СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ
METHOD OF SURFACE PROCESSING

Изобретение относится к области материаловедения и обработки поверхности металлов, а именно к снижению скорости коррозии нелегированных и низколегированных сталей.
Известен способ защиты металлических поверхностей от коррозии методом высокоэнергетического воздействия, например лазерным переплавом [1].
Известен также способ [2] защиты металлических поверхностей от коррозии, заключающийся в том, что лазерному переплаву подвергают лишь небольшую часть поверхности, в результате чего происходит частичное выгорание углерода в стали. Обработанные поверхности становятся более однородными, в действие вступает локальная гальванопара «обработанная - необработанная поверхность», что, по мнению авторов, снижает общий коррозионный ток (прототип).
В то же время известно, что наиболее эффективное снижение коррозии низколегированных и нелегированных сталей наблюдается при переходе их в пассивное состояние. Однако обычные углеродистые стали пассивируются лишь в присутствии ингибиторов окислительного типа или при высоких значениях рН среды.
Нами была поставлена задача повысить коррозионную стойкость поверхности стали путем реализации специального режима лазерной обработки.
Поставленная задача перевода поверхности стали в пассивное состояние с повышенной коррозионной стойкостью была достигнута в результате лазерной обработки поверхности в условиях импульсной генерации лазерного излучения с длиной волны 0,8-1,2 мкм, мощностью излучения 10-10 Вт/см, частотой импульсов 28-35 кГц и скоростью сканирования лазером поверхности в зоне обработки 8-12 см/с. При этом для образования на поверхности стали слоя из оксидов железа, обеспечивающего сохранение состава и свойств более глубоких слоев металла, лазерную обработку поверхности проводили на глубину поверхности 10-40 нм в вакууме, в среде инертного газа или на воздухе.
Результаты исследований показали, что в ходе лазерной обработки, например поверхности стали 40Х при заявляемом режиме, согласно данным рентгено-фотоэлектронной спектроскопии, образуются наноразмерные негидратированные оксиды Fe(+2) и Fe(+3). Данные оксиды имеют прочную химическую связь с подложкой и, в отличие от оксидов, образующихся при пассивации сталей в водных растворах, не разрушаются при депассивации. Иначе говоря, после лазерной обработки в выбранном режиме поверхность стали изначально находится в состоянии пассивации.
Конкретные примеры реализации изобретения
2
6
2
Изучались образцы стали 40Х и У10, которые представляли из себя цилиндры с площадью основания 0,6-1,6 см. Для обработки поверхности использовался оптоволоконный иттербиевый импульсный лазер с длиной около 1 мкм, плотностью мощности излучения 10 Вт/см. Скорость сканирования луча лазера в зоне обработки 10 см/с, частота следования импульсов - 33 кГц.
2
3
Основание цилиндра служило рабочей поверхностью электрода. Подготовка поверхности перед электрохимическими исследованиями заключались в зачистке образцов от окалины на шлифовальной бумаге и дополнительной шлифовке поверхности порошком AlO, смоченным дистиллированной водой.
Исследовались обработанные лазерным облучением стали 40Х:
№26 - без лазерной обработки;
№27 - лазерная обработка на воздухе;
№28 - лазерная обработка в аргоне;
-2
№29 - лазерная обработка в вакууме 10 мм рт.ст.;
сталь У10 - без обработки;
№120 - лазерная обработка вакуум-аргон;
№121 - лазерная обработка в воздухе с аргоном;
№122 - лазерная обработка в вакууме с аргоном.
Поляризационные измерения выполнены в потенциодинамическом режиме на потенциостате IPC-Pro L в стандартной электрохимической ячейке ЯСЭ-2 при комнатной температуре в условиях естественной аэрации. В качестве электрода сравнения использовали хлорид-серебряный электрод, вспомогательный - платиновый.
Поляризационные измерения в анодной области потенциалов проводились при скорости развертки потенциала 1 мВ/с. Температура (22±2)°С, фоновый электролит - боратный буферный раствор с рН 7,4.
После подготовки образцов к испытаниям в анодной области их помещали в электрохимическую ячейку с соответствующим раствором, выдерживали до установления стационарного потенциала (10-15 минут) и включали анодную поляризацию со скоростью 1 мВ/с. Плотность тока пересчитывали на видимую поверхность электрода.
Ниже приведены величины токов анодного растворения указанных образцов, характеризующие скорость коррозии при потенциале +500 мВ.
Можно видеть, что электроды, прошедшие лазерную обработку, показывают меньшие токи анодного растворения. В ряду образцов наблюдается рост коррозионной стойкости поверхности металла.
ст.40Х (без обработки)
13 мкА/см<sup>2</sup>
образец №27
11 мкА/см<sup>2</sup>
образец №28
9 мкА/см<sup>2</sup>
образец №29
5 мкА/см<sup>2</sup>
Таким образом, наблюдается повышение коррозионной стойкости ст.40Х после выбранных режимов лазерной обработки.
В табл.1 и 2 приведены результаты РФЭС исследований образца из ст.40Х без обработки и образца №29, подвергнутых лазерной обработке.
С целью определения состава слоев, ответственных за коррозионную стойкость поверхности, исследовали образцы после коррозионно-электрохимических испытаний.
Таблица 1
Результаты РФЭС - исследования образцов стали 40Х с выдержкой в растворе с рН 7,4 при потенциале пассивного состояния без лазерной обработки
Глубина l, нм
Относительная доля соединения, %
Строение поверхностных слоев
Fe
Fe-O (аде.)
FeO
FeO(OH)
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3
20,4
89,6
-
-
-
Fe, Fe-O (аде.)
9
64,5
-
28,7
-
6,8
Fe, FeO, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
22
70,5
-
20,3
-
9,2
Fe, FeO, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Таблица 2
Результаты РФЭС - исследования образцов стали 40Х в вакууме с выдержкой в растворе с рН 7,4 при потенциале пассивного состояния после лазерной обработки
Глубина l, нм
Относительная доля соединения, %
Строение поверхностных слоев
Fe
Fe-O (аде.)
FeO
FeO(OH)
3
38,6
-
45,7
15,7
Fe, FeO, FeO(OH)
9
51,0
-
31,3
17,7
Fe, FeO, FeO(OH)
22
100
-
-
-
Fe
2
3
2
3
Из табл.1 видно, что на поверхности ст.40Х без лазерной обработки поверхностный слой на глубине 3 нм состоит из железа и системы Fe-O, которую можно считать адсорбционной формой кислорода. На глубине 9 нм возрастает количество железа и появляется сигнал, соответствующий уже химическому соединению FeO в количестве 28,7%. В пассивирующем слое фиксируется и появление железа в степени окисления+3 (FeO-6,8%). Не исключено, что этот оксид образуется в результате доокисления FeO. На глубине 22 нм становится выше содержание железа, сокращается количество оксида FeO, за счет чего выросло количество FeO.
2
3
Эти данные дают основание считать, что исходный образец ст.40Х уже имеет элементы пассивного слоя. По мере контакта с электролитом этот слой за счет доокисления FeO до FeO становится более дефектным и, хотя при этом металл запассивирован, стойкость его меньше, чем, например, у легированных сталей.
2
3
У лазернообработанного образца пассивационный слой, состоящий из частичного окисленного железа, не превышает по толщине 9 нм. На глубине 22 нм никаких сигналов, кроме Fe, спектр РФЭС не дает. Данный образец содержит на поверхности FeO, FeO и частично гидратированный оксид FeO(OH). Процесс дальнейшего образования соединения Fe(III) не происходит, поэтому оксидный слой более плотный, хотя более тонкий, обладающий хорошими защитными свойствами. Этим и объясняется высокая коррозионная стойкость ст.40Х после лазерной обработки.
Аналогичные данные по переводу углеродистой стали в пассивное состояние получены на примере образцов из обработанных по выбранной технологии ст.У10. Согласно этим данным величины анодного тока растворения этой стали при потенциале +500 мВ составляют:
Образец
Плотность тока, мкА/см<sup>2</sup>
ст.У-10 (без обработки)
9
№120
6
№121
8
№122
4
1. Колотыркин В.М., Княжева В.М. Возможности высокоэнергетических методов обработки поверхностей металлов для защиты от коррозии.// Защита металлов, 1991, Т.27, №2, С.184-186.
2. Патент РФ №2061100. Опубл. 27.05.1996 (прототип).
3. Патент РФ №2443506. Опубл. 27.02.2012.