Солнцев С.С. Защитные покрытия металлов при нагреве:
Справочное пособие. Изд. 2, доп.

Оглавление

Предисловие ко второму изданию

Поводом для второго издания этой книги послужило отсутствие обобщенной справочной информации в области защитных технологических покрытий металлов и сплавов, востребованной в связи с ростом в последние годы объемов применения этих покрытий в промышленности. За тридцать пять лет, прошедших после выхода этого справочного пособия в свет, книга стала настольным руководством для специалистов в области высокотемпературных покрытий. В ней содержится полезная информация для металловедов и металлургов, занимающихся получением новых сталей и сплавов, разработкой технологических процессов их горячей термомеханической обработки.

Особый интерес книга представляет для работников авиационных, машиностроительных, металлообрабатывающих и металлургических заводов, где отсутствуют специальные печи для безокислительного нагрева заготовок и деталей из специальных сложнолегированных и легкоокисляющихся сталей, сталей переходного класса, титановых, жаропрочных никелевых сплавов, тугоплавких металлов и сплавов, ряда цветных металлов (бериллий, цирконий и др.).

Впервые в отечественной и мировой практике решена крупная научная проблема по созданию и внедрению защитных технологических покрытий с целью уменьшения потерь и отходов металла, повышения качества деталей и изделий, снижения трудоемкости, материало – и энергоемкости процессов обработки металлов давлением. Применение покрытий (ЭВТ-100, ЭВТ-7, ЭВТ-13, ЭВТ-70А и др.) на 120 заводах 23 отраслей промышленности при термической обработке обеспечивало защиту поверхности металла от окисления, обезуглероживания, газонасыщения. При горячей и изотермической обработке давлением с использованием эффекта сверхпластичности одновременно обеспечиваются функции защиты от окисления, воздействия высокоэффективных высокотемпературных смазок (ЭВТ-24, ЭВТ-35, ЭВТ- 88), теплоизоляции (ЭВТ-7Т), снижение усилий деформации. Покрытия экологически чистые, пожаровзрывобезопасные, оказывают положительное влияние на повышение уровня технологической культуры в термических и кузнечных цехах машиностроительных предприятий.

На Горьковском авиазаводе им. С.Орджоникидзе решалась судьба серийного производства стального истребителя МИГ-25. При организации производства в процессе изготовлении титанового планера изделия <100> на Тушинском машиностроительном заводе возникла проблема безокислительной термической обработки крупногабаритных деталей из новых высокопрочных нержавеющих сталей переходного класса, титановых листов и сварных швов. Соответствующих печей с объемом рабочего пространства для термообработки деталей в нейтральной среде, в вакууме на заводах не имелось. Но даже при наличии таких печей только для обеспечения потребностей Тушинского машзавода необходимо было бы построить специальный завод по производству аргона. Аналогичная ситуация складывалась и в г. Горьком, где полным ходом шла подготовка к серийному выпуску уникального МИГа.

Проектирование и строительство специальных печей требовало много времени, было очень дорогим и не гарантировало необходимого качества деталей. Рассматриваемый в книге простой и высокоэффективный способ безокислительного нагрева деталей под слоем специальной технологической эмали обеспечил решение указанных проблем. Как отмечал автор сталей переходного класса профессор Я.М.Потак, серийное применение сталей переходного класса типа ВНС-5, как и экономически целесообразное серийное производство стального истребителя МИГ-25, стало возможным только благодаря созданию в ВИАМе защитных технологических покрытий и их широкому внедрению в промышленности.

И в XXI веке защитные технологические покрытия остаются актуальными и перспективными для производства авиационной техники. Применение защитных технологических покрытий обеспечивает решение по меньшей мере двух главных задач:

1) возможность серийного производства самолетов, конструкция которых предусматривает использование крупногабаритных деталей из сталей переходного класса, высокопрочных сталей;

2) достижение значительного технико-экономического эффекта за счет безокислительного нагрева сталей и сплавов в печах с воздушной атмосферой, так как в нашей стране нет печей с инертной средой и достаточно большим рабочим объемом. А также позволит получить точные штамповки, стабильные механические свойства и структуру, уменьшить отходы металла, затраты электроэнергии, повысить стойкость штамповой оснастки, снизить трудоемкость механической обработки и пескоструйной очистки заготовок.

Предисловие

Защитные покрытия самых разнообразных составов и назначений широко применяют в современном машиностроении и металлургии. Особое развитие в последние десятилетия получила проблема высокотемпературных покрытий для защиты металлов и сплавов от газовой коррозии. Если раньше высокотемпературные защитные покрытия применяли в основном при эксплуатации машин и аппаратов, то в последнее время разработаны новые типы высокотемпературных покрытий, предназначенных для защиты металлических заготовок при нагреве перед ковкой, штамповкой, прокаткой, прессованием, закалкой, при отжиге и т.п. Эти покрытия иногда называют защитно-технологическими, временными, кратковременного действия, разового применения, технологическими и т.п.

Практика показывает, что потери металла, металлоемкость и трудоемкость изготовления деталей машин можно существенно сократить применением при нагревах специальных защитных покрытий.

Успешное развитие этого направления научных исследований стимулировано широким внедрением в промышленности новых дорогостоящих сталей и сплавов с высокими физико-механическими свойствами, которые достигаются как за счет легирования, так и за счет применения многоступенчатой высокотемпературной термообработки. Работы по созданию высокотемпературных защитно-технологических покрытий приобрели значение в связи с широким распространением в машиностроении титановых и жаропрочных сплавов, тугоплавких металлов и сплавов на их основе.

Высокая технико-экономическая эффективность применения защитно-технологических покрытий при нагреве металлов и сплавов является подтверждением прогрессивности этого направления материаловедения и технологии обработки металлов.

В книге на основании работ авторов, а также новых данных научных исследований изложены все основные процессы получения и применения защитных покрытий при нагреве металлических заготовок и деталей.

Авторы признательны всем, кто участвовал в исследованиях покрытий и помогал при подготовке книги.

Введение

Многие сплавы, а также тугоплавкие металлы при воздействии высоких температур в обычных атмосферных условиях подвергаются поверхностному окислению.

При таких операциях, как прокатка, ковка, штамповка, нормализация, закалка и отжиг, необходим нагрев заготовок до высоких температур. В результате взаимодействия металла с кислородом в процессе нагрева поверхностные слои металла окисляются, на поверхности заготовок образуется слой окалины. Чем продолжительнее нагрев и выше температура, тем больше угар металла. При прокатке заготовок окалина закатывается в поверхность листов, что приводит к образованию поверхностных дефектов и является причиной брака металла. Не удаленная с поверхности окалина, обладающая высокой твердостью, ускоряет износ прокатных валков. Потери металла в виде окалины в металлургическом производстве в среднем составляют около 4%, на машиностроительных заводах эти потери дополнительно составляют при ковке до 7 и штамповке до 3% массы заготовки.

Вредные последствия окисления при нагреве металла не ограничиваются образованием окалины. Одновременно с этим процессом происходит обеднение сплавов легирующими элементами. В результате изменяется химический состав поверхностных слоев сплавов, снижаются их механические и коррозионные свойства. При нагреве титановых сплавов может иметь место растворение в их поверхностных слоях кислорода, азота, водорода. Поверхность титановых сплавов становится хрупкой, склонной к образованию трещин при ковке, штамповке, прокатке.

Окисленный слой металла с поверхности поковок и штампованных заготовок удаляют механической обработкой или травлением в кислотах и щелочах, что требует больших затрат рабочего времени и большого количества металлорежущих станков.

Необходимо отметить, что в результате окисления при нагреве резко снижается коэффициент использования металла (к. и. м.), который является важнейшим показа* телем технического прогресса и культуры в металлообрабатывающих отраслях промышленности.

Получение штамповок высокой точности, в том числе без припуска на механическую обработку, позволяет уменьшить металлоемкость изделий и снизить трудоемкость их изготовления.

Проблема защиты покрытиями металлических деталей и заготовок при их горячей обработке долгое время не находила развития, несмотря на огромные материальные потери. Это можно объяснить тем, что относительная доля деталей и заготовок, изготовляемых методами горячей штамповки, прессования, вальцовки, была сравнительно невелика. С развитием отраслей промышленности, таких как авиационная, автомобильная, нефтехимическая, тяжелого, энергетического, транспортного машиностроения, возникла необходимость применения защитных покрытий в различных процессах термообработки и горячей обработки металла.

Применение защитных покрытий весьма эффективно при термообработке деталей, полученных точным литьем. Они защищают поверхность деталей от окисления и дают возможность их использовать без какой-либо механической обработки, за исключением отрезки прибылей.

С целью защиты от окисления термообработку заготовок осуществляют в специальных печах с контролируемой атмосферой и в вакуумных печах. Однако такие печи пока еще дефицитны. Небольшой объем рабочего пространства печей безокислительного нагрева позволяет производить термообработку небольших партий мелких деталей. При работе таких печей расходуется значительное количество нейтрального газа аргона. Обработка деталей в вакууме – сложный технологический процесс, требующий в 2–3 раза больше времени, чем обработка в обычных печах. Термообработка в вакууме вдвое снижает себестоимость деталей по сравнению с термообработкой на воздухе.

Безокислительный нагрев небольших по размерам деталей из легированных сталей в контейнерах из коррозионностойкой стали, заполненных аргоном, применяемый на некоторых заводах, требует расхода дефицитных материалов, значительных затрат труда на изготовление

Контейнеров, срок службы которых ограничен двумя-тремя садками. Мелкие детали подвергают термообработке в расплавах солей, в печах с азотоводородной и другими нейтральными атмосферами.

В металлургическом производстве окисление металла при нагреве удается снизить с помощью скоростного нагрева, регулированием состава топочных газов и другими методами. Однако защиту от образования окалины, обезлегирования, обезуглероживания обеспечить в полной мере пока не удается.

С учетом приведенного выше можно сказать, что применение защитных покрытий при горячей обработке металлов становится одним из немногих эффективных способов, обеспечивающих получение качественной поверхности заготовок и деталей при минимальных отходах металла. Однако решение этой задачи и ее практическая реализация стали возможными в последнее время в связи с новыми достижениями отечественных исследований в области создания жаростойких защитных покрытий [2, 3, 12, 15, 16, 23, 50, 53, 54].

В США, Японии, а также в странах Западной Европы покрытия и смазки на основе окислов, стекол и сложных смесей самых разнообразных компонентов применяют для защиты от окисления при прессовании, экструзии, штамповке, прокатке, термообработке как высоколегированных, так и простых углеродистых сталей и сплавов [59–641.

В ФРГ проведено исследование различных способов устранения обезуглероживания кузнечных заготовок [641. Отмечается, что применение безокислительного нагрева позволило бы (при производстве в ФРГ около 1 млн. т поковок в год) сэкономить 15 000–20 000 т стали в год. Кроме того, окалина на заготовках повышает износ штампов и пода печей. Установлено, что из трех способов защиты стали от окисления и обезуглероживания: 1) применение защитной атмосферы; 2) скоростной нагрев; 3) покрытия – эффективными являются только покрытия. Применение защитных атмосфер и скоростного нагрева не дало положительных результатов изНза окисления металла.

Особенность разработанных нашими учеными защитно -технологических покрытий состоит в том, что эти покрытия являются временными – перед нагревом заготовки покрытие наносят, а после нагрева и выполнения технологических операций удаляют с поверхности металла.

Применяют покрытия нескольких типов: эмалевые (стекловидные), стеклокерамические, стеклометаллические, керамические. Предназначены они для защиты сталей и сплавов при температурах 500–1600ш С. Наиболее распространены силикатные эмали, представляющие собой сплав окислов, получаемый из смеси песка, мела, соды, глинозема и других недорогих компонентов.

Эмаль наносят на поверхность деталей окунанием, обливанием или напылением. При нагреве детали слой эмали оплавляется, образуя сплошную газонепроницаемую пленку, прочно сцепленную с металлом, которая и обеспечивает защиту детали.

Технологический процесс эмалирования является простым, он не требует сложного оборудования. Расход эмали на 1 м2 площади не превышает 0,2–0,5 кг. При некоторых технологических операциях эмаль в процессе охлаждения (в результате значительной разницы коэффициентов теплового линейного расширения эмали и металлов) самопроизвольно удаляется с поверхности деталей, что исключает химическое травление или другую очистку. Поверхность металла остается светлой без заметных следов окалины. Детали, полученные таким методом, можно ставить в машины, подвергая механической обработке лишь места их сопряжения.

Применение покрытий при нагреве конструкционных и углеродистых сталей позволяет уменьшить глубину обезуглероженного слоя в 10–15 раз и обеспечить высокое качество проката.

Эмали весьма эффективны как высокотемпературные смазки при штамповке и прессовании коррозионностойких и конструкционных сталей и сплавов, снижают сопротивление деформированию, уменьшают теплопередачу между заготовкой и штампом, а также скорость охлаждения. В результате повышается точность заготовок, увеличивается в 1,5–2,5 раза стойкость штампов.

Эффективность покрытий подтверждается быстрым внедрением их в производство. Эмалирование титановых штамповых заготовок повышает производительность труда на 10% и увеличивает выход годного на 5-25%. Приме- нение эмали позволяет использовать для штамповки оборудование в 1,5–2 раза меньшей мощности, чем без эмали. Экономия металла на одной детали в среднем составляет 10–15% массы штампованной заготовки.

При изотермической штамповке лопаток с применением покрытия производительность труда повышается на 20–30% в результате исключения механической обра- ботки деталей на токарных и фрезерных станках.

Использование эмали позволяет увеличить в 3–5 раз производительность труда при изготовлении деталей за счет сокращения продолжительности операций механической очистки поверхностей деталей и применения обычных печей вместо печей с контролируемой атмосферой. Внедрение эмали на одном металлургическом заводе позволило снизить расходный коэффициент металла на 25–30% и повысить качество проката из высокопрочной коррозионностойкой стали.

Внедрение эмалей для защиты сталей и сплавов неизменно сопровождается получением значительного технико -экономического эффекта, исчисляемого миллионами рублей в год.

Следует отметить экономическую эффективность использования эмалей на металлообрабатывающих и металлургических заводах. Например, на одном из заводов себестоимость одной титановой штамповой заготовки в результате применения эмали снизилась примерно на 20%.

Харьковским политехническим институтом им. Ленина разработаны покрытия для защиты изложниц, фурм мартеновских и доменных печей, слитков и слябов из обычных углеродистых сталей. Применение этих покрытий исключает механическую очистку изложниц перед заливкой и значительно улучшает условия труда.

В результате применения покрытий для защиты изложниц их стойкость увеличилась в среднем на 20%, кроме того, появилась возможность замены медных шлаковых фурм чугунными с защитными покрытиями.

Образование окалины заставляет в прокатном производстве зачищать 30–70% поверхности листов из некото- рых легкоокисляющихся сталей. Защита покрытиями слитков и слябов при нагреве перед прокаткой позволит снизить угар стали в 10–30 раз, резко уменьшить обезуглероживание и улучшить качество поверхности листов, существенно снизить трудоемкость отделки листов, количество брака.

За сравнительно небольшой период защитные покрытия, нашли применение на многих заводах страны.

Об авторе

Доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РСФСР, лауреат премии Правительства Российской Федерации; награжден орденом Дружбы народов, различными медалями. Президент-академик Межрегиональной академии проблем эмалирования, действительный член Американского керамического общества, отмечен золотой медалью им. академика С. Т. Кишкина. Включен в ряд книг: "Кто есть кто в российской химии", "ХХ век. Авиастроение России в лицах", "Космонавтика и ракетостроение. Биографическая энциклопедия". В качестве профессора ведет преподавательскую работу в МАТИ.

С. С. Солнцев – специалист в области физико-химии и технологии материалов и покрытий на основе стекла и керамики. Является основателем и руководителем ряда высокоэффективных научных направлений в области высокотемпературных стеклокерамических материалов и покрытий, разработанных возглавляемой им научной школой. Результаты работ этой школы успешно используются в авиационной, космической и других отраслях новой техники. Автор книг "Разрушение стекла" (1978; 2-е изд. URSS, 2008; в соавт. с Е. М. Морозовым), "Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали" (1984).