RU2590738C1 - Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing - Google Patents

Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing Download PDF

Info

Publication number
RU2590738C1
RU2590738C1 RU2014150789/02A RU2014150789A RU2590738C1 RU 2590738 C1 RU2590738 C1 RU 2590738C1 RU 2014150789/02 A RU2014150789/02 A RU 2014150789/02A RU 2014150789 A RU2014150789 A RU 2014150789A RU 2590738 C1 RU2590738 C1 RU 2590738C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
heating
aluminum
cooling
temperature
Prior art date
Application number
RU2014150789/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Сергеевич Орлов
Любовь Александровна Голдобина
Екатерина Сергеевна Попова
Марина Михайловна Королева
Антон Сергеевич Степанов
Николай Александрович Козлов
Владимир Степанович Шкрабак
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Ярославская государственная сельскохозяйственная академия
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Ярославская государственная сельскохозяйственная академия filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Ярославская государственная сельскохозяйственная академия
Priority to RU2014150789/02A priority Critical patent/RU2590738C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2590738C1 publication Critical patent/RU2590738C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to methods of increasing resistance to corrosion and can be used in underground pipeline transport. Method of aluminising steel pipe includes cyclic heating of surface of steel pipe by pulses of electromagnetic radiation in aluminium melt above point Ac3 with further cooling below point Ar1 at heating and cooling rate of not less than 1 K/s, wherein heating is performed to temperature not exceeding 1,220 ± 10 K and cooling to temperature not below 820±10 K, and duration of holding at heating and cooling at extreme temperatures is determined by required depth of penetration of aluminium and its distribution uniformity in steel. Heating of surface of steel pipe is performed in protective atmosphere for depth of penetration of aluminium in steel, and specified cyclic heating in aluminium melt with further cooling is carried out not more than three times. To prevent oxidation molten aluminium is under a layer of molten cryolite. During aluminising, pressure in pipe is kept at 0.5-0.75 of working pressure generated during its operation.
EFFECT: higher efficiency and resistance of steel to high-temperature corrosion.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам повышения стойкости стали к коррозии (в том числе высокотемпературной) и может быть использовано, в подземном трубопроводном транспорте и для защиты труб поверхностей нагрева.The invention relates to methods for increasing the resistance of steel to corrosion (including high temperature) and can be used in underground pipeline transport and for protecting pipes of heating surfaces.

Известен способ оксидирования стальных изделий, включающий обработку водяным паром, охлаждению до 500°C в среде перегретого пара, а затем на воздухе, отличающийся тем, что с целью повышения коррозионной стойкости покрытия, его сплошности и пластичности, а также интенсификации процесса, оксидирование производят термически диссоциированным водяным паром в течение 0,1-1,0 мин (а.с. СССР №1070211, C23С 7/04).A known method of oxidizing steel products, including treatment with water vapor, cooling to 500 ° C in an environment of superheated steam, and then in air, characterized in that in order to increase the corrosion resistance of the coating, its continuity and ductility, as well as the intensification of the process, the oxidation is carried out thermally dissociated water vapor for 0.1-1.0 minutes (AS USSR No. 1070211, C23C 7/04).

Недостатками способа являются:The disadvantages of the method are:

1) необходимость получения диссоциированного водяного пара с температурой от 2000 до 3050°C, что требует применения дорогостоящего плазмотрона;1) the need to obtain dissociated water vapor with a temperature of from 2000 to 3050 ° C, which requires the use of an expensive plasmatron;

2) сравнительно низкая стойкость образующейся магнетитовой пленки Fe3O4, которая под действием катодной защиты подвергается электрохимическому восстановлению до метагидрооксида железа III [2FeO(OH)] и гидрооксида железа II [Fe(OH)2], на что уходит не более 5 лет, хотя магнетит и характеризуется пониженной электрохимической активностью.2) the relatively low resistance of the formed magnetite film Fe 3 O 4 , which under the influence of cathodic protection undergoes electrochemical reduction to iron metahydroxide III [2FeO (OH)] and iron hydroxide II [Fe (OH) 2 ], which takes no more than 5 years , although magnetite is characterized by reduced electrochemical activity.

Известен способ электролизной цементации преимущественно для изделий из алюминиевых и титановых сплавов, включающий выдержку в расплавах карбонатов щелочных металлов при температуре насыщения и заданной плотности тока на катоде, отличающийся тем, что с целью повышения коррозионной стойкости изделий за счет получения карбидов металлов на поверхности, изделие выдерживают при 500-600°С и плотности тока на катоде 0,1-1,4 А/м2 в расплаве смеси карбонатов лития, натрия и калия (а.с. СССР №975828, C23C 9/10).A known method of electrolysis cementation mainly for products from aluminum and titanium alloys, including exposure to molten alkali metal carbonates at a saturation temperature and a given current density at the cathode, characterized in that in order to increase the corrosion resistance of products by producing metal carbides on the surface, the product at 500-600 ° C and a current density at the cathode of 0.1-1.4 A / m 2 in the melt of a mixture of lithium, sodium and potassium carbonates (AS USSR No. 975828, C23C 9/10).

Среди недостатков способа следует отметить:Among the disadvantages of the method should be noted:

1) предлагаемый технологический процесс не предусматривает цементации стали, являющейся основным металлом для производства трубопроводов;1) the proposed process does not provide for cementation of steel, which is the main metal for the production of pipelines;

2) применение расплава карбонатов щелочных металлов в качестве электролита ограничивает возможности способа и затрудняет обработку крупногабаритных изделий;2) the use of a melt of alkali metal carbonates as an electrolyte limits the possibilities of the method and complicates the processing of large-sized products;

3) использование расплавленного электролита при температуре 500-600°C предъявляет требования к герметизации электролизной ванны в целях исключения возможных выбросов ядовитых паров солей лития.3) the use of molten electrolyte at a temperature of 500-600 ° C imposes requirements for sealing the electrolysis bath in order to exclude possible emissions of toxic fumes of lithium salts.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится: способ легирования стали алюминием, включающий не менее трех циклов нагрева стальных деталей пачками импульсов электромагнитного излучения в насыщающей среде выше точки Ас3 с последующим охлаждением ниже точки Ar1, при скорости нагрева и охлаждения не менее 1 К/с, отличающийся тем, что нагрев производят до температуры не выше 1220±10 К и охлаждение до температуры не ниже 820±10 К, продолжительность выдержки при нагреве и охлаждении при экстремальных температурах определяется необходимой глубиной проникновения алюминия и равномерностью распределения его в стали, а для увеличения скорости насыщения обработку ведут в расплаве алюминия, для предотвращения окисления которого поверхность расплава засыпают тонким слоем кокса или древесного угля (патент РФ №2431696, C23C 10/22).Closest to the proposed invention relates to: a method of alloying steel with aluminum, comprising at least three cycles of heating steel parts by packs of pulses of electromagnetic radiation in a saturating medium above the Ac 3 point, followed by cooling below the Ar 1 point, at a heating and cooling rate of at least 1 K / s , characterized in that the heating is carried out to a temperature not higher than 1220 ± 10 K and cooling to a temperature not lower than 820 ± 10 K, the exposure time during heating and cooling at extreme temperatures is determined necessary depth of penetration of aluminum and the uniformity of its distribution in steel, and to increase the saturation rate, the processing is carried out in an aluminum melt, to prevent oxidation of which the melt surface is covered with a thin layer of coke or charcoal (RF patent No. 2431696, C23C 10/22).

Способ также не лишен недостатков:The method is also not without drawbacks:

1) при эксплуатации трубопровода, работающего под давлением, возможно растрескивание высокостойкой к коррозии тонкой пленки окиси алюминия на поверхности нанесенного защитного алюминиевого покрытия на поверхности трубы, что не позволит полностью исключить коррозионные процессы.1) during operation of a pipeline operating under pressure, cracking of a highly corrosion-resistant thin film of aluminum oxide on the surface of the applied protective aluminum coating on the pipe surface is possible, which will not completely eliminate the corrosion processes.

2) слой кокса или древесного угля плохо защищает расплав алюминия от окисления, что снижает качество процесса алитирования.2) a layer of coke or charcoal poorly protects the aluminum melt from oxidation, which reduces the quality of the alitization process.

Задачей изобретения является предотвращение коррозионных процессов на наружных поверхностях подземных катодно-защищенных трубопроводов и труб высокотемпературных поверхностей нагрева путем нанесения на их поверхность устойчивого к коррозии покрытия.The objective of the invention is to prevent corrosion processes on the outer surfaces of underground cathode-protected pipelines and pipes of high-temperature heating surfaces by applying a corrosion-resistant coating to their surface.

Поставленная задача достигается способом повышения стойкости стальных трубопроводов к коррозии алитированием, включающим циклический нагрев стали пачками импульсов электромагнитного излучения в насыщающей среде выше точки Ас3 с последующим охлаждением ниже точки Ar1 при скорости нагрева и охлаждения не менее 1 К/с, когда нагрев производят до температуры не выше 1220±10 К и охлаждение до температуры не ниже 820±10 К, продолжительность выдержки при нагреве и охлаждении при экстремальных температурах определяется необходимой глубиной проникновения алюминия и равномерностью распределения его в стали, а для увеличения скорости насыщения обработку ведут в расплаве алюминия, причем разогрев поверхности стальной трубы осуществляется в защитной атмосфере на глубину проникновения алюминия в сталь, число циклов термоциклирования не превышает трех, для предотвращения окисления расплав алюминия находится под слоем расплава криолита, а в процессе алитирования в трубе поддерживается давление 0,5-0,75 от рабочего давления, создаваемого в процессе ее эксплуатацииThe task is achieved by a method of increasing the resistance of steel pipelines to corrosion by alitization, which includes cyclic heating of steel by pulses of electromagnetic radiation pulses in a saturating medium above the Ac 3 point, followed by cooling below the Ar 1 point at a heating and cooling rate of at least 1 K / s, when heating is performed to temperature not higher than 1220 ± 10 K and cooling to a temperature not lower than 820 ± 10 K, the exposure time during heating and cooling at extreme temperatures is determined by the required penetration depth aluminum and its uniform distribution in steel, and to increase the saturation rate, the treatment is carried out in an aluminum melt, and the surface of the steel pipe is heated in a protective atmosphere to the depth of aluminum penetration into the steel, the number of thermal cycling cycles does not exceed three; to prevent oxidation, the aluminum melt is under a layer of cryolite melt, and in the process of alitizing, a pressure of 0.5-0.75 of the working pressure created during its operation is maintained in the pipe

Новые существенные признаки:New significant features:

1) алитирование поверхности стали ведут, поддерживая давление в трубе 0,5-0,75 от рабочего, создаваемого в процессе ее эксплуатации в целях исключения растрескивания тонкой высокостойкой к коррозии пленки окиси алюминия на поверхности насыщенной алюминием трубы в процессе ее эксплуатации;1) the steel surface is aluminized, maintaining a pressure in the pipe of 0.5-0.75 from the worker created during its operation in order to prevent cracking of a thin highly corrosion-resistant alumina film on the surface of an aluminum-saturated pipe during its operation;

2) разогрев поверхности стали в защитной атмосфере на глубину диффузии алюминия препятствует образованию окислов железа на поверхности стали и обеспечивает заданную толщину диффузионного слоя;2) heating the surface of the steel in a protective atmosphere to a diffusion depth of aluminum prevents the formation of iron oxides on the surface of the steel and provides a given thickness of the diffusion layer;

3) разогрев поверхности стали до температуры не выше 1220±10 К и последующее интенсивное ее охлаждение после обработки расплавом алюминия до температуры не ниже 820±10 К со скоростью не менее 1 К/с обеспечивает осуществление фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe переходов в кратчайшие сроки и высокую производительность технологического процесса за счет ускоренного транспорта атомов алюминия в сталь и интенсификации диффузионных процессов;3) heating the steel surface to a temperature of no higher than 1220 ± 10 K and its subsequent intensive cooling after processing with aluminum melt to a temperature of at least 820 ± 10 K with a speed of at least 1 K / s ensures the implementation of phase α-Fe - γ-Fe and γ -Fe - α-Fe transitions in the shortest possible time and high productivity of the technological process due to the accelerated transport of aluminum atoms in steel and the intensification of diffusion processes;

4) проведение до трех циклов нагрева стали, обработка ее расплавом алюминия и охлаждение обеспечивает высокую производительность технологического процесса при заданной концентрации атомов алюминия в стали на заданной глубине;4) conducting up to three cycles of heating the steel, processing it with molten aluminum and cooling provides high productivity of the process at a given concentration of aluminum atoms in steel at a given depth;

5) наличие расплава криолита на поверхности расплавленного алюминия препятствует образованию окиси алюминия на поверхности расплава и обеспечивает высокое качество процесса алитирования стали;5) the presence of a cryolite melt on the surface of molten aluminum prevents the formation of aluminum oxide on the surface of the melt and ensures a high quality of steel aluminizing process;

6) плотная и прочная пленка окиси алюминия предохраняет от коррозии, в том числе от межкристаллитной, стесс-коррозии и высокотемпературной коррозии алитированой стали, повышая жаростойкость труб поверхностей нагрева;6) a dense and durable alumina film protects against corrosion, including from intergranular, stess corrosion and high-temperature corrosion of aluminized steel, increasing the heat resistance of pipes of heating surfaces;

7) образующиеся в процессе алитирования на поверхности стали интерметаллические соединения обеспечивают плотное сцепление алюминиевого слоя со сталью и исключает отслоение покрытия;7) intermetallic compounds formed in the process of alitizing on the surface of the steel ensure tight adhesion of the aluminum layer to the steel and eliminates delamination of the coating;

8) контакт разогретой стали с расплавом алюминия удаляет следы окислов железа с алитируемой поверхности и обеспечивает высокое качество процесса;8) the contact of the heated steel with the molten aluminum removes traces of iron oxides from the alitized surface and ensures a high quality process;

9) получение стальных конструкций, поверхность которых насыщена алюминием на необходимую глубину термоциклированием, обеспечивает высокую производительность процесса.9) obtaining steel structures, the surface of which is saturated with aluminum to the required depth by thermal cycling, provides high performance of the process.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяются испрашиваемый объем правовой охраны.The above new essential features, together with the known ones, provide a technical result in all cases to which the requested amount of legal protection applies.

Получение технического результата изобретения достигается использованием уникальных свойств алалитированных сталей.Obtaining the technical result of the invention is achieved using the unique properties of alalitized steels.

В большинстве случаев в армированных алюминиевых конструкциях связь между несущим стальным вкладышем и алюминием - чисто механическая. Осуществляется она за счет сжимающего усилия затвердевающего алюминия (когда стальной вкладыш заливается алюминиевым расплавом), либо за счет усилия запрессовки (при запрессовке стального вкладыша в изготовленную деталь). Для повышения прочности сцепления на стальном прутке выполняют различного рода выступы, впадины, пазы или увеличивают шероховатость поверхности стальной детали струйной обработкой, накаткой или насечкой. Однако во всех случаях на границе контакта двух сплавов (алюминиевого и железоуглеродистого) имеются пленки оксидов и воздушный зазор, которые резко снижают качество покрытия.In most cases, in reinforced aluminum structures, the connection between the bearing steel liner and aluminum is purely mechanical. It is carried out due to the compressive force of the hardening aluminum (when the steel liner is filled with aluminum melt), or due to the pressing force (when pressing the steel liner into the manufactured part). To increase the adhesion strength on the steel bar, various protrusions, depressions, grooves are performed or the surface roughness of the steel part is increased by blasting, knurling or notching. However, in all cases, there are oxide films and an air gap at the interface between two alloys (aluminum and iron-carbon), which sharply reduce the quality of the coating.

Трудность получения плотного биметаллического контакта заключается в большом сродстве алюминия с кислородом и в значительной прочности оксида алюминия A12O3. Алюминиевый расплав находится под слоем оксида алюминия, препятствующего смачиванию стали, а быстрое затвердевание пограничного слоя не дает возможности удалить его оксидорастворяющими флюсами и другими методами.The difficulty in obtaining a dense bimetallic contact lies in the high affinity of aluminum with oxygen and in the significant strength of aluminum oxide A1 2 O 3 . The aluminum melt is located under a layer of aluminum oxide, which prevents the wetting of steel, and the rapid hardening of the boundary layer does not make it possible to remove it with oxide-dissolving fluxes and other methods.

Более эффективен способ получения биметаллических конструкций алитированием сталей, в результате чего образуется переходный слой - диффузионная зона, создающая хороший контакт стали с алюминиевым расплавом.A more efficient way to obtain bimetallic structures by aluminizing steels, as a result of which a transition layer is formed - a diffusion zone, which creates good contact of steel with aluminum melt.

Известно несколько методов алитирования. Наиболее целесообразным следует считать алитирование погружением стали в расплав алюминия при температуре 820…1220 К с последующей выдержкой в течение 1…15 мин, при которой достигается оптимальная толщина диффузионной зоны, равной 0,02…0,03 мм. Основными преимуществами этого способа являются простота, быстрота процесса и невысокая стоимость. Но на получение диффузионного слоя толщиной 0,35 мм требуется экспозиция τ=60 мин.Several aliasing methods are known. Alithization by immersion of steel in aluminum melt at a temperature of 820 ... 1220 K with subsequent exposure for 1 ... 15 min, at which the optimum thickness of the diffusion zone equal to 0.02 ... 0.03 mm, is considered to be the most appropriate. The main advantages of this method are simplicity, speed of the process and low cost. But to obtain a diffusion layer 0.35 mm thick, an exposure of τ = 60 minutes is required.

Вместе с тем, при термоциклировании стали в интервале температур (820…1220) К в процессе фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe переходов в ограниченных объемах металл, в результате перестройки кристаллической решетки, оказывается в псевдожидком состоянии, и при нагревании, и при охлаждении перемещающийся, в результате фазового переноса, вглубь металла, перенося с собой все примеси, в том числе и легирующие атомы к сердцевине детали. При «кристаллизации» псевдорасплава в первую очередь кристаллизуется железо, а примесь переносится псевдожидким объемом железа вглубь детали, как при зонной плавке. Процесс полиморфного превращения облегчает проникновение легирующих атомов в псевдожидкий объем металла и обеспечивает интенсификацию процесса. Дифференциальное уравнение массопереноса атома внедрения стационарных и динамических процессов химико-термической обработки стали имеет вид:At the same time, during thermal cycling of steel in the temperature range (820 ... 1220) K during phase α-Fe - γ-Fe and γ-Fe - α-Fe transitions in limited volumes, the metal, as a result of the crystal lattice rearrangement, is in a pseudo-liquid state during heating and cooling, moving, as a result of phase transfer, deep into the metal, carrying with it all impurities, including alloying atoms to the core of the part. During the "crystallization" of the pseudo-melt, iron is first crystallized, and the impurity is carried by the pseudo-liquid volume of iron deep into the part, as in zone melting. The process of polymorphic transformation facilitates the penetration of alloying atoms into the pseudo-liquid volume of the metal and ensures the intensification of the process. The differential equation of mass transfer of an atom of introduction of stationary and dynamic processes of chemical-thermal treatment of steel has the form:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: (∂m/∂t) - количество (масса) вещества, прошедшее через площадку S за время t (массоперенос);where: (∂m / ∂t) is the amount (mass) of the substance that passed through the site S during time t (mass transfer);

2Ф/(∂x∂t), ∂2T/(∂x∂t) - скорости изменения градиентов магнитного потока и температуры - слагаемые, описывающие ускоренные электромагнитный и фазовый переносы атомов легирующей примеси при полиморфных фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe превращениях в оптимальном температурном диапазоне при термоциклировании;2 Ф / (∂x∂t), ∂ 2 T / (∂x∂t) - rates of change of the magnetic flux gradients and temperature - terms describing the accelerated electromagnetic and phase transfers of dopant atoms during polymorphic phase α-Fe - γ- Fe and γ-Fe - α-Fe transformations in the optimal temperature range during thermal cycling;

(∂c/∂x); (∂P/∂x); (∂T/∂x); (∂φ/∂x); (∂VM/∂x) - градиенты концентрации, давления, температуры, потенциала и изменения объема, описывающие соответственно собственно диффузионный массоперенос по первому закону Фика, барический перенос по межкристаллитным и внутрикристаллитным пространствам, обеспечивающий проникновение легирующих атомов в сталь - по Орлову, теплоперенос в соответствии с уравнением Фика-Нернста, электроперенос по Фромму и Гебхарту и вакансионный перенос по Мечеву;(∂c / ∂x); (∂P / ∂x); (∂T / ∂x); (∂φ / ∂x); (∂V M / ∂x) are the gradients of concentration, pressure, temperature, potential and volume changes, which respectively describe the actual diffusion mass transfer according to the first Fick law, baric transfer along intergranular and intracrystalline spaces, which ensures the penetration of alloying atoms into steel - according to Orlov, heat transfer in accordance with the Fick-Nernst equation, Fromm and Gebhart transfer and vacancy transfer according to Mechev;

D - коэффициент диффузии водорода в металле;D is the diffusion coefficient of hydrogen in the metal;

М - вес грамм - молекулы диффундирующего вещества;M is the weight of grams - molecules of a diffusing substance;

А, В, С, Y, X - интегральные коэффициенты.A, B, C, Y, X - integral coefficients.

Коэффициент диффузии легирующей примеси при термоциклировании определяют уже не ограничения, накладываемые на диффузионные процессы в твердом металле, а скорость распространения волны псевдожидкого фазового превращения в объеме стали, зависящего прежде всего от скорости изменения градиентов магнитного потока и температуры ∂2Ф/(∂x∂t), ∂2T/(∂x∂t) - слагаемых уравнения (1), описывающих ускоренные электромагнитный и фазовый переносы атомов легирующей примеси при полиморфных фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe превращениях в оптимальном температурном диапазоне при термоциклировании.The diffusion coefficient of the alloying impurity during thermal cycling is no longer determined by the restrictions imposed on diffusion processes in a solid metal, but by the propagation velocity of a pseudo-liquid phase transformation wave in the volume of steel, which depends primarily on the rate of change of the magnetic flux gradients and temperature ∂ 2 Ф / (∂x∂t ), ∂ 2 T / (∂x∂t) are the terms of Eq. (1) that describe the accelerated electromagnetic and phase transfers of dopant atoms during polymorphic phase α-Fe - γ-Fe and γ-Fe - α-Fe transformations at optimal temperatures Nominal range for thermal cycling.

Ускоренный транспорт легирующей примеси в металл облегчается тем, что при фазовом переходе ограниченные объемы поверхности стали находятся в псевдожидком состоянии и при смене типа решетки переносят адсорбированную примесь в объем стали. При нагреве до температур выше 1100 К - выше линии GOSE (фиг. 1) заканчивается фазовый переход α-Fe - γ-Fe и входные сечения в межкрислаллитные, межблочные и межфрагментарные полости увеличиваются, облегчая проникновение в них расплава лигатуры и транспорт ее в металл и в металле.The accelerated transport of the alloying impurity to the metal is facilitated by the fact that during the phase transition, limited volumes of the steel surface are in a pseudo-liquid state and when the type of lattice is changed, the adsorbed impurity is transferred into the volume of steel. When heated to temperatures above 1100 K - above the GOSE line (Fig. 1), the α-Fe - γ-Fe phase transition ends and the inlet sections in the intercryllite, interblock and interfragment cavities increase, facilitating the penetration of the ligature melt into it and its transport into the metal and in metal.

Фазовые превращения происходят не мгновенно по всему объему, а постепенно (в зависимости от степени перегрева или переохлаждения стали). Псевдожидкая волна полиморфного фазового превращения и при нагревании (выше линии GOSE) и при охлаждении (ниже линии PS) перемещается с конечной скоростью с поверхности детали от источника нагрева (или от холодильника при охлаждении) к его сердцевине (фиг. 1). Используя L-образную диаграмму (фиг. 2) образования аустенита при нагреве и С-образную диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (фиг. 3), можно определить время выдержки алитируемых деталей при экстремальных температурах для получения заданной толщины диффузионного слоя.Phase transformations occur not instantly throughout the volume, but gradually (depending on the degree of overheating or supercooling of the steel). A pseudo-fluid wave of polymorphic phase transformation during heating (above the GOSE line) and during cooling (below the PS line) moves with finite speed from the surface of the part from the heating source (or from the refrigerator during cooling) to its core (Fig. 1). Using the L-shaped diagram (Fig. 2) of the formation of austenite upon heating and the C-shaped diagram of the isothermal transformation of supercooled austenite (Fig. 3), it is possible to determine the exposure time of the aluminized parts at extreme temperatures to obtain a given diffusion layer thickness.

При алитировании погружением особое значение приобретают физико-химические явления, протекающие с большой скоростью, которые могут полностью нарушить процесс. К таким явлениям относятся образование оксидных пленок на поверхностях твердого и жидкого металлов, мешающих возникновению связи между атомами железа и алюминия.When alitizing by immersion, physicochemical phenomena occurring at a high speed, which can completely disrupt the process, acquire particular importance. Such phenomena include the formation of oxide films on the surfaces of solid and liquid metals, which interfere with the appearance of bonds between iron and aluminum atoms.

Для предупреждения образования оксидных пленок при нагреве стали применяют защитную атмосферу; использование покровных флюсов введением криолита в ванну с расплавом алюминия приводит к растворению пленки оксида алюминия, находящейся на поверхности ванны:To prevent the formation of oxide films when heating steel, a protective atmosphere is used; the use of coating fluxes by introducing cryolite into a bath with molten aluminum leads to the dissolution of the film of aluminum oxide located on the surface of the bath:

Figure 00000002
Figure 00000002

Нагретая поверхность стали со следами оксида железа восстанавливается жидким алюминием (первая стадия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза):The heated steel surface with traces of iron oxide is restored by liquid aluminum (the first stage of self-propagating high-temperature synthesis):

Figure 00000003
Figure 00000003

Полученное восстановленное железо вступает в реакцию с алюминием с образованием интерметаллидного соединения FeXAlY с выделением тепла (вторая стадии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза). Конечный продукт химических реакций интерметаллид FeXAlY - переходный слой (диффузионная зона) между алюминием и железом толщиной слоя 0,02-0,03 мм при одном цикле нагрев - охлаждение. Получение биметаллических конструкций алюминий - железо с диффузионной связью способствует образованию переходного слоя в виде интерметаллического химического соединения FeXAlY в условиях непрерывности процесса.The resulting reduced iron reacts with aluminum to form the Fe X Al Y intermetallic compound to produce heat (the second stage of self-propagating high-temperature synthesis). The final product of chemical reactions is Fe X Al Y intermetallic - a transition layer (diffusion zone) between aluminum and iron with a layer thickness of 0.02-0.03 mm in a single heating-cooling cycle. Obtaining bimetallic aluminum-iron structures with diffusion bonding promotes the formation of a transition layer in the form of an intermetallic chemical compound Fe X Al Y under continuous process conditions.

Интенсивное протекание алюмотермической реакции очищающей поверхность стали перед последующим алитированием обеспечивает высокую чистоту поверхности конструкции. Сочетание СВС-процесса и алюмотермии в процессе обработки стали расплавом алюминия автоматически приводит к образованию переходной зоны. Поэтому основные принципы этой технологии могут использоваться в различных отраслях техники для изготовления биметаллических сталеалюминиевых конструкций.The intense aluminothermic reaction that cleans the surface of the steel before subsequent alimony ensures high purity of the surface of the structure. The combination of the SHS process and aluminothermy during the processing of steel with aluminum melt automatically leads to the formation of a transition zone. Therefore, the basic principles of this technology can be used in various industries for the manufacture of bimetal steel-aluminum structures.

Использование данной технологии получения биметаллических конструкций алюминий-сталь с диффузионной связью, образованной за счет металлотермии и СВС-процесса, обладающей низким переходным электрическим сопротивлением и высокой прочностью сцепления стали с алюминием, обеспечивает монолитность конструкции. Диффузионный слой стабилизирует электрический контакт между алюминием и стальной поверхностью, снижая электрическое сопротивление последнейо и повышая эксплуатационные характеристики биметаллических соединений.The use of this technology for producing aluminum-steel bimetallic structures with diffusion bonding formed by metallothermy and the SHS process, which has a low transient electrical resistance and high adhesion strength of steel to aluminum, ensures the design is monolithic. The diffusion layer stabilizes the electrical contact between aluminum and the steel surface, reducing the electrical resistance last and increasing the operational characteristics of bimetallic compounds.

Используя диаграмму образования аустенита при нагреве (фиг. 2) и диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (фиг. 3), можно определить время выдержки алитируемых деталей при экстремальных температурах для того, чтобы получить заданную толщину слоя. Если транспорт Al необходимо осуществить только в тонкий поверхностный слой сечения образца, то временная выдержка при температуре 820 и 1220 К не осуществляется. Если необходимо осуществить транспорт Al в металл на 2-3 [мм], то оптимальным будет вариант нагрева до температуры 1050 К (верхняя граница температурного коридора) с выдержкой при этой температуре 4…5 мин, так как в этом случае полное превращение феррита в аустенит может произойти только за время порядка 16 мин. Тогда за время экспозиции волна псевдожидкого полиморфного превращения, осуществляющая фазовый перенос и несущая Al, пройдет только четверть своего пути до сердцевины детали диаметром 20 мм, а за 4 мин изотермическое образование аустенита закончится только в поверхностном 2-миллиметровом слое.Using the diagram of the formation of austenite during heating (Fig. 2) and the diagram of isothermal transformation of supercooled austenite (Fig. 3), it is possible to determine the holding time of aluminized parts at extreme temperatures in order to obtain a given layer thickness. If Al transport must be carried out only in a thin surface layer of the sample cross section, then temporary exposure at a temperature of 820 and 1220 K is not carried out. If it is necessary to transport Al into metal by 2-3 [mm], then the best option would be heating to a temperature of 1050 K (the upper limit of the temperature corridor) with holding at this temperature for 4 ... 5 minutes, since in this case the complete conversion of ferrite to austenite can only happen in about 16 minutes. Then, during the exposure, a pseudo-liquid polymorphic transformation wave that carries out phase transfer and carries Al will pass only a quarter of its path to the core of a part with a diameter of 20 mm, and in 4 minutes the isothermal formation of austenite will end only in the surface 2-mm layer.

По С-образной кривой диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита определяем, что при температуре 950 К время полного полиморфного превращения γ-Fe в α-Fe составляет порядка 16 мин. Тогда для получения 2-миллиметрового диффузионного слоя Al необходима выдержка при этой температуре (нижняя граница температурного коридора термоциклирования) в течение 4…5 мин.From the C-shaped curve of the isothermal transformation diagram of supercooled austenite, we determine that at a temperature of 950 K the time of complete polymorphic conversion of γ-Fe to α-Fe is about 16 minutes. Then, to obtain a 2-mm diffusion layer of Al, exposure at this temperature (lower boundary of the thermal cycling temperature corridor) is required for 4 ... 5 min.

В соответствии с вышеизложенным была разработана и опробована в лабораторных условиях методика насыщения стали алюминием импульсным методом. Стальные образцы из низкоуглеродистой стали в герметичных контейнерах с расплавленным алюминием подвергались импульсному воздействию электромагнитного поля. Верхний предел температурного интервала 1170 К, нижний - 820 К. Выдержка при экстремальных температурах составляла не менее 5 мин. Варьировалось длительность и количество циклов. Полное время обработки при любом из опытов не превышало полутора часов. Проникновение Al в сталь осуществлено по всему сечению образца в течение 7 циклов.In accordance with the foregoing, a method for saturation of steel with aluminum by the pulsed method was developed and tested in laboratory conditions. Steel samples of low carbon steel in airtight containers with molten aluminum were subjected to pulsed electromagnetic fields. The upper limit of the temperature range is 1170 K, the lower limit is 820 K. The exposure at extreme temperatures was at least 5 minutes. Duration and number of cycles varied. The total processing time in any of the experiments did not exceed one and a half hours. Penetration of Al into steel was carried out over the entire cross section of the sample for 7 cycles.

Проведенный эксперимент подтверждает возможность получения стальных конструкций, поверхность которых насыщена алюминием на необходимую глубину, что обеспечивает стойкость стали к высокотемпературной коррозии и повышает жаростойкость сталиThe experiment confirms the possibility of obtaining steel structures, the surface of which is saturated with aluminum to the required depth, which ensures the resistance of steel to high temperature corrosion and increases the heat resistance of steel

Длительная (с 2009 года) выдержка алитированного образца стали в воде не привела к его коррозии. Образец остается светлым, поверхность тускло поблескивает, в то время как неалитированный обазец стали покрылся «бахромой» ржавчины, что также подтверждает заданные коррозионные свойства, в том числе стойкость к межкристаллитной и стресс-коррозии, причиной которых является наводороживание металла, от которого алитированную сталь защищает тонкая и прочная пленка окиси алюминия и «заполненные» алюминием межблочные, межфрагментарные и межкристаллитные пространства на поверхности стали, проникновению атомарного водорода в которые препятствует заполняющий их алюминий.Long (since 2009) exposure of the aluminized steel sample in water did not lead to its corrosion. The sample remains light, the surface gleams dimly, while the unaltered steel sample is covered with a “fringe” of rust, which also confirms the specified corrosion properties, including resistance to intergranular and stress corrosion, the cause of which is hydrogenation of the metal, from which aluminized steel protects thin and durable aluminum oxide film and inter-block, inter-fragment and inter-crystalline spaces “filled” with aluminum on the surface of steel, the penetration of atomic hydrogen into which yatstvuet filling their aluminum.

Claims (1)

Способ алитирования стальной трубы, включающий циклический нагрев поверхности стальной трубы пачками импульсов электромагнитного излучения в расплаве алюминия выше точки Ас3 с последующим охлаждением ниже точки Ar1 при скорости нагрева и охлаждения не менее 1 К/с, при этом нагрев проводят до температуры не выше 1220±10 К и охлаждение до температуры не ниже 820±10 К, а продолжительность выдержки при нагреве и охлаждении при экстремальных температурах определяется необходимой глубиной проникания алюминия и равномерностью распределения его в стали, отличающийся тем, что разогрев поверхности стальной трубы осуществляют в защитной атмосфере на глубину проникания алюминия в сталь, а упомянутый циклический нагрев в расплаве алюминия с последующим охлаждением проводят не более трех раз, при этом для предотвращения окисления расплав алюминия находится под слоем расплава криолита, а в процессе алитирования в трубе поддерживают давление 0,5-0,75 от рабочего давления, создаваемого в процессе ее эксплуатации. A method of aluminizing a steel pipe, including cyclic heating of the surface of a steel pipe with bursts of pulses of electromagnetic radiation in an aluminum melt above the Ac 3 point, followed by cooling below the Ar 1 point at a heating and cooling rate of at least 1 K / s, while heating to a temperature of not higher than 1220 ± 10 K and cooling to a temperature not lower than 820 ± 10 K, and the exposure time during heating and cooling at extreme temperatures is determined by the necessary penetration depth of aluminum and its uniform distribution in tal, characterized in that the heating of the surface of the steel pipe is carried out in a protective atmosphere to the depth of penetration of aluminum into the steel, and the aforementioned cyclic heating in the aluminum melt with subsequent cooling is carried out no more than three times, while to prevent oxidation, the aluminum melt is under the cryolite melt layer, and in the process of alitizing in the pipe maintain a pressure of 0.5-0.75 of the working pressure created during its operation.
RU2014150789/02A 2014-12-15 2014-12-15 Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing RU2590738C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150789/02A RU2590738C1 (en) 2014-12-15 2014-12-15 Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150789/02A RU2590738C1 (en) 2014-12-15 2014-12-15 Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2590738C1 true RU2590738C1 (en) 2016-07-10

Family

ID=56372100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014150789/02A RU2590738C1 (en) 2014-12-15 2014-12-15 Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2590738C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1715882A1 (en) * 1988-07-25 1992-02-28 Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии Method of depositing aluminum coat on moving rolled steel
US6755613B1 (en) * 1999-05-14 2004-06-29 Siemens Aktiengesellschaft Component and method for producing a protective coating on a component
RU2431696C2 (en) * 2009-04-20 2011-10-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ярославская государственная сельскохозяйственная академия Procedure for alloying steel with aluminium
WO2012137687A1 (en) * 2011-04-01 2012-10-11 新日本製鐵株式会社 Hot stamp-molded high-strength component having excellent corrosion resistance after coating, and method for manufacturing same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1715882A1 (en) * 1988-07-25 1992-02-28 Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии Method of depositing aluminum coat on moving rolled steel
US6755613B1 (en) * 1999-05-14 2004-06-29 Siemens Aktiengesellschaft Component and method for producing a protective coating on a component
RU2431696C2 (en) * 2009-04-20 2011-10-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ярославская государственная сельскохозяйственная академия Procedure for alloying steel with aluminium
WO2012137687A1 (en) * 2011-04-01 2012-10-11 新日本製鐵株式会社 Hot stamp-molded high-strength component having excellent corrosion resistance after coating, and method for manufacturing same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Benamati et al. Development of tritium permeation barriers on Al base in Europe
Yin et al. Effect of Si on growth kinetics of intermetallic compounds during reaction between solid iron and molten aluminum
Han et al. Influence of silicon on hot-dip aluminizing process and subsequent oxidation for preparing hydrogen/tritium permeation barrier
Abdolahi et al. Improvement of the corrosion behavior of low carbon steel by laser surface alloying
KR102014204B1 (en) Metal coated steel strip
Bindumadhavan et al. Aluminizing and subsequent nitriding of plain carbon low alloy steels for piston ring applications
Donghui et al. Surface and cross-section characteristics and immersion corrosion behavior of laser thermal sprayed amorphous AlNiCoCrY2O3 coatings
KR20080023312A (en) Cladding tubes made of ferritic/martensitic or austenitic steel for nuclear fuel elements/fuels and method for subsequently treating a fecra protective layer thereon that is suited for high temperatures
Kim et al. Effect of phase difference on growth kinetic of alloy layer in aluminized and diffusion-treated 12% Cr heating resistant steels
Bhanumurthy et al. Solid-state diffusion reaction and formation of intermetallic phases in the Fe-Al system
Danzo et al. Microstructure of hot dip coated Fe–Si steels
Bhavsar et al. Structural characterization of aluminized steel heat treated in different environments
Wu et al. Microstructure and Thickness of 55 pct Al-Zn-1.6 pct Si-0.2 pct RE hot-dip coatings: experiment, thermodynamic, and first-principles study
Singh et al. Preparation and investigation of aluminized coating and subsequent heat treatment on 9Cr–1Mo Grade 91 steel
Jamnapara et al. Compatibility study of plasma grown alumina coating with Pb–17Li under static conditions
RU2590738C1 (en) Method of increasing resistance of steel pipelines against corrosion by aluminizing
RU2490740C2 (en) Method for manufacturing of aluminium-steel wire
Prasanthi et al. Hot dip aluminization of 304L SS and P91 ferritic-martensitic steel–Comparison of interface morphology and growth kinetics of reaction zones
Bartkowska et al. The influence of the laser beam fluence on change in microstructure, microhardness and phase composition of FeB-Fe2B surface layers produced on Vanadis-6 steel
Jeshvaghani et al. Study on formation and characterization of iron aluminide coatings on 9Cr–1Mo steel substrate
Li et al. Improved corrosion resistance of AISI 321 steel to molten Al-Si alloy by aluminizing and laser shock peening
JP5320899B2 (en) Alloyed hot-dip galvanized steel sheet with excellent plating adhesion
Mohsenifar et al. EFFECT OF HLGH TEMPERATURE OXIDATION ON THE CORROSION BEHAVIOR OF ALUMINIZED LOW CARBON STEEL IN MOLTEN ALUMINUM
Haye Industrial solutions for inductive heating of steels
JP5561638B2 (en) Metal curing method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161216