Способ оксидирования хромистых сталей Советский патент 1992 года по МПК C23C22/00 

Изобретение относится к созданию слоев на поверхности металлов и сплавов, обладающих заданными свойствами: толщиной, химическим составом, окраской, пассивирующей способностью, адгезионными свойствами.

Известны способы создания на поверхности металлов слоев с заданными свойствами, при реализации которых металлы или сплавы подвергаются химической обработке, в частности оксидированию в газовых средах.

Однако способы не позволяют создать на поверхности хромистых сталей покрытий значительной толщины, обладающих заданным химическим составом, окраской и другими физико-химическими свойствами, которые можно контролируемым образом изменять.

Наиболее близким к изобретению явл- дяется способ оксидирования хромистых сталей, включающий обработку при температуре не выше 850 К в диапазоне парциальных давлений кислорода 10-10° Торр.

Недостатком способа является низкая интенсивность процесса оксидирования и невозможность избирательного насыщения оксида различными окислами.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в способе оксидирования

4 О |

СА)

хромистых сталей, включающем обработку при температуре не выше 850 К в диапазоне парциальных давлений кислорода 10 - 10° Торр.оксидирование проводят при контактном нагреве стали переменным током, первоначально для контрольных образцов хромистой стали данного состава строят зависимость прироста общей толщины поверхностного оксида от парциального давления кислорода при постоянном времени обработки, определяют парциальное давление кислорода Р0 активно-пассивного перехода, соответствующее максимальному приросту общей толщины оксида, а изби- рательное насыщение проводят при парциальном давлении Р Р0 для получения поверхностных оксидов, обогащенных СгаОз, при парциальном давлении Р Р0 для получения поверхностных оксидов, обогащённых хромитом железа, и при Р Р0 для получения оксидов, обогащенных окислами

железа.

При исследовании активно-пассивного перехода при окислении хромистых сталей наибольшая скорость роста поверхностного оксида для данной марки стали приданных условиях изотермического окисления реализуется в области активно-пассивного перехода по мере роста парциального давления кислорода в системе. Переменно- точный контактный нагрев интенсифицирует процесс окисления в области проявления активно-пассивного перехода хромистых сталей. При этом при парциальных давлениях кислорода, соответственно лежащих в допереходной области, в области активно- пассивного перехода и в послепереходной области состав поверхностного оксида резко изменяется.

Способ осуществляют следующим образом,

Подлежащий оксидированию протяженный образец хромистой стали помещают в вакуумную камеру, где создается разрежение до требуемой степени вакуумирования, соответствующей заданному парциальному давлению кислорода. Электроды, предварительно подсоединенные к противоположным концам протяженного образца, подключаются к мощному источнику переменного тока, при протекании которого через образец происходит его электроконтактный нагрев до требуемой температуры. Первоначально определяется Область активно-пассивного, перехода выбранной стали. Для этого при заданной температуре производится исследование прироста толщины поверхностного оксида за определенное время (обычно 1 ч) при различных степенях вакуумирования в области низких парциальных давлений кислорода в системе. Точка экстремума полученной кривой соответствует активно- пассивному переходу выбранной стали при

заданных параметрах наложенного переменного тока (частота, форма импульса переменного тока, температура образца).

Для избирательного насыщения поверхностного оксида при окислении аналогич0 ных образцов данной марки стали окислами хрома термохимическую обработку проводят при степенях вакуумирования в системе ниже экстремального при прочих аналогичных условиях окисления.

5 Для избирательного насыщения поверхностного оксида окислами железа термохимическую обработку проводят при степенях вакуумирования в области активно-пассивного перехода при прочих анало0 гичных условиях окисления.

Для избирательного насыщения поверхностного оксида хромитом железа термохимическую обработку проводят при степенях вакуумирования выше экстре5 мального при прочих аналогичных условиях окисления.

Проводят оксидирование образцов хромистой стали Х18. Из листа прокатанной стали вырезают образцы одинаковых раз0 меров в виде лент, шлифуют, полируют, про- мывают, высушивают. Далее образец закрепляют в вакуумной камере, к его концам подсоединяют электроды, к центральной части - термопару. Далее камеру

5 вакуумируют до заданной степени вакуумирования. Включают переменный ток промышленной частоты. С помощью термопары регистрируют нагрев образца до 500 К. Систему при данных условиях выдерживают в

0 течение 1 ч. Далее переменный ток отключают, образец остывает, его вынимают из камеры и далее проводят регистрацию толщины D поверхностного оксида на поверхности образца.

5 На фиг. 1 (кривая 1) приведен прирост толщины поверхностного оксида D, откуда отчетливо виден экстремум прироста толщины при степени вакуумирования Р0 Торр(для прототипа во всем диапазоне рас0 смотренных степеней вакуумирования толщина оксида в 7-10 раз меньше, кривая 2, фиг. 1); на фиг. 2 - процентный состав Т поверхностного оксида, полученного при различных степенях вакуумирования в сис5 теме; на фиг. 3 - кривые зависимости угла смачивания от давления,

В допереходной области (при давлениях Р Ро) поверхностный оксид обогащен оксидом хрома СгаОз. в области активно- пассивного перехода (при Р Р0) оксид состоит в основном из окислов железа РезСМ. в лослепереходной области (при Р Ро) происходит обогащение поверхностного оксида хромитом железа. Все это подтверждает работоспособность способа. Для прототипа получено, что в состав оксида входят в основном окислы железа. Полученное резкое изменение химического состава поверхностного оксида реализуется в относительно узком диапазоне парциальных давлений кислорода.

Внешний вид образцов изменяется после 1 ч оксидирования. В допереходной области поверхность окрашена в светло- желтый цвет, в переходной области - в тем- но-коричневый цвет, в послепереходной области в серо-коричневый цвет. Полученное резкое изменение цвета реализуется в относительно узком диапазоне парциальных давлений кислорода.

На всех образцах реализуется хорошая адгезия покрытий - оксидов к поверхности хромистой стали. Адгезионные свойства поверхности хромистой стали после 1 ч обработки также улучшаются, что обусловлено различной адгезионной способностью окислов железа, хрома и хромита железа.

Для рассмотрения модифицирующего воздействия переменоточного нагрева на адгезионные свойства оксидированной по- аерхности исследуют краевой у гсл# смачивания оксидированной поверхности жидким оловом (рис. 3 кривая 1). Из фиг. 3 видно, что в области активно-пассивного перехода, где содержание окислов железа максимально, (при Р Р0) реализуется максимальная смачиваемость .поверхности жидким олсвом по сравнению с прототипом (фиг. 3,кривая 2), где максимум смачиваемости оксидированной поверхности также приходится на область активно-пассивного перехода, в способе реализуется значительное повышение смачиваемости поверхности хромистой стали, оксидированной с использованием электроконтактного на- грева переменным током. При этом значительное изменение смачиваемости обработанной поверхности по сравнению с исходной (фиг. 3, кривая 3) реализуется в относительно узком диапазоне парциаль- ных давлений кислорода.

Повышение пассивационных свойств поверхностного оксида (полученного при реализации способа) в различных условиях эксплуатации оксидированных изделий свя- эано как с повышенной толщиной получаемых покрытий, так и с контролируемым составом получаемых покрытий, что позволяет для выбранных условий эксплуатации покрытий подобрать оптимальную комбинацию двух факторов: общей толщины поверхностного оксида и соотношения окислов железа и хрома в покрытии, приводящую к минимальной вероятности коррозионного разрушения изделия в том или ином коррозионном окружении за заданный период эксплуатации.

Способ обладает широкими функциональными возможностями, что обусловлено его применимостью в самых различных условиях, поскольку для его осуществления требуется только реализация вакууми- рования переменноточного электроконтактного нагрева, что не является затруднительным в самых разнообразных промышленных условиях. При этом для реализации способа используются относительно невысокая степень вакуумирования и умеренная температура, что делает способ доступным для использования и дешевым.

Способ обеспечивает получение покрытий на поверхности хромистой стали значительной толщины и заданного состава. Избирательное насыщение поверхностного оксида либо окислом легирующего элемента, либо окислом основного элемента, либо их двойным окислом, обеспечивает возможность создания на поверхности хромистой стали покрытий с оптимальными при данных условиях эксплуатации антикоррозионными, оптическими, адгезионными и иными эксплуатационными свойствами.

Формула изобретения

Способ оксидирования хромистых сталей, включающий обработку при температуре не выше 850 К в диапазоне парциальных давлений кислорода 10-10° Торр отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса оксидирования и избирательного насыщения поверхностного оксида, оксидирование проводят при контактном нагреве стали переменным током, первоначально для контрольных образцов хромистой стали данного состава строят зависимость прироста общей толщины поверхностного оксида и его состава от парциального давления кислорода при постоянном времени обработки, определяют парциальное давление Р0 активно-пассивного перехода, соответствующее максимальному приросту общей толщины оксида, а избирательное насыщение проводят при парциальном давлении Р РоДля получения поверхностных окс-идов, обогащенных СгаОз, при парциальном давлении Р Р0 - для получения поверхностных оксидов, обогащенных хромитом железа, а при Р Ро для получения оксидов, обогащенных окислами железа.

10

Фиг.1

Изобретение относится к созданию защитных пленок на поверхности хромистой стали, обладающих заданными свойствами, и может быть использовано в приборостроении. Целью изобретения является интенсификация процесса оксидирования и избирательного насыщения поверхностного оксида. Способ включает обработку при температуре не выше850°С при контактном нагреве переменным током, парциальном давлении Р Р0 для получения поверхностных оксидов, обогащенных СгзОз. парциальном давлении Р Р0 для получения поверхностных оксидов, обогащенных РеСгг04, и Р Ро для получения оксидов, обогащенных окислами железа. Интенсификация процесса оксидирования и избирательного насыщения поверхностного слоя достигается построением зависимости прироста общей толщины от парциального давления О, определением парциального давления Р0, соответствующего активно- пассивному переходу. Оксидирование ведут при нагреве переменным током при Р Р0 для получения поверхностных оксидов, обогащенных СгаОз, Р РО для получения оксидного слоя, обогащенного окислами железа, и Р Р0 для получения оксидного слоя, обогащенного хромитом железа. 3 ил.

10

PJtar

80

90 40

Ю

10

.-2

3

10

РДЬ