Способ обработки поверхности стали
Владельцы патента RU 2514233:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "УдГУ") (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт Уральского Отделения РАН (RU)
Изобретение относится к способу обработки поверхности стали. Осуществляют подготовку поверхности путем очистки от окалины и обработку лазерным лучом. Лазерную обработку поверхности проводят импульсной генерацией лазерного излучения с длиной волны 0,8-1,2 мкм, мощностью излучения 105-107 Вт/см2, частотой импульсов 28-35 кГц и скоростью сканирования лазером поверхности в зоне обработки 8-12 см/с. Для образования на поверхности стали слоя из оксидов железа, обеспечивающего сохранение состава и свойств более глубоких слоев металла, лазерную обработку поверхности проводят на глубину поверхности 10-40 нм. Технический результат заключается в повышении коррозионной стойкости стали.1 з.п.ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области материаловедения и обработки поверхности металлов, а именно к снижению скорости коррозии нелегированных и низколегированных сталей.
Известен способ защиты металлических поверхностей от коррозии методом высокоэнергетического воздействия, например лазерным переплавом [1].
Известен также способ [2] защиты металлических поверхностей от коррозии, заключающийся в том, что лазерному переплаву подвергают лишь небольшую часть поверхности, в результате чего происходит частичное выгорание углерода в стали. Обработанные поверхности становятся более однородными, в действие вступает локальная гальванопара «обработанная - необработанная поверхность», что, по мнению авторов, снижает общий коррозионный ток (прототип).
В то же время известно, что наиболее эффективное снижение коррозии низколегированных и нелегированных сталей наблюдается при переходе их в пассивное состояние. Однако обычные углеродистые стали пассивируются лишь в присутствии ингибиторов окислительного типа или при высоких значениях рН среды.
Нами была поставлена задача повысить коррозионную стойкость поверхности стали путем реализации специального режима лазерной обработки.
Поставленная задача перевода поверхности стали в пассивное состояние с повышенной коррозионной стойкостью была достигнута в результате лазерной обработки поверхности в условиях импульсной генерации лазерного излучения с длиной волны 0,8-1,2 мкм, мощностью излучения 10-10 Вт/см, частотой импульсов 28-35 кГц и скоростью сканирования лазером поверхности в зоне обработки 8-12 см/с. При этом для образования на поверхности стали слоя из оксидов железа, обеспечивающего сохранение состава и свойств более глубоких слоев металла, лазерную обработку поверхности проводили на глубину поверхности 10-40 нм в вакууме, в среде инертного газа или на воздухе.
Результаты исследований показали, что в ходе лазерной обработки, например поверхности стали 40Х при заявляемом режиме, согласно данным рентгено-фотоэлектронной спектроскопии, образуются наноразмерные негидратированные оксиды Fe(+2) и Fe(+3). Данные оксиды имеют прочную химическую связь с подложкой и, в отличие от оксидов, образующихся при пассивации сталей в водных растворах, не разрушаются при депассивации. Иначе говоря, после лазерной обработки в выбранном режиме поверхность стали изначально находится в состоянии пассивации.
Конкретные примеры реализации изобретения
Изучались образцы стали 40Х и У10, которые представляли из себя цилиндры с площадью основания 0,6-1,6 см2. Для обработки поверхности использовался оптоволоконный иттербиевый импульсный лазер с длиной около 1 мкм, плотностью мощности излучения 106 Вт/см2. Скорость сканирования луча лазера в зоне обработки 10 см/с, частота следования импульсов - 33 кГц.
Основание цилиндра служило рабочей поверхностью электрода. Подготовка поверхности перед электрохимическими исследованиями заключались в зачистке образцов от окалины на шлифовальной бумаге и дополнительной шлифовке поверхности порошком Al2O3, смоченным дистиллированной водой.
Исследовались обработанные лазерным облучением стали 40Х:
№26 - без лазерной обработки;
№27 - лазерная обработка на воздухе;
№28 - лазерная обработка в аргоне;
№29 - лазерная обработка в вакууме 10-2 мм рт.ст.;
сталь У10 - без обработки;
№120 - лазерная обработка вакуум-аргон;
№121 - лазерная обработка в воздухе с аргоном;
№122 - лазерная обработка в вакууме с аргоном.
Поляризационные измерения выполнены в потенциодинамическом режиме на потенциостате IPC-Pro L в стандартной электрохимической ячейке ЯСЭ-2 при комнатной температуре в условиях естественной аэрации. В качестве электрода сравнения использовали хлорид-серебряный электрод, вспомогательный - платиновый.
Поляризационные измерения в анодной области потенциалов проводились при скорости развертки потенциала 1 мВ/с. Температура (22±2)°С, фоновый электролит - боратный буферный раствор с рН 7,4.
После подготовки образцов к испытаниям в анодной области их помещали в электрохимическую ячейку с соответствующим раствором, выдерживали до установления стационарного потенциала (10-15 минут) и включали анодную поляризацию со скоростью 1 мВ/с. Плотность тока пересчитывали на видимую поверхность электрода.
Ниже приведены величины токов анодного растворения указанных образцов, характеризующие скорость коррозии при потенциале +500 мВ.
Можно видеть, что электроды, прошедшие лазерную обработку, показывают меньшие токи анодного растворения. В ряду образцов наблюдается рост коррозионной стойкости поверхности металла.
| ст.40Х (без обработки) | 13 мкА/см2 |
| образец №27 | 11 мкА/см2 |
| образец №28 | 9 мкА/см2 |
| образец №29 | 5 мкА/см2 |
Таким образом, наблюдается повышение коррозионной стойкости ст.40Х после выбранных режимов лазерной обработки.
В табл.1 и 2 приведены результаты РФЭС исследований образца из ст.40Х без обработки и образца №29, подвергнутых лазерной обработке.
С целью определения состава слоев, ответственных за коррозионную стойкость поверхности, исследовали образцы после коррозионно-электрохимических испытаний.
| Таблица 1 | ||||||
| Результаты РФЭС - исследования образцов стали 40Х с выдержкой в растворе с рН 7,4 при потенциале пассивного состояния без лазерной обработки | ||||||
| Глубина l, нм | Относительная доля соединения, % | Строение поверхностных слоев | ||||
| Fe | Fe-O (аде.) | FeO | FeO(OH) | Fe2O3 | ||
| 3 | 20,4 | 89,6 | - | - | - | Fe, Fe-O (аде.) |
| 9 | 64,5 | - | 28,7 | - | 6,8 | Fe, FeO, Fe2O3 |
| 22 | 70,5 | - | 20,3 | - | 9,2 | Fe, FeO, Fe2O3 |
| Таблица 2 | |||||
| Результаты РФЭС - исследования образцов стали 40Х в вакууме с выдержкой в растворе с рН 7,4 при потенциале пассивного состояния после лазерной обработки | |||||
| Глубина l, нм | Относительная доля соединения, % | Строение поверхностных слоев | |||
| Fe | Fe-O (аде.) | FeO | FeO(OH) | ||
| 3 | 38,6 | - | 45,7 | 15,7 | Fe, FeO, FeO(OH) |
| 9 | 51,0 | - | 31,3 | 17,7 | Fe, FeO, FeO(OH) |
| 22 | 100 | - | - | - | Fe |
Из табл.1 видно, что на поверхности ст.40Х без лазерной обработки поверхностный слой на глубине 3 нм состоит из железа и системы Fe-O, которую можно считать адсорбционной формой кислорода. На глубине 9 нм возрастает количество железа и появляется сигнал, соответствующий уже химическому соединению FeO в количестве 28,7%. В пассивирующем слое фиксируется и появление железа в степени окисления+3 (Fe2O3-6,8%). Не исключено, что этот оксид образуется в результате доокисления FeO. На глубине 22 нм становится выше содержание железа, сокращается количество оксида FeO, за счет чего выросло количество Fe2O3.
Эти данные дают основание считать, что исходный образец ст.40Х уже имеет элементы пассивного слоя. По мере контакта с электролитом этот слой за счет доокисления FeO до Fe2O3 становится более дефектным и, хотя при этом металл запассивирован, стойкость его меньше, чем, например, у легированных сталей.
У лазернообработанного образца пассивационный слой, состоящий из частичного окисленного железа, не превышает по толщине 9 нм. На глубине 22 нм никаких сигналов, кроме Fe, спектр РФЭС не дает. Данный образец содержит на поверхности FeO, Fe2O3 и частично гидратированный оксид FeO(OH). Процесс дальнейшего образования соединения Fe(III) не происходит, поэтому оксидный слой более плотный, хотя более тонкий, обладающий хорошими защитными свойствами. Этим и объясняется высокая коррозионная стойкость ст.40Х после лазерной обработки.
Аналогичные данные по переводу углеродистой стали в пассивное состояние получены на примере образцов из обработанных по выбранной технологии ст.У10. Согласно этим данным величины анодного тока растворения этой стали при потенциале +500 мВ составляют:
| Образец | Плотность тока, мкА/см2 |
| ст.У-10 (без обработки) | 9 |
| №120 | 6 |
| №121 | 8 |
| №122 | 4 |
1. Колотыркин В.М., Княжева В.М. Возможности высокоэнергетических методов обработки поверхностей металлов для защиты от коррозии.// Защита металлов, 1991, Т.27, №2, С.184-186.
2. Патент РФ №2061100. Опубл. 27.05.1996 (прототип).
3. Патент РФ №2443506. Опубл. 27.02.2012.
1. Способ обработки поверхности стали лазерной обработкой, включающий подготовку поверхности путем очистки от окалины и обработку лазерным лучом, отличающийся тем, что лазерную обработку поверхности проводят импульсной генерацией лазерного излучения с длиной волны 0,8-1,2 мкм, мощностью излучения 105-107 Вт/см2, частотой импульсов 28-35 кГц и скоростью сканирования лазером поверхности в зоне обработки 8-12 см/с.
2. Способ п.1, отличающийся тем, что лазерную обработку поверхности проводят на глубину поверхности 10-40 нм в вакууме, в среде инертного газа или на воздухе.
