Способ формирования никель-алюминиевого коррозионностойкого покрытия на сталях Российский патент 2024 года по МПК C23C2/10 C23C10/26 C23C26/00 

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости изделий из конструкционных сталей к агрессивному воздействию рабочих сред за счет изменения элементного состава и структурного состояния их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса изделий, испытывающих воздействие сероводородсодержащих сред.

Известны способы повышения коррозионной стойкости изделий из малоуглеродистых, легированных и аустенитных коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей путем их азотирования, нанесения гальванических покрытий, плазменной наплавки, детонационного напыления.

Известен способ получения наноструктурированных покрытий никель-алюминий с эффектом памяти формы на стали [пат. 2398027]. Способ предполагает плазменную наплавку композиции Ni-Al, с последующей закалкой, охлаждением в жидком азоте и деформационном наноструктурировании. Недостатками способа является высокая энергоемкость процесса, использование сложного оборудования, высокий расход элементов покрытия.

Близким к заявляемому изобретению является способ одновременного двухкомпонентного насыщения поверхностных слоев стальных изделий никелем и медью из среды легкоплавких растворов [А.Г. Соколов, В.П. Артемьев. Повышение эксплуатационных свойств инструмента методами диффузионной металлизации. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006]. Данный способ предполагает погружение и выдержку покрываемых изделий в легкоплавком расплаве, содержащем в растворенном состоянии никель и медь. В результате выдержки стального изделия в расплаве происходит адсорбция никеля и меди на поверхности изделия, а также их диффузия вглубь изделия. При этом, так как никель и медь не являются карбидообразующими элементами, на поверхности изделия формируется твердорастворное покрытие, содержащее никель, медь, железо, а также легирующие элементы стали, взаимодействующие с диффундирующими элементами покрытия - никелем или медью. Недостатком данного способа является формирование мягких покрытий, требующих дальнейшего деформационного упрочения для придания им окончательных свойств [пат. 2413037].

Известен также способ нанесения покрытий на стальные изделия [пат. №2312164], включающий диффузионное насыщение стальных изделий в расплаве, содержащем свинец, литий, никель, хром, при температуре 650-1250°С, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Свинец - 84,2-96,5

Литий - 0,5-0,8

Никель - 1-5

Хром - 2-10

При введении хрома в расплав, в котором производится нанесение диффузионных покрытий, на поверхности изделий формируется двухслойное диффузионное покрытие. Наружный слой покрытия содержит карбиды хрома и, вследствие этого, обладает высокой твердостью. Помимо этого, наличие хрома на поверхности изделия обеспечивает повышение жаростойкости и коррозионной стойкости материала изделия. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что данный способ нанесения покрытий не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости изделий в сероводородсодержащих средах.

Задачей заявляемого изобретения является повышение стойкости поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие сероводородсодержащей рабочей среды.

Технический результат - повышение коррозионной стойкости изделий, изготовленных из конструкционных сталей, в условиях воздействия на них агрессивного воздействия сероводородсодержащей рабочей среды.

Технический результат достигается тем, что способ формирования никель-алюминиевого коррозионностойкого покрытия на сталях, включает диффузионное насыщение изделия в расплаве при температуре 900-1070 °С, содержащем свинец, литий, никель, алюминий в течение 2-5 часов при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Свинец – 89-97,5

Литий - 0,5-1

Никель - 1-5

Алюминий – 1-5

Введение алюминия в количестве 1-5 масс. % позволяет повысить стойкость покрытия к общей коррозии и коррозионную стойкость под напряжением в сероводородсодержащей среде. За счет введения в расплав алюминия, формирование покрытий происходит на основе интерметаллидов алюминия и никеля. При этом между поверхностным слоем покрытия и покрываемым материалом формируется диффузионная зона, содержащая железо и алюминий. Кроме того, исключение из элементной композиции хрома способствует повышению вязкости ввиду отсутствия в покрытии карбидов хрома, способствующих хрупкому разрушению участков покрытия, что способствует значительному снижению коррозионной стойкости ввиду наличия контакта сероводородсодержащей среды и покрываемого материала.

Таким образом, благодаря введению в расплав, в котором происходит формирование покрытий, алюминия на поверхности изделия образуются диффузионные покрытия, повышающие стойкость изделий к коррозии в сероводородсодержащих средах.

Пластинчатые образцы, изготовленные из сталей: Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т, по технологическим вариантам:

1-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению никелем, хромом в легкоплавком расплаве - по технологии прототипа;

2-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению никелем, алюминием, в легкоплавком расплаве свинец-литий - по технологии заявляемого способа.

При этом выбирались одинаковые значения температур и длительности процесса диффузионного насыщения изделий.

Пример 1. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 1 (прототип) - диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (89,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (5 масс. %) и хром (5 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов.

Пример 2. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (89,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (5 масс. %) и алюминий (5 масс. %), при температуре 900°С, длительность выдержки 5 часов.

Пример 3. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (97,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (1 масс. %) и алюминий (1 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов.

Пример 4. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (94,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (2,5 масс. %) и алюминий (2,5 масс. %), при температуре 1070°С, длительность выдержки 2 часа.

Сравнительная оценка эффективности заявляемого способа повышения коррозионной стойкости изделий из сталей Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т проводилась на основании анализа коррозионной стойкости образцов в среде 5%NaCl+0,02%NaHCO₃, насыщенной CO₂ (продолжительность 96 часов) и испытаний на сульфидное растрескивание под напряжением (продолжительность 720 часов). Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.

Как следует из результатов исследований, представленных в таблице 1, прототип обеспечивает более низкие показатели коррозионной стойкости в среде 5%NaCl+0,02%NaHCO₃, насыщенной CO₂. При этом прототип не выдержал испытания на сульфидное растрескивание под напряжением в течение 720 часов, результаты испытаний приведены в таблице 2. Данный результат связан с наличием на поверхности покрытия, нанесенному по технологии прототипа хрупкого поверхностного слоя из карбидов хрома. При воздействии на покрытие растягивающих напряжений происходило его хрупкое разрушение и контакт сероводородсодержащей среды с покрываемым материалом.

После обработки поверхности сталей – Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т по заявляемому способу все образцы показали большую коррозионную стойкость в среде 5%NaCl+0,02%NaHCO₃, насыщенной CO₂, при этом выдержали испытания на сульфидное растрескивание под напряжением в течение 720 часов. Дефекты на покрытиях обнаружены не были.

Таблица 1.

Варианты
Обработки
Образцов
№
Примера Марка
стали Масса образца до испытания, г Масса после испытания, г Потеря массы, г Площадь образца, м² Скорость коррозии, г/(м²∙час) Прототип.
Пример №1 Ст3 69,0942 69,0709 0,0233 0,0040 0,0613 40Х 59,3342 59,3154 0,0188 0,0039 0,0499 12Х18Н10Т 68,9303 68,9240 0,0063 0,0040 0,0166 Заявляемый
Способ.
Пример №2 Ст3 69,4940 69,4889 0,0051 0,0040 0,0132 40Х 69,2377 69,2329 0,0048 0,0040 0,0125 12Х18Н10Т 59,1790 59,1750 0,004 0,0039 0,0106 Заявляемый
Способ.
Пример №3 Ст3 69,8841 69,8792 0,0049 0,0040 0,0127 40Х 68,9999 68,9529 0,047 0,0040 0,0122 12Х18Н10Т 69,1547 69,1507 0,004 0,0040 0,0104 Заявляемый
Способ.
Пример №4 Ст3 69,5564 69,5516 0,0048 0,0040 0,0125 40Х 59,3421 59,3376 0,0045 0,0039 0,0120 12Х18Н10Т 69,2227 69,2188 0,0039 0,0040 0,01

Таблица 2

Варианты
Обработки
Образцов
№
Примера Марка
стали Диаметр образца, мм Свойства испытуемого образца Значение напряжения, Н/мм² Усилие, кгс pH раствора в конце испытания Концентрация H₂S в конце испытания, мг/л Время до появления дефекта/отсутствие дефекта, ч σ_0,2,
Н/мм² Прототип.
Пример №1 Ст3 6,25 380 273,6 797,3 2,97 2657 300 часов до разрушения 40Х 6,08 380 273,6 815,5 2,95 2631 310 часов до разрушения 12Х18Н10Т 6,01 380 273,6 810,1 2,85 2598 340 часов до разрушения Заявляемый
Способ.
Пример №2 Ст3 6,02 380 273,6 797,29 3,04 2635 720 часов без разрушения 40Х 6,1 380 273,6 818,58 2,844 2585 720 часов без разрушения 12Х18Н10Т 6,15 380 273,6 839,74 2,96 2623 720 часов без разрушения Заявляемый
Способ.
Пример №3 Ст3 380 273,6 812,3 2,95 2641 720 часов без разрушения 40Х 380 273,6 819 3,01 2599 720 часов без разрушения 12Х18Н10Т 380 273,6 820,2 2,99 2633 720 часов без разрушения Заявляемый
Способ.
Пример №4 Ст3 380 273,6 799,25 3,03 2654 720 часов без разрушения 40Х 380 273,6 811,16 2,98 2621 720 часов без разрушения 12Х18Н10Т 380 273,6 836,97 3,02 2636 720 часов без разрушения

Таким образом, предложенный способ, включающий проведение диффузионного насыщения в расплаве, содержащем свинец, литий, никель, алюминий, позволяет значительно повысить стойкость к коррозии изделий, изготовленных из конструкционных сталей, в том числе стойкость к сероводородной коррозии, то есть решить техническую задачу заявляемого изобретения и добиться поставленного технического результата - повышения коррозионной стойкости поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие агрессивной рабочей среды.

Изобретение относится к способу формирования никель-алюминиевого коррозионностойкого покрытия на сталях. Осуществляют диффузионное насыщение изделия при температуре 900-1070°С в течение 2-5 ч в расплаве, содержащем компоненты при следующем соотношении, мас.%: свинец 89-97,5, литий 0,5-1, никель 1-5, алюминий 1-5. Обеспечивается повышение коррозионной стойкости стальных изделий при агрессивном воздействии на них сероводородсодержащей рабочей среды. 2 табл., 4 пр.

Способ формирования никель-алюминиевого коррозионностойкого покрытия на сталях, включающий диффузионное насыщение изделия при температуре 900-1070°С в течение 2-5 ч в расплаве, содержащем свинец, литий, никель, алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Свинец 89-97,5 Литий 0,5-1 Никель 1-5 Алюминий 1-5