СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ
METHOD OF APPLYING PROTECTIVE COATING ON STEEL COMPONENTS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химической поверхностной обработке, и может быть использовано при изготовлении валов газотурбинных двигателей, шасси вертолетов и других деталей для защиты от коррозии при эксплуатации во всеклиматических условиях, в том числе при повышенных температурах до 450°С.
Известен способ нанесения защитных покрытий на стальные детали, включающий нанесение на стальное изделие суспензии, содержащей алюминиевый порошок в качестве наполнителя, фосфаты и хроматы в качестве связующего, и отжиг покрытия при 250°С и выше (патент РФ №1560621).
Недостатком известного способа является невозможность получения коррозионно-стойкого покрытия без дополнительной обработки покрытия раствором дигидрофосфата натрия, калия или лития, концентрация которого составляет 20-58 мас.%, в воде или в растворе ортофосфорной кислоты с содержанием не более 90 мас.% с последующим отжигом покрытия при 250-700°С.
Известен способ нанесения защитного покрытия на поверхности деталей из стали и алюминиевых сплавов, включающий нанесение на поверхность металла водной суспензии, содержащей, мас.%: ортофосфорную кислоту 5-10, хромовый ангидрид 3-5, формалин 1-2, алюминиевый порошок 50-65 и воду 18-41, и последующую тепловую обработку при 80-110°С (патент РФ №1716825).
Недостатком известного способа является невозможность контролировать как полноту восстановления хромового ангидрида формалином, хорошо летучим при температуре его введения в раствор, так и содержание в получаемой суспензии алюминиевого порошка вследствие его растворения в кислом растворе фосфата хрома.
Известен способ нанесения защитного покрытия на металлическую поверхность, включающий обработку детали водным раствором, содержащим следующие компоненты, мас.%: ортофосфорную кислоту 10-27, хромовый ангидрид 3-10, 30%-ный раствор пероксида водорода 2-8, оксид кремния в виде аэросила 2-8, оксид магния 1-3, металлические магний или алюминий или сумма магния и алюминия 0,8-2,0, воду 81,2-42,0 (патент РФ №1835129).
Недостатком известного способа является то, что предлагаемый водный раствор наносится только на алюминидную поверхность или на поверхность, покрытую алюмофосфатным слоем, и не рекомендуется для нанесения непосредственно на сталь.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ нанесения защитного покрытия на металлические детали, который включает нанесение подслоя из водной суспензии, состоящей из алюмохромфосфатного раствора и порошка из алюминия или его сплавов, его тепловую обработку, нанесение стеклокерамической пленки из алюмохромфосфатного раствора и ее тепловую обработку. Алюмохромфосфатный раствор готовят из следующих компонентов, мас.%: ортофосфорной кислоты 10-27, хромового ангидрида 3-10, 30%-ного раствора пероксида водорода 2-8, оксида магния 1-3, алюминия 0,2-1,0, оксида кремния в виде аэросила 2-8, воды - остальное (патент РФ №2036978).
Недостатками известного способа являются:
нанесение двух слоев, имеющих разный состав и требующих использования двух емкостей, усложняет технологию нанесения защитного покрытия;
получение алюмохромфосфатного раствора путем проведения экзотермической реакции восстановления высокотоксичного и агрессивного хромового ангидрида раствором легколетучего пероксида водорода существенно ухудшает санитарно-гигиенические условия труда при приготовлении раствора и не позволяет гарантировать полноту протекания реакции восстановления шестивалентного хрома;
получение алюмохромфосфатного раствора путем проведения экзотермической реакции растворения алюминия в растворе фосфорной кислоты сопровождается сильным повышением температуры раствора и обильным выделением газообразного водорода, что может привести к образованию взрывоопасной газовой смеси над поверхностью раствора;
получаемое покрытие обладает низкой защитной способностью вследствие отсутствия протекторного действия алюминиевого порошка - получаемое покрытие защищает сталь только в отсутствие в нем пор и других нарушений сплошности покрытия.
Задачей изобретения является повышение защитной способности получаемого покрытия, упрощение технологии нанесения защитного покрытия, а также улучшение санитарно-гигиенических условий труда при приготовлении алюмохромфосфатного раствора.
Это достигается тем, что предложен способ нанесения защитного покрытия на стальные детали, включающий нанесение первого слоя из водной суспензии, состоящей из алюмохромфосфатного раствора и алюминиевого порошка, его тепловую обработку, нанесение второго слоя из алюмохромфосфатного раствора и его тепловую обработку, отличающийся тем, что второй слой наносят из алюмохромфосфатного раствора, дополнительно содержащего алюминиевый порошок, после тепловой обработки второго слоя проводят его механическую обработку.
3
Водную суспензию готовят из следующих компонентов, мас.%: соль хрома (III) в пересчете на хром 0,77-0,96, гидроксид натрия или калия 1,8-2,2, гидроксид алюминия 2,9-4,3, ортофосфорная кислота 85%-ная 16,7-19,6, хромовый ангидрид 2,9-7,5, алюминиевый порошок 61,8-72,0, вода до удельной плотности алюмохромфосфатного раствора 1,20-1,30 г/см.
Тепловую обработку каждого слоя проводят ступенчато: сначала проводят сушку на воздухе, а затем прокаливание в воздушной печи по режиму: при температуре 60°С в течение 15 мин, затем при температуре 200°С в течение 30 мин.
Механическую обработку второго слоя после его тепловой обработки осуществляют полированием поверхности до появления металлического цвета.
Повышение защитной способности получаемого покрытия достигается за счет того, что второй слой покрытия наносят из алюмохромфосфатного раствора, дополнительно содержащего алюминиевый порошок, частицы которого после тепловой обработки при механической обработке поверхности покрытия вскрываются из-под слоя алюмохромфосфатов. Это приводит к тому, что при наличии на поверхности водной агрессивной среды возникает гальваническая пара железо-алюминий, в которой алюминий является анодным материалом и практически полностью предотвращает растворение (коррозию) железа под действием агрессивной внешней среды. Таким образом, получаемое покрытие приобретает анодный характер и становится способно защитить стальную поверхность от атмосферной коррозии даже со значительным его разрушением, например при наличии царапин и надрезов в покрытии. Без наличия во втором слое покрытия алюминиевого порошка и механической обработки покрытие, оставаясь пористым, не защищает стальную поверхность от атмосферной коррозии.
Упрощение технологии нанесения защитного покрытия достигается тем, что и первый и второй слои наносятся из одной и той же водной суспензии, содержащей алюмохромфосфатный раствор и алюминиевый порошок.
Улучшение санитарно-гигиенических условий труда при приготовлении алюмохромфосфатного раствора достигается тем, что получение фосфатов хрома проводят путем растворения гидроксида хрома в растворе ортофосфорной кислоты вместо восстановления хромового ангидрида пероксидом водорода в растворе ортофосфорной кислоты (по прототипу), что исключает выделение аэрозоля хромового ангидрида в атмосферу рабочей зоны из-за усиленного разложения пероксида водорода в горячей среде и, следовательно, исключает опасность воздействия агрессивного и токсичного хромового ангидрида на организм работающих через органы дыхания и слизистые оболочки.
Улучшение санитарно-гигиенических условий труда при приготовлении алюмохромфосфатного раствора достигается еще и тем, что получение фосфатов алюминия проводят путем растворения гидроксида алюминия в растворе ортофосфорной кислоты вместо растворения алюминия в растворе ортофосфорной кислоты (по прототипу), что исключает сильный разогрев раствора, выделение газообразного водорода и образование взрывоопасной газовой смеси над раствором.
Ступенчатый режим тепловой обработки позволяет равномерно по всей поверхности и без образования пузырей высушить и прокалить покрытие.
Защитное покрытие наносят следующим образом. На стальную деталь любым способом (напылением, окунанием, кистью, валиком и т.д.) наносят слой суспензии и проводят тепловую обработку ступенчато: сначала сушат на воздухе, а затем прокаливают в воздушной печи по режиму: при температуре 60°С в течение 15 минут, а затем при температуре 200°С в течение 30 минут. Аналогичным образом наносят второй слой. После тепловой обработки второго слоя покрытие подвергают механической обработке, например полируют любым способом (вручную материалом типа скотч-брайт, на полировальных станках с помощью полировальных кругов с применением пасты ГОИ и т.д.). Ступенчатый режим тепловой обработки позволяет равномерно по всей поверхности и без образования пузырей высушить и прокалить покрытие.
Водную суспензию готовят следующим образом.
3
3
3
Сначала готовят алюмохромфосфатный раствор. Полученный при смешении растворов соли хрома (III) и гидроксида натрия или калия гидроксид трехвалентного хрома добавляют в водную суспензию гидроксида алюминия в ортофосфорной кислоте. Полученную смесь компонентов греют до получения раствора темно-зеленого цвета без осадка, в который вводят хромовый ангидрид и воду до удельной плотности 1,20-1,30 г/см. При удельной плотности меньше 1,20 г/см наблюдается быстрое расслаивание суспензии из-за седиментации алюминиевого порошка, при удельной плотности больше 1,30 г/см резко увеличивается вязкость суспензии и ухудшается ее растекание по стальной поверхности.
Для приготовления водной суспензии для нанесения защитного покрытия полученный раствор нагревают до температуры 40-60°С, в него при непрерывном перемешивании вводят алюминиевый порошок и выдерживают при этой температуре и перемешивании в течение 10-15 минут. После охлаждения полученная суспензия готова к употреблению. Сущность изобретения поясняется следующим примером. Для приготовления водной суспензии для нанесения защитного покрытия использовали следующие компоненты:
сернокислый хром (III) по ГОСТ4472-78;
гидроксид натрия по ГОСТ 4328-77;
гидроксид алюминия по ГОСТ 11841-76;
ортофосфорная кислота по ГОСТ 6552-80;
хромовый ангидрид по ГОСТ 3776-78;
дистиллированная вода по ГОСТ 6709-72;
порошок алюминия марки АСД-4 по ТУ 48-5-226-87.
Составы приготовленных суспензий приведены в таблице 1.
На плоские образцы размером 100×50×2 мм из стали ВКС-170ИД и на образцы размером 20×40×2 мм из стали 30ХГСА после пескоструйной обработки кистью наносили два слоя суспензии. После нанесения каждого слоя проводили ступенчатую тепловую обработку: сушку на воздухе, а затем прокаливание в воздушной печи по режиму: при температуре 60°С в течение 15 минут, затем при температуре 200°С в течение 30 минут. После тепловой обработки второго слоя его поверхность полировали вручную материалом типа скотч-брайт до появления металлического цвета. Поверхность образцов становилась полублестящей.
На каждый вид испытаний и вариант состава суспензии брали по три образца каждого типа стали.
Таблица 1
Составы суспензий
Наименование компонентов
Количество компонентов для приготовления водной суспензии, мас.%
1
2
3
Сернокислый хром (III), в пересчете на хром
0,77
0,81
0,96
Гидроксид натрия
1,8
1,8
2,2
Гидроксид алюминия
2,9
3,4
4,3
Ортофосфорная кислота (85%-ная)
16,7
17,4
19,6
Хромовый ангидрид
2,9
5,1
7,5
Порошок алюминия марки АСД-4
72,0
68,4
61,8
Вода
до удельной плотности алюмохром-фосфатного раствора 1,30 г/см<sup>3</sup>
до удельной плотности алюмохром-фосфатного раствора 1,25 г/см<sup>3</sup>
до удельной плотности алюмохром-фосфатного раствора 1,20 г/см<sup>3</sup>
Для сравнения свойств покрытий на образцы размером 100×50×2 мм из стали 30ХГСА нанесли двухслойное покрытие по прототипу с промежуточной термообработкой каждого слоя покрытия в воздушной печи при 150°С в течение 3 ч.
Образцы с покрытиями по прототипу и предлагаемому изобретению были испытаны методом ускоренных коррозионных испытаний в камере соляного тумана по ГОСТ 9.308-85 при температуре 33-37°С при непрерывном распылении нейтрального 5%-ного раствора хлористого натрия (результаты приведены в таблице 2).
Кроме того, была определена водостойкость покрытий по убыли в весе образцов с покрытиями при кипячении в дистиллированной воде в течение 3 и 6 ч (результаты приведены в таблице 3). Хорошая водостойкость подкрепляет защитную способность, определенную в камере соляного тумана.
Таблица 2
Сравнительные защитные свойства покрытий
Марка стали
Вид покрытия
Толщина покрытия, мкм
Время появления коррозии, ч
стали
ВКС-170 ИД
предлагаемое
45-50
более 1500
по прототипу
45-50
24
30ХГСА
предлагаемое
45-50
более 1500
по прототипу
45-50
24
Таблица 3
Водостойкость покрытий
Марка стали
Вид покрытия
Толщина покрытия, мкм
Убыль массы (г/м<sup>2</sup>) при кипячении в течение
3 ч
6 ч
30ХГСА
предлагаемое
45-50
0,0-0,06
0,06-0,14
по прототипу
45-50
3,6-4,7
5,5-6,2
Из результатов, приведенных в таблицах 2 и 3, видно, что предлагаемый способ получения защитного покрытия позволяет получать покрытия с хорошей водостойкостью и высокой защитной способностью.
Покрытия, полученные по прототипу, обладают в десятки раз меньшей защитной способностью и водостойкостью.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет наносить покрытие на стальные детали с высокой защитной способностью, упростить технологию нанесения покрытия и улучшить санитарно-гигиенические условие труда при приготовлении алюмохромфосфатного раствора