способ обработки поверхности стали

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности стали лазерной обработкой, включающий подготовку поверхности путем очистки от окалины и обработку лазерным лучом, отличающийся тем, что лазерную обработку поверхности проводят импульсной генерацией лазерного излучения с длиной волны 0,8-1,2 мкм, мощностью излучения 10⁵ -10⁷ Вт/см², частотой импульсов 28-35 кГц и скоростью сканирования лазером поверхности в зоне обработки 8-12 см/с.

2. Способ п.1, отличающийся тем, что лазерную обработку поверхности проводят на глубину поверхности 10-40 нм в вакууме, в среде инертного газа или на воздухе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области материаловедения и обработки поверхности металлов, а именно к снижению скорости коррозии нелегированных и низколегированных сталей.

Известен способ защиты металлических поверхностей от коррозии методом высокоэнергетического воздействия, например лазерным переплавом [1].

Известен также способ [2] защиты металлических поверхностей от коррозии, заключающийся в том, что лазерному переплаву подвергают лишь небольшую часть поверхности, в результате чего происходит частичное выгорание углерода в стали. Обработанные поверхности становятся более однородными, в действие вступает локальная гальванопара «обработанная - необработанная поверхность», что, по мнению авторов, снижает общий коррозионный ток (прототип).

В то же время известно, что наиболее эффективное снижение коррозии низколегированных и нелегированных сталей наблюдается при переходе их в пассивное состояние. Однако обычные углеродистые стали пассивируются лишь в присутствии ингибиторов окислительного типа или при высоких значениях рН среды.

Нами была поставлена задача повысить коррозионную стойкость поверхности стали путем реализации специального режима лазерной обработки.

Поставленная задача перевода поверхности стали в пассивное состояние с повышенной коррозионной стойкостью была достигнута в результате лазерной обработки поверхности в условиях импульсной генерации лазерного излучения с длиной волны 0,8-1,2 мкм, мощностью излучения 10-10 Вт/см, частотой импульсов 28-35 кГц и скоростью сканирования лазером поверхности в зоне обработки 8-12 см/с. При этом для образования на поверхности стали слоя из оксидов железа, обеспечивающего сохранение состава и свойств более глубоких слоев металла, лазерную обработку поверхности проводили на глубину поверхности 10-40 нм в вакууме, в среде инертного газа или на воздухе.

Результаты исследований показали, что в ходе лазерной обработки, например поверхности стали 40Х при заявляемом режиме, согласно данным рентгено-фотоэлектронной спектроскопии, образуются наноразмерные негидратированные оксиды Fe(+2) и Fe(+3). Данные оксиды имеют прочную химическую связь с подложкой и, в отличие от оксидов, образующихся при пассивации сталей в водных растворах, не разрушаются при депассивации. Иначе говоря, после лазерной обработки в выбранном режиме поверхность стали изначально находится в состоянии пассивации.

Конкретные примеры реализации изобретения

Изучались образцы стали 40Х и У10, которые представляли из себя цилиндры с площадью основания 0,6-1,6 см². Для обработки поверхности использовался оптоволоконный иттербиевый импульсный лазер с длиной около 1 мкм, плотностью мощности излучения 10⁶ Вт/см² . Скорость сканирования луча лазера в зоне обработки 10 см/с, частота следования импульсов - 33 кГц.

Основание цилиндра служило рабочей поверхностью электрода. Подготовка поверхности перед электрохимическими исследованиями заключались в зачистке образцов от окалины на шлифовальной бумаге и дополнительной шлифовке поверхности порошком Al₂O₃, смоченным дистиллированной водой.

Исследовались обработанные лазерным облучением стали 40Х:

№ 26 - без лазерной обработки;

№ 27 - лазерная обработка на воздухе;

№ 28 - лазерная обработка в аргоне;

№ 29 - лазерная обработка в вакууме 10^-2 мм рт.ст.;

сталь У10 - без обработки;

№ 120 - лазерная обработка вакуум-аргон;

№ 121 - лазерная обработка в воздухе с аргоном;

№ 122 - лазерная обработка в вакууме с аргоном.

Поляризационные измерения выполнены в потенциодинамическом режиме на потенциостате IPC-Pro L в стандартной электрохимической ячейке ЯСЭ-2 при комнатной температуре в условиях естественной аэрации. В качестве электрода сравнения использовали хлорид-серебряный электрод, вспомогательный - платиновый.

Поляризационные измерения в анодной области потенциалов проводились при скорости развертки потенциала 1 мВ/с. Температура (22±2)°С, фоновый электролит - боратный буферный раствор с рН 7,4.

После подготовки образцов к испытаниям в анодной области их помещали в электрохимическую ячейку с соответствующим раствором, выдерживали до установления стационарного потенциала (10-15 минут) и включали анодную поляризацию со скоростью 1 мВ/с. Плотность тока пересчитывали на видимую поверхность электрода.

Ниже приведены величины токов анодного растворения указанных образцов, характеризующие скорость коррозии при потенциале +500 мВ.

Можно видеть, что электроды, прошедшие лазерную обработку, показывают меньшие токи анодного растворения. В ряду образцов наблюдается рост коррозионной стойкости поверхности металла.

ст.40Х (без обработки)	13 мкА/см2
образец № 27	11 мкА/см2
образец № 28	9 мкА/см2
образец № 29	5 мкА/см2

Таким образом, наблюдается повышение коррозионной стойкости ст.40Х после выбранных режимов лазерной обработки.

В табл.1 и 2 приведены результаты РФЭС исследований образца из ст.40Х без обработки и образца № 29, подвергнутых лазерной обработке.

С целью определения состава слоев, ответственных за коррозионную стойкость поверхности, исследовали образцы после коррозионно-электрохимических испытаний.

Таблица 1
Результаты РФЭС - исследования образцов стали 40Х с выдержкой в растворе с рН 7,4 при потенциале пассивного состояния без лазерной обработки
Глубина l, нм	Относительная доля соединения, %					Строение поверхностных слоев
	Fe	Fe-O (аде.)	FeO	FeO(OH)	Fe2O3
3	20,4	89,6	-	-	-	Fe, Fe-O (аде.)
9	64,5	-	28,7	-	6,8	Fe, FeO, Fe2O3
22	70,5	-	20,3	-	9,2	Fe, FeO, Fe2O3

Таблица 2
Результаты РФЭС - исследования образцов стали 40Х в вакууме с выдержкой в растворе с рН 7,4 при потенциале пассивного состояния после лазерной обработки
Глубина l, нм	Относительная доля соединения, %				Строение поверхностных слоев
	Fe	Fe-O (аде.)	FeO	FeO(OH)
3	38,6	-	45,7	15,7	Fe, FeO, FeO(OH)
9	51,0	-	31,3	17,7	Fe, FeO, FeO(OH)
22	100	-	-	-	Fe

Из табл.1 видно, что на поверхности ст.40Х без лазерной обработки поверхностный слой на глубине 3 нм состоит из железа и системы Fe-O, которую можно считать адсорбционной формой кислорода. На глубине 9 нм возрастает количество железа и появляется сигнал, соответствующий уже химическому соединению FeO в количестве 28,7%. В пассивирующем слое фиксируется и появление железа в степени окисления+3 (Fe₂O₃-6,8%). Не исключено, что этот оксид образуется в результате доокисления FeO. На глубине 22 нм становится выше содержание железа, сокращается количество оксида FeO, за счет чего выросло количество Fe ₂O₃.

Эти данные дают основание считать, что исходный образец ст.40Х уже имеет элементы пассивного слоя. По мере контакта с электролитом этот слой за счет доокисления FeO до Fe₂O₃ становится более дефектным и, хотя при этом металл запассивирован, стойкость его меньше, чем, например, у легированных сталей.

У лазернообработанного образца пассивационный слой, состоящий из частичного окисленного железа, не превышает по толщине 9 нм. На глубине 22 нм никаких сигналов, кроме Fe, спектр РФЭС не дает. Данный образец содержит на поверхности FeO, Fe₂O₃ и частично гидратированный оксид FeO(OH). Процесс дальнейшего образования соединения Fe(III) не происходит, поэтому оксидный слой более плотный, хотя более тонкий, обладающий хорошими защитными свойствами. Этим и объясняется высокая коррозионная стойкость ст.40Х после лазерной обработки.

Аналогичные данные по переводу углеродистой стали в пассивное состояние получены на примере образцов из обработанных по выбранной технологии ст.У10. Согласно этим данным величины анодного тока растворения этой стали при потенциале +500 мВ составляют:

Образец	Плотность тока, мкА/см2
ст.У-10 (без обработки)	9
№ 120	6
№ 121	8
№ 122	4

1. Колотыркин В.М., Княжева В.М. Возможности высокоэнергетических методов обработки поверхностей металлов для защиты от коррозии.// Защита металлов, 1991, Т.27, № 2, С.184-186.

2. Патент РФ № 2061100. Опубл. 27.05.1996 (прототип).

3. Патент РФ № 2443506. Опубл. 27.02.2012.