способ получения термостойкого силикатного покрытия

Формула изобретения

Способ получения термостойкого силикатного покрытия, включающий предварительное приготовление отверждающейся композиции путем смешения жидкого стекла в качестве силикатного связующего с огнеупорным наполнителем, подготовку поверхности защищаемых металлических изделий, нанесение на подготовленную поверхность подслоя из жидкого стекла и слоя отверждающейся композиции, выдержку покрытия до полного отверждения, отличающийся тем, что подготовку поверхности металлических изделий ведут путем механического удаления окисного слоя с прилегающим к нему поверхностным слоем чистого металла, для нанесения подслоя на подготовленную поверхность металлических изделий используют жидкое стекло с модулем 2,6-3,0, на поверхность подслоя из жидкого стекла в течение времени его жизнеспособности равномерно напыляют порошкообразный оксид переходного металла, поверх которого послойно наносят отверждающуюся композицию, содержащую в качестве связующего жидкое стекло, аналогичное по показателям веществу подслоя, а в качестве огнеупорного наполнителя - смесь порошкообразных оксидов переходных щелочноземельных металлов, характеризующихся дисперсностью не более 1,010^-5 М, слои композиции формируют в режиме ступенчатой термообработки от нормальной температуры до температуры кипения воды при плавном подъеме температуры между ступенями, а лицевой слой покрытия дополнительно термообрабатывают в диапазоне температур от 100 до 300^oС, при этом каждый слой покрытия выдерживают на каждой ступени в течение времени не менее 2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к защитным силикатным покрытиям и может быть использовано для защиты поверхности конструкционных металлических изделий от воздействия высоких температур, открытого пламени и расплавов металлов.

Известен способ получения защитного термостойкого покрытия (патент РФ 1378414, МКИ С 23 С 4/12, публ. 27.10.96, бюл. 8, 98), включающий предварительное приготовление силикатной композиции, порошкообразного наполнителя из никеля и графита с последующим напылением композиции на подготовленные поверхности.

Недостатком известного способа является наличие в покрытии металлов, обладающих высокими электропроводными и теплопроводными свойствами, в связи с чем эффективность теплозащиты понижена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому является способ получения термостойкого силикатного покрытия (патент РФ 2066336, МКИ С 09 D 1/02, публ. 10.09.96, бюл. 25, 96), включающий предварительное приготовление силикатной отверждающейся композиции путем смешения силикатного связующего с порошкообразным наполнителем из талька (смесь оксидов кремния и магния), каолина (сложного состава: комплекс оксида кремния и алюминия), алюминиевой пудры, подготовку металлической поверхности, последующее нанесение подслоя из 10 мас.% водного раствора жидкого минерального стекла с модулем 4-5, последующее нанесение композиции с выдержкой при нормальной температуре до окончательного отверждения покрытия.

Однако в прототипе при выдержке покрытия при нормальной температуре без термообработки не могут быть обеспечены достаточно высокие термостойкость, стойкость к воздействию открытого пламени, расплавов металлов, влагостойкость в условиях пожаротушения, а также теплостойкость, поскольку в составе наполнителя содержится металл, характеризующийся хорошей теплопроводностью. Кроме того, наличие в составе наполнителя талька и каолина, выделяющих в условиях эксплуатации в высокотемпературной среде собственную влагу, приводит к появлению дефектов покрытий - вздутий, трещин, что негативно отражается на эффективности защитного действия.

Задача авторов изобретения заключается в разработке способа получения термостойкого покрытия, эффективно работающего в условиях эксплуатации, характеризующихся высокими (порядка 1000^oС) температурами, воздействием открытого пламени, а также в среде расплавов металлов (с температурой плавления до 1000^oС) в условиях повышенной влажности, имеющей место при пожаротушении.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в повышении эффективности высоких термостойкости, огнестойкости и влагостойкости, а также адгезии и технологичности за счет устранения дефектов покрытия - вспучиваемости и растрескивания.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе, включающем предварительное приготовление отверждающейся композиции путем смешения жидкого стекла в качестве силикатного связующего с огнеупорным наполнителем, подготовку поверхности защищаемых металлических изделий, нанесение на подготовленную поверхность подслоя из жидкого стекла и слоя отверждающейся композиции, выдержку покрытия до полного отверждения, в соответствии с предлагаемым способом подготовку поверхности металлических изделий ведут путем механического удаления окисного слоя с прилегающим к нему поверхностным слоем чистого металла, для нанесения подслоя на подготовленную поверхность используют жидкое стекло с модулем 2,6-3,0, на поверхность подслоя из жидкого стекла в течение времени его жизнеспособности равномерно напыляют порошкообразный оксид переходного металла, поверх которого послойно наносят отверждающуюся композицию, содержащую в качестве связующего жидкое стекло, аналогичное по показателям веществу подслоя, а в качестве огнеупорного наполнителя смесь порошкообразных оксидов переходных и щелочноземельных металлов, характеризующихся дисперсностью не более 1,010^-5 М, слои композиции формируют в режиме ступенчатой термообработки от нормальной температуры до температуры кипения воды при плавном подъеме температуры между ступенями, а лицевой слой покрытия дополнительно термообрабатывают в диапазоне температур от 100^oС до 300^oС, при этом каждый слой покрытия выдерживают на каждой ступени в течение времени не менее 2-х часов.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим образом.

Первоначально готовят силикатную композицию из сырьевых компонентов - жидкого стекла или натриевого стекла, взятых в виде водного раствора с модулем 2,6-3,0 (отношение содержания оксида щелочного металла к содержанию оксида кремния), а также смеси оксидов щелочноземельных и переходных металлов. Экспериментально было установлено, что наличие в составе порошкообразного наполнителя щелочноземельных металлов, близких по свойствам к оксидам щелочных металлов в составе силикатного связующего, обеспечивает высокое химическое сродство и является основой повышения прочностных показателей защитного термостойкого покрытия.

Проявлением высокой прочности связей между слоями отвержденной композиции объясняется и повышение стойкости к воздействию открытого пламени, расплавов и влажности.

Кроме того, наличие в составе наполнителя оксидов металлов, в отличие от прототипа, в котором использован металлический компонент наполнителя, обеспечивает снижение теплопроводности покрытия и улучшение теплозащитных свойств.

Экспериментально показана оптимальная сочетаемость связующего из жидкого стекла и указанных выше оксидов, характеризующихся значительным и необратимым водопоглощением в условиях способа, что обеспечивает отсутствие дефектов покрытия при высоких температурах эксплуатации, таких как (далее см. первичные материалы заявки).

Перед нанесением подслоя на металлические изделия их поверхность подвергают очистке с полным удалением оксидного слоя и прилегающего слоя материала подложки путем механической обработки, что резко активирует подложку и позитивно проявляется в повышении адгезии наносимого впоследствии подслоя, что обеспечивает сплошность покрытия и исключает его отслоение при нагрузках эксплуатации.

После подготовки поверхности наносят подслой из жидкого стекла с модулем 2,6-3,0.

В отличие от прототипа, где используется в качестве подслоя высокомодульное жидкое стекло, в предлагаемом способе обеспечивается более мягкий режим отверждения подслоя, характеризующегося меньшей вязкостью связующего, в результате которого отсутствует значительная усадка и потеря прочности в отвержденном покрытии. Такая обработка способствует дополнительной активации подложки и повышает адгезию и пластичность связи слоя композиции с подложкой.

Для исключения образования поверхностной пленки подслоя его в течение времени жизнеспособности обрабатывают порошкообразным оксидом переходного металла. После этого наносят последовательно слои силикатной композиции, подготовленной указанным выше образом.

Экспериментальные исследования показывают, что нанесение композиции в один прием с термообработкой слоя при фиксированной температуре (в жестком режиме) приводит к интенсивному испарению влаги, содержащейся в связующем, резкому растрескиванию покрытия с нарушением однородности структуры. Вследствие этого отвержденное покрытие не обеспечивает эффективной защиты от высокотемпературных факторов среды.

Проведение послойного нанесения композиции на металлические изделия в условиях ступенчатой термообработки с главным подъемом температуры на каждой ступени от нормальной до температуры кипения воды с выдержкой на каждой ступени не менее 2-х часов обеспечивает высокие термостойкость, стойкость к воздействию открытого огня (индекс распространения пламени не более 1,5-2,0) и воздействию повышенной влажности при пожаротушении. Такие условия создают плавный режим удаления свободной влаги из низших слоев покрытия, их сушку и отверждение.

Нанесение лицевого слоя композиции проводят в режиме термообработки каждого слоя, а затем дополнительно термообрабатывают его при 100^oС, а затем при 300^oС с выдержкой на каждой степени не менее 2-х часов. Это способствует не только сушке, но и упрочнению на фоне завершения процессов фазового золь-гель перехода (по кремниевой составляющей связующего) и приведение в равновесие адгезионно-когезионных взаимодействий.

Наличие в составе наполнителя оксидов щелочноземельных металлов способствует связыванию свободной влаги композиции и повышению однородности структуры слоя покрытия. Включение в состав наполнителя оксидов переходных металлов приводит к повышению термостойкости, стойкости к расплавам металлов и адгезии к металлической подложке.

Таким образом, использованные в предлагаемом способе силикатной композиции на основе жидкого стекла в качестве связующего и порошкообразного наполнителя на основе огнеупорных оксидов щелочноземельных и переходных металлов с послойным нанесением композиции в условиях ступенчатой термообработки покрытия обеспечивает высокую эффективность защитного покрытия с более высокими термостойкостью, стойкостью к воздействию открытого пламени, влагостойкостью и стойкостью к воздействию расплавов металлов.

Возможность промышленного применения предлагаемого способа может быть подтверждена следующими примерами.

Пример 1.

Сначала готовят смесь порошков оксидов кальция, магния и хрома, которые высушивают и измельчают до дисперсности 1,010^-5 м. Затем смешивают расчетное количество смеси порошков оксидов металлов с водным раствором натриевого стекла с модулем 2,66, плотность 146 кг/м³ (ГОСТ 13078-81).

В условиях данного примера компоненты берут из расчета на 100 мас.ч. силикатного связующего - 40 мас.ч. смеси оксидов щелочноземельных и переходных металлов.

Затем готовят образцы из стали марок 12Х18Н10Т, подвергая их механической очистки путем пескоструйной обработки, снимающей основной слой оксидной пленки и прилегающий слой подложки, после чего обезжиривают ее ацетоном или этилацетатом. Сразу после этого наносят подслой из жидкого стекла с модулем 2,66, затем в течение времени жизнеспособности напыляют слой оксида переходного металла, например оксида хрома, после чего на слой оксида наносят подготовленную композицию из жидкого стекла с модулем 2,66 и смеси оксидов переходных и щелочноземельных металлов, в качестве которых используют соответственно оксиды хрома, кальция и магния при следующем соотношении, мас.%:

Cr₂O₃ - 15

CaO - 10

MgO - 15

Na₂SiO₃ n SiO₂ - Остальное

Пример 2.

То же, что в примере 1, но образцы выполнены из титана.

Пример 3.

То же, что в примере 3, но соотношение оксидов щелочноземельных и переходных металлов составляет 1:1,5 соответственно.

Пример 4.

То же, что и в примере 1, но в качестве смеси оксидов щелочноземельных и переходных металлов используют соответственно следующие оксиды, мас.%:

MgO - 10

ZnO - 15

ZrO₂ - 15

Na₂SiO₃ n SiO₂ - Остальное

Пример 5.

То же, что в примере 1, но в качестве смеси оксидов щелочноземельных и переходных металлов используют смесь следующих оксидов, мас.%:

CaO - 10

ZnO - 15

Zr₂O₃ - 15

Na₂SiO₃n SiO₂ - Остальное

Пример 6.

То же, что и в примере 1, но в качестве жидкого стекла используют калийное стекло, а в качестве смеси оксидов используют смесь следующих оксидов щелочноземельных и переходных металлов, маc.%:

MgO - 10

Cr₂O₃ - 15

ZrO₂ - 15

K₂SiO₃n SiO₃ - Остальное

Пример 7.

То же, что в примере 1, но подслой из оксида переходного металла выполнен из оксида цинка.

Пример 8.

То же, что и в примере 1, но подслой из оксида переходного металла на применен, при этом резко падает жизнеспособность слоя, которая в опыте составляла величину, ограниченную временем образования пленки на слое жидкого стекла - 5 минут, тогда как после нанесения оксида переходного металла время жизнеспособности увеличилось до 12-15 минут, что составляет величину операционного времени нанесения следующего слоя композиции.

Как это подтверждено примерами реализации, предлагаемый способ обеспечивает более высокие термостойкость (1000^oС), стойкость к расплаву алюминия (660^oС), стойкость к воздействию пламени и влагостойкость, адгезию к подложке, чем в способе-прототипе.