КОМПОЗИЦИОННОЕ АЛЮМИНИЙ-ОКСИДНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ СТАЛИ ОТ КОРРОЗИИ И ИЗНОСА

Полезная модель используется для защиты стали против коррозии, сульфидного растрескивания и износа и может быть применена в машиностроении для нефтяной, газовой и химической отраслей промышленности.
Известно применение тонкопленочного диэлектрика оксида алюминия в металл-диэлектрик-полупроводник устройствах (пат. RU 2129094, C01F 7/02, С23С 18/12. Способ получения тонкопленочного диэлектрика оксида алюминия в производстве металл-диэлектрик-полупроводник устройств. 1999. Саркаров Т.Э., Адамов А.П., Хаспулатов Х.А.). Диэлектрик формируется при температуре 180-400°С осаждением из газовой фазы за счет реакции между хлоридом алюминия, кислородом и окисью азота.
Недостатком известного покрытия является высокая трудоемкость и энергоемкость технологического процесса его формирования и чрезвычайно высокая агрессивность рабочей среды.
Ближайшим техническим решением к заявляемой полезной модели является защитное покрытие на стали (пат. RU 2241076, C25D 11/02. Способ электролитического нанесения покрытия на стальное изделие. 2004. Кусков В.Н., Кусков К.В.). На изделие наносится алюминиевая пленка толщиной 20-50 мкм в формамидном электролите с алюминиевым анодом, затем оно промывается в дистиллированной воде и подвергается микроразрядному оксидированию переменным током в щелочном электролите с электродом из коррозионно-стойкой стали.
2
Недостатками прототипа являются высокая плотность тока (до 45 А/дм) при оксидировании, т.е. большая энергоемкость процесса, высокая токсичность компонентов электролита, из которого формировали алюминиевую пленку, а также недостаточно высокая прочность сцепления покрытия с основой.
Полезная модель направлена на увеличение срока службы стальных изделий за счет повышения коррозионной стойкости, стойкости против сульфидного растрескивания и износостойкости, а также прочности сцепления композиционного алюминий-оксидного покрытия со стальной основой.
Указанный технический результат достигается формированием плазменным напылением на стальной основе слоя алюминия пористостью 5-10%, который затем оксидируют микродуговым методом, оставляя непрооксидированным подслой алюминия, прилегающий к поверхности стали, толщиной 35-65 мкм.
2
3
2
3
На чертеже приведена структура двухслойного композиционного алюминий-оксидного покрытия: 1 - стальная подложка, 2 - промежуточный непрооксидированный подслой алюминия, 3 - оксидный керамикоподобный микродуговой слой, состоящий из композиции оксидов α-AlO (корунд) и γ-AlO.
Сущность заявленной полезной модели поясняется следующим описанием.
Диапазон величины пористости предварительно наносимого алюминиевого покрытия 5-10% выбран из условия увеличения глубины и производительности последующего микродугового оксидирования. Пористость наносимого слоя алюминия регулируют изменением фракции напыляемого порошка и дистанции напыления. При пористости алюминиевого покрытия менее 5% поры, в основном, закрытые, поэтому глубина и производительность оксидирования практически такие же, как в случае компактного материала. При пористости более 10% появляются сквозные поры, что приводит в процессе оксидирования к пробою на сталь и, следовательно, резкому снижению прочности сцепления алюминия со стальной основой, коррозионной стойкости и стойкости к сульфидному растрескиванию.
н
Толщина непрооксидированного подслоя алюминия определена из следующих соображений. Минимальная толщина 35 мкм выбрана из условия обеспечения надежной защиты стальной основы от сульфидного растрескивания. Экспериментально установлено, что при толщине непрооксидированного подслоя более 35 мкм предел статической водородной усталости σ (максимальное напряжение, при котором стальные образцы не разрушаются в сероводородсодержащей среде в течение базового времени) превышает предел текучести стальной основы. Максимальная толщина непрооксидированного подслоя алюминия (65 мкм) ограничена, исходя из требования к повышению прочности сцепления композиционного алюминий-оксидного покрытия со стальной подложкой.
В процессе оксидирования за счет теплопередачи из зоны горения микродуговых разрядов (оксидный слой) происходит нагрев непрооксидированного подслоя. Экспериментально установлено, что, оставляя непрооксидированным подслой алюминия толщиной не более 65 мкм, обеспечивается прогрев стальной основы до температуры 450-500°С, превышающей температуру рекристаллизации стали. При этих температурах начинают активно протекать процессы взаимной диффузии железа из подложки и алюминия из непрооксидированного подслоя покрытия, а также происходит снятие остаточных напряжений, которые возникают в процессе формирования композиционного покрытия, что в итоге приводит к значительному (примерно в 2 раза) повышению прочности сцепления алюминий-оксидного покрытия со стальной основой. Кроме того, непрооксидированный подслой приблизительно наполовину проплавляется, в результате чего происходит уменьшение его пористости почти в 2 раза.
2
Пример осуществления технического решения. На предварительно отпескоструенную поверхность изделия из стали 45 наносят плазменным напылением слой алюминия толщиной 500 мкм, пористостью 5-10%. Использовался порошок алюминия фракции 30-75 мкм. Режимы напыления: напряжение 60 В, сила тока 450 А, плазмообразующий газ: 85% аргона и 15% азота, дистанция напыления 131-149 мм. После этого образцы с напыленным слоем алюминия оксидируют в щелочном водном электролите, содержащем 3 г/л гидроксида калия и 2 г/л алюмината натрия, при наложении чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения с частотой 50 Гц (анодно-катодный режим) при плотности анодного и катодного токов 7,4 и 7 А/дм, соответственно, и постоянно повышающемся напряжении от 300 до 710 В.
2
2
Свойства полученных двухслойных композиционных алюминий-оксидных покрытий следующие: микротвердость оксидированного слоя 23 ГПа, прочность сцепления покрытия со стальной основой 82-93 МПа, относительный (по сравнению с пределом текучести стальной основы) предел статической водородной усталости 1,05-1,06, ток коррозии 0,83 мкА/см, абразивный износ 0,043 г/см.
Полученное по описанной технологии композиционное алюминий-оксидное покрытие для защиты стали от коррозии и износа позволяет значительно упростить процесс предварительного формирования алюминиевого слоя на поверхности стали (плазменное напыление); обеспечить экологическую безопасность процесса, исключив токсичные компоненты из раствора электролита; снизить в несколько раз плотность тока при микродуговом оксидировании; повысить прочность сцепления покрытия с основой за счет подбора оптимальной толщины непрооксидированного подслоя алюминия, увеличить производительность и глубину последующего микродугового оксидирования путем подбора оптимальной пористости предварительного сформированного алюминиевого слоя; обеспечить надежную защиту стали против коррозии, сульфидного растрескивания и износа.