металлокера ического слоя

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, в частности к металлическим изделиям повышенного ресурса, и также может быть использовано в других областях, в которых необходимо получить вещества и создать защитные покрытия с повышенными характеристиками износостойкости и коррозионной стойкостью.

Предшествующий уровень техники

Известны различные способы получения веществ для защитных противоизносных покрытий, а также различные способы формирования таких покрытий (см., например, патенты RU: Jfe 2057257, кл. F 16 С 33/14, JYS 2135638, кл. С 23 С 26/00, Х<> 2209852, кл. С 23 С 26/00, jYs 2169208, кл. С 23 С 26/00, а также s 2006708, кл. F 16 С 33/14, s 2006707, кл. F 16 С 33/14 и 2059121, кл. F 16 С 33/14).

Во всех патентах, приведенных выше, вещества для защитных покрытий представляют собой смеси из различных компонентов.

Однако, с целью создания защитных противоизносных покрытий с повышенными износостойкостью и коррозионной стойкостью, при нанесении этих веществ на поверхность металла, используют дополнительные внешние воздействия, такие как, например, повышенная температура, вибрация, трение, ударные и ультразвуковые воздействий и т.п..

Так, например, в патенте на полезную модель К° 146778 (Заявка: 2014119809/11, 19.05.2014, опубликовано: 20.10.2014 описано металлическое изделие с металлокерамическим поверхностным слоем. Согласно полезной модели металлическое изделие содержит антифрикционный и упрочняющий металлокерамическии поверхностный сервовитный слой, полученный из серпентина Mg6[S- ₄ 0io](OH)8 с вкрапленным магнетитом БезС^ с соотношением, мас.%:

серпентин 65-80,

вкрапленный магнетит 20-30,

примеси не более 5.

В другом случае металлическое изделие содержит антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой, полученный из серпентина Mg6[Si40io](OH)g с вкрапленным магнетитом РезС>4, магнезита MgC03 и магнезиально-железистого силиката (MgFe) 7[Si ₄ 0io](OH)e C соотношением, мас.%:

серпентин 65-80 магнетит 10-25 магнезит 5-15 магнезиально-железистый силикат 2-7

При этом антифрикционный и упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой изготовлен при локальном нагреве поверхности изделия до температуры 640-720°С или при локальном нагреве поверхности изделия до температуры 600-900°С и при давлении инструмента на перемещающуюся деталь, например, вращающуюся в токарном станке. В другом варианте упрочняющий металлокерамический поверхностный сервовитный слой изготовлен из серпентина с вкраплениями магнетита при воздействии ультразвуковых механических колебаний с частотой 20000-30000 Гц или посредством воздействия на поверхности изделия закругленной поверхностью рабочего инструмента или подпружиненным шариком или овалом. Необходимость применения дополнительных внешних воздействий ограничивает номенклатуру изделий, на которые возможно наносить упрочняющий металлокерамический поверхностный слой. Невозможно нанести равномерный слой, описанный в патенте j4° 146778, на протяженные изделия, например, строительную арматуру, трубы, а также на изделия с большой площадью защищаемой поверхности, например, внешнюю поверхность корпуса морского судна.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является решение, описанное в патенте на изобретение Ns 2286400 (Заявка: 2005111006/02, 07.04.2005, опубликовано: 27.10.2006). В указанном патенте описан способ получения вещества для защитного покрытия, включающий получение смеси компонентов. Причем получают смесь крупностью не более 1 мм при следующем содержании компонентов, мас.%:

Серпентинит 20-30

Сиенитовый концентрат 20-30

Сфеновый концентрат 20-30

Колумбит 1-15

Редкоземельные компоненты - лантан, церий

и неодим в равных количествах 1-15

Щелочные компоненты - галогениды

цезия и рубидия в равных количествах 0,1-0,5

Осмистый иридий 0,001-0,003

Этилендиаминтетрауксусной- кислоты-динатриевой-соли-дигидр� �т 15-20. з В смеси формируют поликристаллические комплексы, содержащие обращенные мицеллярные каталитические системы, путем гидротермального синтеза в течение 10-24 ч в автоклаве при воздействии температуры в пределах 200-350°С и давления в пределах 150-250 кг/см ² . Затем из отстоя полученного раствора сепарируют коллоид с частицами и обезвоживают его сушкой при температуре не более 120°С. Затем коллоид с частицами крупностью более 1 мкм смешивают с органическим связующим, например с фторкаучуком, растворенным в одном из кетонов, например в ацетоне, до получения массы, которую затем формуют, например, в виде стержней. Также возможно получение распыляемого состава. При введении коллоида в масло, загущенное наполнителем, например, полипропиленом, возможно получение смазки.

При использовании полученное вещество для защитного покрытия в виде стержней или распыляемого состава наносят на поверхность с помощью связующего. Также возможно вещество для покрытия наносить на поверхность, например, топливной системы двигателя, включая камеру сгорания, путем введения его в среду, контактирующую с поверхностью, например, в топливо.

Недостатком решения, предложенного в патенте на изобретение

2286400, является отсутствие возможности образовать устойчивый металлокерамический слой, диффундированный в поверхность металла.

В описании прототипа написано, что «каждая мельчайшая частица такого вещества - поликристаллический комплекс - сохраняет все заданные свойства не только при нанесении на поверхность, но и при эксплуатации. Результат нанесения такого поликристаллического вещества на различные поверхности, т.е. свойства покрытия, легко оценить, при необходимости - скорректировать количественный или качественный состав смеси, а также процесс получения вещества и обеспечить не только требуемые свойства защитного покрытия, но и воспроизводимость этих свойств в различных условиях эксплуатации». Таким образом становится понятно, что предложенное в изобретении вещество не входит в реакцию с покрываемым металлом, т.к. «мельчайшая частица такого вещества - поликристаллический комплекс - сохраняет все заданные свойства не только при нанесении на поверхность, но и при эксплуатации». Следовательно, результатом применения вещества, согласно патенту на изобретение Кг 2286400, является создание тонкой пленки на поверхности покрываемого металла. Присутствие добавок и связующих компонентов, не вступающих в химическую реакцию с атомами и молекулами металла, не позволяет активным веществам внедриться в его структуру и образовать устойчивый металлокерамический слой, диффундированный в поверхность металла, а созданная поверхностная пленка удерживается на поверхности металла за счет адгезии.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание раствора, который, при нанесении на поверхность металла, позволяет получить металлокерамический слой, внедренный, т.е. диффундированный, в структуру металла без применения дополнительных внешних воздействий, таких как, например, повышенная температура, вибрация, трения, ударные и ультразвуковые воздействий и т.п..

Техническим результатом, достигаемым в настоящем изобретении, является простота использования заявляемого раствора, а также возможность применения заявляемого раствора в естественных условиях и при любой температуре от +5°С и выше с одновременным резким повышением качества получаемого покрытия и улучшением его характеристик, в частности, повышением износостойкости и коррозионной стойкости.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в состав раствора для создания диффундированного металлокерамического слоя входят следующие компоненты: активные минеральные вещества, растворители, наполнители и красители, и дистиллированная вода. Причем входящие в состав раствора компоненты находятся в следующих соотношениях:

- растворители 1 часть;

- активные вещества от 0,05 до 0,5 частей;

- наполнители и красители от 0,5 частей до 3 частей;

- дистиллированная вода от 0,1 части до 1 части.

В качестве активных веществ используют следующие минералы с фракциями от 0.5 мкм до 50 мкм в масс%:

- силикаты природные 10 - 80 %;

- бораты 1 - 40 %;

- хлориты 1 - 10 %;

- углеродосодержащие минералы 1 - 25 %;

- остаточные примеси минералов 5 - 30 %.

В качестве растворителя могут быть использованы вода дистиллированная, минеральное масло, синтетическое масло, олифа, жировая смазка, спиртовой раствор, силикатный клей, эпоксидный клей, водный щелочной раствор силикатов натрия, водный щелочной раствор силикатов калия, глицериносодержащие растворы.

В качестве наполнителя могут быть использованы каолиниты, пириты, доломиты, кварциты или глины. В качестве красителя могут быть использованы мраморы, граниты или оливины.

Состав раствора, заявленный в изобретении, позволяет начать процесс образования диффундированного металлокерамического слоя только при контакте активных минеральных веществ с поверхностью обрабатываемого металла, при этом не требуется применение дополнительных внешних воздействий.

В качестве основных совокупных признаков технических решений в данном изобретении используются следующие процессы и эффекты:

- процесс химико-механической активации минералов, для получения особо мелких (до 15 мкм) и мелких (до 60 мкм) фракций и изменения их химической активности за счет механического воздействия при размоле;

- процесс гидратации порошков, для увеличения их химической активности;

- эффект склонности серпентиносодержащих минералов к прохождению реакций замещения и исходного восстановления;

- процесс сепарации минералов для обеднения или обогащения порошков и ускорения прохождения используемых реакций;

- процесс механоактивации добавок и увеличения их химической активности;

- процесс составления активных композиций, в соответствии с химическим составом обрабатываемых материалов.

Для приготовления раствора, согласно изобретению, минералы размалывают и измельчают до фракций от 0.5 до 50 мкм.

Затем проводят процесс гидратации полученных материалов, который заключается в воздействии на полученные размолы минералов водой, а именно промывкой, выпариванием, сушкой, принудительной конденсацией, циклическим выпариванием и т.д..

На следующем этапе производят процесс сепарации, в котором, в зависимости от структуры и химического состава обрабатываемого металла, осуществляют отбор либо внесение части активных веществ основных связок минералов, с целью получения обедненных или обогащённых составов.

Составляют необходимые композиции смесей в требуемых соотношениях компонентов в зависимости от обрабатываемых металлов, Например, для сталей с низким содержанием легирующих элементов рекомендуется уменьшать концентрации серпентиносодержащих веществ с одновременным увеличением других компонентов.

Для высоколегированных сталей предпочтительно увеличивать концентрации серпентиносодержащих веществ, с одновременным уменьшением других компонентов.

В процессе приготовления раствора образуются замещающиеся компоненты - размолотые до фракции от 0,5 до 50 мкм исходные минералы, из которых удаляются компоненты основных химически образующихся связок, формирующих структуру исходных минералов.

Окончательная активация растворов происходит в момент нанесения на подготовленную, то есть обезжиренную и подвергнутую пескоструйной обработке по второму классу ISO 2000/ 2,5 кл. поверхность металлического изделия.

Образование металлокерамического слоя происходит в результате того, что замещающиеся компоненты замещаются аналогами при формировании новых образующихся металлокерамических структур и связок в процессе протекания реакций гидратации, замещения и восстановления.

Нарастание диффундированного металлокерамического слоя в структуре поверхностного слоя материала изделия, в зависимости от химического состава и структуры обрабатываемой поверхности, происходит до 1.5 - 2-х мм.

Процесс нарастания и преобразования диффундированного металлокерамического слоя и образования металлокерамики растянут во времени и происходит до полного расходования активных химических элементов, участвующих в происходящих реакциях.

При этом следует отметить, что в целях ускорения процессов нарастания и преобразования диффундированного металлокерамического слоя, возможно применение дополнительных внешних воздействий, таких как:

- остаточное тепло при закалке;

- локальный (зонный) нагрев;

- циклическое механическое воздействие на поверхность;

- лазерное воздействие;

- ультразвуковое воздействие;

- плазменное воздействие;

- резонансное воздействие.

Необходимость содержания всех заявленных компонентов поясняется ниже.

Так растворители, содержащиеся в составе раствора, согласно изобретению, обеспечивают равномерное распределение и концентрацию активных минеральных веществ по всему объему раствора и обрабатываемой металлической поверхности. Это происходит за счет того, что растворители приводят раствор в жидкое состояние, что позволяет полноценно проходить реакциям гидратации, замещения и восстановления из-за максимально возможного контакта активных веществ с атомами и молекулами обрабатываемого металла. Также растворители способствуют диффузии минералов, которые в дальнейшем образуют диффундированный металлокерамический слой, внедренный в поверхностную структуру материала обрабатываемого изделия.

Другой функцией растворителей может являться создание дополнительного сшикатно-керамический слоя по поверхности диффундированного металлокерамического слоя, который выполняет защитную и декоративную функцию. В создании этого слоя, совместно с растворителями, также участвуют наполнители, красители и остаточные примеси минералов.

Однако, следует учесть, что в тех случаях, когда необходимо получить только диффундированный металлокерамический слой, внедренный в поверхностную структуру материала обрабатываемого изделия, растворитель, после прохождения реакции синтеза, должен легко удаляться с поверхности изделия. Примером может быть обработка подшипников, гильз, зубчатых колес, осей, валов, червячных пар, лопаток турбин и другого. В этом случае ставится задача после обработки иметь чистую поверхность, поэтому нет необходимости образовывать силикатно-керамический слой, а растворитель, при этом, не участвует в химических реакциях.

Растворитель, как связующее, используется в разных видах и консистенциях в зависимости от структуры и химического состава поверхности обрабатываемого изделия.

Наполнители предназначены для нанесения слоев раствора в количестве и объеме, обеспечивающем необходимое количество ю активных веществ для прохождения всех реакций. Также наполнители предназначены для образования дополнительного силикатно- керамического слоя, связанного с диффундированным металлокерамическим слоем, образованным в структуре металла.

Кроме того, наполнители необходимы для придания внешнему слою антирастрескивающих свойств при ударных нагрузках и для нанесения декоративных слоев.

Красители выполняют функцию придания цвета силикатно- керамическому слою.

Краткое описание фигур чертежей

На приведенных иллюстрациях изображены примеры обработанных металлических поверхностей:

на фиг.1 - показана обработанная поверхность металлического изделия из стали 3;

на фиг.2 - показана структура диффундированного металлокерамического слоя, образованного в структуре листового проката стали 3, после кислотного травления в течение 10 минут;

на фиг.З - показан поверхностный силикатно-керамический слой, образованный с добавлением каолинового наполнителя в пропорции к растворителю 1,5 части к 1 части;

на фиг.4 - показан поверхностный силикатно-керамический слой, образованный с добавлением каолинового наполнителя в пропорции к растворителю 1 к 1;

на фиг. 5 - показано влияние различных концентраций защитных покрытий на скорость прохождения реакции синтеза и величину образованного защитного слоя; на фиг. 6 - показана структура необработанного образца со следами явного кислотного растворения после кислотного травления в течении 5 секунд;

на фит. 7 - структура обработанного образца после кислотного травления в течение 10 минут.

Варианты осуществления изобретения

С целью подтверждения возможности получения диффундированного металлокерамического слоя, внедренного в структуру металла, с использованием заявляемого раствора, были проведены эксперименты.

Пример минимального содержания активных веществ в общей массе раствора.

Для обработки поверхности металлического изделия из стали 3 (Фиг. 1), применён раствор в следующем соотношении компонентов:

1. Вода дистиллированная - 45 %

2. Участвующие в образовании металлокерамического слоя, внедренного в структуру металла (Фиг. 2):

- силикаты - 6,5 %

- бораты - 1 %

- хлориты - 1 %

- углеродосодержа ие минералы - 1,5 %

3. Участвующие в образовании силикатно-керамического слоя на поверхности изделия (Фиг. 3, Фиг. 4):

- силикаты - 13,5 %

- хлориты - 1,5 %

- остаточные примеси минералов - 30 % Обработка раствором осуществлена в два слоя по 20 мкм, с сушкой между слоями по 30 минут и выдержкой в течение 72 часов.

После прохождения реакции преобразования диффундированного металлокерамического слоя производилось кислотное травление образца в растворе концентрированной соляной кислоты в течении 10 минут.

Образованный металлокерамический слой полностью обеспечил защиту металла от растворения.

Нарастание диффундированного металлокерамического слоя в структуре поверхностного слоя материала изделия, в зависимости от химического состава и структуры обрабатываемой поверхности, происходит до 1.5 - 2-х мм.

Процесс нарастания и преобразования диффундированного металлокерамического слоя и образования металлокерамики растянут во времени и происходит до полного расходования активных химических элементов, участвующих в происходящих реакциях.

2. Пример максимального содержания активных веществ в общей массе раствора.

Для обработки поверхности стали 45 (Фиг. 5) применен раствор в следующем соотношении компонентов:

- силикаты - 70 %

- бораты - 2 %

- хлориты - 8 %

- утлеродосодержащие минералы - 20 %.

Образец Nsl (см. Фиг.5) - Образец металла (Углеродистая качественная машинная сталь 45) в виде сектора со сторонами 23x23мм, толщиной 9мм с одним пропилом. Маркированная сторона ошлифована, немаркированная сторона - токарная обработка. Без покрытия; Образец N° 2 (см. Фиг.5) - Образец металла (Углеродистая качественная машинная сталь 45) в виде сектора со сторонами 21x23мм, толщиной 9мм с одной клиновидной насечкой (А). Маркированная сторона ошлифована, немаркированная сторона - токарная обработка.

Обработан раствором для создания диффундированного металлокерамического слоя на клеевой основе в 3 (три) слоя;

Образен Ns 3 (см. Фиг.5) - Образец металла (Углеродистая качественная машинная сталь 45) в виде сектора со сторонами 20x21мм, толщиной 9мм с двумя клиновидными насечками (ДА). Маркированная сторона ошлифована, немаркированная сторона - токарная обработка.

Обработан раствором для создания диффундированного металлокерамического слоя на масляной основе в 5 (пять) слоев;

Образец Jfe 4 (см. Фиг.5) - Образец металла (Углеродистая качественная машинная сталь 45) в виде сектора со сторонами 20x25мм, толщиной 9мм с тремя клиновидными насечками (AAA). Маркированная сторона - токарная обработка, немаркированная сторона ошлифована.

Обработан раствором для создания диффундированного металлокерамического слоя на клеевой основе в 5 (пять) слоев, с последующим нанесением 1 слоя раствора для создания диффундированного металлокерамического слоя на масляной основе.

Условия предварительной подготовки образцов JNfejNa 2-4:

На поверхность образцов при комнатной температуре послойно нанесено покрытие раствора для создания диффундированного металлокерамического слоя (на клеевой основе - образец Ке 2. и на масляной основе - образец М> 3. на комбинированной основе - образец J S?

4) с промежуточной выдержкой слоев между нанесениями в 15 минут.

После нанесения слоев раствора для создания диффундированного металлокерамического слоя, выдержка на образцах составляет 48 часов при комнатной температуре.

Образцы испытывались в полевых условиях, на открытом воздухе, в дневное время, при естественном освещении, при температуре воздуха: -1°С, атмосферное давление: 761 мм рт.ст. Образцы полностью погружались в соляную кислоту в стеклянной таре. Время погружения: 10 минут. При испытании очередных образцов производится полная замена кислоты, с промывкой и сушкой стеклянной тары. При визуальном наблюдении за ходом реакции контрольная фиксация производилась при погружении и далее через 3, 7, 10 минут после погружения.

При помещении образца 1 полностью в соляную кислоту в стеклянном сосуде проявлялась бурная реакция с выделением ядовитого газа.

При помещении образца s 2 полностью в соляную кислоту в стеклянном сосуде реакция заключалась в точечном малоактивном пузырении начиная с 7-й минуты от погружения.

При помещении образца Ха 3 полностью в соляную кислоту в стеклянном сосуде реакция отсутствовала.

При помещении образца Jfe 4 полностью в соляную кислоту в стеклянном сосуде реакция отсутствовала.

Вывод из проведенного эксперимента; в течение 48 часов при обработке металла заявляемым раствором на любой из применённых основ (клей, масло) в 5 (пять) и более слоев, образуется диффундированный металлокерамический слой способный противостоять агрессивной (кислотной) среде (кислота соляная, химически чистая, плотностью 1,18г/смЗ по ГОСТ 3118-77). В приведенном примере масса растворителя, выполняющего в данном случае роль связующего компонента (различные масла и жировые смазки) в расчет не берётся, поскольку составляет небольшое количество, в реакции нарастания и преобразования диффундированного металлокерамического слоя не участвует и удаляется после её прохождения, оставляя чистой обрабатываемую поверхность.

Как было отмечено выше, в целях ускорения процессов нарастания и преобразования диффундированного металлокерамического слоя, возможно применение дополнительных внешних воздействий.

Так, например, для ускорения процессов образования диффундированного металлокерамического слоя в структуре металла рельсовой стали при производстве стрелочных переводов было использовано остаточное тепло.

Осуществлялся процесс индукторной закалки головки рельса с последующим охлаждением в воздушной среде.

На закаленный стрелочный перевод в обрабатываемых зонах, после операции индукционного нагрева током высокой частоты, с сохранением остаточного тепла, ориентировочно в пределах 380°-460°С, наносился диффундирующий раствор.

После полного остывания, в течение 8 часов, и последующей суточной выдержки, наблюдалось диффузионное проникновение раствора в структуру рельса с образованием металлокерамического слоя.

Отмечено, что скорость диффузионного проникновения раствора с использованием остаточного тепла быстрее, чем при обработке без остаточного тепла и выдержке в течение 72 часов.

Для получения диффундированного металлокерамического слоя в деталях двигателей внутреннего сгорания, редукторов, трансмиссий, с использованием диффундирующего раствора, в минеральное или синтетическое масло указанных агрегатов, добавляется раствор для создания диффундированного металлокерамического слоя. Минеральное или синтетическое масло, используемое в агрегатах, в этом случае выполняет роль растворителя.

Использование в качестве растворителя клеевых растворов, включая силикатные, эпоксидные, каучуковые и другие осуществляют при необходимости создания повышенной адгезии растворов, для образования металлокерамического слоя, при обработке сложнопрофильных поверхностей, при нанесении в нестабильных климатических условиях или быстро изменяющихся средах.

Использование в качестве растворителя спиртовых или глицериносодержащих веществ необходимо при нанесении диффундирующего раствора для обработки поверхности изделий при низких температурах или при невозможности проведения операции обезжиривания.

После обработки рельсов раствором для создания диффундированного металлокерамического слоя и установки их для эксплуатации, возникающие при прохождении подвижного состава циклические механические воздействия способствуют ускорению процессов диффузии и максимально глубокому образованию металлокерамического слоя.

Для внедрения металлокерамического слоя в труднодоступных зонах и полостях возможно, для ускорения процесса диффузии, применять ультразвуковые, резонансные, акустические и лазерные установки.

Для придания цвета декоративным слоям образованного силикатно-керамического поверхностного слоя, возможно применять минеральные порошки гранита, мрамора, оливинов, глин, доломитов, кварцитов и других порошкообразных цветных минералов.

Для обработки подшипников качения и скольжения, металлических тросов гильз, зубчатых колес, осей, валов, червячных пар, лопаток турбин и другого в качестве растворителя активных минеральных веществ используются жировые смазки, солидолы, литолы, циатимы, технические вазелины.

Применение растворов для создания диффундированного металлокерамического слоя при обработке корпусов судов, кораблей, понтонов, причальных сооружений, ёмкостей для хранения агрессивных жидкостей, высотных металлических конструкций, мостовых сооружений, трубопроводов позволяет создавать новые технологии и продукты, которые отличаются от традиционных тем, что:

- просты для нанесения и значительно сокращают время производства работ;

- значительно увеличивают длительность коррозионной защиты, по сравнению с традиционными технологиями (от 3-х до 5 раз);

- помимо основной защитной функции, происходит «залечивание» микротрещин, каверн, эрозионных повреждений;

- на корпусе изделия не возникает электродвижущая сила индукции;

- корпуса изделий не требуют периодического размагничивания;

- отсутствует искрообразование;

исключается образование гальванических пар и электромагнитной коррозии;

- вес наносимых защитных покрытий значительно (до 5 раз) снижается. При этом помимо создания основного металлокерамического слоя, диффундированного в структуру металла, на поверхности изделия, без производства дополнительных операций, образуется прочный силикатно-керамический . слой, выполняющий защитную и декоративную функцию.

Анализ патентной информации показал, что предложенный раствор для создания диффундированного металлокерамического слоя является новым. Изобретательский уровень обеспечивается, прежде всего, тем, что раствор для создания диффундированного металлокерамического слоя получен в результате проведения множества натурных экспериментов и не следует явно из уровня аналогичных разработок.

Область применения

Раствор для создания диффундированного металлокерамического слоя прост в применении, обработка изделий происходит без применения вредных и опасных технологий для окружающей среды и человека, снижаются материальные затраты и время при производстве работ.

Раствор может быть использован в различных областях промышленности, связанных с необходимостью получения изделий с повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью, например, в таких как транспортном и магистральном промышленном строительстве, судостроении, химическом машиностроении, может применяться в авиастроении, железнодорожном и морском транспорте.