СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННОГО КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ
FORMATION METHOD OF DIFFUSIVE CORROSION-RESISTANT NANOSTRUCTURED PROTECTIVE COAT ON SURFACE OF METAL PRODUCT

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и предназначено для защиты от коррозионного воздействия агрессивных коррозионно-активных сред различных видов технологического оборудования, приборов и металлической упаковки, в частности для защиты рабочих органов машин и аппаратов пищевых производств, ответственных деталей приборов и внутренней поверхности жестяных консервных банок.
При отсутствии коррозионно-стойких покрытий и дорогостоящих нержавеющих сталей рабочие органы оборудования, детали приборов и поверхность упаковки подвергаются воздействию коррозионно-активных сред в условиях циклического изменения высоких и низких температур и внешних механических нагрузок (термомеханоциклирование). Для повышения долговечности рабочих органов и деталей, увеличения сроков службы оборудования и приборов, повышения продолжительности хранения продукции в металлической упаковке используют либо дорогостоящие нержавеющие стали и сплавы, либо применяют лужение, цинкование, хромирование и покрытие на основе оксидов, лаков, красок, смол и полимеров, обеспечивающие высокую коррозионную стойкость оборудования, приборов и упаковки.
Наиболее эффективные способы снижения коррозионного воздействия агрессивной среды заключаются в повышении потенциала коррозии металлической поверхности. Для обеспечения защиты от коррозионно-активной среды в настоящее время наиболее широко используются стали, легированные никелем, хромом, титаном, молибденом, медью и покрытия на основе хрома и никеля, олова и алюминия.
Наиболее близким к изобретению является способ поверхностного упрочнения изделий из стали, включающий нанесение защитного покрытия со структурой поверхностных твердых растворов железо-хром в результате гальванического осаждения и последующей лазерной обработки (патент Российской Федерации RU 2251594 C1, C25D 5/48, С23С 8/80).
Недостатками данного изобретения является то, что, во-первых, отсутствует обоснование: а) концентрации твердого раствора на защищаемой поверхности; б) пространственного концентрационного профиля твердого раствора; во-вторых, переменная концентрация поверхностного твердого раствора не обеспечивает высокой коррозионной стойкостью в течение длительного времени.
Задачей настоящего изобретения является формирование диффузионного наноструктурированного защитного покрытия высокой коррозионной стойкости на поверхности металлического изделия, включающее осаждение металла, имеющего с металлом, из которого выполнено изделие, неограниченную растворимость, и образующего соответствующую эвтектику с постоянной температурой плавления, и последующий лазерный нагрев с получением слоя твердого раствора с постоянной концентрацией осажденного металла и слоя твердого раствора с переменной концентрацией осажденного металла по толщине слоя.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является формирование диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия на поверхности металлического изделия, обладающего высокой коррозионной стойкостью к воздействию агрессивных сред в условиях термомеханоциклирования.
Технический результат достигается тем, что предложен способ формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия на поверхности металлического изделия, включающий осаждение металла, имеющего с металлом, из которого выполнено изделие, неограниченную растворимость, и образующего соответствующую эвтектику с постоянной температурой плавления, и последующий лазерный нагрев с получением слоя твердого раствора с постоянной концентрацией осажденного металла и слоя твердого раствора с переменной концентрацией осажденного металла по толщине слоя.
Эвтектика с постоянной температурой плавления соответствует твердому раствору замещения, химический состав которого задан диаграммой состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью компонентов, обладающий высокой термодинамической стабильностью вследствие наибольшей однородности как атомного строения, так и электронной структуры.
Пространственный концентрационный профиль диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия состоит из слоя твердого раствора, имеющего постоянную концентрацию осажденного металла и соответствующего эвтектике с постоянной температурой плавления (Слой I), и слоя твердого раствора с переменной концентрацией осажденного металла (Слой II) фиг.1. Концентрационный профиль характеризуется зависимостью концентрации осаждаемого металла от расстояния по толщине слоя. Зеркальный вид пространственного концентрационного профиля наноструктурированных слоев, сформированных на двух сторонах лезвийного инструмента, представлены на фиг.2.
На фиг.3, 4 и 5 приведены диаграммы состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью компонентов и с образованием твердого раствора замещения высокой термодинамической стабильности, соответствующего эвтектике с постоянной температурой плавления, и изображены пространственные концентрационные профили осажденного хрома на металлическом изделии из железа, фиг.3; осажденного ванадия на металлическом изделии из титана, фиг.4; осажденного иттрия на металлическом изделии из скандия, фиг.5.
На поверхность металлического изделия осаждают металл, образующий с металлом, из которого выполнено изделие, неограниченную растворимость в количестве, соответствующем эвтектике с постоянной температурой плавления для формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия, состоящего из слоя твердого раствора, имеющего постоянную концентрацию осажденного металла, и слоя твердого раствора с переменной концентрацией осажденного металла. Предпочтительным технологическим вариантом формирования диффузионного коррозионно-стойкого защитного покрытия является наноструктурирование в виде пространственного концентрационного профиля (фиг.1) в результате гальванического осаждения металла на поверхность металлического изделия из водных растворов солей с последующим лазерным нагревом импульсным лучом.
2
2
Пример 1. На поверхность изделия из железа осаждают хром, образующий с железом неограниченную растворимость в количестве, соответствующем эвтектике с постоянной температурой плавления для формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия, состоящего из слоя твердого раствора железо-хром, имеющего постоянную концентрацию осажденного хрома, равную 20 мас.% и слоя твердого раствора железо-хром с переменной концентрацией осажденного хрома от 20 до 0 мас.% (фиг.3). Хром гальванически осаждают на поверхность изделия из железа при катодной плотности 6÷8 мА/мм с последующим лазерным нагревом импульсным лучом лазера с удельной мощностью 3,4÷3,6 кВт/мм и при скорости сканирования луча 2,5÷3,0 мм/с.
Аналогичные последовательность действий и формируемая наноструктура были осуществлены для осаждения ванадия на изделие из титана и для осаждения иттрия на изделие из скандия.
Пример 2. На поверхность изделия из титана осаждают ванадий, образующий с титаном неограниченную растворимость в количестве, соответствующем эвтектике с постоянной температурой плавления для формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия, состоящего из слоя твердого раствора титан-ванадий, имеющего постоянную концентрацию осажденного ванадия, равную 30 мас.%, и слоя твердого раствора титан-ванадий с переменной концентрацией осажденного ванадия от 30 до 0 мас.% (фиг.4).
Пример 3. На поверхность изделия из скандия осаждают иттрий, образующий со скандием неограниченную растворимость в количестве, соответствующем эвтектике с постоянной температурой плавления для формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия, состоящего из слоя твердого раствора скандий-иттрий, имеющего постоянную концентрацию осажденного иттрия, равную 66 мас.%, и слоя твердого раствора скандий-иттрий с переменной концентрацией осажденного иттрия от 66 до 0 мас.% (фиг.5).
Для формирования твердого раствора замещения, концентрация которого соответствует эвтектике с постоянной температурой плавления, необходимо использовать в качестве металла, из которого выполнено изделие, железо, титан и скандий, образующие с осажденными металлами неограниченную растворимость. Также для изготовления диффузионных коррозионно-стойких наноструктурированных защитных покрытий могут быть использованы углеродистые, хромистые и хромоникелевые стали, сплавы на основе титана, сплавы на основе скандия, после осаждения железа, титана и скандия соответственно.
Предложенное изобретение обеспечивает максимальную защиту различных видов технологического оборудования, приборов и металлической упаковки, в частности рабочих органов машин и аппаратов пищевых производств, ответственных деталей приборов и внутренней поверхности жестяных консервных банок от коррозионного воздействия агрессивных сред в условиях циклического изменения высоких и низких температур и внешних механических нагрузок. Формирование диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия позволит повысить долговечность рабочих органов и деталей, увеличить срок службы оборудования, приборов и продолжительность хранения продукции в металлической упаковке.