выбирают таким образом, чтобы при нагреве оно расплавлялось или размягчалось и на поверхности металла образовывалась сплошная, стойкая при выбранных режимах обработки пленка, надежно изолирующая металл от взаимодействия с газами, составляющими атмосферу печи.
Защитное покрытие должно удовлетворять следующим требованиям:
1) исключать или значительно уменьшать проникновение газообразных элементов в металл при рабочих температурах;
2) обладать достаточно плотным сцеплением с металлом;
3) составляющие покрытия нe должны диффундировать в металл,
4) обладать пластичностью и умеренной вязкостью в интервале температур термической обработки или горячей обработки давлением;
5) легко удаляться с готового полуфабриката или заготовки;
6) обладать устойчивостью к воздействию всех газов, составляющих атмосферу печи;
7) не иметь в составе токсичных компонентов (окисей свинца, тория, бериллия и др.).
Необходимые свойства защитных покрытий для того или иного сплава в данном конкретном технологическом процессе обеспечиваются правильным выбором их состава. Для приготовления покрытий применяют основные и вспомогательные материалы. Основные мате риалы условно разделяют на следующие группы: стеклообразные и стеклокристаллические материалы; керамические материалы; металлические материалы и интерметаллиды.
Вспомогательные материалы — это глина, связующие и поверхностно активные вещества, суспендирующие жидкости.
Стеклообразные и стеклокристаллические материалы включают эмалевые фритты. силикатные стекла и ситаллы. Составы этих материалов специально подбирают таким образом, чтобы придать покрытиям заданные свойства.
Эмалевые фритты и стекла представляют собой сплав смеси окислов металлов, в которой основными стеклообразующими компонентами является окись кремния или борный ангидрид В2О3 либо тот и другом компоненты вместе. Помимо этих основных веществ, в состав стекол могут входить Аl2О3, Na2O, K2O, CaO, BaO, MgO, TiO2 и ряд других компонентов. Эмалевые фритты отличаются от стекла тем, что в них имеются нерасплавившиеся в стекломассе частички песка, пузыри и другие включения. Гранулы фритт менее однородны по составу по сравнению с эмалям и стеклами, но эта неоднородность существенно уменьшается при последующем помоле, предшествующем приготовлению покрытия.
Стали получают кристаллизацией стекол определенного состава. В них сочетаются ценные свойства: высокая жаростойкость, термостойкость, механическая прочность, химическая стойкость. Введение ситаллов в покрытия повышает их жаростойкость и химическую инертность по отношению к металлу.
Керамические материалы разделяют на три группы: окисные, силикатные и бескислородные. Наиболее широко применяют окисные керамические материалы: Al2O3; ZrO2; MgO. Керамические материалы повышают жаростойкость покрытий и уменьшают их химическую и коррозионную активность. ZrO2 и MgO способствуют самоосыпанию покрытии из-за резко отличных их коэффициентов линейного расширения по сравнению с металлом.
Металлические материалы и интерметаллиды вводят в покрытия для усиления прочности сцепления покрытия с металлом; могут быть и чисто металлические покрытия. Для приготовления металлических покрытии используют тонкие порошки металлов, в частности алюминия, титана, железа, ферроалюминия.
К вспомогательным материалам относят глину, которую вводят для обеспечения прежде всего достаточно высоких технологических свойств шликера (суспензии). В качестве суспендирующей жидкости обычно используют воду. Для улучшения технологических свойств шликера (кроющей способности, высокой смачиваемости и т. и.) в него вводят поверхностно активные вещества (растворы буры, поваренной соли, соды и др.). Электролиты (поташ, сода, бура и др.) уменьшают заряд частиц шликера и тем самым снижают их склонность к коагуляции. Для повышения механической прочности покрытия в состав шликера вводят связующие вещества.
Технология приготовления покрытий включает плавку эмалей и фритт, приготовление шликера, нанесение покрытия на деталь и обжиг покрытия. Эмали и фритты получают плавкой шихты, составленной из исходных материалов в нужных пропорциях. Переплавленную эмаль подвергают грануляции в воде или сухим способом, а затем помолу до получения порошка с размером частиц 0,05-0,1 мм.
Шликер (суспензию) получают совместным помолом порошков твердых материалов (стеклообразных, керамических, интерметаллидных и вспомогательных) в нужной пропорции.
Перед нанесением шликера поверхности детали очищают от консервационных материалов, жиров, масел и других загрязнений, для чего обезжиривают поверхность бензином, керосином, изопропиловым спиртом четыреххлористым углеродом. Кроме того, проводят обезжиривание в щелочных растворах, после которого детали и полуфабрикаты промывают водой и сушат. Если на поверхности металла находятся газонасыщенны слои, их удаляют травлением в растворе кислот или щелочей, механическими способами (зачисткой, механической обработкой, пескоструйной, дробеструйной или гидроструйной обработкой). Оптимальные способы удаления газонасыщенных слоев выбирают с учетом особенностей конкретного металла и сплавов на его основе.
Покрытия на заготовку наносят: окунанием, кистью пульверизатором, краскораспылителем, в электростатическом поле, в кипящем слое. Расход стеклоэмали на 1 м2 площади изделия или заготовки обычно не превышает 0,2 — 0,5 кг. После нанесения покрытия заготовки сушат в помещении в течение 1—1,5 ч. Качество нанесения покрытия контролируют визуально пли по толщине слоя, которая должна составлять 0,1—0,3 мм. Обнаруженные в покрытии дефекты устраняют, дополнительно нанося шликер. Если шликер нанесен неудовлетворительно, покрытие смывают водой, и операцию повторяют.
В большинстве случаев покрытия формируются в процессе нагрева деталей, заготовок или полуфабрикатов под термическую обработку. В некоторых редких случаях для этой цели применяют обжиг, которым состоит в сравнительно кратковременном нагреве деталей, заготовок или полуфабрикатов с высушенным слоем шликера. При нагреве под термическую обработку или обжиге шликер расплавляется и образует сплошной плотный слой покрытия, прочно сцепленный с металлом.
После термической обработки покрытия удаляют с поверхности металла дробеструйной, гидропескоструйной обработкой, обдувкой электрокорундом. Для удаления оставшегося на изделиях стекла используют промывку в щелочных расплавах и кислотах.
Рассмотрим наиболее широко применяемые стекловидные (эмалевые) покрытия: их называют стеклоэмалями.
Стекловидные (эмалевые) покрытия разделяют на два класса: силикатные и боратные в зависимости от того, какой окисел является основным стеклообразующим материалом — SiO2 или B2O3. Если содержание других стеклообразователей, кроме основного, превышает 3%, то к словам «силикатное», «боратное» добавляют слова «алюмо-», «боро-», «фосфоро-»,«титано-» и т.д. в соответствии с природой введенного окисла: например, алюмосиликатное покрытие, боросиликатное покрытие и т. д. Если возникает необходимость учесть в названии покрытия несколько дополнительных окислов, то добавляемые слова располагают в порядке возрастания содержания окислов. Так, например, алюмоборосиликатное покрытие содержит меньше Al2O3, чем B2O3, a SiO2 составляет основную массу покрытия.
Наиболее широко применяют силикатные, боросиликатные, бороалюмосиликатные, алюмоборосиликатные и алюмосиликатные покрытия.
В силикатных покрытиях основной стеклообразующий компонент - двуокись кремния. Кроме того, они в небольших количествах могут содержать окислы щелочных металлов (Li2O, Na2O, K2O), щелочноземельных элементов (MgO, CaO, BaO), а также Al2O3, ZnO2, TiO2, NiO, B2O3, PbO.
В отличие от металлов стекло не имеет определенной точки плавления и с повышением температуры не плавится, а постепенно размягчается в результате уменьшения вязкости. Температура начала размягчения стеклоэмалей должна быть ниже температуры выдержки при термической обработке или обработке давлением. Двуокись кремния SiO2 в стеклообразной форме (кварцевое стекло) приобретает заметную текучесть вше 1250° С. Такие высокие температуры работы покрытия встречаются лишь при термической обработке туго плавких металлов и сплавов на их остальных металлов и сплавов размягчения покрытий должна быть значительно ниже.
Щелочные окислы и борный ангидрид сильно уменьшают вязкость силикатного расплава (рис. 23), интенсивно снижают температуру размягчения, улучшают смачивающие свойства стеклоэмалей на основе SiO2, в связи с чем окислы Na2O, K2O, B2O3 являются непременными компонентами покрытий на основе стеклоэмалей. Стекла, содержащие окиси натрия, лития и калия, имеют широкий диапазон размягчения и плавно повышают вязкость при понижении температуры заготовок. Тугоплавкие окислы (Al2O3, SiO2, MgO, ZrO2, Cr2O3 и др.) повышают температуру размягчения и вязкость стекол.
Защитные покрытия

Окись лития Li2O снижает коэффициент линейного расширения, а окись натрия Na2O заметно его повышает, в связи с чем Na2O вводят в состав самоудаляющихся (осыпающихся) покрытий. Такое же действие оказывает и окись калия K2O. Высокие свойства стекол обеспечиваются совместным введением в стеклоэмали окисей калия и натрия в соотношении 1:2, что оказывает более сильное влияние на свойства стеклоэмалей, чем ведение равного количества одного из этих окислов. Это явление называют эффектом двух щелочей».
С увеличением содержания щелочных окислов возрастает коррозионная активность покрытия по отношению к металлу, при больших выдержках. В связи с этим содержание щелочных окислов в покрытии обычно не превышает 20-25%.
Коррозионную активность покрытий можно снизить, уменьшая содержание в них окислов щелочных металлов и увеличения содержание тугоплавких компонентов. При этом одновременно возрастают жаростойкость и температура начала размягчения покрытий.
Смачиваемость защищаемых металлов расплавами стекол существенно повышают щелочные окислы, борный ангидрид, NiO, BaO, PbO, MnO, Cr2O3, P2O5 и небольшие добавки поверхностно активных окислов, например MoO3 и V2O3.
Боросиликатные покрытия, помимо основных окислов, двуокиси кремния и борного ангидрида (B2O5), содержат небольшие добавки CaO, BaO, MgO, Al2O3, ZrO2. Вследствие малого содержания окислов щелочных металлов эти покрытия характеризуются меньшей коррозионной активностью, по отношению к металлу по сравнению с силикатными покрытиями. Боросиликатные покрытия имеют большой температурный интервал размягчения; они долго не затвердевают при понижении температуры металла. По сравнению с силикатными покрытиями покрытия этой группы отличаются большей стабильностью свойств.
Устойчивую и прочную защитную пленку образуют алюмоборосиликатные и бороалюмосиликатные стекла, созданные на основе окислов SiO2 B2O3 и Al2O3. Для улучшения технологических свойств в эти покрытия вводят BaO, CaO, MgO, ZrO2, TiO2, NiO, PbO, Cr2O3. Бороалюмосиликатные и алюмоборосиликатные стекла обладают высокой жаростойкостью, хорошим смачиванием, химически инертны.
Валюмосиликатные покрытия, кроме основных окислов SiO2 и Al2O3 вводят CaO, MgO, BaO, B2P3. Небольшие добавки B2O3 улучают смачивающую способность расплавов. Эти покрытия характеризуются высокой жаростойкостью, химически интертны по отношению к металлу. Вследствие значительно меньшего коэффициента линейного расширения по сравнению с металлами эти покрытия осыпаются с металла после термической обработки.