СПОСОБ ПАССИВАЦИИ СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к области поверхностной обработки материалов и может быть использовано для повышения коррозионной стойкости и тем самым для продления ресурса эксплуатации сталей и сплавов в окислительных (кислород, воздух, водяной пар) средах.

Кроме того, высокая коррозионная стойкость сталей и сплавов снижает последствия аварий на ядерных реакторах (А.С.Займовский и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1966, с.214).

Известен способ пассивации стали Х18Н10Т в растворе, содержащем от 5 до 57 об.% HNO₃ с добавками 2% и 0,5% K₂Cr₂O₇ при температуре 285÷291 К в течение 4 часов (Сб. «Диссоциирующие газы как теплоносители и рабочие тела энергетических установок.» Минск: Наука и техника, 1970, с.121). Недостаток известного способа заключается в значительной толщине (100 мкм) образующейся оксидной пленки. При такой толщине пленка не выдерживает динамических нагрузок потока теплоносителя, характеризуемого числом Рейнольдса на уровне 10⁵.

,

где u - линейная скорость теплоносителя, м/с;

d - размер зазора в канале, м;

ν - кинематическая вязкость теплоносителя, м²/с.

Дело в том, что керамика оксидных защитных пленок обладает значительно меньшей теплопроводностью по сравнению с металлами и поэтому турбулентные пульсации потока теплоносителя повреждают не рассеивающую тепло оксидную пленку.

Известен способ пассивации внутриреакторных элементов, эксплуатируемых в восстановительной среде жидкого свинца, заключающийся в нанесении на поверхность сталей покрытий из материалов с микротвердостью, превышающей микротвердость защищаемого материала и его окислов (патент РФ №2195027, МПК⁷ G21C 3/02, G21C 3/04, опубл. 20.12.2002). Недостаток способа заключается в том, что сверхтвердое покрытие до определенного момента времени может выдерживать динамическое воздействие потока окислителя, но такое воздействие не выдерживают внутренние оксидные слои на поверхности металлов. Известно, что твердые и тем самым хрупкие материалы выдерживают сжимающие внешние нагрузки, но не выдерживают растягивающих внутренних нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является способ пассивации сталей, заключающийся в обработке поверхности окислителем (для защиты от окислителя типа N₂O₄) при парциальном давлении кислорода на уровне 10^-10 Па при температуре 830÷930°С (Исаков В.П. Коррозионная самозащита конструкционных материалов. Цветные металлы. 2007 г., №11, с.55). Существенным преимуществом такого способа пассивации является малая (порядка 1 мкм) толщина защитной пленки, что обеспечивает возможность ее деформации под действием механических напряжений.

Недостатком указанного способа является тот факт, что защитная пленка выращивается над пленкой оксидов, образующихся при термообработке сталей (разлив, центробежное получение труб и т.д.). Протекание теплоносителя, как указывалось выше, приводит к повреждениям внутренних оксидных пленок, что в свою очередь нарушает целостность защитных пленок из-за внутренних нагрузок.

В основу предлагаемого способа пассивации стальной поверхности положена задача повышения коррозионной стойкости защитных пленок под действием динамических нагрузок потока теплоносителя в энергетических установках.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что в способе пассивации стальной поверхности, включающем нанесение на поверхность защитной пленки при повышенной температуре, перед нанесением защитной пленки с поверхности при комнатной температуре в инертной среде полностью удаляют исходную оксидную пленку механическим путем, в частности путем обработки стальной поверхности наждачной шкуркой с последующей полировкой, а далее на поверхность наносят защитную пленку оксида хрома толщиной 0,8÷1,0 мкм путем окисления стальной поверхности при парциальном давлении кислорода 10^-8÷10^-10 Па и температуре 830÷930°С.

Условия удаления исходной оксидной пленки (комнатная температура, инертная атмосфера) выбраны исходя из того, что оксидная пленка может быстро формироваться вновь после ее удаления и переноса пассивируемых материалов из инертной среды на воздух. Естественно, что процесс роста пленки интенсифицируется с увеличением температуры.

Сущность предлагаемого способа пассивации стальной поверхности поясняется нижеследующим примером, в котором описан процесс пассивации стальной поверхности в окислительных средах пленками с p-типом проводимости, например Cr₂O₃, не имеющих дефектов в анионной подрешетке, через которую и происходит диффузия анионов окислителя (см. прототип).

Пример осуществления способа пассивации стальной поверхности

Коррозионные испытания дисков стали Г2Х18Н10Т диаметром 10 мм, толщиной 3 мм проводили в среде одномолярного раствора серной кислоты в воде. Указанный раствор применяли для уменьшения времени испытаний.

Толщина оксидной пленки на исходных дисках составляла 90-100 мкм. На половине из 10 образцов оксидную пленку удаляли в среде аргона при комнатной температуре медленной (для постоянства комнатной температуры) обработкой крупнозернистой наждачной шкуркой, далее мелкозернистой, а на последней стадии - полировкой.

Далее все 10 образцов покрывали защитной пленкой путем обработки кислородом при температуре 830°С в течение 30 минут (давление кислорода 10^-10 Па). Толщина защитной пленки после такой обработки составляет 1 мкм. В процессе испытаний образцов в растворе серной кислоты механическую нагрузку потока теплоносителя моделировали термоударами, пропуская импульсы тока через образцы, при этом температура образцов изменялась от 20°С до 240°С. Импульсы на образцы подавали с частотой 1 импульс за 5 секунд. После 10 часов испытаний определяли скорость коррозии образцов (данные приведены в таблице).

Как видно из таблицы, полное удаление исходной оксидной пленки позволило снизить примерно на порядок скорость коррозии в условиях механической нагрузки на образец. Таким образом, предложенное техническое решение позволило существенно снизить скорость коррозии стальных поверхностей в окислительных средах.