ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2009, том 45, № 4, с. 415-421
НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, ^^^^^^^^^^^^ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
УДК 666.293:621.78.019.84
ЖАРОСТОЙКИЕ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
© 2009 г. К. Ю. Фроленков
Орловский государственный технический университет 302020, Орел, Наугорское шоссе 29, ОрелГТУ, e-mail: lara@ostu.ru Поступила в редакцию 13.12.2007 г.
Разработано стеклокерамическое покрытие для защиты низколегированных и малоуглеродистых сталей при технологических нагревах, снижающее потери металла в окалину более чем в 12 раз и существенно уменьшающее обезуглероживание и обезлегирование поверхности защищаемого металла. Покрытие характеризуется оптимальным соотношением между огнеупорной и стекловидной фазами, позволяющим получить надежное сцепление покрытия с металлом; образование, в результате спекания твердой и жидкой фаз, барьерного слоя, препятствующего проникновению кислорода к металлу и тормозящего протекание коррозионных процессов на границе раздела покрытие-металл при нагреве.
РАС8: 81.65.Kn
ВВЕДЕНИЕ
Технологические процессы часто предусматривают воздействие на изделие высоких температур, как правило, в окислительной среде, что неизбежно ведет к большим потерям металла как за счет высокотемпературной газовой коррозии, так и вследствие образования на поверхности деталей и полуфабрикатов дефектного слоя из-за окисления, обезуглероживания, обезлегирования и газонасыщения [1, 2].
Одним из наиболее эффективных способов защиты поверхности металла и в частности углеродистых, легированных и других легкоокисляющихся сталей и металлов от высокотемпературной коррозии при технологических нагревах является применение жаростойких покрытий на основе оксидов, силикатов и других тугоплавких неметаллических соединений [3-8].
Создание жаростойких покрытий, формирующихся из твердо-жидких полурасплавленных систем, является одним из новых и перспективных направлений [3, 9-12]. Жидкой фазой в таких покрытиях служат расплавы силикатных систем, эвтектики различных соединений. В качестве кристаллической фазы входят тугоплавкие материалы, выделяющиеся из расплава в процессе формирования покрытий, или изначально вводимые в их состав компоненты различной природы. Возможность варьирования соотношений количеств жидкой и кристаллической фаз в покрытиях
позволяет эффективно регулировать их свойства и степень защитного действия.
Повышение защитных свойств стеклокристал-лических и, в частности, стеклокерамических покрытий по сравнению со стекловидными обусловлено введением термодинамически устойчивых, инертных соединений, а также торможением диффузии кислорода через покрытие, вследствие создания термодиффузионного барьера [7]. С другой стороны, из-за электролитической природы стекловидных расплавов при их взаимодействии с поверхностью стали протекают процессы электрохимической коррозии, приводящие к увеличению потерь металла [13, 14]. Однако, защита металла от воздействия внешних агрессивных сред при нагревах может быть достигнута только при достаточно прочном сцеплении покрытия с металлом, что сопряжено с развитием на границе раздела покрытие - металл коррозионных процессов [13, 15]. Следовательно, использование стеклокерамических покрытий для защиты поверхности металла от высокотемпературной коррозии возможно лишь при оптимальном содержании в них жидкой фазы.
В работах [3, 16] было предложено стеклокерамическое покрытие (состав 1), содержащее в качестве стекловидной составляющей (до 20 мас. %) природный стеклообразующий материал - датоли-товый концентрат (ГОСТ 46108-75), а в качестве огнеупорной составляющей - песок кварцевый (ГОСТ 2251-77). Покрытие снижало потери стали
09Г2С в окалину при нагреве до 1000°С в 5-7 раз, самопроизвольно отслаивалось от поверхности металла после штамповки и было рекомендовано к внедрению для защиты заготовок днищ цистерн при нагреве перед штамповкой. Однако, поскольку температурный интервал стеклования датолитово-го концентрата лежит в пределах 910-960°С, то при температуре службы он находится в расплавленном состоянии. Поэтому, для снижения интенсивности электрохимической коррозии металла, содержание датолитового концентрата в покрытии было минимальным. Из-за низкого содержания стеклофазы рассматриваемое покрытие характеризовалось относительно плохим сцеплением с поверхностью металла, что приводило к ухудшению защитных свойств покрытия в результате частичного отслаивания в случае использования для нагрева заготовок полуметодической печи с шагающим подом.
Таким образом, стеклофаза является важнейшим компонентом, определяющим защитные свойства стеклокерамических покрытий [9-14]. В этой связи были проведены исследования, направленные на поиск оптимальной стекловидной составляющей. При выборе системы, в которой предполагалось синтезировать исследуемые стекла, использовали метод экспертного отброса (ранжирования) [17, 18]. В результате проведенного анализа признано целесообразным исследовать стекла в системе 8Ю2-А1203-В203-Са0-№20. При этом учитывалось, что температура службы стеклокерамических покрытий должна находиться в пределах интервала стеклования стекловидной составляющей [9-12].
Целью работы явилось создание и исследование свойств жаростойких стеклокерамических покрытий для защиты низколегированных и малоуглеродистых сталей при технологических нагревах, а также изучение процессов при формировании этих покрытий и их взаимодействии с поверхностью защищаемого металла.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Варку стекольной шихты производили в корундовых тиглях при температуре 1400-1500°С в течение 30-40 минут. Готовый расплав выливали на металлический лист, затем измельчали до прохода через сито 10000 отверстий на см2. Определение температурного интервала стеклования полученных стекол осуществляли на приборе, описанном в [19]. В соответствии с изложенной в [19] методикой интервал стеклования характеризуют величиной деформации АН мм при нагревании образца высотой 10 мм, спрессованного из порошка исследуемого стекла. Температурой начала стеклования считают температуру, при которой образец под нагруз-
кой 10 г деформируется на 1 мм, а температурой конца стеклования - температуру, при которой образец при тех же условиях деформируется на 8 мм.
Для исследований использовали образцы из стали 09Г2С следующего химического состава (в мас. %): С < 0.12; 81 - 0.5...0.8; Мп - 1.3...1.7; Сг < < 0.30; N1 < 0.30; Си < 0.30; остальное - Бе [20]. Покрытие на металл наносили шликерным способом. Контроль толщины нанесенного слоя покрытия после естественной сушки осуществляли с помощью толщиномера типа ТПН-1МЦ. Толщина нанесенного слоя составляла 1.00 ± 0.05 мм. В качестве критерия защитного действия исследуемых покрытий был принят привес А^ металлических образцов, покрытых защитным слоем, при их выдержке в окислительной среде при температуре 1000°С в течение 100 минут. Для получения сравнительных данных была изучена кинетика окисления в тех же условиях металлических образцов без защитных покрытий.
Определение содержания оксидов железа в образцах покрытий после службы осуществляли методами фотометрического и комплексометриче-ского анализов [21]. Значения краевого угла смачивания ф исследуемыми расплавами поверхности огнеупорных материалов определяли методом "сидячей капли" при выдержке в течение 20 минут при температуре 1000°С. Угол измеряли по фотографиям (х10) профиля капли. Определение линейного коэффициента термического расширения (ЛКТР) исследуемых покрытий и стали 09Г2С осуществляли на кварцевом дилатометре вертикального типа ДКВ-2 [22]. Термографические исследования осуществляли на дериватографе системы Ф. Паулик, И. Паулик, Л. Эрден (Венгрия). Рентгенограммы покрытий снимали на дифрактометре УРС-50ИМ в излучении СиАа (никелевый фильтр). Спектральный анализ поверхности стали производили на многоканальном эмиссионном спектрометре ДФС-51.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных исследований установлено, что в изученной системе наилучшим защитным действием обладает состав (мас. %): 8102 -66.0 ± 0.5; А1203 - 12.0 ± 0.5; В203 - 8.0 ± 0.5; Са0 -7.0 ± 0.5; №20 - 7.0 ± 0.5. В дальнейшем это стекло будем обозначать индексом М.
Температурный интервал стеклования данного состава лежит в пределах 810-1100°С, величина АН при 1000 °С равнялась 6.1 мм. Защитное покрытие из указанного стекла, снижало до 10 раз потери стали 09Г2С в окалину при принятых условиях нагрева. Однако в процессе службы в состав покрытия переходило до 4.0 ± 0.5 мас. % Бе0 и 16.0 ± 0.5 мас. %
60 -
|50
40
30 -
20 40 60 80 песок, масс % 80 60 40 20 шамот, масс %
Рис. 1. Значения ф исследуемыми стекловидными материалами огнеупорных подложек из песка, шамота и их композиций при г = 1000°С: 1 - М; 2 - М87.5Д; 3 - М62.5Д; 4 - М37.5Д; 5 - Д.
2 90 80
и
к 0
70 ^ 60 х 50 ^ 40 30
20 40 60 80 М62.5Д, масс % 80 60 40 20 Ш66.6К, масс %
Рис. 2. Зависимость Дg при г = 1000°С и времени выдержки 100 мин. образцов из стали 09Г2С защищенных стеклокерамическими композициями от соотношения в них стекловидных и огнеупорных составляющих.
Ре203, что свидетельствует, согласно [9-14], об интенсивном протекании процессов электрохимической коррозии металла под стекловидным расплавом.
Последующие исследования были направлены на создание на основе вышерассмотренных стекла М и состава 1 высокоэффективных стеклокерами-ческих покрытий, а также на изучение процессов, протекающих при их формировании. Оптимизацию состава покрытий осуществляли руководствуясь, следующими соображениями.
При формировании стеклокерамических покрытий основная роль в образовании надежного барьера, препятствующего проникновению кислорода к металлу, отводится уплотнению защитного слоя из-за спекания огнеупорных компонентов, реагирующих с жидкой фазой [14, 23]. Для быстрого протекания уплотнения необходимо наличие заметного количества стекловидного расплава и хорошего смачивания им твердой фазы [24, 25]. Однако, для ослабления протекания процессов электрохимической коррозии на контакте покрытие -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.