Способ увеличения коррозионной стойкости конструкционных материалов, металлическое изделие с увеличенной коррозионной стойкостью


 

C21D1/70 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2595184:

ШАРИКПУЛОВ Саид Мирфаисович (RU)

Изобретение относится к термохимической обработке поверхности металлов. Для увеличения коррозионной стойкости металлического изделия осуществляют механическую обработку поверхности изделия с обеспечением поверхностного наклепа и пассивацию поверхности изделия, при этом механическую обработку поверхности изделия проводят до достижения шероховатости поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степени наклепа не ниже 5% , глубины наклепа не менее 8мкм, а пассивацию поверхности изделия проводят до получения слоя оксидной пленки толщиной не менее Ra + 1 мкм. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

 

Область техники

Изобретение относится к способам обработки конструкционных материалов, например стали, и может быть использовано для обеспечения коррозионной стойкости стальных поверхностей конструкций контура ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем.

Предшествующий уровень техники

Защита от коррозии конструкционных материалов из различных металлов и сплавов, работающих в агрессивных жидких и газовлажных средах, например морских судов, железнодорожного и автотранспорта, трубопроводов и оборудования газовой, химической, нефтехимической и других отраслей народного хозяйства, имеет существенное значение. В атомной энергетике одной из основных задач является обеспечение работоспособности элементов активной зоны, включая тепловыделяющий элемент (твэл) и такой его компонент, как оболочка, рабочее колесо главного циркуляционного насоса, а также всего первого контура теплоносителя и его элементов. Именно к этим элементам предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости, механической прочности в сочетании с хорошей пластичностью.

Известен «Способ защиты конструкционных материалов от коррозии при повышенных температурах в жидком свинце, висмуте и их сплавах», представленный в патенте RU 2066710. Согласно этому способу на поверхности материала создают оксидное покрытие. Защитная оксидная пленка создается посредством обработки материала в жидкометаллической среде с низким парциальным давлением кислорода, например в Pb(Bi)-O. Скорость коррозии сталей падает в разы по сравнению со случаем коррозии сталей без защитных оксидных пленок на поверхности или со случаем, когда оксидные пленки на поверхности не являются защитными (т.е. являются несплошными).

Однако даже в случае с защитными оксидными пленками на поверхности сталей процесс коррозии не исчезает полностью: идет процесс растворения и механического разрушения защитных оксидных пленок на поверхности стали и их одновременный рост. Часть растворенных на «горячем» участке контура свинецсодержащего теплоносителя компонентов оксидных пленок может на «холодном» участке контура теплоносителя кристаллизоваться (образуются твердые продукты коррозии). Твердые продукты коррозии могут высаживаться в фильтре. Таким образом, несмотря на снижение коррозии конструкционных материалов в жидкометаллической среде, подобное оксидированное покрытие может растворяться, растрескиваться, разрыхляться, отслаиваться и разрушаться другими способами, а теплоноситель может проникать под оксидную пленку.

Для сохранения эффекта снижения коррозии может применяться «Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем», описанный в патенте RU 2100480. Он включает создание на внутренней поверхности контура антикоррозионного покрытия из оксидов компонентов конструкционных сталей в процессе эксплуатации контура за счет поддержания концентрации растворенного в теплоносителе кислорода не ниже значения, определяемого по формуле. При этом кислород вводят в контур свинецсодержащего теплоносителя и поддерживают термодинамическую активность (далее - ТДА) растворенного в теплоносителе кислорода описываемыми в патенте несколькими способами. Растворенный в свинецсодержащем теплоносителе кислород (при поддержании его ТДА на необходимом уровне) образует на поверхности сталей защитные оксидные пленки.

Известно, что в контурах с теплоносителем на основе щелочных металлов (натрия, калия и пр.) одним из основных методов снижения скорости коррозии сталей является обеспечение стойкости защитной пленки на контактирующих с теплоносителем поверхностях конструкционных элементов. Основа этих защитных пленок - компоненты стали (в первую очередь это железо и хром), кислород и щелочной металл. Например, в контурах с натриевым теплоносителем такой защитной пленкой для хромоникелевой нержавеющей стали является пленка на основе Na4FeO3 и NaCrO2. Эти пленки образуются при определенном содержании кислорода в натрии (в виде Na2O) и температуре. Обеспечивая необходимый кислородный и температурный режим, достигают пассивации контактирующих с теплоносителем поверхностей конструкционных элементов, на поверхности образуются стойкие сплошные защитные пленки, что многократно снижает скорость коррозии.

Исходя из сказанного, необходимо отметить, что, несмотря на известность перспективного способа обеспечения коррозионной стойкости, прочность и эффективность такой защиты оказываются недостаточными, поскольку требуется применение различных способов поддержания коррозионной стойкости конструкционных материалов и восстановления оксидных пленок на них.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого технического решения является увеличение надежности и работоспособности металлических материалов и изделий, например элементов и частей ядерной установки, поверхности которых контактируют со свинецсодержащим теплоносителем (это могут быть тепловыделяющий элемент, его оболочка, контур свинецсодержащего теплоносителя) или теплоносителем на основе щелочных металлов,

Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости и износостойкости металлического изделия в сочетании с хорошей твердостью, механической прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.

Для достижения технического результата способ обработки металлического изделия включает механическую обработку поверхности изделия, обеспечивающую поверхностный наклеп и пассивацию поверхности, при этом механическую обработку поверхности изделия проводят до достижения шероховатости поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степени наклепа не ниже 5% , глубины наклепа не менее 8мкм, а пассивацию поверхности изделия проводят до получения слоя оксидной пленки толщиной не менее Ra + 1 мкм.

Металлическое изделие имеет шероховатость поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степень наклепа не ниже 5%, глубину наклепа не менее 8мкм и толщину оксидного слоя не менее Ra + 1 мкм, обработанное способом по любому из пп. 1-4.

Механическая обработка может представлять собой: механическую полировку, и/или дробеструйную обработку, и/или гидродробеструйную обработку, и/или гидрогалтовку, и/или виброгалтовку (галтовку), и/или механическое шлифование, и/или накатку или обкатку роликом, и/или дорнование, и/или ультразвуковую обработку микрочастицами поверхности изделия. Механическая обработка может обеспечивать поверхностный наклеп со степенью не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%. Механическая обработка может обеспечивать глубину поверхностного наклепа не менее 8 мкм, или 15 мкм, или 20 мкм, или 22 мкм, или 27 мкм.

Пассивация поверхности изделия для случая свинецсодержащего теплоносителя может осуществляться в газовой среде и/или в теплоносителе, содержащих кислород и/или водяной пар. Для теплоносителя на основе щелочных металлов пассивацию поверхности изделия предпочтительно осуществлять в теплоносителе, подачу воды в теплоноситель при этом не осуществляют. При пассивации поверхности изделия может быть обеспечен слой оксидных пленок толщиной не менее 1,5 мкм.

На поверхность изделия может быть нанесено защитное покрытие из металлов, сталей или сплавов и/или поверхность изделия может быть легирована. Легирование поверхности изделия может представлять собой азотирование или карбонитрацию поверхности. Дополнительно может осуществляться термическая обработка изделия и/или поверхности изделия.

Задачу изобретения также решает металлическое изделие, имеющее поверхность со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм и толщиной оксидного слоя не менее Ra+1 мкм. Кроме того, Ra может иметь значение не более 1, или 0,85, или 0,5, или 0,3, или 0,1, или 0,085, или 0,05, или 0,03, или 0,014, или 0,01 мкм. Изделие также может иметь защитное покрытие из металлов, сталей или сплавов и/или легированную поверхность. Номер зерна материала в слое с поверхностным наклепом изделия может быть больше номера зерна материала под поверхностью на один номер или на два номера или более. Степень поверхностного наклепа изделия предпочтительно не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%. Глубина поверхностного наклепа изделия предпочтительно не менее 8 мкм, или 15 мкм, или 20 мкм, или 22 мкм, или 27 мкм.

Технический результат, получаемый от реализации описываемого технического решения, заключается в увеличении коррозионной стойкости и износостойкости конструктивных элементов из различных металлов, в частности стали, а также их защитных покрытий из металлов, сплавов, в том числе покрытий из сложнолегированных сталей. В частности, в теплоносителе, состоящем из тяжелых металлов, например в свинецсодержащем теплоносителе, в диапазоне температур свинецсодержащего теплоносителя от температуры на 5°C выше температуры плавления до 700°C скорость коррозии стали уменьшается от десятков процентов до примерно 2-4 раз - в зависимости от ТДА кислорода в теплоносителе, скорости теплоносителя, его температуры, а также от марки стали, ее структуры, механической обработки поверхности, термообработки, термомеханической, химикотермической обработки как в целом заготовки изделия, так и поверхности. Глубина износа при такой обработке уменьшается примерно на 20%. Конкретное значение верхней границы температуры приведенного диапазона определяется конкретной маркой стали, ее обработкой, наличием и видом защитного покрытия и условиями ее работы (например, для стали AISI316 оксидная пленка NaCrO2 стабильна до температуры приблизительно 600°C при концентрации кислорода в натриевом теплоносителе около 8·10-6). Также обеспечен технический результат в виде возможности обработки деталей/изделий различных размеров с различными заданными степенями поверхностного наклепа, его глубины и обеспечиваемой прочности оксидных пленок.

Реализация изобретения

Для снижения коррозии металлических изделий предлагается способ, в соответствии с которым осуществляют механическую обработку поверхности изделия, обеспечивающую поверхностный наклеп и пассивацию поверхности изделия. Механическая обработка предпочтительно выполняется до пассивации поверхности. В то же время возможны варианты, когда механически обрабатывают пассивированную поверхность или чередуют механическую обработку и пассивацию, что дополнительно повышает коррозионную стойкость (чем больше таких циклов, тем выше стойкость).

Различают два вида наклепа: деформационный и фазовый. Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации, называют деформационным наклепом. Деформационный наклеп может быть объемным или поверхностным. Объемный наклеп распространяется по объему всей детали или по объему ее части и является результатом объемной механической обработки или объемной термомеханической обработки. Поверхностный наклеп (подразделяется на виды, соответствующие тому, как он получен - дробеструйный, галтовочный и т.д.) образуется в поверхностном слое в результате поверхностной механической или термомеханической обработки детали. При фазовом наклепе (распространяется, как правило, по объему всей детали) источником деформаций служат фазовые превращения стали, металла или сплава, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной(ых) удельными объемами. Фазовый наклеп может являться результатом термической или термоциклической обработки. Поверхностный наклеп - это упрочнение и увеличение твердости поверхностного слоя металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поверхностный наклеп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решетки, увеличением прочности и твердости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большом расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей, а также образованных в результате пассивации на поверхности детали (изделия) оксидной пленки (пленок).

Принцип действия способа основан на том, что на поверхности стального конструктивного элемента формируется наклеп, зерна поверхностного слоя (и/или покрытия) стали вытягиваются в направлении действующих при обработки сил (приобретают определенную ориентацию), измельчаются и упрочняются, уровень растягивающих поверхностных напряжений снижается, повышается микротвердость поверхностных слоев материала конструктивного элемента. Далее, после описанных ниже видах обработки до достижения приведенных ниже значений Ra, глубины наклепа и его степени, при последующей пассивации на поверхности образуется более сплошная оксидная пленка, обладающая более высокими защитными свойствами в среде жидкометаллического теплоносителя.

Этому способствует как то, что образующаяся на поверхности оксидная пленка имеет такие свойства, что диффузионный поток металлических компонентов стали (и/или покрытия) через нее резко уменьшается (по сравнению со случаем, где предлагаемая в настоящем способе обработка не проводилась), так и измельчение зерна на поверхности (что приводит к большей сопротивляемости межкристаллитной коррозии, более равномерному распределению феррита и карбидов легирующих компонентов стали по зерну), упорядочение ориентации зерен, повышение их прочности, меньшие поверхностные растягивающие напряжения от основного материала, действующие на оксидную пленку, и более высокие адгезионные свойства обработанной предлагаемым способом поверхности стали (чем у необработанной) по отношению к защитным оксидным пленкам, что обеспечивает более высокий уровень их сцепления со стальной поверхностью. То есть эффективный диффузионный поток компонентов материала в теплоноситель (и наоборот, компонентов теплоносителя в материал) уменьшается из-за более стойких оксидных пленок на поверхности и сложности диффузии через наклепанный слой. Как показали исследования, упомянутый эффективный диффузионный поток (эффективный коэффициент диффузии) очень чувствителен к обработке. Также эффект объясняется более прочным соединением оксидных пленок и металлической поверхности и более прочными и сплошными самими оксидными пленками.

Поверхностный наклеп может быть обеспечен различными способами. Механическая обработка может заключаться в механической полировке, и/или дробеструйной обработке, и/или гидродробеструйной обработке, и/или гидрогалтовке, и/или виброгалтовке (галтовке), и/или механическом шлифовании, и/или накатке или обкатке роликом, и/или дорновании, и/или ультразвуковой обработке микрочастицами поверхности изделия. Эти способы дают несколько возможных вариантов реализации изобретения. Необходимо учитывать, что механическая обработка до Ra грубее 0,15 мкм очень слабо сказывается на уменьшении скорости коррозии относительно необработанной таким способом поверхности при малой глубине наклепа в результате полировки. Однако при достижении на поверхности детали Ra=0,014 …0,85 такими видами механической обработки, которые обеспечивают поверхностный наклеп определенной глубины (не приводящий к поверхностным трещинам и перенаклепу), существенно снижается скорость коррозии относительно необработанной таким способом поверхности. Указанные значения, характеризующие поверхности и микроструктуру изделий, в основном относятся к стали. Для большинства сплавов (в том числе сталей) указанные значения обеспечивают наиболее повышенную коррозионную стойкость. Для других металлов эти значения также могут обеспечивать повышение коррозионной стойкости, однако, возможно, другие значения будут обеспечивать более оптимальную защиту.

В первом варианте проводят механическую полировку поверхности детали и этим достигают: на поверхности конструктивного элемента Ra=0,014 …0,1, hн≥8 мкм или Ra=0,1 …0,15, hн≥15 мкм; номер зерна по hн (т.е. по глубине поверхностного наклепа в результате предлагаемой механической обработки поверхности детали) не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала под поверхностным наклепанным слоем; проводят пассивацию поверхности детали (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм.

Во втором варианте проводят механическое шлифование, обеспечивающее: Ra=0,1 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 8% или Ra=0,1 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм. Глубину наклепа определяют по изменению микротвердости материала, - как только с увеличением глубины измерения микротвердости она перестает изменяться (уменьшаться), значит далее по глубине началась область основного материала (у наклепанного слоя твердость выше).

Механизм получения наклепа полировкой и шлифованием следующий. При выполнении этих видов обработки к детали сила, прикладываемая к детали, может быть разложена на силу, действующую примерно перпендикулярно поверхности детали (появляется в основном за счет прижимания абразивного элемента к поверхности), и силу, действующую примерно по касательной (появляется в основном за счет движения абразивного элемента или детали относительно абразивного элемента. Полировальный круг или шкурка - также прижимаются и двигаются по касательной), при этом поверхностный слой металла пластически деформируется. Эта деформация меньше, чем, например, при дробеструйной обработке, но при этом измельчается зерно и твердость поверхностного слоя растет (то есть образуется поверхностный наклеп). Полировка позволяет достичь очень низких Ra, шлифовка - более грубых, но с более высоким уровнем наклепа. При использовании первого и второго вариантов исключается необходимость применения громоздкого оборудования, как, например, в третьем и других вариантах. Также обеспечена возможность обработки средних и мелких деталей или деталей с небольшой площадью поверхности, для которых применение дробеструйной или галтовочной обработки невозможно или связано с низкой эффективностью (дробеструйная и галтовочная механическая обработка больше подходит для обработки деталей с большими площадями поверхностей).

В третьем варианте проводят механическую обработку поверхности в виде дробеструйной обработки или гидродробеструйной обработки. В результате дробеструйной обработки образуется дробеструйный наклеп - упрочнение, которое достигается за счет кинетической энергии потока круглой чугунной или стальной дроби, а также других круглых дробей, например керамической, направляемым скоростным потоком воздуха, или роторным дробометом. Благодаря такой обработке достигают на поверхности конструктивного элемента Ra=0,15 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 0,22h или не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 8% или Ra=0,15 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов стали толщиной не менее 1,5 мкм.

В четвертом варианте проводят механическую обработку поверхности в виде гидрогалтовки или виброгалтовки, обеспечивающих: Ra=0,1 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 8% или Ra=0,1 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм.

В пятом варианте проводят механическую обработку поверхности в виде ультразвуковой обработки микрочастицами с наружной поверхностью со скругленными кромками (шарики, эллипсоиды, двуполостной гиперболоид вращения и пр., как правило, размером 10 …300 мкм) для обеспечения необходимых характеристик наклепа поверхности и шероховатости (загружаемым микрочастицам, помещенным в замкнутом объеме вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под воздействием которых происходит поверхностный наклеп обрабатываемой поверхности детали и обеспечивается требуемая шероховатость): Ra=0,1 …0,3, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, hн≥22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 6% или Ra=0,1 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм. В третьем, четвертом и пятом вариантах обеспечиваются улучшенные свойства наклепа и, следовательно, повышенная коррозионная стойкость.

В шестом варианте проводят механическую обработку детали в виде накатки или обкатки роликом, обеспечивающую: Ra=0,1 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 7%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов стали толщиной не менее 1,5 мкм. В данном случае также исключается необходимость громоздкого оборудования. В пятом и шестом вариантах также обеспечена возможность обработки средних и мелких деталей или деталей с небольшой площадью поверхности, для которых применение дробеструйной или галтовочной обработки невозможно или связано с низкой эффективностью.

В вышеописанных вариантах механическая обработка обеспечивает поверхностный наклеп со степенью не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%, - чем выше степень поверхностного наклепа, тем больше увеличивается коррозионная стойкость. В то же время во всех описанных способах необходимо избегать перенаклепа поверхности (который сопровождается образованием грубых полос скольжения и субмикроскопических трещин и прочих дефектов, провоцирующих ускорение коррозии).

Как можно заметить из вышеприведенных примеров, разными видами обработки в пределе можно достигнуть разных Ra: лучшее Ra получают полировкой, потом ультразвуковая обработка микрочастицами, потом гидрогалтовка и шлифование, потом дробеструйная обработка. Диапазоны Ra, достигаемые разными методами механической обработки, перекрываются в области верхних границ Ra: так полировкой можно получать и Ra=0,25, как и гидрогалтовкой, но гидрогалтовкой не достигнуть Ra=0,02. Виды обработки влияют на степень и глубину наклепа: высокую глубину наклепа невозможно получишь полировкой (но при полировке можно получить высокую степень поверхностного наклепа), а дробеструйная обработка позволяет получить глубину до 800 мкм, она же дает высокую степень наклепа и худшую шероховатость. Другие способы, как правило, позволяют достичь глубины наклепа до 40 …70 мкм и степень наклепа до 25 …60%. Следовательно, каждый из вышеописанных примеров дает свою требуемую комбинацию параметров поверхностного наклепа: степень наклепа, глубину наклепа, и шероховатости.

Благодаря наличию различных способов обработки с разными результатами их возможно комбинировать и, тем самым, получать комбинации параметров наклепа и шероховатости, которые недостижимы отдельным способом. Помимо наклепа важно обеспечивать и шероховатость, т.к. она обеспечивает более качественное сцепление поверхности детали с защитной оксидной пленкой и обеспечивает ее более высокие показатели сплошности. При этом следует также учитывать и то, что шероховатость определенной величины в подавляющем количестве случаев достигается механической обработкой поверхности, которая также приводит к наклепу, и характеристики наклепа и оксидных пленок дополнительно улучшаются. Кроме того, поверхностный наклеп снижает диффузию компонентов стали по своей толщине.

Помимо механической обработки возможно осуществление термической или механико-термической или термоциклической или механико-термоциклической обработки детали, обеспечивающей у детали значение номера зерна по основному материалу, лежащее в диапазоне 8 …13 (средний диаметр зерна 0,022 …0,0039 мм) по ГОСТ 5639-82. Механическую обработку поверхности проводят до или после термической или механико-термической или термоциклической или механико-термоциклической обработки детали. При проведении механической обработки поверхности до термической или механико-термической или термоциклической или механико-термоциклической обработки детали необходимо сохранить следующие характеристики, обеспечиваемые механической обработкой поверхности: Ra=0,014 …0,85, увеличение номера зерна на hн не менее чем на 2 номера относительно номера зерна основного материала, степень поверхностного наклепа не ниже 7%, hн≥20 мкм.

После описанных выше механических обработок необходима пассивация поверхности (контурная или внеконтурная). Пассивация поверхности изделия может осуществляться в газовой среде и/или в теплоносителе, содержащих кислород и/или водяной пар (для случая теплоносителя на основе щелочных металлов пассивацию поверхности изделия предпочтительно осуществлять в теплоносителе, подачу воды в такой теплоноситель при этом не осуществляют). Например, в том случае, если пассивация проводится в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, то в него может вводиться кислород и/или водяной пар, которые будут образовывать соединения с жидкометаллическим теплоносителем в виде оксидов. Оксиды теплоносителя при поступлении к пассивируемым деталям будут восстанавливаться, а на поверхности пассивируемых деталей будут образовываться оксидные пленки. Поскольку поверхность деталей упрочнена и на ней достигнута необходимая шероховатость вследствие механической обработки, то оксидные пленки будут также более прочными и более устойчивыми на поверхности детали - они будут реже отслаиваться и растрескиваться. Так как оксидные пленки более сплошные, прочные и плотные, то проникновение теплоносителя через пленки затрудняется, как и диффузионный поток металла, компонентов стали или сплавов через них, и скорость коррозии снижается (так же как и благодаря более низкому диффузионному потоку металла, компонентов стали или сплавов через них металла в области поверхностного наклепа). Пассивация в газовой среде происходит аналогичным образом, и эти виды пассивации могут комбинироваться, дополнительно увеличивая коррозионную стойкость.

При пассивации поверхности изделия обеспечивают слой оксидных пленок толщиной не менее Ra + 1 мкм (например, не менее 1,5 мкм). Толщину оксидного слоя возможно измерять от поверхности до средней линии отклонений профиля (будет совпадать с такой же линией для металла). Чем толще слой оксидных пленок, тем сильнее коррозионная стойкость. В то же время необходимо учитывать, что излишняя толщина оксидной пленки может привести к повышенной степени отслаивания и/или растрескивания. Однако ввиду наклепа и обеспечиваемого значения Ra оксидные пленки получаются более сплошными и оксидные пленки получаются более прочными и сильнее скрепленными с поверхностью детали, в связи с чем, во-первых, для обеспечения той же степени коррозионной стойкости, что и при пассивации детали без механической обработки, требуется меньшая толщина пленок, а во-вторых, сами пленки могут быть наращены до большей толщины без снижения их прочности или прочности закрепления на поверхности детали по сравнению с деталью без механической обработки. Следовательно, благодаря изобретению удается более значительно повысить коррозионную стойкость, так как возможно создание более толстых оксидных пленок, а пленки обеспечивают повышенную коррозионную защиту сами по себе.

Для дополнительного повышения коррозионной стойкости на поверхность изделия возможно нанести защитное покрытие из металлов, сталей или сплавов и/или осуществить легирование поверхности изделия (в частности, легирование может представлять собой азотирование или карбонитрацию поверхности детали). В случае такого покрытия или легирования технологические режимы обработки детали, в том числе ее поверхности, выбираются исходя из сохранения защитных свойств покрытия или защитного поверхностного слоя. При наличии защитных покрытий сталей из металлов, сплавов, в том числе покрытий из сложнолегированных сталей, принцип действия способа сохраняется. При этом необходимо выбирать технологические режимы обработки такими, чтобы сохранить защитные свойства самого покрытия (например, проводить механическую обработку поверхности с нагревом; увеличивать длительность механической обработки и уменьшать усилия от инструмента на поверхность детали). Таким образом, хотя сами по себе приведенные способы обработки сталей и их покрытий известны, как и пассивация стали для увеличения ее коррозионной стойкости, например, в свинецсодержащем теплоносителе, их совместное использование при соблюдении предлагаемых условий обработки позволяет получить сверхэффект, что и составляет предлагаемый способ.

Также возможно осуществление термической обработки изделия и/или поверхности изделия. Например, после накатки или обкатки роликом можно провести термическую обработку для снятия остаточных напряжений.

В результате подобной обработки возможно получить металлическое изделие, обладающее повышенной коррозионной стойкости. Такое изделие будет иметь поверхность со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм и толщиной оксидного слоя не менее 1,5 мкм. В зависимости от режимов обработки может быть получено Ra со значением не более 1, или 0,85, или 0,5, или 0,3, или 0,1, или 0,085, или 0,05, или 0,03, или 0,014, или 0,01 мкм, - чем меньше это значение, тем лучше коррозионная стойкость.

Другим показателем коррозионной защиты может быть номер зерна. При вышеописанной обработке изделий номер зерна материала на поверхности больше номера зерна материала под поверхностью на один номер или на два номера или более, - чем больше разница, тем лучше обработка и сильнее коррозионная защита.

Еще одним показателем качества обработки является степень поверхностного наклепа. Под степенью поверхностного наклепа понимается: uн=(Нmaxисх)-100%/Нисх, где Нmax, Нисх - максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя материала соответственно (исходная микротвердость - микротвердость до использования поверхностных механических обработок детали, которые описываются в предлагаемом способе, то есть равная микротвердости основного материала (без поверхностного наклепа). Согласно изобретению, для достижения технического результата может обеспечиваться степень поверхностного наклепа не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%, - чем больше степень, тем лучше коррозионная защита. Согласно изобретению, для достижения технического результата может обеспечиваться глубина поверхностного наклепа изделия не менее 8 мкм, или 15 мкм, или 20 мкм, или 22 мкм, или 27 мкм, - чем больше глубина поверхностного наклепа, тем выше коррозионная стойкость (защита).

Металлические изделия (детали) по изобретению могут использоваться в реакторе, который может быть ядерным, а теплоноситель в нем может содержать тяжелые металлы или щелочные металлы. Даже в таких сложных условиях металлические изделия имеют повышенную коррозионную стойкость, что повышает срок эксплуатации реактора. Изобретение позволяет повысить коррозионную стойкость сталей в свинецсодержащем теплоносителе, теплоносителе на основе щелочных металлов, а также уменьшить количество продуктов коррозии в контуре свинецсодержащего теплоносителя и, соответственно, снизить их участие в процессах эрозии, фреттинг-коррозии и дебриз-коррозии конструктивных элементов контура свинецсодержащего теплоносителя, а также снизить требования к емкости фильтров продуктов коррозии, которые могут быть предусмотрены в контуре свинецсодержащего теплоносителя.

В качестве примера реализации изобретения может быть приведена труба. Сначала полировальным кругом с тонким абразивом осуществляют полировку трубы круговыми движениями по внешнему периметру поперечного сечения трубы до достижения Ra=0,02. После завершения полировки поверхность трубы очищают и проводят пассивацию поверхности обработанной трубы. Труба может быть установлена в свинецсодержащий теплоноситель. Проводится внутриконтурная пассивация поверхности трубы путем поддержания в нем необходимой ТДА при температуре выше 400°C до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей со свинецсодержащим теплоносителем поверхности трубы, скорость теплоносителя более 0,01 м/с.В другом варианте труба может выдерживаться в камере с паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°C до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей со свинецсодержащим теплоносителем поверхности трубы. После выдерживания в камере с парами воды труба может дополнительно пассивироваться в свинецсодержащем теплоносителе. Труба может быть установлена в теплоноситель на основе щелочных металлов. В этом случае после полировки проводится внутриконтурная пассивация поверхности трубы путем поддержания в нем необходимой ТДА при температуре выше 300°C до образования сплошной защитной оксидной пленки на основе Na4FeO3 и NaCrO2 (в случае хромоникелевой нержавеющей стали) толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей с теплоносителем поверхности трубы.

В другом примере перед созданием наклепа проводится термоциклическая обработка (режим для определенной марки стали устанавливается экспериментально), например, несколько циклов: охлаждение в жидком азоте с последующим отогревом до комнатной температуры; нагрев до температуры более 400°C и последующее охлаждение на воздухе до комнатной температуры.

Далее - виброгалтовка поверхности. Режим виброгалтовки - амплитуда, частота колебаний и длительность - для определенной марки стали устанавливается экспериментально. В качестве абразивных частиц могут использоваться частицы шаровой формы. Далее очищают поверхность и осуществляют пассивацию (например, в соответствии с вариантами из вышеописанного примера).

Промышленностью хорошо освоены предлагаемые способы механической обработки, и достичь с помощью них описываемого качества поверхности и поверхностного слоя детали не представляется сложным.

1. Способ обработки поверхности металлического изделия, включающий механическую обработку поверхности изделия, обеспечивающую поверхностный наклеп и пассивацию поверхности, отличающийся тем, что механическую обработку поверхности изделия проводят до достижения шероховатости поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степени наклепа не ниже 5% , глубины наклепа не менее 8 мкм, а пассивацию поверхности изделия проводят до получения слоя оксидной пленки толщиной не менее Ra + 1 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность изделия наносят защитное покрытие из металла, стали или сплава.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют легирование поверхности изделия.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после механической обработки осуществляют термическую обработку.

5. Металлическое изделие, имеющее шероховатость поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степень наклепа не ниже 5%, глубину наклепа не менее 8мкм и толщину оксидного слоя не менее Ra + 1 мкм, выполненное обработкой поверхности по любому из пп. 1-4.

6. Металлическое изделие по п.5, отличающееся тем, что оно имеет на поверхности защитное покрытие в виде металла, или стали, или сплава.

7. Металлическое изделие по п.5, отличающееся тем, что оно имеет поверхностный наклепанный слой с номером зерна более на один или более номера зерна основного металла под слоем с поверхностным наклепом.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к ядерной технике. Для обеспечения надежной работоспособности изделий контура с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем за счет повышения коррозионной стойкости стали и механической прочности осуществляют очистку поверхности изделия от внешних загрязнений и последующую механическую обработку поверхностей, контактирующих с теплоносителем.

Изобретение относится к области металлургии. Для увеличения на поверхности плоского изделия из электротехнической стали растягивающих напряжений и обеспечения оптимальных магнитных свойств способ изготовления плоского изделия из электротехнической стали с ориентированным зерном с минимальными величинами магнитных потерь состоит из этапов: а) подготовка плоского изделия из электротехнической стали, b) нанесение слоя, содержащего фосфат изоляционного раствора, по меньшей мере, на одну поверхность плоского изделия из электротехнической стали и обжиг нанесенного слоя, после первого проведения этапа b) этот этап b) повторяют, по меньшей мере, один раз, вследствие чего из нанесенных друг за другом друг на друга и обожженных слоев содержащего фосфат изоляционного раствора образуется изоляционное покрытие, при этом при толщине покрытия D до 3 мкм, удельная плотность r покрытия равна ≥ 5 г/м2, а при толщине D больше 3 мкм удельная плотность r покрытия равна r[г/м2]>3/5 г/мкм/м2·D [мкм].

Изобретение относится к оборудованию для нанесения антикоррозионного защитного покрытия на поверхность патронных гильз. Агрегат содержит привод горизонтального вала, на котором последовательно расположены соединенные между собой шнеками барабаны.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к текстурированному листу электротехнической стали с пониженными потерями в железе. Текстурированный лист электротехнической стали содержит на обеих поверхностях стального листа форстеритовую пленку и покрытие, создающее растягивающее напряжение.

Изобретение относится к оборудованию для нанесения защитного покрытия на поверхность патронных гильз. Установка содержит станину, на которой установлены технологические ванны и опорные ролики, горизонтальный вал, установленный на опорных роликах, на котором для непрерывной последовательной обработки патронных гильз последовательно расположены и соединены между собой барабаны с перфорированными стенками.

Предложен отжиговый сепаратор для текстурированной электротехнической листовой стали, который не ограничивает текучесть атмосферного газа во время окончательного отжига в форме конечного рулона и может предотвратить возникновение шероховатости поверхности.

Изобретение относится к нанесению полимерного покрытия на стальную поверхность. Способ включает подготовку стальной поверхности, нанесение полимерного слоя путем окунания поверхности в ванну с водным раствором олигомера и отверждение нанесенного полимерного слоя.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения магнитных свойств и качества покрытия листа из текстурированной электротехнической стали способ включает горячую прокатку стального сляба, содержащего, в мас.%: C 0,001-0,10, Si 1,0-5,0, Mn 0,01-1,0, по меньшей мере, один элемент из S и Se 0,01-0,05 в сумме, раств.

Изобретение относится к электротехнической листовой стали, имеющей изоляционное покрытие, характеризующееся превосходными штампуемостью, адгезионной способностью покрытия, свойством пленки покрытия после отжига, свариваемостью при проведении газовольфрамовой сварки, коррозионной стойкостью и сопротивлением прижимным полозьям даже без содержания в изоляционном покрытии какого-либо соединения хрома.
Изобретение относится к получению на поверхности металла полимерных покрытий. Способ включает предварительную обработку поверхности металла для получения на ней гидроксильных групп и последующую ее обработку раствором инициатора полимеризации в среде растворителя в присутствии триэтиламина, и модификацию в растворе, содержащем мономер, путем его привитой полимеризации на поверхности в присутствии каталитического комплекса, состоящего из бромида меди (I) и органического лиганда, в качестве которого используют бипиридин, динонилбипиридин или пентаметилдиэтилентриамин.
Изобретение относится к области металлургии и машиностроению и может быть использовано для термической обработки сталей. Для повышения срока службы деталей машин и инструмента, изготовленных из легированных, низколегированных и углеродистых сталей, проводят термоциклическую обработку путем нагрева до температуры закалки без выдержки, охлаждения и отпуска.

Изобретение относится к области индукционного нагрева. Для повышения надёжности работы устройства для индукционного нагрева токопровод выполнен из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, при этом попарно: первый-второй и седьмой-восьмой ряды прямой ветви, а третий-четвёртый и пятый-шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви, на середине устройства перекрёстно меняются рядами, причём концы первого-второго и седьмого-восьмого рядов прямой ветви занимают средние ряды обратной ветви, а концы третьего-четвёртого и пятого-шестого рядов обратной ветви занимают средние ряды прямой ветви.

Изобретение относится к винту, имеющему головку, прилегающую к ней удерживающую секцию и функциональный наконечник. Для использования винта в качестве самонарезающего и возможности выдерживать высокие нагрузки винт имеет функциональный наконечник с большей твердостью, чем удерживающая секция.

Изобретение относится к способу снижения остаточных напряжений и может быть использовано при производстве сварных конструкций. Воздействуют потоком дроби направленным на поверхность сварного соединения.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в области машиностроения и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является получение стабильных результатов закалки и повышение механических свойств.

Изобретение относится к управлению атмосферой в камере с защитным газом для непрерывной обработки металлических полос. Технический результат - повышение качества управления.

Изобретение относится к области термической обработки изделий из графитизированных чугунов и может быть использовано в энергомашиностроении, двигателестроении, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области термической обработке и может быть использовано при обработке заготовок высоконагруженных конструкций из стали 20Х13 и 30Х13 с заданными одновременно механическими и магнитными свойствами, в частности, при производстве короткозамкнутых роторов дисковой формы для торцевых гистерезисных двигателей высокооборотных центробежных устройств.

Изобретение относится к области металлургии. Для исключения возникновения дефектов кромки при производстве горячекатаной кремнистой стали и получения горячекатаной кремнистой стали с поверхностью хорошего качества способ изготовления горячекатаной кремнистой стали включает нагрев, черновую прокатку и чистовую прокатку плоской заготовки из кремнистой стали.

Изобретение относится к нанесению металлического покрытия на стальную ленту (1). Для повышения коррозионной стойкости покрытия проводят оплавление покрытия посредством индукционного нагрева с помощью по меньшей мере одной катушки (2) индуктивности при максимальной температуре (ПТМ), превышающей температуру плавления (Ts) материала покрытия, затем в охлаждающем устройстве (3) охлаждают до температуры (ТА) быстрого охлаждения, лежащей ниже температуры плавления, при этом покрытие в течение времени (th) выдерживают при температуре, превышающей температуру плавления (TS), и что время выдержки (th) посредством перемещения по меньшей мере одной катушки (2) индуктивности относительно охлаждающего устройства (3) согласуют с максимальной температурой (ПТМ) и толщиной покрытия, чтобы полностью расплавить покрытие на всю его толщину вплоть до слоя, граничащего со стальной лентой.
Наверх