Способ формирования коррозионностойкого покрытия на сталях Российский патент 2025 года по МПК C23C10/22 C22C11/02 

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение коррозионной стойкости элементов технологического оборудования, изготовленного из сталей, за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения стойкости изделий к коррозионному разрушению, что обеспечивает рост их эксплуатационного ресурса.

Известны способы повышения коррозионной стойкости сталей из которых изготовлены элементы технологического оборудования за счет изменения состава и структуры его поверхностных слоев, осуществляемые путем диффузионного насыщения их поверхностей в процессе химико-термической обработки элементами внедрения (азотирования, нитроцементации и др.), наплавкой, напылением сплавами заданного состава: плазменно-дуговая наплавка, плазменное напыление, финишное плазменное напыление, а также физические и химические способы осаждения элементов из газовых, паровых, жидких и твердых фаз [Семенова, И. В. Коррозия и защита от коррозии: Учебное пособие / И.В. Семенова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов. - 3-e изд., перераб. и доп. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 416 с.].

Недостатком технологий химико-термической обработки является то, что они в большинстве случаев повышают хрупкость оборудования. Наплавка и напыление не обеспечивают прочной связи покрытия с основой, а также характеризуются безвозвратными потерями наносимого на поверхность оборудования материала. Общими недостатками физических и химических способов осаждения являются сложность технологического процесса, высокая стоимость технологического оборудования и технологические сложности формирования равномерных покрытий на всех поверхностях изделия.

Известен также способ получения диффузионного покрытия [А.С. №1145051], включающий титанирование при 1000-1030°С в порошкообразной засыпке при пониженном давлении в течение 0,5-1 ч. с последующим карбонитрированием, при этом карбонитрирование проводят в среде четыреххлористого углерода при давлении 270-300 Па и осуществляют в атмосфере азота с добавлением четыреххлористого углерода в количестве 1-2 г на 1 м² обрабатываемой поверхности.

Недостатками данной технологии является то, что одновременная адсорбция из насыщающей среды титана и углерода приводит к образованию на поверхности изделия слоя карбида титана, диффузионно не связанного с основным материалом покрываемого изделия, что снижает прочность сцепления покрытия с основой. При этом само покрытие обладает очень высокой твердостью и хрупкостью. Кроме этого, использование четыреххлористого углерода в настоящее время запрещено вследствие его негативного влияния на озоновый слой земли и высокой канцерогенности.

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.

Недостатком является то, что данный способ нанесения покрытий не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости, помимо этого, покрытия обладают высокой хрупкостью.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях [пат. № 2781715], способ диффузионного насыщения в свинцовом расплаве, содержащем свинец, литий и хром, диффузионное насыщение проводят при температурах 900-1070°С в течении 2-5 часов, а расплав дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Свинец 98,4-93,9 Литий 0,5-0,8 Хром 1-5 Тантал 0,1-0,3

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является то, что при нанесении покрытия с введением хрома и тантала в поверхность формируемого покрытия изделий из сталей получается слой, не способный длительно сопротивляться влиянию аммиака при температуре выше 400°С, так как при нагреве аммиак диссоциирует на азот и водород. Длительное нахождение стали в таких условиях вызывает образование нитридов на большую глубину, что вызывает снижение физико-химических и физико-механических параметров стали из-за склонности компонентов образовывать нитриды. Также заявленное покрытие имеет высокую микротвердость и высокую хрупкость, что ограничивает применение изделий при колебаниях избыточного давления в технологическом процессе, например, при работе насосов высокого давления, перекачивающих теплоноситель.

Задачей заявляемого изобретения является повышение физико-химических и физико-механических свойств изделий из сталей при длительном воздействии аммиака и высокой температуры.

Технический результат - повышение коррозионной стойкости сталей в среде аммиака при температурах выше 400°С, а также эксплуатационного ресурса изделий.

Технический результат достигается тем, что предложен способ формирования коррозионностойкого износостойкого покрытия на стали, включающий проведение диффузионного насыщения стали в свинцовом расплаве, содержащем свинец, литий, хром и тантал, отличающийся тем, что диффузионное насыщение проводят при температуре 1010-1100°С в течение 6-7 часов, а упомянутый расплав дополнительно содержит висмут, а вместо хрома и тантала содержит никель и медь в соотношении 3:2 соответственно, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Свинец 36,5-30,2 Литий 0,5-0,8 Висмут 33,0-24,0 Никель 18-27 Медь 12-18

Благодаря введению в покрытие никеля и меди в указанных соотношениях улучшается коррозионная стойкость элементов технологического оборудования, изготовленного из сталей. Диффузионное насыщение никелем и медью, обеспечивает улучшение физико-химических и физико-механических свойств изделий из сталей при длительном воздействии аммиака и высокой температуры в 4 раза увеличивается время образования карбидов в сравнении с хромом, медь увеличивает стойкость покрытия к хрупкому разрушению поверхности оборудования.

Способ осуществляется следующим образом. Проводят диффузионное насыщение стали никелем и медью при температуре 1010-1100°С в течение 6-7 часов в свинцовом расплаве, содержащем следующее соотношение компонентов, мас.%: свинец - 36,5-30,2, литий - 0,5-0,8, висмут - 33,0-24,0, никель - 18-27, медь - 12-18. Обеспечивается улучшение коррозионной стойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из сталей при длительном воздействии аммиака и высокой температуры.

Пластинчатые образцы, изготовленные из стали: 12Х18Н10Т, по технологическим вариантам:

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

2-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению никелем и медью в легкоплавком расплаве - по технологии заявляемого способа.

При этом выбирались процесса диффузионного насыщения изделий исходя из заявленных значений.

Пример 1. Пластины из стали 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 1 (прототип) - диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (94,05 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (5 масс. %) и тантал (0,15 масс. %), при температуре от 900 до 1070 °С, длительность выдержки 5 часов.

Пример 2. Пластины из стали 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) - диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (36,5 масс. %), висмут (36,0 масс. %), литий (0,5 масс. %), никель (18 масс. %) и медь (9,0 масс. %), при температуре 1010-1100°С, длительность выдержки 6 часов.

Оба примера и образец без покрытий помещали в камеру азотирования, в среду аммиака при температуре 650°С в течении 72 ч. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Варианты
обработки образцов,
№ примера Марка покрываемой
стали Глубина
азотированного слоя, мм Прототип.
Пример №1 12Х18Н10Т 0,73 Заявляемый способ.
Пример №2 12Х18Н10Т 0,15 Образец без покрытий 12Х18Н10Т 0,86

Как следует из результатов исследований, представленных в таблице 1, прототип после обработки поверхности стали 12Х18Н10Т имеет глубину азотированного слоя 0,73 мм, обусловленную наличием в составе покрытия достаточно большого количества хрома. Вследствие большой растворимости азота в хроме активно образуются нитриды.

После обработки поверхности стали 12Х18Н10Т по заявляемому способу состав поверхностного слоя препятствует проникновению азота в поверхность стали за счет плохой растворимости азота в никеле и меди, что подтверждает измеренная глубина азотированного слоя в 0,15 мм, вследствие чего увеличивается коррозионная стойкость стали.

Представленный образец без диффузионных покрытий показал толщину азотированного слоя в 0,86 мм.

Таким образом, предложенный способ формирования коррозионно стойкого покрытия на сталях, включающий диффузионное легирование поверхностных слоев изделия никелем и медью улучшает физико-химических и физико-механических свойств изделий из сталей при длительном воздействии аммиака и высокой температуры.

Изобретение относится к области нанесения покрытий. Способ формирования коррозионностойкого износостойкого покрытия на стали включает диффузионное насыщение стали никелем и медью при температуре 1010-1100 °С в течение 6-7 ч в свинцовом расплаве, содержащем следующее соотношение компонентов, мас. %: свинец - 36,5-30,2, литий - 0,5-0,8, висмут - 33,0-24,0, никель - 18-27, медь - 12-18, при содержании никеля и меди в соотношении 3:2 соответственно. Технический результат заключается в обеспечении улучшения коррозионной стойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из сталей при длительном воздействии аммиака и высокой температуры. 1 табл., 2 пр.

Способ формирования коррозионностойкого износостойкого покрытия на стали, включающий проведение диффузионного насыщения стали в свинцовом расплаве, содержащем свинец и литий, отличающийся тем, что диффузионное насыщение проводят при температуре 1010-1100 °С в течение 6-7 ч, упомянутый расплав дополнительно содержит висмут, а также никель и медь в соотношении 3:2 соответственно, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Свинец 36,5-30,2 Литий 0,5-0,8 Висмут 33,0-24,0 Никель 18-27 Медь 12-18