Способ нанесения окисно-металлических покрытий на поверхность нелегированной стали

Способ нанесения окисно-металлических покрытий на поверхность нелегированной стали

Реферат

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(Fe_2-xCr_x)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 MgK_α - 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 Au4f_7/2 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.