RU2348741C2 - Nanostructured protective coating for stainless steel - Google Patents
Nanostructured protective coating for stainless steel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348741C2 RU2348741C2 RU2007104152/02A RU2007104152A RU2348741C2 RU 2348741 C2 RU2348741 C2 RU 2348741C2 RU 2007104152/02 A RU2007104152/02 A RU 2007104152/02A RU 2007104152 A RU2007104152 A RU 2007104152A RU 2348741 C2 RU2348741 C2 RU 2348741C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thick
- layer
- stainless steel
- coating
- tin
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к нанопокрытию нержавеющей стали и латуни, содержащему нитрид титана и предназначенному для защиты металлов от коррозии. Изобретение может быть использовано, в первую очередь, в нефтехимической промышленности для защиты змеевиков теплообменников из нержавеющей стали и латуни от коррозии, а также для других случаев использования этих материалов в сильно кислых средах.The invention relates to a nanocoating of stainless steel and brass containing titanium nitride and intended to protect metals from corrosion. The invention can be used primarily in the petrochemical industry to protect stainless steel and brass coil heat exchangers from corrosion, as well as for other cases of using these materials in strongly acidic environments.
В настоящее время известны несколько различных вариантов покрытий на основе нитрида титана, приведенных в патентах:Currently, several different coating options based on titanium nitride are disclosed in the patents:
DE 196000172 для режущего инструментаDE 196000172 for cutting tools
Fr 2647271 для защитного слоя контактного элементаFr 2647271 for the protective layer of the contact element
Jp 1317963 для оболочки мембранJp 1317963 for membrane shell
Jp 11332260 и 55112733 для режущего инструментаJp 11332260 and 55112733 for cutting tools
RU 2214890 и 2214892 для режущего инструментаRU 2214890 and 2214892 for cutting tools
В указанных выше патентах покрытия на основе нитрида титана имеют существенный недостаток: присутствие ярковыраженной границей раздела между защищаемым металлом и защищаемым нитридным слоем. Это при работе материала при температурах 100°С и выше в сильно агрессивной среде приводит к запуску процессов фазообразования на границе раздела, образованию мелких пор и трещин и снижению защитных характеристик покрытия.In the above patents, titanium nitride-based coatings have a significant drawback: the presence of a pronounced interface between the metal to be protected and the nitride layer to be protected. This, when the material is operated at temperatures of 100 ° C and higher in a highly aggressive environment, leads to the start of phase formation processes at the interface, the formation of small pores and cracks and a decrease in the protective characteristics of the coating.
Поскольку в изобретении предлагается использовать наноструктурированные покрытия, то среди этих патентов аналогов в явном виде нет.Since the invention proposes the use of nanostructured coatings, among these patents there are no analogues in explicit form.
Известно наноструктурированное покрытие несущей основы (Заявка на изобретение RU 2005116488), где материалом покрытия является углерод.Known nanostructured coating of the carrier base (Application for invention RU 2005116488), where the coating material is carbon.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является описанное в работе (Dong Li, Xi Cnu, Snang-Cong Cneng. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol.67. N 2. P.202-205) композитное покрытие, которое представляет сэндвич-структуру из поочередно напыленных слоев нитрида титана и нитрида углерода. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании материала с многослойным покрытием, принятого за прототип, является то, что в известном материале с многослойным покрытием, поскольку покрытие имеет микронную толщину, то реализуется образование ярковыраженной границы раздела между защищаемым металлом и защищаемым покрытием, а также между нитридным и карбидным слоем. Это при работе материала при температурах 100°С и выше в сильно агрессивной среде приводит к запуску процессов фазообразования на границе раздела, образованию мелких пор и трещин и снижению защитных (в том числе против коррозии) характеристик покрытия.The closest analogue of the present invention is described in the work (Dong Li, Xi Cnu, Snang-Cong Cneng. Et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol.67. N 2. P.202-205) composite coating, which represents a sandwich structure of alternately sputtered layers of titanium nitride and carbon nitride. For reasons that impede the achievement of the following technical result when using a material with a multilayer coating, adopted as a prototype, is that in the known material with a multilayer coating, since the coating has a micron thickness, the formation of a pronounced interface between the protected metal and the protected coating is realized, as well as between the nitride and carbide layers. This, when the material is operated at temperatures of 100 ° C and higher in a highly aggressive environment, leads to the start of phase formation processes at the interface, the formation of small pores and cracks, and a decrease in the protective (including anti-corrosion) characteristics of the coating.
В отличие от аналогов в состав защитного наноструктурированного покрытия входит не только нанослой нитрида титана, но и нанослой карбида кремния, который непосредственно связан с поверхностью стали, а с этим нанослоем связан нанослой нитрида титана. Такой состав должен свести к минимуму протекание процессов фазообразования, поскольку способность к фазообразованию для вещества в наносостоянии значительно ниже, чем для вещества микронных размеров. Это позволит улучшить защитные свойства покрытия, находящегося в сильно кислой среде.In contrast to analogues, the structure of the protective nanostructured coating includes not only a nanolayer of titanium nitride, but also a nanolayer of silicon carbide, which is directly bonded to the steel surface, and a titanium nitride nanolayer is bonded to this nanolayer. Such a composition should minimize the occurrence of phase formation processes, since the ability to phase formation for a substance in the nanostate is much lower than for a substance of micron size. This will improve the protective properties of the coating located in a strongly acidic environment.
Целью предлагаемого наноструктурированного покрытия на стали является увеличение корозионностойкости материалов нефтехимической промышленности (змеевиков теплообменников из нержавеющей стали и латуни) в сильно кислой среде.The aim of the proposed nanostructured coating on steel is to increase the corrosion resistance of petrochemical industry materials (stainless steel and brass heat exchanger coils) in a strongly acidic environment.
Поставленную цель достигают следующим образом.The goal is achieved as follows.
Используется нанопокрытие на поверхности нержавеющей стали суммарной толщиной 30-60 нм, причем дополнительный слой карбида кремния имеет толщину 5-10 нм, а слой нитрида титана - 25-50 нм и химический состав нанопокрытия, мас.%: SiC 16,6 и TiN 83,4.A nanocoating is used on the surface of stainless steel with a total thickness of 30-60 nm, with an additional layer of silicon carbide having a thickness of 5-10 nm, and a titanium nitride layer of 25-50 nm and the chemical composition of the nanocoating, wt.%: SiC 16.6 and TiN 83 ,four.
Нанопокрытия получают методами химического конструирования поверхности, описанного, например, в статье (В.М.Смирнов, Ж. Общая химия, 2002, т.72, №4, с.633-650).Nanocoatings are obtained by chemical surface engineering methods described, for example, in the article (V.M.Smirnov, J. General Chemistry, 2002, v. 72, No. 4, pp. 63-3-650).
В отличии от аналогов в состав защитного покрытия входит не только наноструктурированный слой нитрида титана, но и наноструктурированный слой карбида кремния, который непосредственно связан с поверхностью стали, а с этим нанослоем связан нанослой нитрида титана. Такой состав позволяет улучшить защитные свойства покрытия, находящегося в сильно кислой среде, поскольку способность к фазообразованию для вещества в наносостоянии значительно ниже, чем для вещества микронных размеров.Unlike analogues, the protective coating includes not only a nanostructured titanium nitride layer, but also a nanostructured silicon carbide layer, which is directly connected to the steel surface, and a titanium nitride nanolayer is connected with this nanolayer. Such a composition makes it possible to improve the protective properties of a coating located in a strongly acidic environment, since the ability to phase formation for a substance in the nanostate is much lower than for a substance of micron size.
Проверка эффективности предлагаемых покрытий проверялась в сравнении с микронными покрытиями с составом по прототипу. Поскольку в аппаратах и трубопроводах нефтехимии используются различные материалы, то в работе использовали два наиболее часто используемых материалов - нержавеющую сталь (на примере 12X1SH10T) и латунь.Verification of the effectiveness of the proposed coatings was tested in comparison with micron coatings with the composition of the prototype. Since various materials are used in the apparatus and pipelines of the petrochemical industry, two of the most commonly used materials were used in the work - stainless steel (for example 12X1SH10T) and brass.
Антикоррозионные нанопокрытия получали на лабораторном реакторе периодического действия, в газовой фазе по методике, описанной в статье (В.М.Смирнов, Ж. Общая химия, 2002, т.72, №4, с.633-650), а микропокрытия методом напыления слоев нитрида титана и нитрида (Dong Li, Xi Спи, Snang-Cong Cneng. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol.67. N 2. P.202-205).Anticorrosive nanocoatings were obtained in a batch laboratory reactor in the gas phase according to the procedure described in the article (V.M.Smirnov, J. General Chemistry, 2002, v. 72, No. 4, pp. 6333-650), and microcoatings by spraying layers of titanium nitride and nitride (Dong Li, Xi Spi, Snang-Cong Cneng. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol.67. N 2. P.202-205).
Скорость коррозии металлических материалов определяется различными методами, но наиболее простым и достаточно надежным является метод оценки скорости коррозии по потере массы образца. Агрессивный раствор (1М HCl) был приготовлен разбавлением 37% HCl, бидисциллированной водой. Гравиметрические измерения проводили в термостатированном стеклянном стакане. Объем раствора 100 мл. Образец для исследований имел прямоугольную форму с размерами (1,5 см × 1,5 см × 0,05 см).The corrosion rate of metallic materials is determined by various methods, but the simplest and most reliable method is to evaluate the corrosion rate by the weight loss of the sample. Aggressive solution (1M HCl) was prepared by diluting 37% HCl with bidistilled water. Gravimetric measurements were carried out in a thermostated glass beaker. The volume of the solution is 100 ml. The research sample had a rectangular shape with dimensions (1.5 cm × 1.5 cm × 0.05 cm).
Полученные результаты.Results.
1. Антикоррозионные свойства покрытий на стали 12Х18Н10Т1. Anticorrosive properties of coatings on steel 12X18H10T
Эффект защитного действия нанопокрытий на коррозионное поведение стали 12Х18Н10Т в 1М HCl растворе был изучен по изменению веса при двух температурах (300К и 323К) после 6 часов пребывания в растворе. Эффективность защиты (Э %) определялось по формуле Э(%)=(1-W/W0)100%, где W и W0 скорости коррозии с защитными слоями и без защитных слоев.The effect of the protective effect of nanocoatings on the corrosion behavior of 12Kh18N10T steel in a 1 M HCl solution was studied by the change in weight at two temperatures (300K and 323K) after 6 hours in solution. The effectiveness of protection (E%) was determined by the formula E (%) = (1-W / W 0 ) 100%, where W and W 0 are corrosion rates with protective layers and without protective layers.
Как видно из табл.1, нанесение защитного нанослоя (SiC и TiN) и микрослоя TiN приводит к резкому понижению скорости коррозии. Основное отличие в поведении слоев TiN заключается в том, что при увеличении толщины наносимого слоя, приближающего к микронному при более высоких температурах, возможны процессы кристаллизации (фазообразования), что приводит к появлению микродефектов (трещин и др. дефектов) и соответственно увеличению скорости коррозии. Для нанослоев такие процессы возможны только при очень высоких температурах. Отметим, что максимальный антикоррозионный эффект достигается уже при нанослоях TiN толщиной 0,5 нм. Это позволяет рекомендовать для практического использования таких покрытий толщины пленок TiN в диапазоне 10-50 нм. Роль промежуточного слоя SiC заключается в том, что при тех же свойствах, что и TiN, структура SiC (длины связей, углы) более близка структуре взятых материалов, что позволяет создать плотное покрытие при минимальных размерах, обладающее высокой термостабильностью.As can be seen from Table 1, the deposition of a protective nanolayer (SiC and TiN) and a TiN micro layer leads to a sharp decrease in the corrosion rate. The main difference in the behavior of TiN layers is that with an increase in the thickness of the deposited layer, approaching the micron layer at higher temperatures, crystallization (phase formation) processes are possible, which leads to the appearance of microdefects (cracks and other defects) and, accordingly, an increase in the corrosion rate. For nanolayers, such processes are possible only at very high temperatures. Note that the maximum anticorrosive effect is achieved even with TiN nanolayers 0.5 nm thick. This allows us to recommend for practical use of such coatings the thickness of TiN films in the range of 10-50 nm. The role of the SiC intermediate layer is that, with the same properties as TiN, the structure of SiC (bond lengths, angles) is closer to the structure of the materials taken, which makes it possible to create a dense coating with a minimum size and high thermal stability.
2. Антикоррозионные свойства покрытий на латуни2. Anticorrosion properties of brass coatings
Латуни представляют собой твердые растворы системы медь-цинк с содержанием цинка до 50 ат.%. Изделия из латуни обычно эксплуатируются в условиях воздействия влажной атмосферы, причем спецификой коррозионного поведения латуней является их обесцинкование. В коррозионную среду переходит цинк, а медь кристаллизуется на поверхности латуни в виде мелкокристаллического пористого слоя. Для коррозионных испытаний распиливали трубки змеевика из латуни на диски толщиной 2 мм с диаметром 30 мм.Brass are solid solutions of the copper-zinc system with a zinc content of up to 50 at.%. Products made of brass are usually operated under conditions of exposure to a humid atmosphere, and the specificity of the corrosion behavior of brass is their dezincification. Zinc passes into the corrosive medium, and copper crystallizes on the surface of brass in the form of a fine crystalline porous layer. For corrosion tests, the brass coil tubes were sawn into disks 2 mm thick with a diameter of 30 mm.
Растворы готовили на бидистилляте из реактивов марки ч.д.а. Коррозионные испытания проводили в стаканах из молибденового стекла. На 1 см2 поверхности образца брали 10 мл раствора. Время испытаний - 15 суток. Продукты коррозии снимали 3%-ным раствором HCl, затем промывали бидистиллятом. В полученном растворе определяли медь и цинк. По убыли в весе образца рассчитывали коэффициенты обесцинкования. При исследовании коррозионной стойкости латуни было установлено, что нанесение защитного нано- и микрослоя TiN и SiC позволяет избавиться от процесса коррозии на латуни. Поскольку особенностью коррозии латуней является их обесцинкование в большей степени за счет кислородной деполяризации, то наличие на поверхности плотных слоев TiN и SiC позволяет радикальным образом предупредить коррозию латуней. Отметим, что нанослои SiC более коррозионно-стойки, однако при выборе состава для нанесения следует учитывать технологические особенности синтеза (их особенность и преимущества). Таким образом в работе было установлено, что эффективными защитными свойствами обладают тугоплавкие соединения на основе титана(карбиды, нитриды). Покрытие ими существенно увеличивает коррозионную устойчивость конструкционных металлов и сплавов.Solutions were prepared on bidistillate from reagent grade grade reagents. Corrosion tests were carried out in molybdenum glass beakers. On 1 cm 2 the surface of the sample was taken 10 ml of solution. The test time is 15 days. Corrosion products were removed with a 3% HCl solution, then washed with double distillate. In the resulting solution, copper and zinc were determined. According to the loss in sample weight, the coefficients of dezincification were calculated. When studying the corrosion resistance of brass, it was found that applying a protective nano- and micro-layer of TiN and SiC allows you to get rid of the corrosion process on brass. Since the characteristic feature of brass corrosion is their dezincification to a greater extent due to oxygen depolarization, the presence of dense layers of TiN and SiC on the surface makes it possible to radically prevent the corrosion of brass. It should be noted that SiC nanolayers are more corrosion resistant, however, when choosing a composition for application, technological features of the synthesis (their peculiarity and advantages) should be taken into account. Thus, it was found in the work that refractory compounds based on titanium (carbides, nitrides) possess effective protective properties. Their coating significantly increases the corrosion resistance of structural metals and alloys.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007104152/02A RU2348741C2 (en) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | Nanostructured protective coating for stainless steel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007104152/02A RU2348741C2 (en) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | Nanostructured protective coating for stainless steel |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007104152A RU2007104152A (en) | 2008-08-10 |
RU2348741C2 true RU2348741C2 (en) | 2009-03-10 |
Family
ID=39746040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007104152/02A RU2348741C2 (en) | 2007-01-26 | 2007-01-26 | Nanostructured protective coating for stainless steel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2348741C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465694C1 (en) * | 2011-06-09 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Electroconductive protective metal coating of current collector and method of its application |
WO2013181648A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | Rudenko Pavlo | Nanostructure with functionally different sides |
RU2573845C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-01-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | METHOD OF PRODUCTION OF ION-PLASMA VACUUM-ARC CERAMIC-METAL COATING TiN-Cu FOR CARBIDE CUTTING TOOL WITH EXTENDED APPLICATION SCOPE |
RU2680071C2 (en) * | 2013-06-10 | 2019-02-14 | Грин Энджиниринг С.Р.Л. | Components of distillation apparatus, method for production and uses thereof |
-
2007
- 2007-01-26 RU RU2007104152/02A patent/RU2348741C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DONG L. et al.// Appl. Phys. Lett., Vol.67, N 2, 1995, p.203-205. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465694C1 (en) * | 2011-06-09 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Electroconductive protective metal coating of current collector and method of its application |
WO2013181648A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | Rudenko Pavlo | Nanostructure with functionally different sides |
RU2680071C2 (en) * | 2013-06-10 | 2019-02-14 | Грин Энджиниринг С.Р.Л. | Components of distillation apparatus, method for production and uses thereof |
RU2573845C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-01-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | METHOD OF PRODUCTION OF ION-PLASMA VACUUM-ARC CERAMIC-METAL COATING TiN-Cu FOR CARBIDE CUTTING TOOL WITH EXTENDED APPLICATION SCOPE |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007104152A (en) | 2008-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU745998B2 (en) | Corrosion-resistant multilayer coatings | |
EP1880033A2 (en) | High performance alloys with improved metal dusting corrosion resistance | |
RU2348741C2 (en) | Nanostructured protective coating for stainless steel | |
WO2008010965A1 (en) | High performance coated material with improved metal dusting corrosion resistance | |
JP2005113266A (en) | Aluminate coating for silicon-containing substrate | |
Yoo et al. | Effect of Si addition to CrN coatings on the corrosion resistance of CrN/stainless steel coating/substrate system in a deaerated 3.5 wt.% NaCl solution | |
Chen et al. | High temperature oxidation of NiCrAlY, nanocrystalline and enamel-metal nano-composite coatings under thermal shock | |
EP4073020A1 (en) | Ceramic surface modification materials | |
CN106086812B (en) | A kind of anti abrasive composite coating of metal surface anticorrosive and preparation method thereof | |
Iroha et al. | Corrosion inhibition of mild steel in acid media by red peanut skin extract-furfural resin | |
KR20060130202A (en) | Metal dusting resistant stable-carbide forming alloy surfaces | |
US6737175B2 (en) | Metal dusting resistant copper based alloy surfaces | |
EP2646515A1 (en) | Surface coating with perfluorinated compounds as antifouling | |
Zarina et al. | Synthesis of Composite Inhibitors and Their properties | |
WO2003078673A1 (en) | Metal dusting corrosion resistant alloys with oxides | |
Berkeley et al. | The effect of pH on the mechanism of corrosion and stress corrosion and degradation of mechanical properties of AA6061 and Nextel 440 fiber-reinforced AA6061 composite | |
Kumar et al. | BIA, DPA, MBTA and DMA as vapour phase corrosion inhibitors for mild steel under different atmospheric conditions | |
Arrando et al. | Comparative study of high corrosion resistant TiCxN1− x and TiN hard coatings | |
Uma et al. | Investigation and inhibition of aluminium corrosion in methane sulphonic acid solution by organic compound | |
Chawla | Corrosion behavior of nanostructured Tialn and Alcrn thin coatings on ASTM-SA213-T-11 boiler steel in simulated salt fog conditions | |
CN108504977B (en) | Preparation method of titanium alloy high-temperature oxidation resistant coating | |
Udayashankar et al. | Oxidation and corrosion resistance of TiAl 3 coatings | |
RU2776388C1 (en) | Component of a turbomachine with a metal coating | |
JP2001343090A (en) | Copper or copper alloy pipe and pipe with anticorrosion film | |
Kumar | Effects of Aging Treatment on Inconel Specimen 600, 625, 718 Coated with Nickel Chromium Carbide (Cr3C2-NiCr) Using Salt and Acidic Corrosion Methods |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100127 |