СТАЛЬНОЙ ЭЛЕМЕНТ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ, ОБРАЗОВАННЫЙ ПУТЕМ ПРОПИТКИ НИКЕЛЕМ И ЦИНКОМ, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
STEEL ELEMENT WITH MODIFIED SURFACE, FORMED BY IMPREGNATION WITH NICKEL AND ZINC, AND METHOD OF PRODUCTION THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к стальным элементам с модифицированной поверхностью и, в частности, к стальному элементу с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами и к способу его изготовления.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Коррозия стали наносит огромный ущерб в мире. Согласно исследованиям сталь, обращенная в лом по причине коррозии, ежегодно составляет более 20 % от годового производства стали, нанося ущерб, оцениваемый приблизительно в 7000 сотен миллионов долларов. Стоимость ущерба намного превышает общую стоимость ущерба, вызываемого стихийными бедствиями, такими как землетрясение, наводнение и тайфун. В настоящее время в целях снижения коррозии стали разрабатывают некоторые технологии, направленные на предотвращение коррозии. Однако, защитные покрытия, выполненные посредством технологий, направленных на предотвращение коррозии, не решают полностью проблему коррозии, и их твердость является низкой. Пропитка никелем и цинком может придать обрабатываемой детали более высокую коррозионную стойкость, более высокую износостойкость и высокую вибростойкость. Таким образом, существует необходимость в изготовлении стальной структуры с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами, образованной путем пропитки никелем и цинком.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существует необходимость в стальной структуре с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами, образованной путем пропитки никелем и цинком.
В настоящем изобретении предложен стальной элемент с модифицированной поверхностью, образованный путем пропитки никелем и цинком. Стальной элемент с модифицированной поверхностью содержит структуры сплава с антикоррозионными свойствами, образованные на стальной подложке. Стальной элемент с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами содержит, в направлении снаружи вовнутрь, слой осаждения сплава и металлический диффузионный слой. При этом стальная подложка изготовлена из среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали. Слой осаждения сплава содержит сплавы цинка и железа, металлический диффузионный слой содержит кристаллы перлита, кристаллы феррита и структуры, полученные в результате закалки и отпуска. Стальная подложка содержит углеродный элемент, который в стальной подложке содержится в диапазоне от 0,3 вес. % до 0,65 вес. %. Стальной элемент с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами имеет микротвердость по Виккерсу в диапазоне от 240 до 500.
Кроме того, стальной элемент с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами не подвергнут закалке и отпуску, металлический диффузионный слой имеет микротвердость по Виккерсу, превышающую микротвердость по Виккерсу стальной подложки.
Кроме того, стальной элемент с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами подвергнут процессу закалки и отпуска и содержит структуры, образованные при закалке и отпуске, после процесса закалки и отпуска, при этом металлический диффузионный слой имеет микротвердость по Виккерсу, не превышающую микротвердость по Виккерсу стальной подложки.
Кроме того, когда стальной элемент с модифицированной поверхностью не подвергнут закалке и отпуску, цвет кристаллов перлита в металлическом диффузионном слое является более светлым, чем цвет кристаллов перлита в стальной подложке после от 10 секунд до 50 секунд погружения стального элемента с модифицированной поверхностью в травильный раствор, содержащий азотную кислоту и спирт в концентрации от 1% до 5%.
Кроме того, когда стальной элемент с модифицированной поверхностью подвергнут закалке и отпуску, металлический диффузионный слой на среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали содержит структуры, образованные при закалке и отпуске, с сохранением блестящего белого цвета металлического диффузионного слоя после от 10 секунд до 50 секунд погружения стального элемента с модифицированной поверхностью в травильный раствор, содержащий азотную кислоту и спирт в концентрации от 1% до 5%.
Кроме того, толщина слоя осаждения сплава находится в диапазоне от 60 микрон до 110 микрон, и толщина металлического диффузионного слоя находится в диапазоне от 30 микрон до 120 микрон.
Кроме того, стальная подложка стального элемента с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами изготовлена из среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали.
В настоящем изобретении дополнительно предложен способ модифицирования поверхности стального материала, включающий:
этап S1, предусматривающий предоставление стальной подложки, которая изготовлена из среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали;
этап S2, предусматривающий очистку от масла и жира, налипших на поверхность стальной подложки, щелочным раствором;
этап S3, предусматривающий очистку от ржавчины на поверхности стальной подложки, полученной на этапе S1, обдувкой металлическим порошком;
2
3
этап S4, предусматривающий загрузку стальной подложки и пропиточного вещества в закрытый стальной контейнер, нагревание стального контейнера до температуры в диапазоне от 370 градусов Цельсия до 430 градусов Цельсия и вращение стального контейнера со скоростью в диапазоне от 5 об/мин до 10 об/мин во время нагревания, при этом пропиточное вещество содержит порошок Zn в диапазоне от 25 вес. % до 30 вес. %, порошок Ni в диапазоне от 2 вес. % до 2,5 вес. %, порошок Al в диапазоне от 1 вес. % до 2,5 вес. %, порошок редкоземельных металлов в диапазоне от 0,5 вес. % до 1,5 вес. %, хлористый аммоний в диапазоне от 1 вес. % до 4 вес. % и порошок AlO как остальную часть в весовых процентах;
этап S5, предусматривающий промывку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 представлен схематический вид варианта осуществления стального материала с антикоррозионными свойствами.
На фиг. 2 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали № 45 после модифицирования поверхности, которая не подвергнута закалке и отпуску.
На фиг. 3 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали № 45 после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска.
На фиг. 4 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 42CrMoA после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска.
На фиг. 5 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 35CrMo после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска.
На фиг. 6 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 35VB после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска.
На фиг. 7 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 40Cr после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ниже следует описание вариантов осуществления настоящего изобретения исключительно посредством вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры. Варианты осуществления, показанные и описанные выше, являются исключительно примерами. В подробное описание могут быть внесены изменения в рамках принципов настоящего изобретения, вплоть до изменений в полной мере, установленной широким общим значением терминов, используемых в формуле изобретения. Поэтому следует иметь в виду, что варианты осуществления, описанные выше, могут быть изменены в пределах объема формулы изобретения.
В настоящем изобретении предложен способ модифицирования поверхности для изготовления стального материала с антикоррозионными свойствами посредством пропитки никелем и цинком. Способ включает следующие этапы.
Этап S1 предусматривает предоставление стальной подложки, изготовленной из среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали.
Среднеуглеродистая сталь содержит углеродный элемент, и углеродный элемент в среднеуглеродистой стали содержится в диапазоне от 0,3 вес. % до 0,65 вес. %. Среднеуглеродистая легированная сталь является легированной сталью, содержащей углеродный элемент и легирующий элемент, и углеродный элемент в среднеуглеродистой легированной стали содержится в диапазоне от 0,3 вес. % до 0,65 вес. %.
На этапе S2 стальную подложку подвергают предварительной обработке.
В одном варианте осуществления предварительная обработка включает очистку от масла и жира, налипших на поверхность, щелочным раствором (или ультразвуковыми волнами и нагреванием) и очистку от ржавчины на поверхности обдувкой металлическим порошком.
Очистка от масла и жира щелочным раствором: щелочной раствор может содержать основную соль, и основная соль содержит каустическую соду, карбонат натрия, трехосновный фосфат натрия, силикат натрия или борат натрия. Основная соль может содержать по меньшей мере два из вышеуказанных компонентов. Кроме того, щелочной раствор может дополнительно содержать хелатообразующее вещество для стали и органическую добавку для улучшения очистки поверхности. Хелатообразующее вещество для стали содержит по меньшей мере одно из этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA), цитрата натрия и триэтаноламина. Органическая добавка содержит по меньшей мере одно из этиленгликоля и моноэтилового эфира этиленгликоля.
Очистка от масла и жира ультразвуковыми волнами (ультразвуковая очистка) предполагает использование ультразвуковых волн для перемешивания промывочной жидкости, тем самым оказывая большие усилия прямо или опосредованно на загрязнители для рассеивания, эмульгирования или отделения загрязнителей, тем самым обеспечивая очистку. Ультразвуковая очистка требует надлежащей промывочной жидкости.
Очистка от масла и жира нагреванием предполагает нагревание стальной подложки до температуры не ниже, чем точка воспламенения масла и жира, тем самым вызывая сжигание и испарение масла и жира.
Стальная подложка до очистки может иметь загрязнители, налипшие на поверхность, включая масло и жир, а также пыль. Если не произвести очистку от загрязнителей, загрязнители будут карбонизироваться, приводя к карбонизации во время нагревания, и карбонизация влияет на внешний вид и результаты модифицирования поверхности. Очистка от масла и жира может удалить загрязнители, налипшие на поверхность, тем самым подготавливая основу для последующего модифицирования поверхности.
Обдувка металлическим порошком может дополнительно очистить поверхность стальной подложки. Обдувка металлическим порошком обеспечивает принудительное удаление ржавчины и слоя окислов струей небольших твердых шариков под высоким давлением, тем самым способствуя обретению поверхностью требуемых шероховатости и блеска и подготавливая основу для последующего модифицирования поверхности.
На этапе S3 подготавливают пропиточное вещество.
2
3
Пропиточное вещество подготавливают исходя из типа и требующихся антикоррозионных свойств сплава. Пропиточное вещество находится в форме порошка, который содержит порошок Zn в диапазоне от 25 вес. % до 30 вес. %, порошок Ni в диапазоне от 2 вес. % до 2,5 вес. %, порошок Al в диапазоне от 1 вес. % до 2,5 вес. %, порошок редкоземельных металлов в диапазоне от 0,5 вес. % до 1,5 вес. %, хлористый аммоний в диапазоне от 1 вес. % до 4 вес. % и порошок AlO как остальную часть в весовых процентах. Конкретная концентрация каждого типа порошка в пропиточном веществе может варьироваться, исходя из материала стальной подложки или ее целевого применения.
На этапе S4 модифицируют поверхность стальной подложки.
Стальную подложку, полученную на этапе S2, и пропиточное вещество, полученное на этапе S3, загружают в закрытый стальной контейнер. Стальной контейнер нагревают и вращают во время нагревания. За счет нагревания пропиточным веществом за счет теплопроводности стальная подложка и пропиточное вещество могут иметь одинаковую температуру, и пропиточное вещество может проникать в стальную подложку с модифицированием поверхности стальной подложки. В настоящем изобретении стальной контейнер вращают со скоростью в диапазоне от 5 оборотов в минуту (об/мин) до 10 об/мин во время нагревания. Скорость вращения стального контейнера обеспечивает равномерное нагревание пропиточного вещества и стальной подложки. Таким образом, пропиточное вещество равномерно проникает в стальную подложку, тем самым обеспечивая получение стального материала с антикоррозионными свойствами.
Стальная подложка изготовлена из среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали.
В одном варианте осуществления стальной контейнер нагревают при температуре в диапазоне от 370 градусов Цельсия до 430 градусов Цельсия. Температура нагревания стального контейнера также важна, более высокая температура обеспечивает значительно более высокую скорость проникновения атомов в пропиточном веществе. Конкретная температура нагревания и конкретное время нагревания стального контейнера могут варьироваться, исходя из материала стальной подложки или ее целевого применения. Время, необходимое для модифицирования поверхности, находится в диапазоне от 1 часа до 10 часов.
Стальную подложку могут подвергать предварительному нагреванию, и предварительно нагретую стальную подложку и пропиточное вещество перемешивают и загружают в стальной контейнер. Стальную подложку могут также не подвергать предварительному нагреванию, и стальную подложку и пропиточное вещество перемешивают при комнатной температуре. Стальная подложка и пропиточное вещество находятся при одной и той же температуре во время нагревания стального контейнера.
До этапа S4 стальную подложку могут подвергать предварительному нагреванию, при необходимости. Стальную подложку могут подвергать предварительному нагреванию до температуры от 400 градусов Цельсия до 420 градусов Цельсия.
Этап S5, предусматривающий промывку.
Стальную подложку после этапа S4 подвергают естественному охлаждению. После удаления пыли на поверхности стальную подложку затем промывают водой для удаления оставшегося порошка и других примесей.
Стальную подложку могут подвергать процессу закалки и отпуска до предварительной обработки. Стальная подложка может образовывать структуры, образованные при закалке и отпуске, на поверхности после процесса закалки и отпуска.
Стальной элемент с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами может быть образован на стальной подложке после вышеуказанных этапов. На фиг. 1 показан схематический вид стального материала после модифицирования поверхности. Стальной материал содержит, в направлении снаружи вовнутрь, слой осаждения сплава, металлический диффузионный слой и стальную подложку. Металлический диффузионный слой образует переходную область между стальной подложкой и слоем осаждения сплава.
Вариант осуществления 1
На фиг. 2 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали № 45 после модифицирования поверхности, которая не подвергнута закалке и отпуску. В настоящем варианте осуществления стальная подложка изготовлена из среднеуглеродистой стали, в частности, стали № 45. Поверхность стальной подложки из стали № 45 модифицируют следующим образом.
Стальную подложку подвергали предварительной обработке, включая очистку от масла и жира щелочным раствором и удаление ржавчины обдувкой металлическим порошком. Процессы очистки от масла и жира щелочным раствором и удаления ржавчины обдувкой металлическим порошком описаны выше, и здесь не приводится более детальная информация.
2
3
Было предусмотрено пропиточное вещество, которое находилось в форме порошка и содержало 30 вес. % порошка Zn, 2 вес. % порошка Ni, 2,5 вес. % порошка Al, 0,5 вес. % порошка редкоземельных металлов, 4 вес. % хлористого аммония и порошок AlO как остальную часть в весовых процентах.
Кроме того, модифицировали поверхность стальной подложки. Как стальная подложка после предварительной обработки, так и пропиточное вещество находились при комнатной температуре при загрузке в закрытый стальной контейнер. Стальной контейнер нагревали и вращали во время нагревания. За счет нагревания пропиточным веществом за счет теплопроводности стальная подложка и пропиточное вещество могли иметь одинаковую температуру, и пропиточное вещество могло проникать в стальную подложку с модифицированием поверхности стальной подложки. В настоящем изобретении стальной контейнер вращали со скоростью 5 об/мин во время нагревания. Скорость вращения стального контейнера обеспечивала равномерное нагревание пропиточного вещества и стальной подложки, тем самым модифицируя поверхность стальной подложки. Время, необходимое для модифицирования поверхности, составляло 1 час, температура нагревания составляла 400 градусов Цельсия для получения стального элемента с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами.
В настоящем варианте осуществления сталь № 45 и пропиточное вещество не подвергали предварительному нагреванию во время смешивания. То есть, сталь № 45 и пропиточное вещество смешивали при температуре окружающей среды и затем загружали в стальной контейнер для выполнения процедуры по модифицированию поверхности в стальном контейнере. Более конкретно, стальную подложку и пропиточное вещество смешивали при комнатной температуре.
В настоящем варианте осуществления стальная подложка была из стали № 45, на которой был образован стальной элемент с модифицированной поверхностью. Стальной элемент с модифицированной поверхностью на стали № 45 содержал, в направлении снаружи вовнутрь, слой осаждения сплава и металлический диффузионный слой. Самый внутренний слой представлял собой стальную подложку.
Как показано на фиг. 2, цвет кристаллов перлита в металлическом диффузионном слое был более светлым, чем цвет кристаллов перлита в стальной подложке. Металлический диффузионный слой имел микротвердость по Виккерсу, превышающую микротвердость по Виккерсу стальной подложки. Толщина металлического диффузионного слоя составляла 100 микрон. Металлический диффузионный слой содержал кристаллы перлита и кристаллы феррита.
Вариант осуществления 2
Как показано на фиг. 3—7, на фиг. 3 представлен металлографический вид стальной подложки из стали № 45 после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска. На фиг. 4 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 42CrMoA после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска. На фиг. 5 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 35CrMo после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска. На фиг. 6 представлен металлографический вид поперечного сечения стальной подложки из стали 35VB после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска. На фиг. 7 представлен металлографический вид стальной подложки из стали 40Cr после модифицирования поверхности, которая подвергнута процессу закалки и отпуска.
В настоящем варианте осуществления стальные подложки были изготовлены из среднеуглеродистой стали или среднеуглеродистой легированной стали, в частности, включая сталь № 45, 42CrMoA, сталь 35CrMo, сталь 35VB и сталь 40Cr. В результате были получены различные структуры с модифицированной поверхностью.
Отличия от варианта осуществления 1 заключались в следующем:
2
3
(1) В настоящем варианте осуществления пропиточное вещество находилось в форме порошка и содержало 25 вес. % порошка Zn, 2,5 вес. % порошка Ni, 1 вес. % порошка Al, 1,5 вес. % порошка редкоземельных металлов, 1 вес. % хлористого аммония и порошок AlO как остальную часть в весовых процентах.
(2) В настоящем варианте осуществления каждую из стальных подложек в настоящем варианте осуществления до предварительной обработки подвергали процессу закалки и отпуска.
Затем, в результате модифицирования поверхности стальных подложек получали стальные элементы с модифицированной поверхностью. Каждый из стальных элементов с модифицированной поверхностью с антикоррозионными свойствами имел общую микротвердость по Виккерсу в диапазоне от 240 до 400. Стальной элемент с модифицированной поверхностью содержал, в направлении снаружи вовнутрь, слой осаждения сплава и металлический диффузионный слой. Самый внутренний слой представлял собой стальную подложку.
Структуры, образованные при закалке и отпуске, были образованы на стальной подложке после процесса закалки и отпуска. В частности, структуры, образованные при закалке и отпуске, входили в состав металлического диффузионного слоя. Кроме того, структуры, образованные при закалке и отпуске, были представлены по меньшей мере одним из сорбата отпуска и троостита отпуска.
Каждый из стальных элементов с модифицированной поверхностью подвергали процессу травления путем погружения стального элемента с модифицированной поверхностью в травильный раствор, содержащий азотную кислоту и спирт в концентрации от 1% до 5%. Результаты показывают, что блестящий белый цвет металлического диффузионного слоя сохранялся после нескольких секунд (обычно от 10 секунд до 50 секунд), что указывало на то, что каждый стальной элемент с модифицированной поверхностью обладал хорошей коррозионной стойкостью. Толщина каждого металлического диффузионного слоя находилась в диапазоне от 30 микрон до 100 микрон. Микротвердость по Виккерсу каждого металлического диффузионного слоя, образованного путем модифицирования поверхности конкретной стальной подложки, была слегка меньше, чем микротвердость по Виккерсу стальной подложки. Металлический диффузионный слой, полученный за счет модифицирования поверхности стальной подложки, содержал металлографические структуры, которые представляли собой по меньшей мере одно из сорбата отпуска и троостита отпуска.
По сравнению с предшествующим уровнем техники стальная структура с модифицированной поверхностью согласно настоящему изобретению обладает хорошей коррозионной стойкостью, что может снизить убытки, вызванные коррозией стали. Кроме того, основные механические свойства стальной подложки не претерпевают изменений, но улучшается абразивная стойкость стальной подложки в связи с тем, что эти процессы придают высокую твердость.
Варианты осуществления, показанные и описанные выше, являются исключительно примерами. Настоящее раскрытие сущности изобретения является исключительно иллюстративным, и в подробное описание могут быть внесены изменения в рамках принципов настоящего изобретения, вплоть до изменений в полной мере, установленной широким общим значением терминов, используемых в формуле изобретения. Поэтому следует иметь в виду, что варианты осуществления, описанные выше, могут быть изменены в пределах объема формулы изобретения.