Суспензия для получения графитового покрытия

 

Использование: относится к химическим покрытиям, в частности графитовым. Изобретение позволяет снизить температуру формирования водостойкого графитового покрытия с 315 до 120°С, тем самым расширить температуру применяемых мате.риалов и снизить энергозатраты при нанесении покрытия, а также повысить температуру эксплуатации покрытия с 400 до 600°С. Сущность изобретения; в водную суспензию, содержащую фосфаты и хроматы, дополнительно вводится 30%-ный раствор пероксида водорода и аэросил в соотношении, мас.%: ортофосфорная кислота 10-25; хромовый ангидрид 5-15; гра фмт 7-22; 30%-ный раствор пероксида водорода 2-8; аэросил 2-5; вода 74-25 при оптимальных отношениях НзРОз+СгОз/графит - 1,5- 2,5 и 30%-ный раствор пероксида водорода/хромовый ангидрид 0,4-0,6. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 04 В 35/54

К ПАТЕНТУ

2-8

2-5

7-22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4953983/33 (22) 11,04.91 (46) 30.03.93. Бюл, N 12 (76) Е.Г.Иванов (56) Патент СССР N. 1371516, кл. С 04 В 35/52, 1983.

Патент США N 3248251, кл. 427-380; 1966, я (54) СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТОВОГО ПОКРЫТИЯ (57) Использование: относится к химиче-. ским покрытиям, в частности графитовым.

Изобретение позволяет снизить температуру формирования водостойкого графитового покрытия с 315 до. 120 С, тем самым

Изобретение относится к области химических покрытий и может быть использовано в качестве подшипника скольжения, для улучшения . прирабатываемости сопряженных деталей, защиты деталей от окисления и местной защиты от насыщения алюмини. ем, Цель изобретения — повышение технологических свойств нанесения, равномер. ности и сплошности покрытия, Цель достигается тем, что в способе нанесения графитового покрытия, включающем приготовление водной суспензии, в состав которой входят фосфаты, хроматы и наполнитель — графитовый порошок, нанесение суспенэии на поверхность детали и тепловую обработку, в состав суспензии дополнительно введены 30%-ный раствор пероксида водорода и аэросил, а компоненты расширить температуру применяемых материалов и снизить энергозатраты при нанесении покрытия, а также повысить температуру эксплуатации покрытия с 400 до 600 С. Сущность изобретения; в водную суспензию, содержащую фосфаты и хроматы, дополнительно вводится 30%-ный раствор пероксида водорода и аэросил в соотношении, мас.%: ортофосфорная кислота 10-25; хромовый ангидрид 5-15; графит

7-22; 30%-ный раствор пероксида водорода

2-8; аэросил 2-5; вода 74-25 при оптимальных отношениях НзРО4+СгОз/графит = 1,52,5 и 30%-ный раствор пероксида водорода/хромовый ангидрид = 0,4-0,6. 2 з.п. ф-лы, 3 табл. суспензии взяты в следующем соотношении в мас,%:

Ортофосфорная кислота, НзРО4 10-25

Хромовый анги- . дрид, СгОз 5-15

30%-ный раствор пероксида водорода, Н202

Аэросил, РО2

Коллоидный графит .

Дистиллированная вода, HzO 74-25

Отношение 30% раствора пероксида . водорода к хромовому ангидриду

30 % H 02 ссстевяяет 0,40-0,60 сяя снижеСГО3 ния минимальной температуры тепловой обработки покрытия. Нижнее значение

1806117

30 % Н202 отношения — — — =0,40 определяется

СгОз необходимостью снижения минимальной температуры твердения вследствие частичного постадийного восстановления хромового ангидрида пероксидом водорода: СгОз — Сг02 - Сг2021 -+Сг5012 - Сг20з, Влияние отношения пероксида водорода к хромовому ангидриду на снижение температуры формирования водостойкого покрытия показано в табл.1, Минимальную температуру формирования водостойкого покрытия определяли путем нагрева и выдержки плоских образцов из сплава Д16 с . графитовым покрытием в течение 30 мин в диапазоне 80-400 С, После каждой температурной ступеньки на образец наносили каплю воды и наблюдали под микроскопом ее окрашивание и разрушение покрытия, Фиксировали минимальную температуру, при которой не было окрашивания капли и разрушения покрытия, Верхнее значение отношения

30 % H202

- 0,60 ограничивается охрупчи- вя

С -Оз я ванием и шелушением покрытия при нагреве до температур выше 500 С (см. табл.1), При высоком содержании пероксида водорода при постоянном содержании хромового ангидрида восстановление последнего, очевидно, происходит полнее:

2 С гОз+2 H202=C r203+2 02+2 Н20

Образуются частицы оксида хрома,. ко- 35 торые вызывают охрупчивание и шелушение покрытия, Отношение компонентов связки (НзР04+СгОз) к графиту

НзРО + СгОз со- 40 графит ставляет 1,5-2,5 для защиты графита от окисления при повышенных температурах.

Для надежной защиты это отношение должно быть более 1,5, Когда это отношение превышает 2,5, интенсивно ухудшаются свойства графитового покрытия — увеличивается трение.

Графитовое покрытие обладает новыми свойствами — более низкой минимальной температурой тепловой обработки, высокой водостойкостью, более высокой температурой эксплуатации и получается более простым методом-наливом суспензии.

Для нанесения графитового покрытия суспензия готовится следующим образом.

К определенному количеству ортофосфорной кислоты добавляют необходимое количество воды и хромового ангидрида.

Полученный раствор имеет красно-коричневый цвет. При добавлении нужного количества 30% раствора пероксида водорода и роисходит бурная экзотермическая реакция.

Цвет раствора становится зеленым, что указывает на присутствие в растворе ионов 3-х валеитного хрома. В известном способе суспензия содержит ионы 6-ти валентного хрома. Различное валентное состояние хрома в суспензии составляет главное физическое отличие предлагаемого способа от прототипа. К полученному зеленому раствору.добавляют необходимое количество аэросила. и коллоидного графита, Суспензия тщательно перемешивается и готова к нанесению на поверхность деталей.

Нанесение предлагаемого графитового покрытия на детали производят в следующей последовательности;

1, Поверхность детали обезжиривают.

2, На поверхность детали наносят водную суспензию методом налива или распы-" лением, 3. Детали сушат на воздухе при 60-80 С.

4. Проводят тепловую обработку при температуре, превышающей на 50 С минимальную температуру формирования водостойкого покрытия, т,е, 150-220 С.

Пример 7. Приготовлена суспензия, содержащая с ледующие компоненты в мас.%: ортофосфорная кислота (НзРО ) 24 хромовый ангидрид (Сr0g) 5 графит марки С-2 7

30% раствор пероксида водорода Н202 2 аэросил марки А-175 (Si0;) 2 вода 59, при этом отношение =0,40, 00 ж Нэаэ

CrO зР04+ СгОз графит

Приготовленная суспензия ровным слоем без промежутков покрывала обезжиренную поверхность текстолита марки ПТК, алюминиевого сплава АК4-1, стали марки

ЭИ961 и вакуумной резины.

Минимальная температура водостойкости, замеренная на стали ЭИ961, равнялась I 60 С, а толщина покрытия !3-15 мкм, Твердость покрытия. определенная по Шору, составляет 160 единиц, а у стали ЭИ961 350 ед. Коэффициент трения сталь по стали (без покрытия) составил 0,24; а с полученным покрытием 0,17.

Стальной образец с графитовым покрытием был нагрет в течение 5 часов до темпе1806117

25 ратуры 600 С. Г1осле осмотра установлено, что покрытие сохранилось хорошо, хотя отмечено незначительное снижение его массы 0,3 г/м .

Таким образом, данный состав суспен- 5 зии обеспечивает хорошую покрываемость поверхности, высокую температурную стойкость и удовлетворительную минимальную температуру тепловой обработки, но не является оптимальным по твердости и коэф- 10 фициенту трения вследствие завышенного

НзРО4+ СгОз отношения графит

Пример 8, Приготовлена суспензия, содержащая, мас. /: 15

Ортофосфорная кислота 25

Хромовый ангидрид 15

Графит марки 20

С-2 22

30 //-ный раствор перекиси водорода 8

Аэросил 5

Вода 25, ЗО /о 1120 оОи этом отношение — — =p 53 е от

СгОз

НзРО + СгОз ношение графит

Эту суспензию наносили на поверхность текстолита, марки ЛТК, алюминиевого сплава АК4-1, стали марки ЭИ961 и вакуумной резины с помощью кисти, наливом. Покрываемость всех материалов была хорошая, без промежутков, однотонного 35 темно-серого цвета.

Минимальная температура водостойко сти, определенная на стали ЭИ961, составляла 130 С, а толщина покрытия 100-120 мкм, Твердость покрытия по Шору 54 ед„а 40 коэффициент трения стали ЭИ961 по покрытию 0,08, После нагрева на воздухе при 600 С в течение 5 ч отмечено незначительное уменьшение удельной массы покрытия 45

0,42 г/м .

Рассматриваемый состав суспензии обеспечивает получение покрытия оптимального по многим параметрам: покрываемости, твердости, минимальной температуры получения водостойкого покрытия. Хорошие свойства получаются у данного покрытия по работоспособности при повышенных температурах. Однако при изуче ии структуры под электронным ми - 55 раскопом (Х 10000) в покрытии обнаруживаются микротрещины.

Установлено, что в покрытиях, полученных в суспензиях выше верхнего концентрэционного предела (пример 8) эти трещины увеличиваются. Особенно трещины увеличиваются при повышении содержания аэросила выше 5 мас. /,. Таким образом аэросил в пределах 2-5 мас. / способствует покрываемости, но превышение его выше

5 /, особенно при повышенных содержаниях компонентов, образующих твердый осадок покрытия, приводит к образованию трещин, Примеры осуществления способа нанесения предлагаемого графитового покрытия представленных в табл.1 и 2.

Покрытия наносили на алюминиевый сплав Д19. С увеличением отношения 30 раствора пероксида водорода к хромовому ангидриду уменьшается минимальная температура формирования водостойкого покрытия. Однако отношение 307, раствора пероксида водорода к- хромовому ангидриду выше 0,6 нежелательно; так как оно приводит к охрупчивэнию и шелушению покрытия при деформации алюминиевой пластины.

Для получения, качественного покрытия, имеющего низкую минимальную температуру получения водостойкого покрытия отношение 30 /о раствора пероксида водорода к хромовому ангидриду должно быть в пределах 0,40-0,60.

В примерах 9-15 (табл.2) показана сущность изобретения. Графитовое покрытие наносили на материалы, марки которых указаны в табл.2. В "примерах 10.и 14 графитовое покрытие наносили на замки лопаток, В примерах 9, 11, 12, 13 и 16 покрытие использовали в качестве подшипников скольжения с коэффициентом трения 0,07-0,13. В примерах 9-17 (табл.2) показано влияние отношения суммы содержаний ортофосфорной кислоты и хромового ангидрида к содержанию графита в суспензии на твердость покрытия. При этом отношение выше 2,5 повышается твердость покрытия, что значительно снижает антифрикционные свойства покрытия. Кроме использования разработанного покрытия в качестве антифрикционного материала ниже представлены примеры его применения для защиты от окисления стальной поверхности и защиты от насыщения алюминием.

Пример 18. Заготовки под ковку из стали 40ХФА покрывали суспензией состава, указанного в примере N 10 (табл.2).

Покрытые и непокрытые заготовки выдерживали при температуре 1000 и 1150 С в течение 1 часа. С помощью гравиметрического метода определяли удельное приращение массы (Ьп/F; г/м ) стали в процессе окисления. Для стали без покрытия прира1806117

Таблица 1

Влияние отношения пероксида водорода к хромовому ангидриду на снижение минимальной температуры получения водостойкого покрытия на подложке из сплава

Д19 при НзР04 = 20 мас, и графита = l0 мас. Sl02 = 3,2 мас. щение массы (Л m/F) составляло при

1000 С-300 г/м, а при 1150 С-3500 г/м .

Для той же стали с графитовым покрытием приращение массы составило при 1000 .С— .18 г!м, а при 1150 С вЂ” 110 г/м . Само графитовое покрытие окислялось, защищая сталь от окисления.

Пример 19, Графитовое покрытие из суспензии состава примера 9 наносили на замки лопаток, изготовленных из стали

ЭИ961Ш. С целью защиты от низкотемпературного алитирования. Затем лопатки загружали вместе с алюминиевым порошком в контейнер, на дно которого был загружен безводный треххлористый алюминий, в количестве 1 от массы алюминиевого порошка, Процесс проводили при температуре 500 С в течение 4 часов. После разгрузки контейнера установлено; перо лопаток имеет алюминидный слой толщиной 20 мкм, а на замковой части нет насыщения алюминием-, Имеющееся на замковой части графитовое покрытие значительно легче по сравнению с алюминидным покрытием удаляется.без повреждения стальной поверхности.

Сравнение параметров известного и предлагаемого покрытий приведено в табл.3.

Использование изобретения позволяет:

1. Снизить температуру формирования водостойкого графитового покрытия с

315 С до 120-200 С, что позволяет: — расширить применение материалов, на которые можно наносить антифрикционные покрытия. В номенклатуру этих материалов могут входить пластические массы, легкиесплавы — алюминия и магния, а также титановые, медные сплавы и стали: — снизить знергозатраты при нанесении покрытия.

2, Повысить водостойкость графитового покрытия за счет использования связки. со5 держащей ионы 3-х валентного хрома вместо 6-ти валентного. 3. Повысить температуру работоспособ-. ности графитового покрытия с 400 до

600 С, 10 Формула изобретения

1, Суспензия для получения графитового покрытия, включающая ортофосфорную кислоту, хромовый ангидрид, графит и воду, отличающаяся тем, что, с целью

15 повышения технологических свойств нанесения, равномерности и сплошности покрытия, она дополнительно содержит 30 -ный раствор пероксида водорода и азросил, при следующем соотношении ингредиентов, 20 мас, :

Ортофосфорная кислота 10-25

Хромовый ангидрид 5-l5

Графит 7-22

25 30 -ный раствор пероксида водорода 2-8

Азросил 2-5

Вода Остальное

2, Суспензия по п.1, о т л и ч э ю щ а я30 с я тем, что, с целью защиты покрытия от окисления при температурах выше 400 С, отношение суммарного содержания 30.7ного раствора пероксида водорода и хромо вого ангидрида к графиту составляет 1,5-2,5.

35 3, Суспензия по пп. 1 и 2, о тл и ч а ющ а я с я тем, что, с целью снижения минимальной температуры тепловой обработки получения водостойкого покрытия, отношение содержания 30 -ного раствора перок40 сида водорода к хромовому ангидриду составляет 0,4-0,6.

1806117

Продолжение табл.1

Таблица2 Характеристика графитовых покрытий в примерах выполнения

Ю» »

Примеры

Параметры покрытия

17

Ортофосфорная кислота H PO„, мас.Ф

11>7 18 21,2 24 15,2 19,3

13 8 21 8 19 1

8,7

Хромовый ангидрид, CrO, мас.Ф

10, 2 13,4

12 8

10,3

12,4

18,5

8,1

12,6 10,8

16 . 20

5>90

1О

4,5

2,6

51,2

054 058

О 60 0 52 0 48 О 42 О 56 О 46

0,45

1>78 2,42 2,29 1,30 1,71

4,06

1,04

2,66

1,76

120 130 140 150 130 140

Д19 AK4-1 гете- МП5 Л68 ВТЗ-1 вакс

120 130 тексто- 0725 лит

30ХГСА .

16

54 бг 47 84 105 75

54 60 58 52 54

«,135 115 12

54 86 140

Толщина покрытия, мкм

Твердость по Шору

Графит

303 раствор пероксида водо- д рода, Н>0>, мас.Ф дэросил, О, мас.а

Вода, мас.Ф

НлРО4+ СтО а з графит

Иинимальная температура получения водонерастворимогЬ покрытия, С

Иатериал подложки

3,50

3,5

65,4

4,95

3,8

46,75

5,3 5,0 5,7

4,1 2,8 4,6

38 46,2 39, 5

4,4 6,3

3,2 . 3,0

49,5 46,7

3,6

2,9

12

1806117

Табли ца 3

Сравнение параметров известного и предлагаемого графитовых покрытий

Параметры сравнения

Прототип

Предлагаемое покрытие

1.,Состав суспанзии для нанесения покрытия:

196 г

10-25 мас.Ф .

5-15 мас.Ф

100 r

80 r

7-22 мас.Ф

300 г графит

До 1 л

0,40-0,60

303-ного раствора Н Оз

СВОЗ

Отношение графит

1,5-2,5

2. Способ нанесения

Распыление илй наливом

Распыление

3. Возможность нанесения покрытия на поверхность внутренних отверстий

Нет Да с

600 Е 315 С 120 С

Нинимальная температура тепловой обработки

5. Натериалы, на которые можно наносить покрытие

Пластические массы, .алюминиевые; магниевые, титановые сплавы и стали

f.

Сталь

6. Водостойкость покрытия - уменьшение массы покрытия, обработанного при минимальной температуре

315 С

120 С

0,1 г/мз

0,6 г/мз

1,8 г/мз

9 гlмз при 2-х час. выдержке в воде при 24 ч выдержке в воде уменьшение массы покрытия, обработанного при температуре

180 С

0 при 2 ч выдержке в воде

1 при 24 ч выдержке в воде

0,2 г/мз

0,8 г/мз

1,5 г/мз.

6,2 г/M2

Составитель Е.Иванов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор. С.Патрушева

Редактор Т.Егорова

Заказ 962 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ортофосфорная кислота, НзРО хромовый ангидрид, Сто оксид магния, MgO

30ь-ный р"р пероксида водорода (H0) азросил, Si0< вода, Н О

Отношение

7. Потери при окислении ". уменьшении массы покрытия при окислении в течении 10 ч при температуре

500 С

600 С

315 С

1,8 г/мз

9 r/ì

2"8 мас.Ж

2"5 мас..т, 78-30