СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКИ Российский патент 1997 года по МПК C23C8/38 C21D1/09 

Настоящее изобретение относится к поверхностной обработке металлов, в частности, разнообразных сортов стали для улучшения их коррозийной стойкости.

Известно, что стальные подложки, даже обработанные подложки, так называемой нержавеющей стали, подвержены коррозии, которая способна со временем сделать подложку полностью непригодной к дальнейшему использованию. Известные способы, пытающиеся решить эту проблему, включают создание защитного поверхностного слоя на подложке для предотвращения контакта подложки с окружающей средой, обработку непосредственного окружения с целью придания ей меньшей агрессивности и обработку самой стали для придания ей большей стойкости к воздействию коррозии.

Примером защитного поверхностного слоя, когда подложка защищается покрытием, может служит фосфатное покрытие, поверх которого наносится слой грунтовки перед нанесением отделочного покрытия. Примером обработки самой подложки может служить введение легирующих добавок для повышения коррозийной стойкости. Нержавеющая сталь, фактически, служит примером такого материала, но коррозийное воздействие по-прежнему оказывается возможным вдоль границ зерен, в частности, после высокотемпературной обработки или сварки.

Другие известные способы включают модификацию поверхностной структуры подложечного материала путем азотирования, высокотемпературной обработки и обработки лазерным лучом. Однако эти способы либо дорогостоящи, неэффективны, либо обрабатывают локальные области или отдельные части. Лазерная обработка требует наличия сложной системы фокусирования луча на поверхности; дополнительным недостатком является низкая поглощаемость радиации материалом подложки. Известна обработка широким импульсным лучом, создаваемым обычно излучающей ультрафиолетовый свет кварцевой разрядной лампой, но подобные лампы отличаются ограниченной выходной мощностью, обычно в диапазоне 10⁴ - 10⁵ Вт/кв. см, которая недостаточна для формирования ультразернистой структуры, необходимой для эффективной стойкости к коррозии. Можно использовать бомбардировку ионами высокой энергии, производимой обычно коаксиальным плазменным ускорителем при импульсной подаче газа, обычно водорода или гелия, однако ограничения рабочих параметров по давлению и напряжению ограничивают глубину создаваемых модифицированных поверхностных структур.

Из Европейских патентов EP-A-424211 и EP-A-485314 известны способы низкотемпературной плазменной поверхностной обработки, заключающиеся в плазменной поверхностной обработке металлической подложки. Кроме того, из авт. св. SU N A 1601138 известно использование плазмо-формирующего газа, включающего аргон, азот и двуокись углерода в определенном соотношении, для упрочнения металлических, особенно стальных, поверхностей.

Наиболее близким к предложенному является способ обработки металлического изделия высокотемпературной плазмой (EP N 0324294, кл.C 21 D 1/09, 1989).

Целью настоящего изобретение является создание способа, повышающего коррозийную стойкость металлической, в частности стальной, подложки путем модификации ее поверхностной структуры, который устраняет проблемы, свойственные известным способам.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки металлической подложки высокотемпературной плазмой, согласно изобретению, обработку проводят импульсным пучком высокотемпературной плазмы, создаваемой коаксиальным плазменным ускорителем эрозийного типа.

Предпочтительно, создавая оптимальную поверхностную структуру повышенной коррозийной стойкости, при реализации способа, соответствующего настоящему изобретению, подавать ток плотностью 10⁵ 10⁷ Вт/кв.см на обрабатываемую поверхность в течение 10^-5 3•10^-4 с. Соблюдение этих параметров обеспечивает создание ультрамелкозернистой структуры на поверхности металлической подложки глубиной приблизительно 50 мкм, которая повышает коррозионную стойкость.

Оптимальная комбинация плотности тока и длительности обработки зависит от химической природы материала подложки и его физических свойств при повышенных температурах.

Предпочтительно, чтобы при использовании способа, соответствующему настоящему изобретению, применялся плазменный ускоритель с самофокусирующимся лучом.

Под "коаксиальным плазменным ускорителем эрозионного типа" подразумевается ускоритель, имеющий анод и катод, отделенные диэлектрической втулкой из материала, который используется для создания плазмы, причем разрядный ток поступает от аккумуляторной батареи.

В подобных ускорителях плазма, обладающая необходимыми свойствами, создается путем введения исходной порции плазмы в межэлектродное пространство, обеспечивая тем самым разрядку предварительно заряженной аккумуляторной батареи на электроды. При этом небольшая часть диэлектрической втулки испаряется, пары ионизируются и нагреваются разрядным током. Плазма получает ускорение вдоль электродов, причем осевое ускорение вызывается взаимодействием радиальных составляющих разрядного тока с азимутальной составляющей магнитного поля. В результате эффекта Холла и взаимодействия продольного тока, вызванного эффектом Холла, с азимутальным магнитным полем электромагнитная сила, которая притягивает ускоренную плазму к катоду, содержит радиальную составляющую, которая прижимает плазменный луч к оси ускорителя, фокусируя продольно часть плазменного потока. Таким образом луч ускоренной плазмы фокусируется вне ускорителя и формируется компактная площадь ударносжатой плазмы ("плазменный фокус"). Ударноволновой механизм позволяет избежать потерь энергии, которые свойственны известным способам нагревания плазмы, и обеспечивает излучение высокой энергии с заданными энергетическими характеристиками.

Химическая природа газообразной атмосферы не имеет значения, и ее давление, предпочтительно, находится в диапазоне от 1 ат до 10⁵ ат. Рабочее напряжение на ускорителе эрозионного типа сравнительно низкое, обычно от 800 В до 5 кВ, что обеспечивает преимущество в сравнении с ускорителями газового типа.

Способ по настоящему изобретению обеспечивает быстрое нагревание поверхностной области подложки, модифицируя ее металлургическую структуру, без существенного нагревания нижележащей основной массы подложки, за которым следует быстрое охлаждение со скоростью приблизительно 10⁶ 10⁷ кал/с. При таких условиях подавляется зарождение и рост кристаллов и не происходят фазовая сегрегация и отделение примесей или составляющих подложки; в результате получается на поверхности застывший метастабильный твердый раствор, обладающий высокой степенью гомогенности.

Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на приводимые примеры.

Пример 1.

Образцы низкоуглеродистой стали были импульсно обработаны при давлении 1 ат излучением фокусной зоны плазмы, создаваемой коаксиальным плазменным ускорителем эрозийного типа.

Параметры излучаемого пучка были таковы: длительность 2•10^-4 сек, плотность тока 5•10⁵ Вт/см².

Структура полученного модифицированного слоя представляла собой ультрамелкозернистую дисперсию низкоуглеродистого мартенсита. Глубина этого слоя составляла 10 20 микрон. Изменение коррозионной стойкости определялось по току саморастворения образцов в ходе испытаний в стандартной трехэлектродной ванне, заполненной синтетической морской водой, при разных режимах электролитической аэрации.

Результаты представлены в нижеследующей таблице.

Изменение коррозийной стойкости связано с изменением размера зерен в обработанной зоне. Наиболее значительные повышения коррозийной стойкости наблюдались при слабой аэрации электролита, т.е. при небольшом содержании растворенного кислорода.

Пример 2.

Образцы стали 06Х13Т (13% хрома) были обработаны импульсной плазмой при давлении 1 ат с помощью коаксиального плазменного ускорителя эрозионного типа. Параметры теплового потока и способ оценки коррозийной стойкости аналогичны использованным в примере 1.

Карбидная фаза отсутствует в структуре полученного модифицированного слоя, кристаллизация является частичной.

Обработанные образцы самопроизвольно переходили в пассивное состояние при значениях тока растворения, близких к таковым стали 08Х18Т (18% хрома). У необработанных образцов стали 06Х13Т самопассивация не происходила.

Улучшение пассивации и снижение тока саморастворения отражают более равномерное распределение хрома и повышение эффективности катодного процесса благодаря повышению плотности дислокаций в структуре материала после обработки.

Пример 3.

Образцы стали 08Х25Т и стали 08Х25Н10Т были обработаны так же, как в примере 1.

В полученном слое (так называемом "белом" слое) кристаллическая структура не обнаружена. Была изучена возможность подавления тенденции к коррозии вдоль границ зерен. Испытания были проведены в соответствии с условиями, определенными в Государственном стандарте СССР 9.914-91. Необработанные образцы после термической обработки (отжига) проявляли склонность к коррозии вдоль границ зерен. После обработки эта склонность полностью подавлялась.

Способ поверхностной обработки металлических подложек для повышения коррозийной стойкости включает в себя импульсную обработку поверхности подложки пучком интенсивной высокотемпературной плазмы, создаваемой коаксиальным плазменным ускорителем эрозионного типа. Способ обеспечивает быстрое нагревание поверхностной области подложки, модифицируя ее металлургическую структуру, без существенного нагрева нижележащей основной массы подложки, за которым следует быстрое охлаждение, благодаря чему подавляются зарождение и рост кристаллов и не происходят фазовая сегрегация и сепарация добавок или составляющих подложки. 7 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ поверхностной обработки металлической подложки, включающий ее обработку высокотемпературной плазмой, отличающийся тем, что обработку проводят импульсным пучком высокотемпературной плазмы, создаваемой коаксиальным плазменным ускорителем эрозийного типа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку проводят плазменным ускорителем, работающим в режиме самофокусирования пучка. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что плотность тока пучка плазмы лежит в интервале 10⁵ 10⁷ Вт/с. 4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что длительность импульса пучка составляет 1•10^-5 3•10^- 4с. 5. Способ по любому по пп.1 4, отличающийся тем, что обработку проводят при давлении газообразной среды (1 10)⁵ Па. 6. Способ по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что обработку проводят при рабочем напряжении ускорителя 800 В 5 кВ. 7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что обработке подвергают стальную подложку. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что обработке подвергают подложку на нержавеющей стали.