способ защиты жаропрочных сталей и сплавов от коррозии

Формула изобретения

Способ защиты жаропрочных сталей и сплавов от коррозии, включающий электрохимическую обработку с предварительным построением анодной поляризационной кривой, отличающийся тем, что на анодной поляризационной кривой определяют площадку предельного тока, при этом проводят электрохимическую обработку в водном растворе электролита 15% NaNO₃ при напряжении 10-12 В, плотности импульсного тока 150 А/см², длительности импульса 1-5 мс, давлении электролита 0,4-0,6 МПа, частоте импульсов 40-50 Гц, температуре электролита 20-25°С в течение 10-20 с и последующее электрохимическое полирование в сернофосфорном электролите с полирующим эффектом в течение 30-50 с при температуре 25-35°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, химической, металлургической и другим отраслям промышленности, в частности к электрохимическим методам обработки.

Известен способ электрохимического полирования металлов и сплавов [Грилихес С.Я. Электрохимическое полирование. Л.: Машиностроение, 1976. - С.157], повышающий коррозионную стойкость, при котором алюминий и нержавеющую сталь типа 1Х18Н9Т подвергают электрохимическому полированию для повышения их стойкости против коррозии в 60 агрессивных средах. Разница скорости коррозии электрохимически полированных и неполированных образцов сохраняется в течение всего длительного периода испытаний, что говорит о стойком защитном действии в данном условии покрывающий металл пассивной пленки.

Защитная способность оксидной пленки обусловлена тем, что в результате электрохимического полирования она является адсорбционной и совершенной с отсутствием в ней пористости, также для нее характерна однородность в отличие от пленки, образованной после анодной обработки.

К недостаткам данного способа относится то, что для проведения электрохимического полирования металлов и сплавов исходная чистота поверхности должна соответствовать 4, 5, 6 и 7 классу чистоты, полученной механическими методами обработки, которые не всегда осуществимы для труднообрабатываемых, например, жаропрочных материалов. Повышение плотности тока при электролизе увеличивает скорость сглаживания, при этом интенсивное сглаживание происходит в течение первых 5-10 мин, после чего резко замедляется, а для достижения большого сглаживания поверхности при меньшем съеме металла целесообразно проводить обработку при повышенных плотностях тока и небольшой длительности обработки, т.к. съем металла при электрохимическом полировании возрастает пропорционально времени полирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения коррозионной стойкости сталей [патент РФ № 2351692, C23F 15/00, 2009], включающий нагрев, анодную поляризацию в солевом расплаве и последующее охлаждение, при этом предварительно строят анодную поляризационную кривую в солевом расплаве при температуре 350-550°С и с ее помощью определяют потенциал пассивации стали, а анодную поляризацию проводят при температуре 350-550°С в течение 1,0-1,5 ч при потенциалах, превышающих потенциал пассивации стали на 0,25-0,40 В.

К недостаткам известного способа относится то, что дальнейший рост электродного потенциала после начала пассивации приводит к утолщению оксидной пленки от 50-170 мкм, что может приводить к ее растрескиванию и отслаиванию в местах плохого сцепления пленки с подложкой. В результате анодной поляризации стали в течение 1-1,5 часа оксидная пленка является фазовой, неоднородной с наличием микропор, что приводит к уменьшению коррозионной стойкости материалов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности коррозионной защиты жаропрочных сталей и сплавов за счет получения сплошной, покрывающей весь материал, совершенной оксидной пленки адсорбционной структуры, состоящей из оксидов хрома и никеля, которые способствуют повышению защитных свойств.

Поставленная задача достигается тем, что способ включает электрохимическую обработку с предварительным построением анодной поляризационной кривой и определением площадки предельного тока, при этом проводят электрохимическую обработку в водном растворе электролита 15% NaNO₃ при напряжении 10-12 В, плотности импульсного тока 150 А/см ², длительности импульса 1-5 мс, давлении электролита 0,4-0,6 МПа, частоте импульсов 40-50 Гц, температуре электролита 20-25°С в течение 10-20 с и последующее электрохимическое полирование в сернофосфорном электролите с полирующим эффектом в течение 30-50 с при температуре 25-35°С.

Электрохимическую обработку жаропрочных сталей и сплавов проводят при параметрах режима, представленных в табл.1. В качестве электролитов можно использовать, например, электролиты состава: 10% NaNO₃ , 12% NaNO₃, 15% NaNO₃, 8% NaNO₃ +3% NaCl. Последующее электрохимическое полирование проводят при параметрах режима, представленных в табл.2. В качестве электролитов для электрохимического полирования можно использовать, например, 42% H₂SO₄+35% Н₂РO₃ +23% этиленгликоля [Грилихес С.Я. Электрохимическое полирование. Л.: Машиностроение, 1976. - 205 с.].

Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения имеется следующая причинно-следственная связь: в процессе электрохимической обработки в водном растворе электролита в течение 10-20 с на поверхности образуется оксидная пленка, которая является продуктом анодной электрохимической реакции, протекающей с участием атомов металла и молекулы воды, при этом выполняется условие сплошности пленок, т.к. она имеет гидратированную форму. Последующее электрохимическое полирование способствует формированию сплошной оксидной пленки адсорбционной структуры, преимущественно состоящей из оксидов хрома и никеля (входящие в состав жаропрочных сплавов). Сформированная таким образом оксидная пленка обладает повышенными защитными свойствами вследствие уменьшения пористости, которая характерна для пленок после электрохимической обработки.

Перед осуществлением предлагаемого способа необходимо определить наличие площадки пониженной плотности тока на поляризационной кривой, где происходит формирование стойкой оксидной пленки на поверхности материала в электролите для электрохимического полирования, возникновение которой позволяет прогнозировать, что данный электролит будет обладать полирующим эффектом и будет способствовать равномерному выравниванию высоты микронеровностей, вследствие образования вязкого слоя на поверхности металла.

Для жаропрочных сталей и сплавов экспериментально установлено, что электрохимическое полирование необходимо проводить при температуре не выше 40-50°С, т.к. ухудшаются свойства электролита, приводящие к уменьшению защитных свойств оксидной пленки.

Пример конкретной реализации способа:

Предложенный способ повышения коррозионной стойкости сталей и сплавов реализован при электрохимической обработке с последующим электрохимическим полированием образцов из жаропрочной стали ЭП-718 и сплава ЭП-648. Перед осуществлением предлагаемого способа необходимо определить электролиты, обладающие полирующим эффектом, для этого строят анодные поляризационные кривые и выявляют наличие площадки предельного тока, при котором возникает вязкий слой в процессе обработки в электролитах для электрохимического полирования при Т=18-20°С.

На фиг.1 представлены потенциодинамические поляризационные кривые в электролите 42% H₂SO₄+35% Н₃ РО₄+23% этиленгликоля для жаропрочных материалов 1- ЭП-718 и 2 - ЭП-648.

Из фиг.1 видно, что в электролите 42% H₂SO₄+35% Н₂РO₃ +23% этиленгликоля четко выражена область возникновения оксидной пленки на поверхности сплавов (характерная площадка предельного тока при потенциалах =1,55-1,75 В, наличие которой объясняет, что электролит пригоден для электрохимического полирования). Электрохимическую обработку проводили на электрохимическом копировально-прошивочном станке в электролите 15% NaNO₃ в течение 10-20 с. Исследования электрохимической обрабатываемости жаропрочных сталей и сплавов в электролитах состава: 10% NaNO₃, 12% NaNO ₃, 15% NaNO₃, 8% NaNO₃+3% NaCl показали, что обеспечиваются хорошие технологические показатели процесса (Ra 0,16-0,32 мкм, отсутствие растравов в поверхностном слое). Образцы представляли собой цилиндрический стержень 6 мм и длиной 70 мм, изолированные по боковой поверхности. Параметры режима представлены в таблице 1.

Таблица 1
Параметры электрохимической обработки	Значение	Ед. изм
Напряжение на электродах	10 12	В
Плотность тока импульса технолог. тока	150 300	А/см 2
Длительность импульса технологического тока	1 5	мс
Частота импульсов	40 50	Гц
Давление электролита	0,4 0,6	МПа
Минимальный МЭЗ	20 50	мкм
Амплитуда вибраций ЭИ	>0,2	мм
Скорость подачи ЭИ	0,1 0,3	мм/мин
Температура электролита	20 25	°C

После электрохимической обработки образцы тщательно промывали водой. Затем образцы из жаропрочных сплавов подвергали электрохимическому полированию в электролите 42% H₂SO₄+35% Н₂ РO₃+23% этиленгликоля при параметрах режима, представленных в таблице 2.

Таблица 2
Параметры режима электрохимического полирования
Напряжение на электродах, В	3-5
Анодная плотность тока, А/см2	0,32 0,71
Рабочая температура электр-та, °С	25-35
Время обработки, с	30-50

Катодом служила пластина из нержавеющей стали 1Х12Н9Т. После обработки образцы также промывали в воде.

Испытания на коррозионную стойкость образцов из жаропрочных сплавов проводились в 3% NaCl при t=18-20°С путем съемки кривых Эванса в гальваностатическом режиме и последующим определением токов коррозии. Результаты коррозионных испытаний представлены в табл.3.

Таблица 3
	Ток коррозии, мА
Марка сплава	После электрохимич. обработки	После электрохимич. полирования	После электрохим. об-ки + электрохим. полиров.
ЭП-718	0,4	0,25-0,27	0,1
ЭП-648	0,25	0,27-0,22	0,063

Из табл.3 видно, что предлагаемый способ позволяет снизить скорость коррозии жаропрочных сплавов в 3,9 - 4 раза (0,063 мА и 0,1 мА) по сравнению со скоростью коррозии образцов после электрохимической обработки (0,25 мА и 0,4 мА) и в 2,5 - 4 раза после электрохимического полирования, что менее эффективно по сравнению с результатами предлагаемого способа.