RU2595184C2 - Method of increasing corrosion resistance of structural materials, metal article with increased corrosion resistance - Google Patents
Method of increasing corrosion resistance of structural materials, metal article with increased corrosion resistance Download PDFInfo
- Publication number
- RU2595184C2 RU2595184C2 RU2014132223/02A RU2014132223A RU2595184C2 RU 2595184 C2 RU2595184 C2 RU 2595184C2 RU 2014132223/02 A RU2014132223/02 A RU 2014132223/02A RU 2014132223 A RU2014132223 A RU 2014132223A RU 2595184 C2 RU2595184 C2 RU 2595184C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hardening
- product
- corrosion resistance
- metal
- passivation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к способам обработки конструкционных материалов, например стали, и может быть использовано для обеспечения коррозионной стойкости стальных поверхностей конструкций контура ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем.The invention relates to methods for processing structural materials, for example steel, and can be used to ensure corrosion resistance of steel surfaces of the structures of the contour of a nuclear reactor with a liquid metal coolant.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Защита от коррозии конструкционных материалов из различных металлов и сплавов, работающих в агрессивных жидких и газовлажных средах, например морских судов, железнодорожного и автотранспорта, трубопроводов и оборудования газовой, химической, нефтехимической и других отраслей народного хозяйства, имеет существенное значение. В атомной энергетике одной из основных задач является обеспечение работоспособности элементов активной зоны, включая тепловыделяющий элемент (твэл) и такой его компонент, как оболочка, рабочее колесо главного циркуляционного насоса, а также всего первого контура теплоносителя и его элементов. Именно к этим элементам предъявляются высокие требования по коррозионной стойкости, механической прочности в сочетании с хорошей пластичностью.Corrosion protection of structural materials from various metals and alloys operating in aggressive liquid and gas-moist environments, for example, marine vessels, railway and motor vehicles, pipelines and equipment of gas, chemical, petrochemical and other sectors of the national economy, is essential. In nuclear energy, one of the main tasks is to ensure the operability of core elements, including a fuel element (fuel element) and its component such as a shell, an impeller of the main circulation pump, as well as the entire primary coolant circuit and its elements. It is to these elements that high demands are placed on corrosion resistance, mechanical strength combined with good ductility.
Известен «Способ защиты конструкционных материалов от коррозии при повышенных температурах в жидком свинце, висмуте и их сплавах», представленный в патенте RU 2066710. Согласно этому способу на поверхности материала создают оксидное покрытие. Защитная оксидная пленка создается посредством обработки материала в жидкометаллической среде с низким парциальным давлением кислорода, например в Pb(Bi)-O. Скорость коррозии сталей падает в разы по сравнению со случаем коррозии сталей без защитных оксидных пленок на поверхности или со случаем, когда оксидные пленки на поверхности не являются защитными (т.е. являются несплошными).The well-known "Method of protecting structural materials from corrosion at elevated temperatures in liquid lead, bismuth and their alloys", presented in patent RU 2066710. According to this method, an oxide coating is created on the surface of the material. A protective oxide film is created by treating the material in a liquid metal medium with a low partial pressure of oxygen, for example, in Pb (Bi) -O. The corrosion rate of steels decreases several times compared with the case of steel corrosion without protective oxide films on the surface or with the case when the oxide films on the surface are not protective (i.e., are non-continuous).
Однако даже в случае с защитными оксидными пленками на поверхности сталей процесс коррозии не исчезает полностью: идет процесс растворения и механического разрушения защитных оксидных пленок на поверхности стали и их одновременный рост. Часть растворенных на «горячем» участке контура свинецсодержащего теплоносителя компонентов оксидных пленок может на «холодном» участке контура теплоносителя кристаллизоваться (образуются твердые продукты коррозии). Твердые продукты коррозии могут высаживаться в фильтре. Таким образом, несмотря на снижение коррозии конструкционных материалов в жидкометаллической среде, подобное оксидированное покрытие может растворяться, растрескиваться, разрыхляться, отслаиваться и разрушаться другими способами, а теплоноситель может проникать под оксидную пленку.However, even in the case of protective oxide films on the surface of steels, the corrosion process does not completely disappear: the process of dissolution and mechanical destruction of the protective oxide films on the steel surface and their simultaneous growth are ongoing. A part of oxide film components dissolved in the “hot” section of the lead-containing coolant circuit can crystallize in the “cold” section of the coolant circuit (solid corrosion products are formed). Solid corrosion products can settle in the filter. Thus, despite the reduction of corrosion of structural materials in a liquid metal medium, such an oxidized coating can dissolve, crack, loosen, peel and break in other ways, and the coolant can penetrate under the oxide film.
Для сохранения эффекта снижения коррозии может применяться «Способ поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура со свинецсодержащим теплоносителем», описанный в патенте RU 2100480. Он включает создание на внутренней поверхности контура антикоррозионного покрытия из оксидов компонентов конструкционных сталей в процессе эксплуатации контура за счет поддержания концентрации растворенного в теплоносителе кислорода не ниже значения, определяемого по формуле. При этом кислород вводят в контур свинецсодержащего теплоносителя и поддерживают термодинамическую активность (далее - ТДА) растворенного в теплоносителе кислорода описываемыми в патенте несколькими способами. Растворенный в свинецсодержащем теплоносителе кислород (при поддержании его ТДА на необходимом уровне) образует на поверхности сталей защитные оксидные пленки.To maintain the effect of reducing corrosion, the “Method for maintaining the corrosion resistance of a steel circulation loop with a lead-containing coolant” described in RU 2100480 can be applied. It includes the creation of an anticorrosive coating from oxides of structural steel components during operation of the circuit by maintaining the concentration of dissolved in the oxygen coolant is not lower than the value determined by the formula. In this case, oxygen is introduced into the lead-containing coolant circuit and the thermodynamic activity (hereinafter - TDA) of oxygen dissolved in the coolant is supported by several methods described in the patent. Oxygen dissolved in a lead-containing coolant (while maintaining its TDA at the required level) forms protective oxide films on the surface of steels.
Известно, что в контурах с теплоносителем на основе щелочных металлов (натрия, калия и пр.) одним из основных методов снижения скорости коррозии сталей является обеспечение стойкости защитной пленки на контактирующих с теплоносителем поверхностях конструкционных элементов. Основа этих защитных пленок - компоненты стали (в первую очередь это железо и хром), кислород и щелочной металл. Например, в контурах с натриевым теплоносителем такой защитной пленкой для хромоникелевой нержавеющей стали является пленка на основе Na4FeO3 и NaCrO2. Эти пленки образуются при определенном содержании кислорода в натрии (в виде Na2O) и температуре. Обеспечивая необходимый кислородный и температурный режим, достигают пассивации контактирующих с теплоносителем поверхностей конструкционных элементов, на поверхности образуются стойкие сплошные защитные пленки, что многократно снижает скорость коррозии.It is known that in circuits with a coolant based on alkali metals (sodium, potassium, etc.), one of the main methods for reducing the corrosion rate of steels is to ensure the stability of the protective film on the surfaces of structural elements in contact with the coolant. The basis of these protective films is the components of steel (primarily iron and chromium), oxygen and an alkali metal. For example, in circuits with sodium coolant, such a protective film for chromium-nickel stainless steel is a film based on Na 4 FeO 3 and NaCrO 2 . These films are formed at a certain oxygen content in sodium (in the form of Na 2 O) and temperature. Providing the necessary oxygen and temperature conditions, the passivation of the surfaces of the structural elements in contact with the coolant is achieved, persistent continuous protective films are formed on the surface, which greatly reduces the corrosion rate.
Исходя из сказанного, необходимо отметить, что, несмотря на известность перспективного способа обеспечения коррозионной стойкости, прочность и эффективность такой защиты оказываются недостаточными, поскольку требуется применение различных способов поддержания коррозионной стойкости конструкционных материалов и восстановления оксидных пленок на них.Based on the foregoing, it should be noted that, despite the promising promising method for ensuring corrosion resistance, the strength and effectiveness of such protection are insufficient, since various methods of maintaining the corrosion resistance of structural materials and the reduction of oxide films on them are required.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей заявляемого технического решения является увеличение надежности и работоспособности металлических материалов и изделий, например элементов и частей ядерной установки, поверхности которых контактируют со свинецсодержащим теплоносителем (это могут быть тепловыделяющий элемент, его оболочка, контур свинецсодержащего теплоносителя) или теплоносителем на основе щелочных металлов, The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability and performance of metallic materials and products, for example, elements and parts of a nuclear installation, the surfaces of which are in contact with a lead-containing heat carrier (this can be a heat-generating element, its shell, a lead-containing coolant circuit) or an alkaline metal coolant,
Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости и износостойкости металлического изделия в сочетании с хорошей твердостью, механической прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.The technical result of the invention is to increase the corrosion resistance and wear resistance of a metal product in combination with good hardness, mechanical strength, ductility and toughness.
Для достижения технического результата способ обработки металлического изделия включает механическую обработку поверхности изделия, обеспечивающую поверхностный наклеп и пассивацию поверхности, при этом механическую обработку поверхности изделия проводят до достижения шероховатости поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степени наклепа не ниже 5% , глубины наклепа не менее 8мкм, а пассивацию поверхности изделия проводят до получения слоя оксидной пленки толщиной не менее Ra + 1 мкм.To achieve a technical result, the method of processing a metal product includes machining the surface of the product, providing surface hardening and passivation of the surface, while machining the surface of the product is carried out until the surface roughness with an average arithmetic deviation of the profile Ra is not more than 1.6 μm, the degree of hardening is not lower than 5 %, the hardening depth of not less than 8 μm, and the passivation of the surface of the product is carried out to obtain a layer of oxide film with a thickness of not less than Ra + 1 μm.
Металлическое изделие имеет шероховатость поверхности со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм, степень наклепа не ниже 5%, глубину наклепа не менее 8мкм и толщину оксидного слоя не менее Ra + 1 мкм, обработанное способом по любому из пп. 1-4.The metal product has a surface roughness with an arithmetic average deviation of the profile Ra of not more than 1.6 μm, the degree of hardening of not less than 5%, the depth of hardening of not less than 8 μm and the thickness of the oxide layer of not less than Ra + 1 μm, processed by the method according to any one of claims. 1-4.
Механическая обработка может представлять собой: механическую полировку, и/или дробеструйную обработку, и/или гидродробеструйную обработку, и/или гидрогалтовку, и/или виброгалтовку (галтовку), и/или механическое шлифование, и/или накатку или обкатку роликом, и/или дорнование, и/или ультразвуковую обработку микрочастицами поверхности изделия. Механическая обработка может обеспечивать поверхностный наклеп со степенью не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%. Механическая обработка может обеспечивать глубину поверхностного наклепа не менее 8 мкм, или 15 мкм, или 20 мкм, или 22 мкм, или 27 мкм.The mechanical treatment can be: mechanical polishing and / or shot peening and / or hydro-shot peening and / or hydro-peeling and / or vibro-peeling (jacking) and / or mechanical grinding and / or rolling or rolling with a roller and / or burning, and / or ultrasonic treatment of the surface of the product with microparticles. Mechanical processing can provide surface hardening with a degree of at least 5%, or 6%, or 7%, or 8%, or 9%, or 10%. Machining can provide a surface hardening depth of at least 8 μm, or 15 μm, or 20 μm, or 22 μm, or 27 μm.
Пассивация поверхности изделия для случая свинецсодержащего теплоносителя может осуществляться в газовой среде и/или в теплоносителе, содержащих кислород и/или водяной пар. Для теплоносителя на основе щелочных металлов пассивацию поверхности изделия предпочтительно осуществлять в теплоносителе, подачу воды в теплоноситель при этом не осуществляют. При пассивации поверхности изделия может быть обеспечен слой оксидных пленок толщиной не менее 1,5 мкм.Passivation of the surface of the product for the case of lead-containing coolant can be carried out in a gas medium and / or in a coolant containing oxygen and / or water vapor. For a heat carrier based on alkali metals, it is preferable to passivate the surface of the product in a heat carrier, while water is not supplied to the coolant. When the surface of the product is passivated, a layer of oxide films with a thickness of at least 1.5 μm can be provided.
На поверхность изделия может быть нанесено защитное покрытие из металлов, сталей или сплавов и/или поверхность изделия может быть легирована. Легирование поверхности изделия может представлять собой азотирование или карбонитрацию поверхности. Дополнительно может осуществляться термическая обработка изделия и/или поверхности изделия.A protective coating of metals, steels or alloys may be applied to the surface of the product and / or the surface of the product may be alloyed. Alloying the surface of the product may be nitriding or carbonitration of the surface. Additionally, heat treatment of the product and / or surface of the product can be carried out.
Задачу изобретения также решает металлическое изделие, имеющее поверхность со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм и толщиной оксидного слоя не менее Ra+1 мкм. Кроме того, Ra может иметь значение не более 1, или 0,85, или 0,5, или 0,3, или 0,1, или 0,085, или 0,05, или 0,03, или 0,014, или 0,01 мкм. Изделие также может иметь защитное покрытие из металлов, сталей или сплавов и/или легированную поверхность. Номер зерна материала в слое с поверхностным наклепом изделия может быть больше номера зерна материала под поверхностью на один номер или на два номера или более. Степень поверхностного наклепа изделия предпочтительно не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%. Глубина поверхностного наклепа изделия предпочтительно не менее 8 мкм, или 15 мкм, или 20 мкм, или 22 мкм, или 27 мкм.The invention also solves the metal product having a surface with an arithmetic average deviation of the profile Ra of not more than 1.6 μm and an oxide layer thickness of not less than Ra + 1 μm. In addition, Ra may have a value of not more than 1, or 0.85, or 0.5, or 0.3, or 0.1, or 0.085, or 0.05, or 0.03, or 0.014, or 0, 01 microns. The product may also have a protective coating of metals, steels or alloys and / or an alloyed surface. The grain number of the material in the layer with surface hardening of the product may be one number or two or more numbers higher than the grain number of the material under the surface. The degree of surface hardening of the product is preferably not less than 5%, or 6%, or 7%, or 8%, or 9%, or 10%. The surface hardening depth of the article is preferably not less than 8 μm, or 15 μm, or 20 μm, or 22 μm, or 27 μm.
Технический результат, получаемый от реализации описываемого технического решения, заключается в увеличении коррозионной стойкости и износостойкости конструктивных элементов из различных металлов, в частности стали, а также их защитных покрытий из металлов, сплавов, в том числе покрытий из сложнолегированных сталей. В частности, в теплоносителе, состоящем из тяжелых металлов, например в свинецсодержащем теплоносителе, в диапазоне температур свинецсодержащего теплоносителя от температуры на 5°C выше температуры плавления до 700°C скорость коррозии стали уменьшается от десятков процентов до примерно 2-4 раз - в зависимости от ТДА кислорода в теплоносителе, скорости теплоносителя, его температуры, а также от марки стали, ее структуры, механической обработки поверхности, термообработки, термомеханической, химикотермической обработки как в целом заготовки изделия, так и поверхности. Глубина износа при такой обработке уменьшается примерно на 20%. Конкретное значение верхней границы температуры приведенного диапазона определяется конкретной маркой стали, ее обработкой, наличием и видом защитного покрытия и условиями ее работы (например, для стали AISI316 оксидная пленка NaCrO2 стабильна до температуры приблизительно 600°C при концентрации кислорода в натриевом теплоносителе около 8·10-6). Также обеспечен технический результат в виде возможности обработки деталей/изделий различных размеров с различными заданными степенями поверхностного наклепа, его глубины и обеспечиваемой прочности оксидных пленок.The technical result obtained from the implementation of the described technical solution is to increase the corrosion resistance and wear resistance of structural elements of various metals, in particular steel, as well as their protective coatings of metals, alloys, including coatings of complex alloy steels. In particular, in a coolant consisting of heavy metals, for example, in a lead-containing coolant, in the temperature range of a lead-containing coolant from a temperature 5 ° C higher than the melting temperature to 700 ° C, the corrosion rate of steel decreases from tens of percent to about 2-4 times - depending from the TDA of oxygen in the coolant, the speed of the coolant, its temperature, as well as the grade of steel, its structure, surface machining, heat treatment, thermomechanical, chemothermal processing as a whole products and surfaces. Depth of wear during such processing is reduced by approximately 20%. The specific value of the upper temperature limit of the given range is determined by the specific steel grade, its processing, the presence and type of protective coating and its operating conditions (for example, for AISI316 steel, the NaCrO 2 oxide film is stable up to a temperature of approximately 600 ° C at an oxygen concentration in the sodium coolant of about 8 10 -6 ). Also provided is a technical result in the form of the possibility of processing parts / products of various sizes with various predetermined degrees of surface hardening, its depth and the provided strength of oxide films.
Реализация изобретенияThe implementation of the invention
Для снижения коррозии металлических изделий предлагается способ, в соответствии с которым осуществляют механическую обработку поверхности изделия, обеспечивающую поверхностный наклеп и пассивацию поверхности изделия. Механическая обработка предпочтительно выполняется до пассивации поверхности. В то же время возможны варианты, когда механически обрабатывают пассивированную поверхность или чередуют механическую обработку и пассивацию, что дополнительно повышает коррозионную стойкость (чем больше таких циклов, тем выше стойкость).To reduce corrosion of metal products, a method is proposed in accordance with which the surface treatment of the product is carried out, providing surface hardening and passivation of the surface of the product. The machining is preferably performed prior to surface passivation. At the same time, options are possible when a passivated surface is machined or alternated between machining and passivation, which further increases the corrosion resistance (the more such cycles, the higher the resistance).
Различают два вида наклепа: деформационный и фазовый. Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации, называют деформационным наклепом. Деформационный наклеп может быть объемным или поверхностным. Объемный наклеп распространяется по объему всей детали или по объему ее части и является результатом объемной механической обработки или объемной термомеханической обработки. Поверхностный наклеп (подразделяется на виды, соответствующие тому, как он получен - дробеструйный, галтовочный и т.д.) образуется в поверхностном слое в результате поверхностной механической или термомеханической обработки детали. При фазовом наклепе (распространяется, как правило, по объему всей детали) источником деформаций служат фазовые превращения стали, металла или сплава, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной(ых) удельными объемами. Фазовый наклеп может являться результатом термической или термоциклической обработки. Поверхностный наклеп - это упрочнение и увеличение твердости поверхностного слоя металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поверхностный наклеп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решетки, увеличением прочности и твердости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака.There are two types of hardening: deformation and phase. The set of phenomena associated with a change in the mechanical, physical and other properties of metals in the process of plastic deformation is called deformation hardening. Strain hardening can be volumetric or surface. Volume hardening extends over the volume of the entire part or the volume of its part and is the result of volumetric machining or volumetric thermomechanical processing. Surface hardening (subdivided into types corresponding to how it was obtained - shot blasting, tumbling, etc.) is formed in the surface layer as a result of surface mechanical or thermomechanical processing of the part. In case of phase hardening (as a rule, it spreads over the volume of the entire part), the deformation source is the phase transformations of steel, metal or alloy, as a result of which new phases are formed with specific volumes differing from the initial (s). Phase hardening may result from thermal or thermocyclic treatment. Surface hardening is the hardening and increase in hardness of the surface layer of metals and alloys due to changes in their structure and phase composition during plastic deformation, at a temperature below the recrystallization temperature. Surface hardening is accompanied by the emergence of defects in the crystal lattice on the surface of the sample, an increase in strength and hardness, and a decrease in ductility, toughness, and resistance to deformation of metals of the opposite sign.
Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большом расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей, а также образованных в результате пассивации на поверхности детали (изделия) оксидной пленки (пленок).Hardening reduces the density of the metal due to a violation of the order in the distribution of atoms with increasing density of defects and the formation of micropores. Density reduction is used to increase the durability of parts that are subject to variable loads during operation. For this purpose, surface plastic deformation of the part is used by blowing with a shot or processing with a special tool. The riveted layer tends to expand, meeting resistance from the non-riveted parts of the part. As a result, compression stresses will appear in this layer, and tensile stresses will appear beneath it, at a large distance from the surface. Compressive stresses in the surface layer slow down the nucleation of a fatigue crack and thereby increase the durability of parts, as well as oxide films (films) formed as a result of passivation on the surface of a part (product).
Принцип действия способа основан на том, что на поверхности стального конструктивного элемента формируется наклеп, зерна поверхностного слоя (и/или покрытия) стали вытягиваются в направлении действующих при обработки сил (приобретают определенную ориентацию), измельчаются и упрочняются, уровень растягивающих поверхностных напряжений снижается, повышается микротвердость поверхностных слоев материала конструктивного элемента. Далее, после описанных ниже видах обработки до достижения приведенных ниже значений Ra, глубины наклепа и его степени, при последующей пассивации на поверхности образуется более сплошная оксидная пленка, обладающая более высокими защитными свойствами в среде жидкометаллического теплоносителя.The principle of the method is based on the fact that a hardening is formed on the surface of the steel structural element, the grains of the surface layer (and / or coating) of the steel are pulled in the direction of the forces acting during the processing (acquire a certain orientation), are crushed and hardened, the level of tensile surface stresses decreases, increases microhardness of the surface layers of the material of the structural element. Further, after the types of processing described below, until the values of Ra, the hardening depth and its degree are achieved, with subsequent passivation, a more continuous oxide film is formed on the surface, which has higher protective properties in the medium of a liquid metal coolant.
Этому способствует как то, что образующаяся на поверхности оксидная пленка имеет такие свойства, что диффузионный поток металлических компонентов стали (и/или покрытия) через нее резко уменьшается (по сравнению со случаем, где предлагаемая в настоящем способе обработка не проводилась), так и измельчение зерна на поверхности (что приводит к большей сопротивляемости межкристаллитной коррозии, более равномерному распределению феррита и карбидов легирующих компонентов стали по зерну), упорядочение ориентации зерен, повышение их прочности, меньшие поверхностные растягивающие напряжения от основного материала, действующие на оксидную пленку, и более высокие адгезионные свойства обработанной предлагаемым способом поверхности стали (чем у необработанной) по отношению к защитным оксидным пленкам, что обеспечивает более высокий уровень их сцепления со стальной поверхностью. То есть эффективный диффузионный поток компонентов материала в теплоноситель (и наоборот, компонентов теплоносителя в материал) уменьшается из-за более стойких оксидных пленок на поверхности и сложности диффузии через наклепанный слой. Как показали исследования, упомянутый эффективный диффузионный поток (эффективный коэффициент диффузии) очень чувствителен к обработке. Также эффект объясняется более прочным соединением оксидных пленок и металлической поверхности и более прочными и сплошными самими оксидными пленками.This is facilitated by the fact that the oxide film formed on the surface has such properties that the diffusion flux of metal components of steel (and / or coating) through it decreases sharply (compared to the case where the treatment proposed in this method was not carried out), and grinding grain on the surface (which leads to greater resistance to intergranular corrosion, a more uniform distribution of ferrite and carbides of alloying steel components over the grain), ordering the orientation of grains, increasing their strength, lower surface tensile stresses from the base material acting on the oxide film and higher adhesive properties of the steel surface treated by the proposed method (than untreated) with respect to protective oxide films, which provides a higher level of adhesion to the steel surface. That is, the effective diffusion flow of the components of the material into the coolant (and vice versa, the components of the coolant into the material) is reduced due to the more stable oxide films on the surface and the difficulty of diffusion through the riveted layer. Studies have shown that the mentioned effective diffusion flux (effective diffusion coefficient) is very sensitive to processing. The effect is also explained by the stronger bonding of the oxide films and the metal surface and by the stronger and more solid oxide films themselves.
Поверхностный наклеп может быть обеспечен различными способами. Механическая обработка может заключаться в механической полировке, и/или дробеструйной обработке, и/или гидродробеструйной обработке, и/или гидрогалтовке, и/или виброгалтовке (галтовке), и/или механическом шлифовании, и/или накатке или обкатке роликом, и/или дорновании, и/или ультразвуковой обработке микрочастицами поверхности изделия. Эти способы дают несколько возможных вариантов реализации изобретения. Необходимо учитывать, что механическая обработка до Ra грубее 0,15 мкм очень слабо сказывается на уменьшении скорости коррозии относительно необработанной таким способом поверхности при малой глубине наклепа в результате полировки. Однако при достижении на поверхности детали Ra=0,014 …0,85 такими видами механической обработки, которые обеспечивают поверхностный наклеп определенной глубины (не приводящий к поверхностным трещинам и перенаклепу), существенно снижается скорость коррозии относительно необработанной таким способом поверхности. Указанные значения, характеризующие поверхности и микроструктуру изделий, в основном относятся к стали. Для большинства сплавов (в том числе сталей) указанные значения обеспечивают наиболее повышенную коррозионную стойкость. Для других металлов эти значения также могут обеспечивать повышение коррозионной стойкости, однако, возможно, другие значения будут обеспечивать более оптимальную защиту.Surface hardening can be provided in various ways. The machining may consist of mechanical polishing and / or shot blasting and / or hydro-blasting and / or hydro-peeling and / or vibro-peeling (tumbling) and / or mechanical grinding and / or rolling or rolling with a roller and / or burnishing, and / or ultrasonic treatment with microparticles of the surface of the product. These methods provide several possible embodiments of the invention. It should be borne in mind that machining up to Ra coarser than 0.15 μm has very little effect on the decrease in the corrosion rate relative to the surface untreated in this way with a small hardening depth as a result of polishing. However, when the surface reaches the part Ra = 0.014 ... 0.85 by such types of machining that provide surface hardening of a certain depth (not leading to surface cracks and re-hardening), the corrosion rate relative to the surface untreated in this way is significantly reduced. The indicated values characterizing the surfaces and microstructure of the products mainly relate to steel. For most alloys (including steels), these values provide the most enhanced corrosion resistance. For other metals, these values can also provide increased corrosion resistance, however, possibly other values will provide better protection.
В первом варианте проводят механическую полировку поверхности детали и этим достигают: на поверхности конструктивного элемента Ra=0,014 …0,1, hн≥8 мкм или Ra=0,1 …0,15, hн≥15 мкм; номер зерна по hн (т.е. по глубине поверхностного наклепа в результате предлагаемой механической обработки поверхности детали) не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала под поверхностным наклепанным слоем; проводят пассивацию поверхности детали (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм.In the first embodiment, mechanical polishing of the surface of the part is carried out and this is achieved: on the surface of the structural element Ra = 0.014 ... 0.1, h n ≥8 μm or Ra = 0.1 ... 0.15, h n ≥15 μm; the grain number by h n (i.e., by the depth of the surface hardening as a result of the proposed machining of the surface of the part) is not less than 1.5 numbers higher than the number of the base material under the surface riveted layer; carry out passivation of the surface of the part (contour or non-contour) and thereby achieve the formation of continuous protective oxide films on it from the components of the material of the part with a thickness of at least 1.5 μm.
Во втором варианте проводят механическое шлифование, обеспечивающее: Ra=0,1 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 8% или Ra=0,1 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм. Глубину наклепа определяют по изменению микротвердости материала, - как только с увеличением глубины измерения микротвердости она перестает изменяться (уменьшаться), значит далее по глубине началась область основного материала (у наклепанного слоя твердость выше).In the second embodiment, mechanical grinding is carried out, ensuring: Ra = 0.1 ... 0.85, the grain number in h n is not less than 1.5 numbers higher than the base material number, the surface hardening depth is not less than 22 microns and the degree of surface hardening is not lower 8% or Ra = 0.1 ... 1.6, the grain number in h n is not less than 2 numbers higher than the base material number, the surface hardening depth is not less than 27 microns and the surface hardening degree is not less than 10%; carry out passivation of the surface (contour or non-contour) and thereby achieve the formation of continuous protective oxide films on it from components of the material of the part with a thickness of at least 1.5 μm. The hardening depth is determined by the change in the microhardness of the material, - as soon as the microhardness measurement depth increases, it ceases to change (decrease), then the region of the main material begins further in depth (the hardness of the riveted layer is higher).
Механизм получения наклепа полировкой и шлифованием следующий. При выполнении этих видов обработки к детали сила, прикладываемая к детали, может быть разложена на силу, действующую примерно перпендикулярно поверхности детали (появляется в основном за счет прижимания абразивного элемента к поверхности), и силу, действующую примерно по касательной (появляется в основном за счет движения абразивного элемента или детали относительно абразивного элемента. Полировальный круг или шкурка - также прижимаются и двигаются по касательной), при этом поверхностный слой металла пластически деформируется. Эта деформация меньше, чем, например, при дробеструйной обработке, но при этом измельчается зерно и твердость поверхностного слоя растет (то есть образуется поверхностный наклеп). Полировка позволяет достичь очень низких Ra, шлифовка - более грубых, но с более высоким уровнем наклепа. При использовании первого и второго вариантов исключается необходимость применения громоздкого оборудования, как, например, в третьем и других вариантах. Также обеспечена возможность обработки средних и мелких деталей или деталей с небольшой площадью поверхности, для которых применение дробеструйной или галтовочной обработки невозможно или связано с низкой эффективностью (дробеструйная и галтовочная механическая обработка больше подходит для обработки деталей с большими площадями поверхностей).The mechanism for hardening by polishing and grinding is as follows. When performing these types of processing on a part, the force applied to the part can be decomposed into a force acting approximately perpendicular to the surface of the part (appears mainly due to the abrasive element being pressed against the surface), and a force acting approximately along the tangent (appears mainly due to the movement of the abrasive element or part relative to the abrasive element.A polishing wheel or skin is also pressed and moving tangentially), while the surface layer of metal is plastically deformed. This deformation is less than, for example, during bead-blasting, but grain is crushed and the hardness of the surface layer grows (that is, a surface hardening is formed). Polishing allows you to achieve very low Ra, grinding - more coarse, but with a higher level of hardening. When using the first and second options, the need for bulky equipment is eliminated, as, for example, in the third and other versions. It is also possible to process medium and small parts or parts with a small surface area, for which the use of bead-blasting or tumbling is not possible or is associated with low efficiency (shot-blasting and tumbling machining is more suitable for processing parts with large surface areas).
В третьем варианте проводят механическую обработку поверхности в виде дробеструйной обработки или гидродробеструйной обработки. В результате дробеструйной обработки образуется дробеструйный наклеп - упрочнение, которое достигается за счет кинетической энергии потока круглой чугунной или стальной дроби, а также других круглых дробей, например керамической, направляемым скоростным потоком воздуха, или роторным дробометом. Благодаря такой обработке достигают на поверхности конструктивного элемента Ra=0,15 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 0,22h или не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 8% или Ra=0,15 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов стали толщиной не менее 1,5 мкм.In the third embodiment, mechanical surface treatment is carried out in the form of bead-blasting or hydro-blasting. As a result of bead-blasting, a bead-hardening is formed - hardening, which is achieved due to the kinetic energy of the flow of round cast iron or steel shot, as well as other round shots, for example, ceramic, guided by a high-speed air stream, or a rotary shot blast machine. Thanks to this treatment, on the surface of the structural element, Ra = 0.15 ... 0.85, the grain number in h n is not less than 1.5 numbers higher than the base material number, the surface hardening depth is at least 0.22 h or at least 22 μm, and the degree of surface hardening is not lower than 8% or Ra = 0.15 ... 1.6, the grain number in h n is not less than 2 numbers higher than the number of the main material, the depth of hardening is not less than 27 microns and the degree of surface hardening is not less than 10%; passivation of the surface (contour or non-contour) is carried out and thereby the formation of continuous protective oxide films from steel components with a thickness of at least 1.5 μm is achieved on it.
В четвертом варианте проводят механическую обработку поверхности в виде гидрогалтовки или виброгалтовки, обеспечивающих: Ra=0,1 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 8% или Ra=0,1 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм.In the fourth embodiment, surface machining is carried out in the form of hydro-grinding or vibro-grinding, providing: Ra = 0.1 ... 0.85, grain number in h n not less than 1.5 numbers higher than the basic material number, surface hardening depth not less than 22 microns and the degree of surface hardening is not lower than 8% or Ra = 0.1 ... 1.6, the grain number in h n is not less than 2 numbers higher than the number of the main material, the depth of hardening is not less than 27 microns and the degree of surface hardening is not lower than 10% ; carry out passivation of the surface (contour or non-contour) and thereby achieve the formation of continuous protective oxide films on it from components of the material of the part with a thickness of at least 1.5 μm.
В пятом варианте проводят механическую обработку поверхности в виде ультразвуковой обработки микрочастицами с наружной поверхностью со скругленными кромками (шарики, эллипсоиды, двуполостной гиперболоид вращения и пр., как правило, размером 10 …300 мкм) для обеспечения необходимых характеристик наклепа поверхности и шероховатости (загружаемым микрочастицам, помещенным в замкнутом объеме вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под воздействием которых происходит поверхностный наклеп обрабатываемой поверхности детали и обеспечивается требуемая шероховатость): Ra=0,1 …0,3, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, hн≥22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 6% или Ra=0,1 …1,6, номер зерна по hн не менее чем на 2 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 27 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 10%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов материала детали толщиной не менее 1,5 мкм. В третьем, четвертом и пятом вариантах обеспечиваются улучшенные свойства наклепа и, следовательно, повышенная коррозионная стойкость.In the fifth embodiment, mechanical surface treatment is carried out in the form of ultrasonic treatment with microparticles with an outer surface with rounded edges (balls, ellipsoids, double-cavity hyperboloid of rotation, etc., usually 10 ... 300 microns in size) to provide the necessary characteristics of surface hardening and roughness (loaded microparticles placed in a closed volume together with the workpiece, ultrasonic vibrations are reported, under the influence of which surface hardening of the work surface occurs parts and the required roughness is ensured): Ra = 0.1 ... 0.3, the grain number in h n is not less than 1.5 numbers higher than the base material number, h n ≥22 μm and the degree of surface hardening is not lower than 6% or Ra = 0.1 ... 1.6, the grain number in h n is not less than 2 numbers higher than the base material number, the surface hardening depth is not less than 27 microns and the degree of surface hardening is not less than 10%; carry out passivation of the surface (contour or non-contour) and thereby achieve the formation of continuous protective oxide films on it from components of the material of the part with a thickness of at least 1.5 μm. In the third, fourth and fifth embodiments, improved hardening properties and, consequently, increased corrosion resistance are provided.
В шестом варианте проводят механическую обработку детали в виде накатки или обкатки роликом, обеспечивающую: Ra=0,1 …0,85, номер зерна по hн не менее чем на 1,5 номера выше номера основного материала, глубину поверхностного наклепа не менее 22 мкм и степень поверхностного наклепа не ниже 7%; проводят пассивацию поверхности (контурную или внеконтурную) и этим достигают на ней образования сплошных защитных оксидных пленок из компонентов стали толщиной не менее 1,5 мкм. В данном случае также исключается необходимость громоздкого оборудования. В пятом и шестом вариантах также обеспечена возможность обработки средних и мелких деталей или деталей с небольшой площадью поверхности, для которых применение дробеструйной или галтовочной обработки невозможно или связано с низкой эффективностью.In the sixth embodiment, the part is machined in the form of knurling or rolling by a roller, ensuring: Ra = 0.1 ... 0.85, grain number in h n not less than 1.5 numbers higher than the base material number, surface hardening depth not less than 22 microns and the degree of surface hardening of not less than 7%; passivation of the surface (contour or non-contour) is carried out and thereby the formation of continuous protective oxide films from steel components with a thickness of at least 1.5 μm is achieved on it. In this case, the need for bulky equipment is also eliminated. In the fifth and sixth embodiments, it is also possible to process medium and small parts or parts with a small surface area, for which the use of shot blasting or tumbling is impossible or is associated with low efficiency.
В вышеописанных вариантах механическая обработка обеспечивает поверхностный наклеп со степенью не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%, - чем выше степень поверхностного наклепа, тем больше увеличивается коррозионная стойкость. В то же время во всех описанных способах необходимо избегать перенаклепа поверхности (который сопровождается образованием грубых полос скольжения и субмикроскопических трещин и прочих дефектов, провоцирующих ускорение коррозии).In the above embodiments, machining provides surface hardening with a degree of at least 5%, or 6%, or 7%, or 8%, or 9%, or 10% —the higher the degree of surface hardening, the greater the corrosion resistance. At the same time, in all the described methods, it is necessary to avoid surface ripping (which is accompanied by the formation of coarse slip bands and submicroscopic cracks and other defects that provoke acceleration of corrosion).
Как можно заметить из вышеприведенных примеров, разными видами обработки в пределе можно достигнуть разных Ra: лучшее Ra получают полировкой, потом ультразвуковая обработка микрочастицами, потом гидрогалтовка и шлифование, потом дробеструйная обработка. Диапазоны Ra, достигаемые разными методами механической обработки, перекрываются в области верхних границ Ra: так полировкой можно получать и Ra=0,25, как и гидрогалтовкой, но гидрогалтовкой не достигнуть Ra=0,02. Виды обработки влияют на степень и глубину наклепа: высокую глубину наклепа невозможно получишь полировкой (но при полировке можно получить высокую степень поверхностного наклепа), а дробеструйная обработка позволяет получить глубину до 800 мкм, она же дает высокую степень наклепа и худшую шероховатость. Другие способы, как правило, позволяют достичь глубины наклепа до 40 …70 мкм и степень наклепа до 25 …60%. Следовательно, каждый из вышеописанных примеров дает свою требуемую комбинацию параметров поверхностного наклепа: степень наклепа, глубину наклепа, и шероховатости.As can be seen from the above examples, different types of processing in the limit can achieve different Ra: the best Ra is obtained by polishing, then ultrasonic treatment with microparticles, then hydro-grinding and grinding, then bead-blasting. The ranges of Ra achieved by different machining methods overlap in the region of the upper boundaries of Ra: so by polishing it is possible to obtain Ra = 0.25 as well as by hydro-grinding, but by hydro-grinding it is not possible to achieve Ra = 0.02. Types of processing affect the degree and depth of hardening: a high depth of hardening cannot be obtained by polishing (but when polishing you can get a high degree of surface hardening), and bead-blasting allows you to get a depth of up to 800 microns, it also gives a high degree of hardening and worse roughness. Other methods, as a rule, allow reaching the hardening depth up to 40 ... 70 microns and the degree of hardening up to 25 ... 60%. Therefore, each of the above examples gives its desired combination of surface hardening parameters: hardening degree, hardening depth, and roughness.
Благодаря наличию различных способов обработки с разными результатами их возможно комбинировать и, тем самым, получать комбинации параметров наклепа и шероховатости, которые недостижимы отдельным способом. Помимо наклепа важно обеспечивать и шероховатость, т.к. она обеспечивает более качественное сцепление поверхности детали с защитной оксидной пленкой и обеспечивает ее более высокие показатели сплошности. При этом следует также учитывать и то, что шероховатость определенной величины в подавляющем количестве случаев достигается механической обработкой поверхности, которая также приводит к наклепу, и характеристики наклепа и оксидных пленок дополнительно улучшаются. Кроме того, поверхностный наклеп снижает диффузию компонентов стали по своей толщине.Due to the presence of various processing methods with different results, it is possible to combine them and, thereby, to obtain combinations of hardening and roughness parameters that are not achievable in a separate way. In addition to hardening, it is important to provide roughness, as it provides better adhesion of the surface of the part to the protective oxide film and provides its higher continuity. It should also be borne in mind that the roughness of a certain value in the vast majority of cases is achieved by machining the surface, which also leads to hardening, and the characteristics of hardening and oxide films are further improved. In addition, surface hardening reduces the diffusion of steel components in their thickness.
Помимо механической обработки возможно осуществление термической или механико-термической или термоциклической или механико-термоциклической обработки детали, обеспечивающей у детали значение номера зерна по основному материалу, лежащее в диапазоне 8 …13 (средний диаметр зерна 0,022 …0,0039 мм) по ГОСТ 5639-82. Механическую обработку поверхности проводят до или после термической или механико-термической или термоциклической или механико-термоциклической обработки детали. При проведении механической обработки поверхности до термической или механико-термической или термоциклической или механико-термоциклической обработки детали необходимо сохранить следующие характеристики, обеспечиваемые механической обработкой поверхности: Ra=0,014 …0,85, увеличение номера зерна на hн не менее чем на 2 номера относительно номера зерна основного материала, степень поверхностного наклепа не ниже 7%, hн≥20 мкм.In addition to machining, it is possible to carry out thermal or mechanical-thermal or thermocyclic or mechanical-thermocyclic processing of a part, providing the part with a grain number value for the main material lying in the range 8 ... 13 (average grain diameter 0.022 ... 0.0039 mm) according to GOST 5639- 82. Surface machining is carried out before or after thermal or mechanical-thermal or thermocyclic or mechanical-thermocyclic treatment of the part. When carrying out surface machining before thermal or mechanical-thermal or thermocyclic or mechanical-thermocyclic treatment of a part, it is necessary to maintain the following characteristics provided by surface machining: Ra = 0.014 ... 0.85, increase in grain number by h n by at least 2 numbers relative grain numbers of the base material, the degree of surface hardening of at least 7%, h n ≥20 μm.
После описанных выше механических обработок необходима пассивация поверхности (контурная или внеконтурная). Пассивация поверхности изделия может осуществляться в газовой среде и/или в теплоносителе, содержащих кислород и/или водяной пар (для случая теплоносителя на основе щелочных металлов пассивацию поверхности изделия предпочтительно осуществлять в теплоносителе, подачу воды в такой теплоноситель при этом не осуществляют). Например, в том случае, если пассивация проводится в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе, то в него может вводиться кислород и/или водяной пар, которые будут образовывать соединения с жидкометаллическим теплоносителем в виде оксидов. Оксиды теплоносителя при поступлении к пассивируемым деталям будут восстанавливаться, а на поверхности пассивируемых деталей будут образовываться оксидные пленки. Поскольку поверхность деталей упрочнена и на ней достигнута необходимая шероховатость вследствие механической обработки, то оксидные пленки будут также более прочными и более устойчивыми на поверхности детали - они будут реже отслаиваться и растрескиваться. Так как оксидные пленки более сплошные, прочные и плотные, то проникновение теплоносителя через пленки затрудняется, как и диффузионный поток металла, компонентов стали или сплавов через них, и скорость коррозии снижается (так же как и благодаря более низкому диффузионному потоку металла, компонентов стали или сплавов через них металла в области поверхностного наклепа). Пассивация в газовой среде происходит аналогичным образом, и эти виды пассивации могут комбинироваться, дополнительно увеличивая коррозионную стойкость.After the machining described above, passivation of the surface (contour or non-contour) is necessary. Passivation of the surface of the product can be carried out in a gas medium and / or in a coolant containing oxygen and / or water vapor (in the case of a coolant based on alkali metals, it is preferable to passivate the surface of the product in a coolant, while water is not supplied to such a coolant). For example, if passivation is carried out in a heavy liquid metal coolant, oxygen and / or water vapor can be introduced into it, which will form compounds with the liquid metal coolant in the form of oxides. Upon entering the passivated parts, the coolant oxides will be reduced, and oxide films will form on the surface of the passivated parts. Since the surface of the parts is hardened and the necessary roughness is achieved on it due to machining, the oxide films will also be more durable and more stable on the surface of the part - they will peel and crack less often. Since oxide films are more continuous, stronger and denser, the penetration of the coolant through the films is hindered, as is the diffusion flow of metal, steel components or alloys through them, and the corrosion rate decreases (as well as due to the lower diffusion flow of metal, steel components or alloys through them of metal in the field of surface hardening). Passivation in a gaseous medium occurs in a similar way, and these types of passivation can be combined, further increasing corrosion resistance.
При пассивации поверхности изделия обеспечивают слой оксидных пленок толщиной не менее Ra + 1 мкм (например, не менее 1,5 мкм). Толщину оксидного слоя возможно измерять от поверхности до средней линии отклонений профиля (будет совпадать с такой же линией для металла). Чем толще слой оксидных пленок, тем сильнее коррозионная стойкость. В то же время необходимо учитывать, что излишняя толщина оксидной пленки может привести к повышенной степени отслаивания и/или растрескивания. Однако ввиду наклепа и обеспечиваемого значения Ra оксидные пленки получаются более сплошными и оксидные пленки получаются более прочными и сильнее скрепленными с поверхностью детали, в связи с чем, во-первых, для обеспечения той же степени коррозионной стойкости, что и при пассивации детали без механической обработки, требуется меньшая толщина пленок, а во-вторых, сами пленки могут быть наращены до большей толщины без снижения их прочности или прочности закрепления на поверхности детали по сравнению с деталью без механической обработки. Следовательно, благодаря изобретению удается более значительно повысить коррозионную стойкость, так как возможно создание более толстых оксидных пленок, а пленки обеспечивают повышенную коррозионную защиту сами по себе.When passivation of the surface of the product provide a layer of oxide films with a thickness of not less than Ra + 1 μm (for example, not less than 1.5 microns). The thickness of the oxide layer can be measured from the surface to the midline of the deviations of the profile (will coincide with the same line for the metal). The thicker the layer of oxide films, the stronger the corrosion resistance. At the same time, it must be borne in mind that excessive oxide film thickness can lead to an increased degree of delamination and / or cracking. However, due to the hardening and the provided value of Ra, the oxide films are more continuous and the oxide films are more durable and stronger bonded to the surface of the part, and therefore, firstly, to ensure the same degree of corrosion resistance as during passivation of the part without machining , a smaller thickness of the films is required, and secondly, the films themselves can be grown to a greater thickness without reducing their strength or the strength of fastening on the surface of the part compared to the part without machining. Therefore, thanks to the invention, it is possible to more significantly increase the corrosion resistance, since it is possible to create thicker oxide films, and the films provide increased corrosion protection on their own.
Для дополнительного повышения коррозионной стойкости на поверхность изделия возможно нанести защитное покрытие из металлов, сталей или сплавов и/или осуществить легирование поверхности изделия (в частности, легирование может представлять собой азотирование или карбонитрацию поверхности детали). В случае такого покрытия или легирования технологические режимы обработки детали, в том числе ее поверхности, выбираются исходя из сохранения защитных свойств покрытия или защитного поверхностного слоя. При наличии защитных покрытий сталей из металлов, сплавов, в том числе покрытий из сложнолегированных сталей, принцип действия способа сохраняется. При этом необходимо выбирать технологические режимы обработки такими, чтобы сохранить защитные свойства самого покрытия (например, проводить механическую обработку поверхности с нагревом; увеличивать длительность механической обработки и уменьшать усилия от инструмента на поверхность детали). Таким образом, хотя сами по себе приведенные способы обработки сталей и их покрытий известны, как и пассивация стали для увеличения ее коррозионной стойкости, например, в свинецсодержащем теплоносителе, их совместное использование при соблюдении предлагаемых условий обработки позволяет получить сверхэффект, что и составляет предлагаемый способ.In order to further increase the corrosion resistance, it is possible to apply a protective coating of metals, steels or alloys and / or to alloy the surface of the product (in particular, the alloying can be nitriding or carbonitration of the surface of the part). In the case of such a coating or alloying, the technological regimes of processing the part, including its surface, are selected based on the preservation of the protective properties of the coating or protective surface layer. In the presence of protective coatings of steels from metals, alloys, including coatings of complex alloy steels, the principle of the method is preserved. In this case, it is necessary to choose technological processing modes in such a way as to preserve the protective properties of the coating itself (for example, to carry out machining of the surface with heating; increase the duration of machining and reduce the force from the tool to the surface of the part). Thus, although the above methods of processing steels and their coatings are known, as well as passivation of steel to increase its corrosion resistance, for example, in a lead-containing coolant, their joint use, subject to the proposed processing conditions, allows to obtain a super effect, which is the proposed method.
Также возможно осуществление термической обработки изделия и/или поверхности изделия. Например, после накатки или обкатки роликом можно провести термическую обработку для снятия остаточных напряжений.It is also possible to heat treat the product and / or the surface of the product. For example, after rolling or rolling in a roller, heat treatment can be performed to relieve residual stresses.
В результате подобной обработки возможно получить металлическое изделие, обладающее повышенной коррозионной стойкости. Такое изделие будет иметь поверхность со средним арифметическим отклонением профиля Ra не более 1,6 мкм и толщиной оксидного слоя не менее 1,5 мкм. В зависимости от режимов обработки может быть получено Ra со значением не более 1, или 0,85, или 0,5, или 0,3, или 0,1, или 0,085, или 0,05, или 0,03, или 0,014, или 0,01 мкм, - чем меньше это значение, тем лучше коррозионная стойкость.As a result of such processing, it is possible to obtain a metal product having high corrosion resistance. Such a product will have a surface with an arithmetic mean deviation of the Ra profile of not more than 1.6 μm and an oxide layer thickness of not less than 1.5 μm. Depending on the processing conditions, Ra can be obtained with a value of not more than 1, or 0.85, or 0.5, or 0.3, or 0.1, or 0.085, or 0.05, or 0.03, or 0.014 , or 0.01 microns - the lower this value, the better the corrosion resistance.
Другим показателем коррозионной защиты может быть номер зерна. При вышеописанной обработке изделий номер зерна материала на поверхности больше номера зерна материала под поверхностью на один номер или на два номера или более, - чем больше разница, тем лучше обработка и сильнее коррозионная защита.Another measure of corrosion protection may be the grain number. In the above-described processing of products, the grain number of the material on the surface is greater than the grain number of the material below the surface by one number or two or more numbers — the greater the difference, the better the treatment and the stronger the corrosion protection.
Еще одним показателем качества обработки является степень поверхностного наклепа. Под степенью поверхностного наклепа понимается: uн=(Нmax-Нисх)-100%/Нисх, где Нmax, Нисх - максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя материала соответственно (исходная микротвердость - микротвердость до использования поверхностных механических обработок детали, которые описываются в предлагаемом способе, то есть равная микротвердости основного материала (без поверхностного наклепа). Согласно изобретению, для достижения технического результата может обеспечиваться степень поверхностного наклепа не ниже 5%, или 6%, или 7%, или 8%, или 9%, или 10%, - чем больше степень, тем лучше коррозионная защита. Согласно изобретению, для достижения технического результата может обеспечиваться глубина поверхностного наклепа изделия не менее 8 мкм, или 15 мкм, или 20 мкм, или 22 мкм, или 27 мкм, - чем больше глубина поверхностного наклепа, тем выше коррозионная стойкость (защита).Another indicator of the quality of processing is the degree of surface hardening. The degree of surface hardening is understood to be: u n = (H max -H ref ) -100% / N ref , where H max , H ref are the maximum and initial microhardness of the surface layer of the material, respectively (initial microhardness is microhardness before using surface machining of the part, which are described in the proposed method, that is, equal to the microhardness of the base material (without surface hardening). According to the invention, to achieve a technical result, a degree of surface hardening of at least 5%, or 6%, or 7%, can be provided. or 8%, or 9%, or 10%, the greater the degree, the better the corrosion protection. According to the invention, to achieve a technical result, a surface hardening depth of the product of at least 8 μm, or 15 μm, or 20 μm, or 22 microns, or 27 microns, - the greater the depth of surface hardening, the higher the corrosion resistance (protection).
Металлические изделия (детали) по изобретению могут использоваться в реакторе, который может быть ядерным, а теплоноситель в нем может содержать тяжелые металлы или щелочные металлы. Даже в таких сложных условиях металлические изделия имеют повышенную коррозионную стойкость, что повышает срок эксплуатации реактора. Изобретение позволяет повысить коррозионную стойкость сталей в свинецсодержащем теплоносителе, теплоносителе на основе щелочных металлов, а также уменьшить количество продуктов коррозии в контуре свинецсодержащего теплоносителя и, соответственно, снизить их участие в процессах эрозии, фреттинг-коррозии и дебриз-коррозии конструктивных элементов контура свинецсодержащего теплоносителя, а также снизить требования к емкости фильтров продуктов коррозии, которые могут быть предусмотрены в контуре свинецсодержащего теплоносителя.The metal products (parts) according to the invention can be used in a reactor, which can be nuclear, and the coolant in it can contain heavy metals or alkali metals. Even in such difficult conditions, metal products have increased corrosion resistance, which increases the life of the reactor. The invention allows to increase the corrosion resistance of steels in a lead-containing coolant, a coolant based on alkali metals, as well as to reduce the amount of corrosion products in the lead-containing coolant circuit and, accordingly, to reduce their participation in the processes of erosion, fretting corrosion and debris-corrosion of structural elements of the lead-containing coolant circuit, and also reduce the requirements for filter capacity of corrosion products filters, which can be provided in the lead-containing coolant circuit.
В качестве примера реализации изобретения может быть приведена труба. Сначала полировальным кругом с тонким абразивом осуществляют полировку трубы круговыми движениями по внешнему периметру поперечного сечения трубы до достижения Ra=0,02. После завершения полировки поверхность трубы очищают и проводят пассивацию поверхности обработанной трубы. Труба может быть установлена в свинецсодержащий теплоноситель. Проводится внутриконтурная пассивация поверхности трубы путем поддержания в нем необходимой ТДА при температуре выше 400°C до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей со свинецсодержащим теплоносителем поверхности трубы, скорость теплоносителя более 0,01 м/с.В другом варианте труба может выдерживаться в камере с паром воды в течение нескольких десятков минут или часов при температуре более 400°C до образования сплошной защитной оксидной пленки толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей со свинецсодержащим теплоносителем поверхности трубы. После выдерживания в камере с парами воды труба может дополнительно пассивироваться в свинецсодержащем теплоносителе. Труба может быть установлена в теплоноситель на основе щелочных металлов. В этом случае после полировки проводится внутриконтурная пассивация поверхности трубы путем поддержания в нем необходимой ТДА при температуре выше 300°C до образования сплошной защитной оксидной пленки на основе Na4FeO3 и NaCrO2 (в случае хромоникелевой нержавеющей стали) толщиной не менее 1,5 мкм на контактирующей с теплоносителем поверхности трубы.As an example implementation of the invention can be given a pipe. First, a pipe is polished with a thin abrasive to polish the pipe in circular motions along the outer perimeter of the pipe cross-section until Ra = 0.02. After polishing is completed, the pipe surface is cleaned and the surface of the treated pipe is passivated. The pipe can be installed in a lead-containing coolant. In-loop passivation of the pipe surface is carried out by maintaining the required TDA in it at a temperature above 400 ° C until a continuous protective oxide film is formed with a thickness of at least 1.5 μm on the pipe surface in contact with the lead-containing coolant, the coolant speed is more than 0.01 m / s. In a variant, the pipe can be kept in a chamber with water vapor for several tens of minutes or hours at a temperature of more than 400 ° C until a continuous protective oxide film is formed with a thickness of at least 1.5 μm on contact with non-containing coolant pipe surface. After being kept in a chamber with water vapor, the pipe can be additionally passivated in a lead-containing coolant. The pipe can be installed in a coolant based on alkali metals. In this case, after polishing, in-loop passivation of the pipe surface is carried out by maintaining the necessary TDA in it at a temperature above 300 ° C until a continuous protective oxide film is formed based on Na 4 FeO 3 and NaCrO 2 (in the case of chromium-nickel stainless steel) with a thickness of at least 1.5 microns on the pipe surface in contact with the coolant.
В другом примере перед созданием наклепа проводится термоциклическая обработка (режим для определенной марки стали устанавливается экспериментально), например, несколько циклов: охлаждение в жидком азоте с последующим отогревом до комнатной температуры; нагрев до температуры более 400°C и последующее охлаждение на воздухе до комнатной температуры.In another example, a thermocyclic treatment is carried out before the hardening is created (the mode for a certain steel grade is established experimentally), for example, several cycles: cooling in liquid nitrogen followed by warming to room temperature; heating to a temperature of more than 400 ° C and subsequent cooling in air to room temperature.
Далее - виброгалтовка поверхности. Режим виброгалтовки - амплитуда, частота колебаний и длительность - для определенной марки стали устанавливается экспериментально. В качестве абразивных частиц могут использоваться частицы шаровой формы. Далее очищают поверхность и осуществляют пассивацию (например, в соответствии с вариантами из вышеописанного примера).Next - vibrating surface. Vibration mode - amplitude, frequency of oscillation and duration - is established experimentally for a certain steel grade. As abrasive particles, spherical particles can be used. Then they clean the surface and carry out passivation (for example, in accordance with the variants of the above example).
Промышленностью хорошо освоены предлагаемые способы механической обработки, и достичь с помощью них описываемого качества поверхности и поверхностного слоя детали не представляется сложным.The industry has well mastered the proposed machining methods, and it is not difficult to achieve the described quality of the surface and surface layer of the part with the help of them.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132223/02A RU2595184C2 (en) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | Method of increasing corrosion resistance of structural materials, metal article with increased corrosion resistance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132223/02A RU2595184C2 (en) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | Method of increasing corrosion resistance of structural materials, metal article with increased corrosion resistance |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014132223A RU2014132223A (en) | 2016-02-27 |
| RU2595184C2 true RU2595184C2 (en) | 2016-08-20 |
Family
ID=55434785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014132223/02A RU2595184C2 (en) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | Method of increasing corrosion resistance of structural materials, metal article with increased corrosion resistance |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2595184C2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU966546A1 (en) * | 1979-05-04 | 1982-10-15 | Днепропетровский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.300-Летия Воссоединения Украины С Россией | Method of preparing surface of easy-passivating metals and alloys for investigating their structure |
| RU2054049C1 (en) * | 1992-09-19 | 1996-02-10 | Центральное конструкторское бюро машиностроения | Method for increasing radiating capacity of stainless steel |
| RU2135636C1 (en) * | 1997-07-29 | 1999-08-27 | Российский научный центр "Прикладная химия" | Method of surface treatment of metal apparatuses designed for operation in solutions of hydrogen peroxide |
| US7749337B2 (en) * | 2005-06-14 | 2010-07-06 | Basf Se | Method for the passivation of metal surfaces with polymers containing acid groups |
| WO2011089431A1 (en) * | 2010-01-22 | 2011-07-28 | Sheffield Hallam University | Anticorrosion sol-gel coating for metal substrate |
| RU2511158C2 (en) * | 2010-06-09 | 2014-04-10 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Pipe from austenitic stainless steel with perfect stability to steam oxidation, and method for its obtaining |
-
2014
- 2014-08-06 RU RU2014132223/02A patent/RU2595184C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU966546A1 (en) * | 1979-05-04 | 1982-10-15 | Днепропетровский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.300-Летия Воссоединения Украины С Россией | Method of preparing surface of easy-passivating metals and alloys for investigating their structure |
| RU2054049C1 (en) * | 1992-09-19 | 1996-02-10 | Центральное конструкторское бюро машиностроения | Method for increasing radiating capacity of stainless steel |
| RU2135636C1 (en) * | 1997-07-29 | 1999-08-27 | Российский научный центр "Прикладная химия" | Method of surface treatment of metal apparatuses designed for operation in solutions of hydrogen peroxide |
| US7749337B2 (en) * | 2005-06-14 | 2010-07-06 | Basf Se | Method for the passivation of metal surfaces with polymers containing acid groups |
| WO2011089431A1 (en) * | 2010-01-22 | 2011-07-28 | Sheffield Hallam University | Anticorrosion sol-gel coating for metal substrate |
| RU2511158C2 (en) * | 2010-06-09 | 2014-04-10 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Pipe from austenitic stainless steel with perfect stability to steam oxidation, and method for its obtaining |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014132223A (en) | 2016-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Unal et al. | Effects of conventional shot peening, severe shot peening, re-shot peening and precised grinding operations on fatigue performance of AISI 1050 railway axle steel | |
| Muñoz-Cubillos et al. | Deep rolling effect on fatigue behavior of austenitic stainless steels | |
| Fredj et al. | Ground surface improvement of the austenitic stainless steel AISI 304 using cryogenic cooling | |
| Yilmaz et al. | Impact wear behavior of ball burnished 316L stainless steel | |
| Ben Moussa et al. | Improvement of AISI 304 austenitic stainless steel low-cycle fatigue life by initial and intermittent deep rolling | |
| Shi et al. | Effect of shot peening and vibration finishing on the fatigue behavior of TC17 titanium alloy at room and high temperature | |
| Asi et al. | The effect of high temperature gas carburizing on bending fatigue strength of SAE 8620 steel | |
| Ralls et al. | Influence of friction stir processing on the friction, wear and corrosion mechanisms of solid-state additively manufactured 316L duplex stainless steel | |
| Kang et al. | Effect of grinding parameters on surface quality, microstructure and rolling contact fatigue behaviors of gear steel for vacuum pump | |
| Das et al. | Effect of severe vibratory peening on microstructural and tribological properties of hot rolled AISI 1020 mild steel | |
| Sattari et al. | Effect of number of passes on the corrosion behavior of Fe/Al surface composites produced by plasma spraying and friction stir processing | |
| Li et al. | Effect of shot-blasting pretreatment on microstructures of hot-dip galvanized coating | |
| Qu et al. | Rolling contact fatigue properties of ultrasonic surface rolling treated 25CrNi2MoV steel under different lubricant viscosities | |
| Yi et al. | A study for pre-processing of Nb diffusion in Nb–N layer by double-glow plasma alloying | |
| Ralls et al. | Tribological performance of laser shock peened cold spray additive manufactured 316L stainless steel | |
| Tang et al. | Simultaneous improvement of corrosion and wear resistance of Fe–Mn–Al–C lightweight steels: The role of Cr/Mo | |
| Santos et al. | Behavior of the reversed austenite in CA-6NM martensitic stainless steel under cavitation | |
| Wang et al. | Study on the role of cryogenic treatment on corrosion and wear behaviors of high manganese austenitic steel | |
| Hotz et al. | Combination of cold drawing and cryogenic turning for modifying surface morphology of metastable austenitic AISI 347 steel | |
| Leiro | Microstructure analysis of wear and fatigue in austempered high-Si steels | |
| Morita et al. | Effect of hybrid surface treatment composed of plasma nitriding and DLC coating on friction coefficient and fatigue strength of stainless steel | |
| RU2595184C2 (en) | Method of increasing corrosion resistance of structural materials, metal article with increased corrosion resistance | |
| Yutanorm et al. | Diffusion enhancement of low-temperature pack aluminizing on austenitic stainless steel AISI 304 by deep rolling process | |
| Cardona et al. | An overview on the corrosion behavior of steels processed by severe plastic deformation | |
| Liu et al. | Friction stir processing of M2 and D2 tool steels for improving hardness, wear and corrosion resistances |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161015 |