Способ нанесения окисно-металлических покрытий на поверхность нелегированной стали

Изобретение относится к материаловедению, а именно к лазерной обработке поверхности металлов для снижения скорости коррозии и повышения коррозионной стойкости поверхности нелегированной стали. Способ нанесения оксидно-металлического покрытия на поверхность нелегированной стали включает получение наноразмерного порошка, нанесение его на поверхность и обработку нанесенного слоя лазерным излучением. Получение наноразмерного порошка осуществляют измельчением порошка оксида хрома в активаторе в течение 40-45 мин, затем готовят суспензию из наноразмерного порошка оксида хрома в гептане, а нанесение порошка на поверхность нелегированной стали осуществляют путем нанесения упомянутой суспензии слоем толщиной 5-250 мкм. Затем полученную поверхность подвергают обработке лазерным излучением с частотой генерации импульсов 40-100 кГц, мощностью 10-30 Вт и скоростью сканирования 500-1200 мм/с. Обеспечивается устойчивое пассивное состояние с повышенной коррозионной стойкостью на поверхности нелегированной стали. 1 ил., 3 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к материаловедению, а именно к лазерной обработке поверхности металлов для снижения скорости коррозии и повышения коррозионной стойкости поверхности нелегированной стали.

Известен способ защиты от коррозии металлических поверхностей методом высокоскоростного энергетического воздействия, в частности, лазерным переплавом [1].

Известен способ защиты от коррозии металлических поверхностей от коррозии [2], заключающийся в том, что лазерному переплаву подвергают лишь часть поверхности, в результате чего по ходу лазерного облучения происходит выгорание углерода, обработанная поверхность становится более однородной, в действие вступает локальная гальванопара «обработанная - необработанная поверхность». Это снижает общий коррозионный ток.

В то же время известно, что наиболее эффективное снижение коррозии нелегированной стали достигается при создании условий, способствующих переходу стали в пассивное состояние. Повышение пассивируемости стали может быть достигнуто, в частности, путем изменения состава и свойств поверхности, в том числе и в результате лазерного воздействия.

Известно, что сплавы железо-хром, как правило, обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем отдельно взятые железо и хром [3-5]. Однако положительное противокоррозионное влияние хрома для сплавов Fe-Cr сказывается при содержании хрома в сплаве более 12%. Эти сведения относятся к сплавам Fe-Cr, полученным металлургических путем.

Известен способ лазерной наплавки сталей [2], заключающийся в том, что при лазерной наплавке расплавляются лазерным лучом композиции порошков, подаваемые в зону наплавляемой поверхности. Образующиеся при этом в результате микрометаллургических процессов поверхностные слои толщиной до 0,2-0,6 мм обладают улучшенными функциональными свойствами, в том числе и антикоррозионными (прототип).

Недостатком этого способа является покрытие стали достаточно толстослойным оплавленным покрытием, что приводит к излишним затратам энергии в ходе лазерного облучения. Кроме того, толстослойные покрытия имеют тенденцию к растрескиванию и отслаиванию из-за возникающих внутренних напряжений, связанных, в частности, с различием в коэффициентах термического расширения материала наплавляемого слоя и подложки. Это не позволяет формировать покрытия на поверхностях со сложной геометрией и угловыми соединениями.

Из литературных данных [3, 6, 7] известно, что повышенная коррозионная стойкость систем Fe-Cr при содержании в сплаве хрома более 12% связана с образованием защитного слоя, состоящего из Cr2O3, в котором имеются также оксиды железа. Это приводит к созданию плотных поверхностных слоев, имеющих в своем составе смешанные оксиды состава Fe(Fe2-xCrx)O4 при 0≤x≤2 [8].

Все это приводит поверхность к состоянию повышенной коррозионной стойкости. Однако, как в случае высокотемпературной коррозии, так в случае электрохимической коррозии влияние на коррозионную стойкость оказывают только поверхностные слои, содержащие указанные оксиды. Глубинные слои сплавов, содержащие легирующий компонент, в данном случае это хром, выключены из процесса пассивации и повышения коррозионной стойкости.

Поставлена задача повышения коррозионной стойкости нелегированной стали путем создания на ее поверхности с помощью лазерного облучения наноразмерных оксидных слоев хрома, железа, их смешанных оксидов.

Указанная задача была решена благодаря тому, что в способе нанесения оксидно-металлических покрытий на поверхность нелегированной стали сначала готовили наноразмерный порошок оксида хрома путем измельчения его в активаторе в течение 40-45 мин, затем готовили суспензию из наноразмерного порошка оксида хрома в гептане и наносили на поверхность стали слоем толщиной 5-250 мкм, а затем обработку поверхности вели лазерным излучением с генерации импульсов 40-100 кГц, мощностью 10-30 Вт и скоростью сканирования 500-1200 мм/с.

Было установлено, что при применении указанных режимов лазерного облучения, в условиях его импульсной генерации, обработка наноразмерного порошка Cr2O3, размещенного на поверхности нелегированной стали (использовали ст. 20, обыкновенного качества), приводит к созданию на поверхности подложки прочно соединенного с ней нанокомпозита сложного состава (преимущественно FeCrO3 со структурой шпинели), который придает ей повышенную коррозионную стойкость, переводит материал в состояние пассивности. Лазерный синтез поверхностного слоя наноразмерной толщины, состоящего из простых и смешанных оксидов железа и хрома, переводит нелегированную сталь в коррозионно-стойкое пассивное состояние, характерное для сталей, легированных хромом при содержании последнего свыше 12%.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа

Приготовление образцов. Исходным материалом для получения нанодисперсного оксида хрома служил порошок Cr2O3 марки х.ч. Порошок подвергали размолу в шаровой планетарной мельнице АГО-2C в течение 10 минут до достижения частицами порошка средних размеров в пределах от 100 до 500 нм. Далее готовили суспензию порошка в гептане и наносили ее на поверхность подложки валиком. Толщина нанесенного слоя не превышала 10 мкм. Образцы представляли собой квадраты с площадью 1 см2. Полученное покрытие подвергали лазерному облучению с помощью иттербиевого оптоволоконного лазера LDesigner F1, работающего в импульсном режиме генерации излучения. Для данного конкретного примера образцы были приготовлены в следующих режимах обработки: мощность излучения от 10 до 30 Вт, эффективный диаметр лазерного пучка 30 мкм, скорость сканирования лазера в зоне обработки от 500 до 1200 мм/с, частота импульсов от 80 кГц.

Образец был подвергнут следующим исследованиям.

Состав поверхностного слоя определяли методом рентгеновской электронной спектроскопии на электронном спектрометре SPECS с использованием MgKα - излучения. Послойный анализ осуществлялся травлением ионами Ar+ с энергией ионов 4 кэВ и плотностью тока 10 мкА/см2. Скорость травления поверхности 2,7 нм/мин. Для разложения спектров Fe и Cr на составляющие (с целью разделения оксидной и металлической компоненты) использованы эталонные 2р спектры чистого хрома и чистого железа. Вакуум в камере спектрометра 10-6 Па. Разрешение (ширина на половине высоты) по линии Au4f7/2 1,2 эВ. Относительная ошибка определения концентрации элементов 5% от измеряемой величины (в области средних концентраций). Точность определения энергии связи определялась шагом сканирования 0,1 эВ.

В табл. 1 представлено качественное строение и состав синтезированного поверхностного слоя, полученные из анализа спектров.

Таблица 1
Глубина слоя, нм 0-3 3-6 6-12 12-20 30
Состав Cr2O3 Cr2O3 Cr2O3 Cr2O3 Cr2O3
Fe2O3 Fe2O3 Fe2O3 FeO Fe
FeO FeO Fe FeO (следы)
Cr (следы) Fe

На глубине проведенного анализа фиксировали, в частности, оксиды железа и хрома и их смешанные формы. Наличие оксидов железа на глубине свыше 40 нм не обнаруживали. Таким образом, поверхностный слой состоит в основном из индивидуальных и смешанных оксидов хрома и железа, которые и обеспечивают высокие антикоррозионные свойства сплавов Fe-Cr.

Потенциодинамические исследования коррозии образцов

Поляризационные измерения исследуемых образцов проводили в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 1 мВ/с. Использовали потенциостат модели IPC-Pro L, ячейку ЯСЭ-2. Температура (22±2)°С, фоновый электролит - боратный буферный раствор с рН от 7,4. Аэрация раствора - естественная.

Образцы для электрохимических измерений представляли собой квадраты площадью 1 см2, нанесенный слой на образец и был рабочей поверхностью электрода.

Перед электрохимическими испытаниями электроды зачищали мелкодисперсным оксидом алюминия, нанесенным на влажную ткань. После этого образцы промывали дистиллированной водой и обезжиривали этанолом. Далее образцы помещали в электрохимическую ячейку с соответствующим раствором и включали анодную поляризацию со скоростью 1 мВ/с.

Потенциалы измерены относительно насыщенного хлоридсеребряного электрода. Они представлены по шкале стандартного водородного электрода. Плотность тока пересчитывали на видимую (геометрическую) поверхность электрода. Для сравнения в тех же условиях снимали поляризационные кривые образцов из ст. 20.

На рис. 1 представлены анодные потенциодинамические кривые образцов из исходной ст. 20, а также образцов, обработанных при варьировании режимов обработки.

В табл. 2 содержится характеристика лазерной обработки различных образцов.

Таблица 2
№ образца Vz, мм/с Vp, мм/с
А32 240 20
А54 480 40
А57 1200 100
Обозначения: Vz - скорость движения луча лазера при осуществлении Ζ-схемы сканирования; VP -скорость установившегося поперечного перемещения луча лазера вдоль дорожки сканирования.

Можно видеть, что все обработанные образцы не имеют участков так называемого активного растворения и характеризуются анодными кривыми, которые получаются при поляризации глубоко запассивированной поверхности. Если сравнить токи коррозии образцов в той же области потенциалов, где образец ст. 20 подвергается активному растворению, можно видеть, что при этих потенциалах (Е=-200÷-250 мВ) скорость растворения всех лазернообработанных образцов ниже на несколько порядков в области активного растворения, чем у образца без обработки.

В табл. 3 показаны токи анодного растворения (i, мкА/см2) образцов с лазернонанесенным слоем оксида хрома в сравнении с образцом из материала подложки (ст. 20) при потенциале Е=500 мВ.

Таблица 3
Образец, А54 А32 А57 Ст. 20
условный №
i, мкА/см2 2,0 3,3 6,1 8,8

Можно видеть, что при всех использованных режимах происходит снижение скорости анодного растворения за счет наличия на поверхности лазернообработанного слоя, состоящего из оксидов хрома и железа.

Устойчивость пассивного состояния лазернообработанных образцов проверяли многократным циклированием потенциала от Е=-500 мВ до Е=1000 мВ. Ухудшение пассивных характеристик не наблюдалось. Этот эксперимент еще раз подтверждает, что использованная технология лазерной обработки способствует переходу поверхности материала в устойчивое пассивное состояние с повышенной коррозионной стойкостью.

Источники информации

1. Колотыркин Я.М., Янов Л.А., Княжева В.М. Высокоэнергетические способы обработки поверхности для защиты металлов от коррозии // Коррозия и защита от коррозии. Итоги науки и техники. М.: ВНИТИ АН СССР, 1986. т. 12. с. 185-287.

2. Рудычев В. Г. Способ лазерной наплавки сталей. Патент RU №2032512. МПК B23K 26/00, опуб. 10.04.1995 (прототип).

3. Томашов Н.Д. Теория коррозия и защиты металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 591 с.

4. Коррозия: Справ. издание / Под ред. Л.Л. Шрейдера: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1981. 632 с.

5. Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии. Л.: Химия, 1966. 848 с.

6. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. М.: Физмат лит. 2002. 336 с.

7. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Металлургия. 1993. 415 с.

8. Хохлов В.В., Ракоч А.Т., Дементьева Е.С., Лызлов О.А. Теоретический анализ «аномальных» явлений, протекающих при высокотемпературной окислении сплавов Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-Ni-Cr. Защита металлов. 2004, т. 40, №1, с. 68-73.

Способ нанесения оксидно-металлического покрытия на поверхность нелегированной стали, включающий получение наноразмерного порошка, нанесение его на поверхность и обработку нанесенного слоя лазерным излучением, отличающийся тем, что получение наноразмерного порошка осуществляют измельчением порошка оксида хрома в активаторе в течение 40-45 мин, затем готовят суспензию из наноразмерного порошка оксида хрома в гептане, а нанесение порошка на поверхность нелегированной стали осуществляют путем нанесения упомянутой суспензии слоем толщиной 5-250 мкм, затем полученную поверхность подвергают обработке лазерным излучением с частотой генерации импульсов 40-100 кГц, мощностью 10-30 Вт и скоростью сканирования 500-1200 мм/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано при утилизации газов цинкового производства в серную кислоту. Способ включает подготовку поверхности металлоконструкции электрофильтра и нанесение на нее защитного стеклопластикового покрытия на основе связующего материала в виде смолы Derakane Momentum 411-350 путем последовательного нанесения слоев упомянутой смолы и стекловуали, которые повторяют до создания защитного покрытия толщиной 5 мм, на которое затем наносят слой смолы и накладывают свинцовую шину шириной 20 мм и толщиной 4 мм, которую закрепляют нанесением по ее бокам дополнительного слоя упомянутой смолы и стекловуали.

Изобретение относится к способу нанесения антифрикционных покрытий на стальную поверхность, в частности стальную сердцевину подпятникового узла тележки вагона и другие узлы трения.

Изобретение относится к смазочным композициям и может быть использовано в машиностроении для обработки пар трения, а также при эксплуатации механизмов и машин для продления межремонтного ресурса или во время ремонтно-восстановительных работ.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке слябов из низколегированных сталей перед нагревом под прокатку. Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали при прокатке включает напыление алюминиевого газотермического покрытия на широкие грани сляба перед его нагревом в методической печи под прокатку толщиной 0,60±0,02 мм, нагрев его до температуры кипения воды и нанесение поверх него покрытия в виде шамотной суспензии толщиной 1,0±0,02 мм.

Изобретение относится к технологии плазменной обработки поверхности материалов, в частности, для создания высоконадежных защитных покрытий оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) ядерного реактора.

Изобретение относится к способу восстановления размеров корпуса моторно-осевого подшипника электровоза при помощи электродуговой металлизации. Способ восстановления размеров корпуса моторно-осевого подшипника электровоза электродуговой металлизацией.

Изобретение относится к области технологии химико-термической обработки металлических материалов и предназначено для термической обработки деталей пар трения. Способ химико-термической обработки деталей пар трения из стали мартенситного класса включает объемную закалку заготовок из стали и отпуск, механическую обработку и азотирование деталей на заданную глубину, проводимое в две ступени: первоначально при температуре 500-540°C в течение 10-20 часов, а затем при температуре 540-570°C в течение 20-40 часов.

Изобретение относится к области нанесения антифрикционных покрытий преимущественно на упорные поверхности пятникового узла грузовых вагонов и может быть также использовано в узлах трения различных машин.

Изобретение относится к технологии изготовления трехмерной металлической детали(11), представляющей собой деталь газовой турбины в виде лопатки, лопасти или теплового экрана, которая может быть использована в компрессоре, камере сгорания или турбинной секции газовой турбины.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при производстве поршневых машин. Способ включает первичную токарную обработку, закаливание внутренней рабочей поверхности гильзы токами высокой частоты и ее финишную обработку на хонинговальном станке.

Изобретение относится к способам получения полимерных нанокомпозитных материалов и непосредственно касается получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наноразмерными частицами оксида гафния, который может быть применен в различных областях, например, для изготовления керамики, катализаторов, биомедицинских материалов, для изготовления материалов для элементов энергонезависимой памяти для нужд микроэлектроники.
Изобретение может быть использовано в производстве деталей турбинных двигателей и установок, которые требуют формирования на рабочих поверхностях покрытий, имеющих высокое значение адгезии и когезии.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения наночастиц диоксида титана проводят откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, зажигание электрической дуги постоянного тока между графитовым электродом и металл-углеродным композитным электродом.

Изобретение может быть использовано в производстве медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, и в качестве сорбентов для адсорбции ионов тяжелых металлов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения ультрадисперсных порошков карбида ванадия, которые используют при изготовлении твердых сплавов, быстрорежущей стали, ее заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей и износостойких покрытий.

Изобретение относится к технологии получения нанопорошка иттрий-алюминиевого граната, который используют в качестве исходного порошка оксидной керамики, в диспергированном состоянии в качестве наполнителя или пигмента или в качестве исходного порошка для получения монокристалла или покрытия, нанесенного методом пламенного распыления.

Настоящее изобретение относится к водной композиции, содержащей три компонента. Первый компонент представляет собой основное моющее средство в виде неионного поверхностно-активного вещества, характеризующегося критическим параметром упаковки ≥0,95; второй компонент представляет собой силанизированные коллоидные частицы диоксида кремния, где по меньшей мере 40 мас.% коллоидных частиц диокида кремния являются силанизированными, третий необходимый компонент представляет собой вспомогательное поверхностно-активное вещество, характеризующееся значением КПУ ≤0,85.Технический результат - улучшение совокупных показателей эффективности по очищению, показателей эффективности по образованию полос и придание стабильности всему составу.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии и нанотехнологии. Для получения наностержней диоксида марганца смешивают водные растворы перманганата калия и нитрита натрия в мольном соотношении M n O 4 − : N O 2 − , равном 2:(1-5), до образования однородной дисперсной фазы в сильнощелочном растворе.

Изобретение относится к способу получения композиции из полимера и наноразмерных наполнителей, используемой в технологиях получения полимерных композиционных материалов широкого спектра применения.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено в солнечных коллекторах с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника теплового излучения. Солнечный коллектор включает корпус, выполненный из двух, по крайней мере, однокамерных стеклопакетов, соединенных герметичной рамкой. Рамка выполнена с возможностью образовывать заполненное высокотемпературным теплоносителем герметичное пространство между стеклопакетами с узлом подачи высокотемпературного теплоносителя и узлом выхода высокотемпературного теплоносителя. При этом стеклопакеты выполнены вакуумными, а расстояние герметичного пространства между стеклопакетами составляет 2 мм. Техническим результатом изобретения является снижение теплопотерь и увеличение эффективности преобразования солнечной энергии. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к материаловедению, а именно к лазерной обработке поверхности металлов для снижения скорости коррозии и повышения коррозионной стойкости поверхности нелегированной стали. Способ нанесения оксидно-металлического покрытия на поверхность нелегированной стали включает получение наноразмерного порошка, нанесение его на поверхность и обработку нанесенного слоя лазерным излучением. Получение наноразмерного порошка осуществляют измельчением порошка оксида хрома в активаторе в течение 40-45 мин, затем готовят суспензию из наноразмерного порошка оксида хрома в гептане, а нанесение порошка на поверхность нелегированной стали осуществляют путем нанесения упомянутой суспензии слоем толщиной 5-250 мкм. Затем полученную поверхность подвергают обработке лазерным излучением с частотой генерации импульсов 40-100 кГц, мощностью 10-30 Вт и скоростью сканирования 500-1200 ммс. Обеспечивается устойчивое пассивное состояние с повышенной коррозионной стойкостью на поверхности нелегированной стали. 1 ил., 3 табл., 1 пр.

Наверх