СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНОГО ЛИСТА
METHOD OF NANOSTRUCTURED METAL LAYER FORMATION ON STEEL PLATE SURFACE

Изобретение относится к химико-термической обработке металлических изделий к созданию наноструктурированных материалов конструкционного назначения, к проблеме трения и износа и может быть использовано для повышения долговечности деталей машин в любой отрасли промышленности.
Так, например, известен
- способ получения материалов с наностуктурой: интенсивной пластической деформации (Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации. Российские нанотехнологии. 2006 - Т.1-2. с.208-216.),
- способ компактирования механоактивированных порошков металлов, кристаллизации из аморфного состояния (Ковнеристый Ю.К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы. М.: Наука, 1999, 80 с.).
Недостатком указанных способов является их высокая энергоемкость и невозможность формирования наноструктур на листовых материалах значительных размеров.
Задачей предложенного способа является упрощение процесса формирования наноструктурированных металлических слоев на поверхности стального листа при обеспечении необходимых механических и эксплуатационных свойств.
Поставленная задача решается предлагаемым способом формирования наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа, включающим растворение осаждаемого металла в расплаве свинца или эвтектики Pb-Bi, создание температурного градиента в 500-600°С между расплавом с растворенным в нем металлом и поверхностью стального листа, предварительно покрытого свинцом, путем охлаждения стального листа и осаждение металла на его поверхность в среде инертного газа за счет температурного градиента между поверхностью расплава и поверхностью листа, при этом толщину получаемого наноструктурированного слоя регулируют временем проведения процесса. Расплав свинца или эвтектики Pb-Bi нагревают до температуры 1000-1200°С. Стальной лист охлаждают до температуры 500-600°С. В качестве инертного газа используют аргон. В качестве осаждаемого металла используют никель, титан, вольфрам, хром или их смесь.
Формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа, предварительно электролитически покрытого свинцом (для увеличения адгезии), получается за счет того, что поток охлаждающей жидкости, проходящей по пустотелому стальному сосуду, снижает температуру нагрева стального листа до 500-600°С. Благодаря высокому градиенту температур избыток растворенного в свинце элемента при 1100-1300°С выделяется и осаждается на поверхности стального листа, предварительно электролитически покрытого свинцом (для увеличения адгезии). Процесс затвердевания начинается с образования микрозародышей твердой фазы в объеме переохлажденного расплава. С увеличением переохлаждения критический размер зародыша быстро убывает. Поэтому в жидком свинце кристаллизуются микроскопические центры роста гомогенной структуры, представляющие собой первичную ячейку или комплекс ячеек. Сформировавшиеся ячейки осаждаются на поверхности стального листа, образуя металлический наноструктурированный слой.
Предлагаемый способ можно осуществить с помощью устройства для формирования наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа.
На чертеже представлена схема устройства для формирования наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа.
Устройство состоит из керамической ванны 1, расплавленного свинца (или эвтектики Pb-Bi) 2, каналов для введения графитовых электродов 3, брикетов из спрессованных порошков металлов 4, пустотелого стального сосуда 5 с продольными каналами, обеспечивающими продольный поток охлаждающей воды, чугунный корпус 7 стола для приемки стального листа с наноструктурой на поверхности.
Способ осуществляется следующим образом: в керамическую ванну 1 устанавливаются спрессованные брикеты 4 из порошков металлов, засыпается свинец (или эвтектика Pb-Bi) 2, с помощью графитовых электродов 3 устанавливают температуру 1100°С. Процесс происходит в вакуумной камере (не показана). Через пустотелый стальной сосуд 5 с продольными каналами начинают пропускать охлаждающую воду до получения температуры стального листа 6500°С. Формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа 6, предварительно электролитически покрытого слоем свинца, получается за счет того, что поток охлаждающей жидкости, проходящей по пустотелому стальному сосуду 5, снижает температуру стального листа до 500-600°С. Благодаря высокому градиенту температур избыток растворенного в свинце элемента при 1100°С выделяется и осаждается на поверхности стального листа 6. Процесс затвердевания начинается с образования микрозародышей твердой фазы в объеме переохлажденного расплава. С увеличением переохлаждения критический размер зародыша быстро убывает. Поэтому в жидком свинце кристаллизуются микроскопические центры роста гомогенной структуры, представляющие собой первичную ячейку или комплекс ячеек. Сформировавшиеся ячейки осаждаются на поверхности стального листа 6, охлаждаемого пустотелым стальным сосудом 5 с продольными каналами, происходит формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа 6. Стальной лист 6 с наноструктурированным металлическим слоем на поверхности снимается с помощью пустотелого стального сосуда 5 на чугунный корпус 7 стола для приемки листа.
Толщина наноструктурированного покрытия стального листа будет расти пропорционально времени работы предлагаемого устройства. В течение определенного времени на поверхности стального листа, охлаждаемого стальным сосудом, формируется наноструктурированный металлический слой.
Пример 1
В керамическую ванну 1 устанавливаются спрессованные брикеты 4 из порошков никеля 50% и титана 50%, засыпается свинец (или эвтектика Pb-Bi) 2, с помощью графитовых электродов 3 устанавливаем температуру 1100°С. Процесс происходит в вакуумной камере (не показана). Через пустотелый стальной сосуд 5 с продольными каналами начинаем пропускать охлаждающую воду до получения температуры стального листа 6500°С. Формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа 6, предварительно электролитически покрытого слоем свинца, получается за счет того, что поток охлаждающей жидкости, проходящей по пустотелому стальному сосуду 5, снижает температуру стального листа до 500°С. Благодаря высокому градиенту температур избыток растворенного в свинце элемента при 1100°С выделяется и осаждается на поверхности стального листа 6. Процесс затвердевания начинается с образования микрозародышей твердой фазы в объеме переохлажденного расплава. С увеличением переохлаждения критический размер зародыша быстро убывает. Поэтому в жидком свинце кристаллизуются микроскопические центры роста гомогенной структуры, представляющие собой первичную ячейку или комплекс ячеек. Сформировавшиеся ячейки осаждаются на поверхности стального листа 6, охлаждаемого пустотелым стальным сосудом 5 с продольными каналами, происходит формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа 6. Стальной лист 6 с никель-титановой наноструктурой на поверхности снимается с помощью пустотелого стального сосуда 5 на чугунный корпус 7 стола для приемки листа.
Толщина никель-титанового наноструктурированного покрытия на поверхности стального листа будет расти пропорционально времени работы предлагаемого устройства. В течение шести часов на поверхности стального листа, охлаждаемого стальным сосудом, формируется покрытие с наноструктурой толщиной 0,48 мм.
Пример 2
В керамическую ванну 1 устанавливаются спрессованные брикеты 4 из порошков никеля 80% и хрома 20%, засыпается свинец (или эвтектика Pb-Bi) 2, с помощью графитовых электродов 3 устанавливаем температуру 1300°С. Процесс происходит в вакуумной камере (не показана). Через пустотелый стальной сосуд 5 с продольными каналами начинаем пропускать охлаждающую воду до получения температуры стального листа 6 600°С. Формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа 6, предварительно электролитически покрытого слоем свинца, получается за счет того, что поток охлаждающей жидкости, проходящей по пустотелому стальному сосуду 5, снижает температуру стального листа до 600°С. Благодаря высокому градиенту температур избыток растворенного в свинце элемента при 1300°С выделяется и осаждается на поверхности стального листа 6. Процесс затвердевания начинается с образования микрозародышей твердой фазы в объеме переохлажденного расплава. С увеличением переохлаждения критический размер зародыша быстро убывает. Поэтому в жидком свинце кристаллизуются микроскопические центры роста гомогенной структуры, представляющие собой первичную ячейку или комплекс ячеек. Сформировавшиеся ячейки осаждаются на поверхности стального листа 6, охлаждаемого пустотелым стальным сосудом 5 с продольными каналами, происходит формирование наноструктурированного металлического слоя на поверхности стального листа 6. Стальной лист 6 с хромо-никелевой наноструктурой на поверхности снимается с помощью пустотелого стального сосуда 5 на чугунный корпус 7 стола для приемки листа.
Толщина хромо-никелевого наноструктурированного покрытия на поверхности стального листа будет расти пропорционально времени работы предлагаемого устройства. В течение пяти часов на поверхности стального листа, охлаждаемого стальным сосудом, формируется покрытие с наноструктурой толщиной 0,56 мм.