RU2783636C1 - Application of solcoat ceramic coating for diffusive alloying with chrome and silicon of the surface of elements containing iron - Google Patents

Application of solcoat ceramic coating for diffusive alloying with chrome and silicon of the surface of elements containing iron Download PDF

Info

Publication number
RU2783636C1
RU2783636C1 RU2022109391A RU2022109391A RU2783636C1 RU 2783636 C1 RU2783636 C1 RU 2783636C1 RU 2022109391 A RU2022109391 A RU 2022109391A RU 2022109391 A RU2022109391 A RU 2022109391A RU 2783636 C1 RU2783636 C1 RU 2783636C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diffusion
solcoat
alloying
steel
chromium
Prior art date
Application number
RU2022109391A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Рамиль Равильевич Суюнов
Михаил Иосифович Лазерь
Николай Михайлович Дунин
Абдулла Ахтямович Мухамедшин
Рашид Ильдарович Газиев
Альбина Эльверовна Газиева
Александр Андреевич Симагин
Руслан Равильевич Суюнов
Пол Ноэл Боско
Original Assignee
Рамиль Равильевич Суюнов
Руслан Равильевич Суюнов
Filing date
Publication date
Application filed by Рамиль Равильевич Суюнов, Руслан Равильевич Суюнов filed Critical Рамиль Равильевич Суюнов
Application granted granted Critical
Publication of RU2783636C1 publication Critical patent/RU2783636C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgical industry.
SUBSTANCE: invention relates to the field of obtaining protective metal coatings on steel products, namely to the chemical-thermal treatment of elements of technical structures, which provides diffusion alloying of these structures with chromium and silicon. Application of the Solcoat ceramic coating for simultaneous diffusion alloying with chromium and silicon of the surface of structural steel elements during operation at a temperature not lower than 300°C and not more than 560°C.
EFFECT: provided simplification of diffusion alloying of steel structures with an increase in hardness and wear resistance, and hence durability, including long structures, by providing the possibility of alloying during their operation. In addition, the scope of use of ceramic coatings is expanding.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области получения защитных металлических покрытий на изделиях из стали, а именно к химико-термической обработке элементов технических конструкций, содержащих железо, в первую очередь, стальных конструкций, при которой обеспечивается диффузионное легирование этих конструкций одновременно хромом и кремнием.The invention relates to the field of obtaining protective metal coatings on steel products, namely, to the chemical-thermal treatment of elements of technical structures containing iron, primarily steel structures, which ensures diffusion alloying of these structures with chromium and silicon simultaneously.

Уровень техникиState of the art

Диффузионные покрытия давно и хорошо известны.Diffusion coatings have long been well known.

Диффузионные покрытия, применявшиеся в древности, как правило, наносились путем погружения изделия в расплавленный металл, т. е. жидким методом. Однако этот сравнительно простой способ мог быть использован только для покрытия изделий легкоплавкими металлами. Поэтому, когда возникла необходимость в покрытиях тугоплавких металлов, в частности хромом, были разработаны новые методы. Применительно к насыщению поверхностных слоев сплавов хромом, прежде всего, возник парофазовый метод, затем газовый и жидкий.Diffusion coatings used in antiquity, as a rule, were applied by immersing the product in molten metal, i.e., using the liquid method. However, this relatively simple method could only be used for coating products with fusible metals. Therefore, when the need arose for coatings of refractory metals, in particular with chromium, new methods were developed. With regard to the saturation of the surface layers of alloys with chromium, first of all, the vapor-phase method arose, then the gas and liquid methods.

Физическая природа диффузионного легирования металлов одинаковая независимо от легирующего элемента.The physical nature of diffusion alloying of metals is the same regardless of the alloying element.

Диффузионное хромирование принципиально отличается от гальванического хромирования, при котором происходит непосредственное нанесение слоя хрома на поверхность изделия. Диффузионное же хромирование предусматривает проникание хрома в кристаллическую решетку металла путем диффузии. Diffusion chromium plating is fundamentally different from galvanic chromium plating, in which a layer of chromium is directly applied to the surface of the product. Diffusion chromium plating involves the penetration of chromium into the crystal lattice of the metal by diffusion.

В настоящее время диффузионное хромирование сплавов осуществляется четырьмя методами: твердым, парофазовым, газовым и жидким.Currently, diffusion chromium plating of alloys is carried out by four methods: solid, vapor-phase, gas and liquid.

Происходящее при диффузионном хромировании обогащение поверхностных слоев сплава хромом сопровождается существенными изменениями их структуры и физико-химических свойств. Поверхность изделия после диффузионного хромирования приобретает очень высокую твердость, износостойкость, жаростойкость и коррозионную стойкость, а также особые магнитные и электрические свойства (например, Дубинин, Г.Н. Хромирование стали. - М.: Металлургиздат, 1950. - 58 с., [1]).The enrichment of the surface layers of the alloy with chromium, which occurs during diffusion chromium plating, is accompanied by significant changes in their structure and physicochemical properties. The surface of the product after diffusion chromium plating acquires very high hardness, wear resistance, heat resistance and corrosion resistance, as well as special magnetic and electrical properties (for example, Dubinin, G.N. Chrome plating of steel. - M .: Metallurgizdat, 1950. - 58 p., [ one]).

Цель любого химико-термического процесса, в том числе диффузионного хромирования и диффузионного силицирования - придание рабочему сечению изделия гетерогенных свойств, особенно необходимых в тех случаях, когда основные рабочие функции несут поверхностные зоны металла.The goal of any chemical-thermal process, including diffusion chromium plating and diffusion siliconization, is to impart heterogeneous properties to the working section of the product, especially necessary in cases where the main working functions are the surface zones of the metal.

Цель силицирования заключается в образовании кислостойкой поверхности. Кроме этого происходит частичное перестроение атомной решетки, за счет чего повышаются качества износостойкости.The purpose of siliconization is to form an acid-resistant surface. In addition, a partial rearrangement of the atomic lattice occurs, due to which the quality of wear resistance increases.

Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа.Siliconizing gives steel high corrosion resistance in nitric, sulfuric and hydrochloric acids and slightly increases wear resistance.

Хромирование повышает коррозионную стойкость, кислотостойкость, окалиностойкость и т.д.Chrome plating improves corrosion resistance, acid resistance, scale resistance, etc.

Хромирование средне и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.Chrome plating of medium and high carbon steels increases hardness and wear resistance.

При химико-термической обработке диффузионное легирование поверхностных слоев обрабатываемого металла или сплава хромом позволяет не только резко повысить прочностные характеристики, но изменить химические и физические свойства.During chemical-thermal treatment, diffusion alloying of the surface layers of the treated metal or alloy with chromium makes it possible not only to sharply increase the strength characteristics, but also to change the chemical and physical properties.

Химико-термическая обработка - это термообработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.Chemical-thermal treatment is a heat treatment, which consists in a combination of thermal and chemical effects in order to change the composition, structure and properties of the surface layer of steel.

При химико-термической обработке происходит насыщение стали соответствующим элементом (например, хромом, кремнием) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.During chemical-thermal treatment, the steel is saturated with the corresponding element (for example, chromium, silicon) by its diffusion in the atomic state from the external environment (solid, gas, steam, liquid) at high temperature.

Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении.Chemical-thermal treatment has found wide application in mechanical engineering.

Широкое применение химико-термической обработки объясняется тем, что большинство деталей машин и механизмов работает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии (химической, электрохимической) при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. Химико-термическая обработка, повышающая твердость поверхности, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин (например, Лахтин, Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1990. - 528с: ил., [2]).The widespread use of chemical-thermal treatment is explained by the fact that most parts of machines and mechanisms operate under conditions of wear, cavitation, cyclic loads, corrosion (chemical, electrochemical) at cryogenic or high temperatures, at which maximum stresses occur in the surface layers of the metal. Chemical-thermal treatment, which increases the surface hardness, wear resistance, cavitation and corrosion resistance and creates favorable residual compressive stresses on the surface, increases the reliability and durability of machine parts (for example, Lakhtin, Yu. technical educational institutions - 3rd ed., revised and supplemented - M.: Mashinostroenie, 1990. - 528s: ill., [2]).

Так, например, из описания к патенту РФ № 2607871 (опубликован 20.01.2017) известен способ получения покрытия на изделиях из низко- или высоколегированных сталей, или цветных металлов или их сплавов путем нанесения на них металлического покрытия термодиффузионным методом включает следующие последовательно осуществляемые стадии: загрузку обрабатываемых изделий в постоянно вращающийся контейнер с одновременно насыщающейся порошковой смесью на основе порошка хрома с примесью оксида цинка в виде образующегося по всему объему контейнера пылевого облака из указанной порошковой смеси, за счет трибостатического эффекта равномерное осаждение насыщающей порошковой смеси на всей поверхности изделия, при этом вышеуказанные загрузку и осаждение проводят в течение не более 15 минут при скорости вращения контейнера 7-10 об/мин, нагрев контейнера с изделием в диапазоне температур от 250 до 500°С при скорости нагрева 5-10°С/мин и скорости вращения контейнера 5-8 об/мин при длительности стадии нагрева не более 50 мин, выдержку не менее 5 мин при указанных температурных режимах и при скорости вращения контейнера 2-6 об/мин и принудительное охлаждение контейнера с изделием при увеличении скорости вращения контейнера до 7-10 об/мин и скорости снижения температуры 5-10°С/мин и при длительности стадии охлаждения не менее 60 мин с обеспечением получения покрытия с толщиной антикоррозийного слоя от 1,5 до 16,0 мкм, которую регулируют длительностью осуществления двух последних стадий.So, for example, from the description to the patent of the Russian Federation No. 2607871 (published on January 20, 2017), a method for obtaining a coating on products made of low- or high-alloy steels, or non-ferrous metals or their alloys by applying a metal coating on them by the thermal diffusion method includes the following successive stages: loading workpieces into a constantly rotating container with a simultaneously saturating powder mixture based on chromium powder with an admixture of zinc oxide in the form of a dust cloud formed throughout the container from the specified powder mixture, due to the tribostatic effect, uniform deposition of the saturating powder mixture on the entire surface of the product, while the above loading and deposition is carried out for no more than 15 minutes at a container rotation speed of 7-10 rpm, heating the container with the product in the temperature range from 250 to 500°C at a heating rate of 5-10°C/min and a container rotation speed of 5 -8 rpm at the duration of the heating stage n not more than 50 minutes, holding for at least 5 minutes at the indicated temperature conditions and at a container rotation speed of 2-6 rpm and forced cooling of the container with the product when the container rotation speed increases to 7-10 rpm and the temperature decrease speed is 5-10 °C/min and with a duration of the cooling stage of at least 60 minutes to ensure the production of a coating with a thickness of the anti-corrosion layer from 1.5 to 16.0 μm, which is controlled by the duration of the last two stages.

Также известен способ силицирования стальных изделий, включающий электролизную обработку изделий в солевом расплаве, содержащем кремнийсодержащий активатор, при этом, с целью интенсификации процесса, повышения износостойкости и конструктивной прочности обрабатываемых изделий, обработку проводят при катодной плотности тока 400-500 А/ми 1050-1100°С в течение 0,5-1,0 ч (авторское свидетельство СССР № 1280916, опубликовано 27.06.2007).Also known is a method of siliconizing steel products, including electrolysis treatment of products in a salt melt containing a silicon-containing activator, while in order to intensify the process, increase wear resistance and structural strength of the workpieces, the treatment is carried out at a cathode current density of 400-500 A/m 2 ° and 1050-1100°C for 0.5-1.0 h (USSR author's certificate No. 1280916, published 06/27/2007).

Однако, все известные способы диффузионного легирования хромом и способы силицирования имеют недостаток, состоящий в том, что легирование и силицирование осуществляют в процессе производства соответствующего изделия (соответствующей конструкции), а не в процессе его эксплуатации.However, all known methods of diffusion alloying with chromium and siliconizing methods have the disadvantage that alloying and siliconizing are carried out during the production of the corresponding product (corresponding design), and not during its operation.

Этот недостаток проявляется в том, что крайне затруднительным, а порой и невозможным, является диффузионное легирование хромом и кремнием крупногабаритных конструкций.This shortcoming is manifested in the fact that it is extremely difficult, and sometimes impossible, to do diffusion alloying with chromium and silicon of large-sized structures.

В частности, это относится к радиантным секциям котлов и печей. Основная причина растрескивания таких труб (а следовательно, и короткого срока их службы) состоит в их низкой коррозионной стойкости в продуктах сгорания органического топлива. Диффузионное легирование хромом таких труб может повысить их коррозионную стойкость и, соответственно, увеличить срок службы, однако такое легирование в процессе производства крайне затруднено, требует кардинальной перестройки производства и существенно удорожает готовую продукцию и по этой причине не применяется в промышленных масштабах.In particular, this applies to the radiant sections of boilers and furnaces. The main reason for the cracking of such pipes (and, consequently, their short service life) is their low corrosion resistance in fossil fuel combustion products. Diffusion alloying with chromium of such pipes can increase their corrosion resistance and, accordingly, increase their service life, however, such alloying in the production process is extremely difficult, requires a radical restructuring of production and significantly increases the cost of finished products, and for this reason is not used on an industrial scale.

Вместе с тем известно керамическое покрытие Solcoat, содержащее Cr2O3 и SiO2. Это покрытие относится к классу высокоизлучающих. However, the known ceramic coating Solcoat containing Cr 2 O 3 and SiO 2 . This coating belongs to the class of highly radiant.

Высокоизлучающие покрытия - это покрытия, изменяющие эмиссионные свойства поверхностей. Такие покрытия хорошо известны. Они применяются в различных областях, включая высокотемпературные ядерные реакторы, фотоэлектрические солнечные элементы, аэрокосмическую технику, черную и сталелитейную промышленность и нефтехимическую промышленность. Highly emissive coatings are coatings that change the emissive properties of surfaces. Such coatings are well known. They are applied in various fields, including high-temperature nuclear reactors, photovoltaic solar cells, aerospace engineering, iron and steel industry and petrochemical industry.

Solcoat - это золь-гель керамическое покрытие на водной основе с использованием компонент Solcoat™ /https://www.ctkeuro.ru/index.php?p=Coating#Slide4/. Такое покрытие используют для увеличения переизлучения теплового излучения.Solcoat is a water-based sol-gel ceramic coating using the Solcoat™ component /https://www.ctkeuro.ru/index.php?p=Coating#Slide4/. Such a coating is used to increase the re-emission of thermal radiation.

Это единственный известный способ использования покрытия Solcoat по прямому назначению, то есть для переизлучения с высоким коэффициентом переизлучения.This is the only known way to use Solcoat for its intended purpose, i.e. high re-emission re-emission.

Результатом такого использования является снижение энергетических потерь.The result of this use is a reduction in energy losses.

Известно применение керамического покрытия Solcoat, полученного смешиванием компонентов Solcoat и воды, нанесением полученной путем этого смешивания краски на поверхность элементов стальных конструкций (Снижение энергоемкости и повышение энергоэффективности на объектах ТЭК. Бабкин Виктор Александрович. Ачинск, 31.10.16, АО «АНПЗ ВНК», дата публикации 31.12.2019, http://www.ipktek.ru/templates/new_style_1/images/konkurs_2016/sec15/prod/pr.pdf). Данная информация принята в качестве наиболее близкого аналога к патентуемому решению.It is known to use the Solcoat ceramic coating obtained by mixing Solcoat components and water, applying the paint obtained by this mixing onto the surface of steel structure elements (Reducing energy consumption and increasing energy efficiency at fuel and energy facilities. Babkin Viktor Aleksandrovich. Achinsk, 10/31/16, JSC ANPZ VNK, publication date 12/31/2019, http://www.ipktek.ru/templates/new_style_1/images/konkurs_2016/sec15/prod/pr.pdf). This information is accepted as the closest analogue to the patented solution.

Однако не известно применение данной технологии для легирования стальных конструкций в процессе их эксплуатации.However, the use of this technology for alloying steel structures during their operation is not known.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение диффузионного легирования стальных конструкций с повышением твердости и износостойкости, а следовательно, и долговечности, в том числе, длинномерных конструкций, за счет обеспечения возможности осуществления легирования в процессе их эксплуатации, при этом легирование происходит с увеличением диффузионного слоя в процессе одновременного совместного диффузионного легирования элементов хромом и кремнием. Кроме этого, техническим результатом является расширение сферы применения керамического покрытия, при этом покрытие Solcoat в данном случае его применения не является высокоизлучающим.The technical result of the claimed invention is the simplification of diffusion alloying of steel structures with an increase in hardness and wear resistance, and hence durability, including long structures, by providing the possibility of alloying during their operation, while alloying occurs with an increase in the diffusion layer in the process. simultaneous joint diffusion alloying of elements with chromium and silicon. In addition, the technical result is the expansion of the scope of the ceramic coating, while the Solcoat coating in this case of its application is not highly radiant.

Технический результат достигается за счет применения керамического покрытия Solcoat для одновременного совместного диффузионного легирования хромом и кремнием в процессе эксплуатации поверхности элементов, содержащих железо, полученного смешиванием компонентов Solcoat и воды, и нанесенного на поверхность элементов, эксплуатирующихся при температуре не ниже 300°С и не более 560°С, с последующим отжигом до температуры не ниже температуры выпаривания воды из покрытия (до 120°С).The technical result is achieved through the use of Solcoat ceramic coating for simultaneous joint diffusion alloying with chromium and silicon during operation of the surface of elements containing iron, obtained by mixing Solcoat components and water, and deposited on the surface of elements operated at temperatures not lower than 300 ° C and not more 560°C, followed by annealing to a temperature not lower than the temperature of evaporation of water from the coating (up to 120°C).

При этом неожиданным эффектом, выявленным при эксплуатации, является то, что диффузионное легирование элементов стальных конструкций, содержащих железо и эксплуатирующихся при температуре не ниже 300°С и не выше 560°С, происходит в процессе их эксплуатации.At the same time, an unexpected effect revealed during operation is that diffusion alloying of steel structure elements containing iron and operated at temperatures not lower than 300°C and not higher than 560°C occurs during their operation.

Компоненты Solcoat и воду смешивают в пропорциях, установленных производителем Solcoat, а отжиг производят в рабочей газовой среде для этих элементов стальных конструкций. В результате такого смешивания получается краска, которая после ее нанесения на сталь и выпаривания из нее воды, добавленной при смешивании с компонентами Solcoat, становится керамическим покрытием.Solcoat components and water are mixed in proportions specified by the Solcoat manufacturer, and annealing is carried out in a working gas atmosphere for these elements of steel structures. The result of this mixing is a paint that, after being applied to the steel and the water added by mixing with the Solcoat components, evaporates from it, becomes a ceramic coating.

Покрытие Solcoat представляет собой термостойкий газонепроницаемый керамический композит (до 1900°С). Оно обладает высокой коррозионной стойкостью в кислых газах и конденсатах. Покрытие Solcoat устойчиво к абляции и предотвращает образование накипи.The Solcoat coating is a heat-resistant, gas-tight ceramic composite (up to 1900°C). It has high corrosion resistance in acid gases and condensates. Solcoat is ablation resistant and prevents scale formation.

Покрытие Solcoat в зависимости от состава компонентов, используемых при его изготовлении, может быть в различных формах, например:The Solcoat coating, depending on the composition of the components used in its manufacture, can be in various forms, for example:

- зеленой - с повышенной коррозионной и термостойкостью,- green - with increased corrosion and heat resistance,

- черной - с повышенной стойкостью к истиранию при более низких температурах - CroMag - с увеличенным температурным пределом использования.- black - with increased resistance to abrasion at lower temperatures - CroMag - with an increased temperature limit of use.

Покрытие Solcoat изготавливают из краски на водной основе, получаемой перемешиванием в воде компонентов Solcoat.Solcoat is made from a water-based paint obtained by mixing Solcoat components in water.

Краска может наноситься воздушным и/или безвоздушным распылением.The paint can be applied by air and/or airless spray.

При получении высокоизлучающего покрытия в технологическом процессе ее запекания и нагревания имеется три характерные температуры технологического процесса создания покрытия. Это:When obtaining a highly radiant coating in the technological process of its baking and heating, there are three characteristic temperatures of the technological process of creating the coating. It:

Figure 00000001
Температура изготовления краски;
Figure 00000001
Paint manufacturing temperature;

Figure 00000001
Температура запекания - это температура завершения выпаривания свободной (то есть не химически связанной) воды из краски. Это температура, при которой завершается выпаривание воды, которая была добавлена при приготовлении краски;
Figure 00000001
The bake temperature is the temperature at which the free (i.e., non-chemically bound) water is completely evaporated from the paint. This is the temperature at which the evaporation of the water that was added during the preparation of the paint is completed;

• Температура созревания - это температура нагревания покрытия, выше которой покрытие приобретает высокую излучающую способность (переизлучает с высоким коэффициентом переизлучения). Приобретаемая высокая излучаемая способность необратима, то есть при охлаждении покрытия оно не теряет это, ранее приобретенное свойство.• Maturing temperature is the heating temperature of the coating, above which the coating acquires a high emissivity (re-radiates with a high re-radiation coefficient). The acquired high emissivity is irreversible, that is, when the coating is cooled, it does not lose this previously acquired property.

Кроме того, есть два температурных диапазона - температурный диапазон выпаривания свободной воды из краски и температурный диапазон выпаривания химически связанной воды из запеченного покрытия.In addition, there are two temperature ranges - the temperature range for evaporating free water from the paint and the temperature range for evaporating chemically bound water from the baked coating.

В процессе нагревания, нанесенной на поверхность краски, ее физические свойства изменяются. In the process of heating applied to the surface of the paint, its physical properties change.

Первое изменение происходит при закипании свободной воды и ее выпаривании. Это изменение состоит в том, что нанесенная на основание краска становится запеченным с основанием, на которое она нанесена, покрытием. При этом покрытие Solcoat пока еще не обладает высокоизлучающими свойствами.The first change occurs when free water boils and evaporates. This change consists in the fact that the paint applied to the base becomes baked with the base on which it is applied, the coating. However, the Solcoat coating does not yet have high emissivity properties.

При дальнейшем повышении температуры начинается постепенное выпаривание химически связанной воды, происходящее за счет разрыва химических связей в покрытии, приводящее к изменению его химического состава и сопровождающееся образованием воды. With a further increase in temperature, the gradual evaporation of chemically bound water begins, which occurs due to the breaking of chemical bonds in the coating, leading to a change in its chemical composition and accompanied by the formation of water.

На этой стадии при температуре начиная с 300°С и выше (вплоть до 560°С) образуется Cr-3 и происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя металла атомами хрома (Cr-3). За счет высокого pH покрытия происходит «растворение» поверхностного слоя металла, то есть приведение поверхности металла к химически активному состоянию. Этот поверхностный слой металла подвержен ионной диффузии ионов (Cr-3) из покрытия. В результате поверхность металла насыщается хромом.At this stage, at temperatures ranging from 300°C and above (up to 560°C), Cr -3 is formed and diffusion saturation of the surface layer of the metal with chromium atoms (Cr -3 ) occurs. Due to the high pH of the coating, the “dissolution” of the surface layer of the metal occurs, that is, the metal surface is brought to a chemically active state. This surface layer of metal is subject to ionic diffusion of ions (Cr -3 ) from the coating. As a result, the surface of the metal is saturated with chromium.

При температурах, начиная от 300°С, происходит химико- термическая обработка металла, при которой имеет место насыщение металла хромом. Эта химико- термическая обработка металла включает три последовательные стадии:At temperatures ranging from 300°C, chemical-thermal treatment of the metal takes place, at which the metal is saturated with chromium. This chemical-thermal treatment of metal includes three successive stages:

Первая стадия - образование активных атомов Cr-3 в покрытии (насыщающей среде) вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т.е. количество образующихся в единицу времени активных атомов Cr-3, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды (покрытия Solcoat), взаимодействия отдельных составляющих среды между собой, температуры, давления и состава стали. Эта стадия начинается при температуре покрытия Solcoat 300°С.The first stage is the formation of active Cr -3 atoms in the coating (saturating medium) near the surface or directly on the surface of the metal. Diffusion flow power, i.e. the number of active Cr -3 atoms formed per unit time depends on the composition and state of aggregation of the saturating medium (Solcoat coating), the interaction of the individual components of the medium with each other, temperature, pressure and steel composition. This stage starts at a Solcoat coating temperature of 300°C.

Вторая стадия - адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов Cr-3 на поверхности насыщения (поверхность металла). Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности металла нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке оба типа адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит только к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) - Cr-3 с обрабатываемой поверхностью (адсорбентом) - металлом благодаря действию ван-дер-ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции (десорбция). При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата (Cr-3) и адсорбента (металла), которое по своему характеру и силе близко к химическому (Термическая обработка в машиностроении Справочник Под ред. Ю. М. Лахтина, А. Г. Рахштадта. Москва, издательство "Машиностроение", 1980г. - 783 с. [3]).The second stage is the adsorption (sorption) of the formed active Cr -3 atoms on the saturation surface (metal surface). Adsorption is a complex process that occurs on the metal surface in a non-stationary manner. There are physical (reversible) and chemical adsorption (chemisorption). During chemical-thermal treatment, both types of adsorption are superimposed on each other. Physical adsorption leads only to the adhesion of the adsorbed atoms of the saturating element (adsorbate) - Cr -3 with the treated surface (adsorbent) - metal due to the action of van der Waals forces of attraction, and it is characterized by an easy reversibility of the adsorption (desorption) process. During chemisorption, an interaction occurs between the atoms of the adsorbate (Cr -3 ) and the adsorbent (metal), which in its nature and strength is close to chemical (Heat treatment in mechanical engineering Handbook Edited by Yu. M. Lakhtin, A. G. Rakhshtadt. Moscow, Publishing house "Mashinostroenie", 1980 - 783 pages [3]).

Адсорбция начинается, прежде всего, на тех участках поверхности металла, энергия которых максимальна. Адсорбированные атомы удерживаются на поверхности благодаря стремлению системы понизить запас свободной энергии. Адсорбция - всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.Adsorption begins, first of all, in those areas of the metal surface, the energy of which is maximum. Adsorbed atoms are retained on the surface due to the desire of the system to reduce the amount of free energy. Adsorption is always an exothermic process leading to a decrease in free energy.

Если химический потенциал диффундирующего элемента (Cr-3) в покрытии выше, чем в обрабатываемом металле, адсорбированные атомы поглощаются обрабатываемым металлом, внедряясь в вакантные места решетки, в большом количестве имеющиеся на поверхности металла.If the chemical potential of the diffusing element (Cr -3 ) in the coating is higher than in the treated metal, the adsorbed atoms are absorbed by the treated metal, penetrating into lattice vacancies that are present in large numbers on the metal surface.

Разность химических потенциалов насыщающей среды (покрытия) и обрабатываемого металла служит термодинамическим стимулом процесса химико- термической обработки.The difference between the chemical potentials of the saturating medium (coating) and the treated metal serves as a thermodynamic stimulus for the chemical-thermal treatment process.

Адсорбирующая способность обрабатываемой поверхности (металла) зависит от температуры, давления, состояния поверхности, природы металла и диффундирующего элемента и других факторов.The adsorption capacity of the treated surface (metal) depends on the temperature, pressure, surface condition, nature of the metal and the diffusing element, and other factors.

Третья стадия - это диффузия - перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента (Cr-3) на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности вглубь обрабатываемого металла (изделия).The third stage is diffusion - the movement of adsorbed atoms in the lattice of the treated metal. As the atoms of the diffusing element (Cr -3 ) accumulate on the saturation surface, a diffusion flow occurs from the surface deep into the metal (product) being processed.

Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам [3].The diffusion process is possible only if there is a solubility of the diffusing element in the treated metal and a sufficiently high temperature that provides the necessary energy to the atoms [3].

Указанные стадии процесса насыщения взаимосвязаны и влияют на кинетику химико-термической обработки, фазовый состав и структуру диффузионного слоя, а, следовательно, на его свойства.These stages of the saturation process are interrelated and affect the kinetics of chemical-thermal treatment, the phase composition and structure of the diffusion layer, and, consequently, its properties.

Развитие процесса диффузии приводит к образованию в поверхностных слоях обрабатываемого металла диффузионной зоны, состоящей из твердых растворов или химических соединений.The development of the diffusion process leads to the formation of a diffusion zone in the surface layers of the treated metal, consisting of solid solutions or chemical compounds.

Слой материала металла у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружающей активной среды, называют сердцевиной. A layer of metal material near the saturation surface, which differs from the initial one in chemical composition, is called a diffusion layer. The material of the part under the diffusion layer, not affected by the influence of the surrounding active medium, is called the core.

Интенсивность химико-термической обработки определяется главным образом ее диффузионной стадией. Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные данного металла.The intensity of chemical-thermal treatment is determined mainly by its diffusion stage. Diffusion is understood as the movement of atoms in a crystalline body to distances exceeding the average interatomic of a given metal.

Основной вид теплового движения атомов в кристаллической решетке - это колебания их около положения равновесия.The main type of thermal motion of atoms in a crystal lattice is their oscillations around the equilibrium position.

В основе процесса диффузии лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает более или менее случайные блуждания, т.е. ряд скачков между различными равновесными положениями в решетке.The diffusion process is based on an atomic mechanism, in which each atom performs more or less random walks, i.e. a series of jumps between different equilibrium positions in the lattice.

Для осуществления элементарного акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер, величину которого определяет энергия активации Q. Средняя тепловая энергия атомов EQ всегда меньше значения Q и линейно связана с температурой EQ = 3kT, где k - константа Больцмана.To implement an elementary act of diffusion, an atom must overcome an energy barrier, the value of which is determined by the activation energy Q. The average thermal energy of atoms E Q is always less than the value of Q and is linearly related to the temperature E Q = 3kT, where k is the Boltzmann constant.

Таким образом, энергия активации Q представляет собой величину флуктуации энергии, которая необходима для того, чтобы атом мог перейти из одного положения в кристаллической решетке в другое.Thus, the activation energy Q is the amount of energy fluctuation required for an atom to move from one position in the crystal lattice to another.

Элементарный акт диффузии при вакансионном механизме осуществляется путем перемещения атома в соседнюю вакансию и образования на старом месте новой вакансии и т.д. Таким образом, происходит непрерывная диффузия вакансий [3].An elementary act of diffusion in the vacancy mechanism is carried out by moving an atom to a neighboring vacancy and forming a new vacancy in the old place, etc. Thus, continuous diffusion of vacancies occurs [3].

В металлах при образовании твердых растворов замещении диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму.In metals, during the formation of substitution solid solutions, diffusion is predominantly carried out according to the vacancy mechanism.

Диффузионное легирование хромом металлов, покрытых Solcoat, происходит начиная с 300°С и вплоть до температуры созревания, которая равна 560°С. Начиная с температуры созревания, происходят структурные изменения в покрытии, которые приводят к появлению высокоизлучающих свойств у покрытия. Таким образом, температура созревания - это температура, при превышении которой в покрытии Solcoat начинаются необратимые изменения, проявляющиеся появлением в покрытии высокой переизлучающей способности.Diffusion alloying with chromium of metals coated with Solcoat occurs starting from 300°C and up to the maturation temperature, which is equal to 560°C. Starting from the maturation temperature, structural changes occur in the coating, which lead to the appearance of highly emissive properties in the coating. Thus, the maturation temperature is the temperature above which irreversible changes begin in the Solcoat coating, manifested by the appearance of a high re-emissivity in the coating.

При насыщении чистого железа различными элементами строение эмиссионного слоя подчиняется общему правилу. Согласно этому правилу, диффузия между двумя компонентами вызывает образование однофазных слоев, соответствующих однофазным областям диаграммы фазового равновесия Fe-Ме, пересекаемых изотермой при температуре насыщения. Диффузионные слои образуются в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояния.When pure iron is saturated with various elements, the structure of the emission layer obeys the general rule. According to this rule, diffusion between two components causes the formation of single-phase layers, corresponding to single-phase regions of the Fe-Me phase equilibrium diagram, crossed by an isotherm at saturation temperature. Diffusion layers are formed in the same sequence as the single-phase regions on the state diagram.

Следовательно, природа первичных образований, фазовый состав и изменение концентрации по глубине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния: железо - диффундирующий элемент [3].Consequently, the nature of the primary formations, the phase composition and the change in concentration along the depth of the diffusion layer can be described by the state diagram: iron is a diffusing element [3].

В случае диаграммы состояния с замкнутой областью γ-фазы (Fe-Cr) диффузия первоначально протекает в γ- фазе, а по достижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристаллизация γ -> αIn the case of a phase diagram with a closed region of the γ-phase (Fe-Cr), diffusion initially proceeds in the γ-phase, and upon reaching the solubility limit on the surface, phase recrystallization γ -> α occurs

Зародыши α-фазы образуются на поверхности в местах выхода границ зерен, блоков, скопления дислокаций и других дефектов строения, где более быстро достигается насыщение γ-фазы диффундирующим элементом, легче возникают флуктуации концентраций и энергии, необходимые для образования зародыша α-фазы критического размера и меньше работа его образования. Поскольку пресыщение имеется только на поверхности, α-фаза образует сплошной слой. Пока существует только γ-фаза, концентрация диффундирующего элемента плавно уменьшается от поверхности вглубь. Образование α-фазы приводит к скачкообразному повышению концентрации (химического потенциала) на величину, соответствующую ширине двухфазной области α + γ.Nuclei of the α-phase are formed on the surface at the points of emergence of grain boundaries, blocks, accumulation of dislocations and other structural defects, where saturation of the γ-phase with a diffusing element is achieved more quickly, fluctuations of concentrations and energy, which are necessary for the formation of an α-phase nucleus of a critical size and less the work of his education. Since oversaturation exists only on the surface, the α-phase forms a continuous layer. As long as only the γ-phase exists, the concentration of the diffusing element gradually decreases from the surface inwards. The formation of the α-phase leads to an abrupt increase in the concentration (chemical potential) by a value corresponding to the width of the two-phase region α + γ.

Скачок концентрации возникает вследствие того, что двухфазные области α + γ диффузионным путем образовываться не могут. Это объясняется тем, что в пределах двухфазной области составы фаз постоянны и градиент концентраций в пределах каждой из них равен нулю. Между α- фазой, образовавшейся на поверхности, и нижележащей γ-фазой возникает межфазовая граница раздела.The jump in concentration occurs due to the fact that two-phase regions α + γ cannot be formed by diffusion. This is explained by the fact that within the two-phase region, the compositions of the phases are constant and the concentration gradient within each of them is equal to zero. An interphase boundary appears between the α-phase formed on the surface and the underlying γ-phase.

В α-фазе, образовавшейся на поверхности, и в нижележащей γ-фазе протекает диффузия насыщающего элемента, которая стремится изменить установившуюся концентрацию на межфазовой поверхности. Это приводит к развитию межфазовой диффузии, т.е. переходу атомов диффундирующего элемента из α-фазы в γ-фазу, что восстанавливает пограничные концентрации на границе раздела фаз и передвигает ее вглубь обрабатываемого металла. Скорость роста α-фазы будет тем выше, чем больше в ней подвижность диффундирующего элемента и чем медленнее протекает диффузия в γ-фазе.In the α-phase formed on the surface, and in the underlying γ-phase, diffusion of the saturating element occurs, which tends to change the established concentration on the interfacial surface. This leads to the development of interfacial diffusion, i.e. the transition of atoms of the diffusing element from the α-phase to the γ-phase, which restores the boundary concentrations at the interface and moves it deep into the metal being processed. The growth rate of the α-phase will be the higher, the greater the mobility of the diffusing element in it and the slower the diffusion in the γ-phase proceeds.

Зародыши α-фазы растут по направлению диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллы, так как необходимое для их роста пересыщение достигается в месте контакта α- и γ-фаз (Процессы взаимной диффузии в сплавах / И.Б. Боровский, К.П. Гуров, И.Д. Марчукова, Ю.Э. Угасте. - М.: Наука, 1973. - 360 с., [4]).The nuclei of the α-phase grow in the direction of diffusion, forming characteristic columnar crystals, since the supersaturation necessary for their growth is achieved at the point of contact of the α- and γ-phases (Processes of mutual diffusion in alloys / I.B. Borovsky, K.P. Gurov, I. D. Marchukova, Y. E. Ugaste, Moscow: Nauka, 1973, 360 p., [4]).

Толщина диффузионного слоя, определяющая глубину упрочненного слоя, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется (Шиняев, А.Я. Диффузионные процессы в сплавах /А.Я. Шиняев. - М.: Наука, 1975. - 228 с., [5]):The thickness of the diffusion layer, which determines the depth of the hardened layer, is the most important characteristic of chemical-thermal treatment. The layer thickness is determined (Shinyaev, A.Ya. Diffusion processes in alloys / A.Ya. Shinyaev. - M.: Nauka, 1975. - 228 p., [5]):

Figure 00000001
Температурой насыщения;
Figure 00000001
saturation temperature;

Figure 00000001
Продолжительностью процесса;
Figure 00000001
duration of the process;

Figure 00000001
Перепадом концентрации по глубине слоя;
Figure 00000001
The difference in concentration over the depth of the layer;

Figure 00000001
Составом стали.
Figure 00000001
Steel composition.

В подавляющем числе случаев рост эффективной толщины диффузионного слоя подчиняется параболической зависимости In most cases, the increase in the effective thickness of the diffusion layer obeys the parabolic dependence

х2 = kt x 2 = kt

где х - толщина диффузионного слоя; k - константа, в которую входит коэффициент диффузии (см2/с)‚ зависящая от конкретных условий проведения химико-термической обработки; t - время.where x is the thickness of the diffusion layer; k is a constant, which includes the diffusion coefficient (cm 2 /s)‚ depending on the specific conditions of the chemical-thermal treatment; t - time.

Константа k‚ а, следовательно, и толщина слоя экспоненциально зависят от температуры.The constant k‚ and, consequently, the layer thickness depend exponentially on temperature.

Таким образом, чем длительнее процесс эмиссионного легирования и чем выше рабочая температура, тем толще диффузионный слой. Thus, the longer the process of emission doping and the higher the operating temperature, the thicker the diffusion layer.

Это означает что, чем дольше покрытый Solcoat металл находится в рабочем режиме эксплуатации в температурном диапазоне от 300°С до 560°С тем толще диффузионный слой. Диффузионное легирование хромом происходит непрерывно в процессе эксплуатации с постепенным увеличением диффузионного слоя.This means that the longer the metal coated with Solcoat is in operation in the temperature range from 300°C to 560°C, the thicker the diffusion layer. Diffusion alloying with chromium occurs continuously during operation with a gradual increase in the diffusion layer.

При дальнейшем повышении температуры, начиная с 560°С и выше оксид хрома, содержащийся в покрытии, переходит из аморфного состояния в стеклообразное пластичное низковязкое состояние и в этом состоянии заполняет все поры, образовавшиеся ранее при выпаривании химически связанной воды. В результате покрытие становится газонепроницаемым и образуется дополнительная защита от агрессивной среды.With a further increase in temperature, starting from 560°C and above, the chromium oxide contained in the coating passes from the amorphous state to a glassy plastic low-viscosity state and in this state fills all the pores that were previously formed during the evaporation of chemically bound water. As a result, the coating becomes gas-tight and additional protection against aggressive environments is formed.

Запекание покрытия Solcoat на поверхности стали или иной поверхности происходит при температуре запекания.Solcoat Baking on the surface of steel or other surface occurs at the baking temperature.

Температура запекания - это температура, при которой завершается процесс выпаривания свободной воды из краски (до 120°С).The baking temperature is the temperature at which the process of evaporation of free water from the paint is completed (up to 120°C).

Запекание состоит в жестком сцеплении покрытия с поверхностью основания, на которое оно нанесено (металла) и происходит при выпаривании воды из нанесенной на металл краски. Затвердевание завершается при полном выпаривании воды. До этого момента краска остается пластичной и твердеет по мере выпаривания.Baking consists in the rigid adhesion of the coating to the surface of the base on which it is applied (metal) and occurs when water evaporates from the paint applied to the metal. Hardening is completed when the water is completely evaporated. Up to this point, the paint remains plastic and hardens as it evaporates.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Изобретение может быть осуществлено, например, в радиантно-конвекционных печах нанесением покрытия Solcoat на стальные змеевики.The invention can be carried out, for example, in radiant convection ovens by applying a Solcoat coating to steel coils.

Для осуществления заявляемого способа на первом этапе подготавливают поверхность змеевика (стальных труб) для нанесения на них покрытия Solcoat. Для этого трубы очищают от загрязнений и обеспыливают.To implement the proposed method, at the first stage, the surface of the coil (steel pipes) is prepared for coating with Solcoat. To do this, the pipes are cleaned of contaminants and dedusted.

Далее, для получения покрытия, компоненты Solcoat в пропорциях, рекомендованных производителем, перемешиваются с водой.Further, to obtain a coating, the components of Solcoat in the proportions recommended by the manufacturer are mixed with water.

В частности, компоненты Solcoat и воду смешивают в пропорциях:In particular, the Solcoat components and water are mixed in proportions:

Два контейнера SOLCOAT части A : Один контейнер SOLCOAT части B : Один контейнер SOLCOAT части C.Two SOLCOAT Part A : One SOLCOAT Part B : One SOLCOAT Part C.

Перемешивание осуществляется на месте нанесения покрытия, например, как рекомендует производитель Solcoat, с помощью шнековой мешалки в течение 45 минут. Использовать полученную таким перемешиванием краску можно в течение 12÷24 часов. Краску наносят сразу на подготовленную поверхность в несколько (2÷4) слоев. Конечная толщина должна быть 0,12÷0,25 мм. Время между нанесением слоев может составлять от 30 минут до 4 часов.Mixing is carried out at the place of application of the coating, for example, as recommended by the manufacturer Solcoat, using a screw mixer for 45 minutes. The paint obtained by such mixing can be used within 12 ÷ 24 hours. The paint is applied immediately to the prepared surface in several (2÷4) layers. The final thickness should be 0.12÷0.25 mm. The time between applying layers can be from 30 minutes to 4 hours.

При приготовлении состава краски Solcoat для диффузионного легирования хромом, доля воды может быть разной, но такой, что кислотность (pН) краски должна быть не меньше, чем рекомендована производителем Solcoat, в среднем, в диапазоне 7-11.When preparing a Solcoat paint composition for chromium diffusion alloying, the proportion of water can be different, but such that the acidity (pH) of the paint should not be less than recommended by the Solcoat manufacturer, on average, in the range of 7-11.

При приготовлении краски нужно учитывать, что, когда вода добавляется в порошковую смесь, когезионная способность порошковой массы увеличивается, и это вызывает более высокое сопротивление смешиванию. Следовательно, измерение крутящего момента влажной массы согласуется с различными стадиями насыщения жидкостью [R.C. Rowe, G.R. Sadeghnejad, The rheology of microcrystalline cellulose powder/water mixes - measurement using a mixer torque rheometer, International Journal of Pharmaceutics, 38 (1987) 227-229]. Выделяют четыре фазы взаимодействия жидкость-твердое тело, а именно маятниковую, фуникулярную, капиллярную и капельную фазы. При добавлении воды крутящий момент влажной массы увеличивается, поскольку насыщение жидкостью проходит через маятниковую фазу и фуникулярную массу фазу фуникулера. Максимальный крутящий момент приблизительно соответствует капиллярной фазе [B. Hancock, P. York, R. Rowe, An assessment of substrate-binder interactions in model wet masses. 1: Mixer torque rheometry, International Journal of Pharmaceutics, 102 (1994) 167-176.] When preparing paint, it must be taken into account that when water is added to the powder mixture, the cohesiveness of the powder mass increases, and this causes a higher resistance to mixing. Therefore, wet mass torque measurement is consistent with different stages of fluid saturation [R.C. Rowe, G.R. Sadeghnejad, The rheology of microcrystalline cellulose powder/water mixes - measurement using a mixer torque rheometer, International Journal of Pharmaceutics, 38 (1987) 227-229]. There are four phases of liquid-solid interaction, namely pendulum, funicular, capillary and drip phases. When water is added, the torque of the wet mass increases as the saturation with liquid passes through the pendulum phase and the funicular mass phase of the funicular. The maximum torque approximately corresponds to the capillary phase [B. Hancock, P. York, R. Rowe, An assessment of substrate-binder interactions in model wet masses. 1: Mixer torque rheometry, International Journal of Pharmaceutics, 102 (1994) 167-176.]

Запекание краски Solcoat, нанесенной на змеевик, может осуществляться в процессе запуска и сушки радиационно-конвекционной трубчатой печи, что иллюстрируется рис. 1.The baking of the Solcoat paint applied to the coil can be carried out during the start-up and drying of the radiative convection tube furnace, as illustrated in Fig. one.

Из этого графика следует, что при запуске печи в диапазоне от 300°С до 471°С будет происходить диффузионное легирование труб хромом.It follows from this graph that when the furnace is started in the range from 300°C to 471°C, diffusion alloying of pipes with chromium will occur.

Для подтверждения диффузионного хромирования были проведены эксперименты с пятью видами стали. To confirm diffusion chromium plating, experiments were carried out with five types of steel.

Марка стали ASTM A335 Grade P9 (в России выпускается аналог - сталь марки Х9М) исследовалась после ее хромировании по заявляемому способу на трубах змеевиков, изготовленных из такой стали, в реальных условиях эксплуатации этих труб радиационно-конвекционной трубчатой печи после нанесения на трубы покрытия Solcoat. Период эксплуатации составил пять лет. Через пять лет после нанесения на трубы змеевика покрытия Solcoat в процессе регламентных работ труба змеевика была заменена на новую, после чего из нее был вырезан кусок для исследований. Одновременно с нанесением покрытия Solcoat на трубу змеевика из стали ASTM A335 Grade P9, покрытие было нанесено также на 4 стальных пластины из сталей следующих марок: 08пс, 20, 09Г2, 12Х1МФ. Эти пластины находились в печи, в которой эксплуатировался змеевик из стали ASTM A335 Grade P9 с нанесенным на нее покрытием Solcoat. Пластины находились в непосредственной близости от змеевика. Они были взяты для исследования одновременно с выведенной из эксплуатации трубой змеевика.The steel grade ASTM A335 Grade P9 (in Russia, an analogue is produced - steel of the X9M grade) was investigated after its chromium plating according to the claimed method on coil pipes made of such steel, in real operating conditions of these pipes of a radiation-convection tube furnace after applying Solcoat coating to the pipes. The period of operation was five years. Five years after the serpentine tubes were coated with Solcoat during routine maintenance, the serpentine tube was replaced with a new one, after which a piece was cut out of it for research. Simultaneously with the application of the Solcoat coating on the ASTM A335 Grade P9 steel coil pipe, the coating was also applied on 4 steel plates of the following steel grades: 08ps, 20, 09G2, 12Kh1MF. These plates were in an oven running an ASTM A335 Grade P9 steel coil coated with Solcoat. The plates were in close proximity to the coil. They were taken for research simultaneously with the decommissioned coil pipe.

Легированные стали маркируют цифрами и буквами, указывающими на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузначные цифры (например, 12ХН3А), указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Русские буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы, входящие в состав, стали. Буква «Х» означает легирование хромом.Alloy steels are marked with numbers and letters indicating the approximate composition of the steel. Two-digit numbers (for example, 12ХН3А) are given at the beginning of the stamp, indicating the average carbon content in hundredths of a percent. Russian letters to the right of the number indicate the alloying elements that make up the steel. The letter "X" means alloying with chromium.

В соответствии с этими правилами маркировки среди образцов стали, на которые было нанесено покрытие Solcoat, являются сталь ASTM A335 Grade P9 и сталь 12Х1МФ.In accordance with these marking rules, among the steel samples that have been coated with Solcoat are ASTM A335 Grade P9 steel and 12Kh1MF steel.

Сталь ASTM A335 Grade P9 применяется для бесшовных ферритовых труб из легированной стали для работы при высоких температурах. В этой стали 8-10% хрома. Это высоко легированная хромом сталь. Ее российским аналогом является сталь марки Х9МASTM A335 Grade P9 is applied for seamless alloy steel ferrite tubes for high temperature service. This steel contains 8-10% chromium. It is a high chromium alloy steel. Its Russian counterpart is Kh9M steel.

В остальных образцах стали сколько ни будь значимое содержание хрома только у стали 12Х1МФ (0,9-1.2%). У остальных образцов содержание хром содержится как примесь в незначительных количествах: - меньше 0.1% (сталь 08пс), меньше 0,25% (сталь 20), меньше 0,3% (сталь 09Г2).In the rest of the steel samples, no matter how significant the content of chromium is only in steel 12Kh1MF (0.9-1.2%). The remaining samples contain chromium as an impurity in small quantities: - less than 0.1% (steel 08ps), less than 0.25% (steel 20), less than 0.3% (steel 09G2).

Во всех образцах стали кремний содержится как примесь в незначительных количествах.In all steel samples, silicon is contained as an impurity in small quantities.

Исследование проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа Phenom ProX, интегрированного с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром с кремниевым дрейфовым детектором, охлаждаемым элементом Пельтье.The study was carried out using a Phenom ProX scanning electron microscope integrated with an energy-dispersive X-ray spectrometer with a silicon drift detector cooled by a Peltier element.

Исследование на сканирующем электронном микроскопе Phenom ProX показало появление в поверхностном слое тонкого слоя хрома.A study on a Phenom ProX scanning electron microscope showed the appearance of a thin layer of chromium in the surface layer.

Для ASTM A335 Grade P9 непосредственно на поверхности содержание хрома составляет 20%, что по крайней мере на 10% больше, чем обычное для этой стали содержание хрома. Далее по глубине от поверхности металла содержание хрома уменьшается до 10% на расстоянии 15 мкм. Результаты исследований приведены в таблице 1.For ASTM A335 Grade P9 directly on the surface, the chromium content is 20%, which is at least 10% more than the usual chromium content for this steel. Further along the depth from the metal surface, the chromium content decreases to 10% at a distance of 15 µm. The research results are shown in table 1.

Таблица 1Table 1 СтальSteel Максимальный прирост Cr на поверхности Maximum increase in Cr on the surface Глубина легирования хромомDepth of alloying with chromium Максимальный прирост Si на поверхностиMaximum Si gain on the surface Глубина легирования кремниемSilicon doping depth ASTM A335 Grade P9ASTM A335 Grade P9 10%ten% 15 мкм15 µm 75%75% 3 мкм3 µm 08пс08ps 8%eight% 15 мкм15 µm 72%72% 3 мкм3 µm 20twenty 9%9% 14 мкм14 µm 71%71% 3 мкм3 µm 09Г209G2 10%ten% 13 мкм13 µm 74%74% 3 мкм3 µm 12Х1МФ12X1MF 8%eight% 15 мкм15 µm 75%75% 3 мкм3 µm

Существенно меньшая глубина легирования кремнием объясняется тем, что основным в процессе легирования является сцепление адсорбированных атомов насыщающего элемента (Si) с металлом благодаря действию ван-дер-ваальсовых сил притяжения.The significantly smaller depth of doping with silicon is explained by the fact that the main process in the doping process is the adhesion of adsorbed atoms of the saturating element (Si) to the metal due to the action of van der Waals forces of attraction.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможность применения покрытия Solcoat для диффузионного легирования сталей одновременно хромом и кремнием.Thus, the conducted studies confirmed the possibility of using the Solcoat coating for diffusion alloying of steels simultaneously with chromium and silicon.

Claims (1)

Применение керамического покрытия Solcoat для одновременного диффузионного легирования хромом и кремнием поверхности конструктивных стальных элементов в процессе эксплуатации при температуре не ниже 300°С и не более 560°С.Application of Solcoat ceramic coating for simultaneous diffusion alloying with chromium and silicon of the surface of structural steel elements during operation at a temperature not lower than 300°С and not more than 560°С.
RU2022109391A 2022-04-08 Application of solcoat ceramic coating for diffusive alloying with chrome and silicon of the surface of elements containing iron RU2783636C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2783636C1 true RU2783636C1 (en) 2022-11-15

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU971912A1 (en) * 1981-01-13 1982-11-07 Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Pulverulent mixture for chromosiliconizing steel products
SU1666574A1 (en) * 1988-12-26 1991-07-30 Белорусский Политехнический Институт Composition for chromosiliconizing of steel articles
CA2033018A1 (en) * 1990-02-28 1991-08-29 Thomas L. Davis Method for diffusion coating of metal objects employing ceramic carrier provided with diffusion composition
US20080245445A1 (en) * 2007-04-04 2008-10-09 David Andrew Helmick Process for forming a chromium diffusion portion and articles made therefrom

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU971912A1 (en) * 1981-01-13 1982-11-07 Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Pulverulent mixture for chromosiliconizing steel products
SU1666574A1 (en) * 1988-12-26 1991-07-30 Белорусский Политехнический Институт Composition for chromosiliconizing of steel articles
CA2033018A1 (en) * 1990-02-28 1991-08-29 Thomas L. Davis Method for diffusion coating of metal objects employing ceramic carrier provided with diffusion composition
US20080245445A1 (en) * 2007-04-04 2008-10-09 David Andrew Helmick Process for forming a chromium diffusion portion and articles made therefrom

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Бабкин В. А. Снижение энергоемкости и повышение энергоэффективности на объектах ТЭК, Ачинск, АО "АНПЗ ВНК", 31.10.2016, с.6, 8, http://www.ipktek.ru/templates/new_style_1/images/konkurs_2016/sec15/prod/pr/pdf. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bradley et al. Growth kinetics of grain boundary ferrite allotriomorphs in Fe− C alloys
De Moor et al. Calorimetric study of carbon partitioning from martensite into austenite
RU2783636C1 (en) Application of solcoat ceramic coating for diffusive alloying with chrome and silicon of the surface of elements containing iron
Hasan et al. Improvement of AISI 1018 Carbon Steel Gr 1018 mechanical properties by liquid carburizing in salt bath
Kirubaharan et al. Metal-ceramic diffusion barrier nanocomposite coatings on nickel based superalloys for corrosion and high temperature oxidation resistance
Cheng et al. Intergranular diffusion and embrittlement of a Ni–16Mo–7Cr alloy in Te vapor environment
Maloney et al. The effect of chlorine on the kinetics of oxidation of cobalt in environments containing 0.5 atmosphere of oxygen between 900 K and 1200 K
Medvedovski et al. Protective coatings for high-temperature steam oxidation in coal-fired power plants
Lee et al. Scaling of carbon steel in simulated reheat furnace atmospheres
Kim et al. Corrosion and Carburization Behaviour of Ni-Cr-Mo-Nb Superalloys in a High Temperature Supercritical-CO 2 Environment
Das et al. Oxide scale characterization and study of oxidation kinetics in T91 steel exposed to dry air at high temperatures (873–1073 K)
Qin et al. Unveiling the protection mechanism of LaPO4 against CMAS attack
Lima et al. Kinetics of the UNS S32750 Super Duplex Stainless Steel Low-Temperature Plasma Nitriding
Suarez et al. High-temperature oxidation of Fe-Si alloys in the temperature range 900-1250 C
Bopape et al. Effect of Co and Fe contents on the microstructure and corrosion behaviour of heat-treated Ni-Fe-Co superalloys in 3.5 wt% NaCl aqueous solution
Kaur et al. Microstructural analysis of glass-steel interface
Li et al. X-ray diffraction and TEM analysis of Fe–Al alloy layer in coating of new hot dip aluminised steel
Ariztegui et al. Steam oxidation of ferritec steels: kinetics and microestructure
Roy et al. The influence of erosion-induced roughness on the oxidation kinetics of Ni and Ni-20Cr alloys
Ghosh et al. Influence of Alloy Grain Size on High Temperature Corrosion Behavior of 2.25 Cr-1 Mo Steel in SO2+ O2 Atmosphere
Mackay Oxidation of zirconium and zirconium alloys in liquid sodium
Marulanda-Arévalo et al. Behavior of aluminum coating by CVD-FBR in steam oxidation at 700 C
Kuzminova et al. The oxidation behavior of the CrFeCoNiAlx (x= 0, 1.0, and 5.0 wt%) high-entropy alloy synthesized with Al elemental powder via powder bed fusion technique at high temperatures
Adenan et al. Formation of expanded austenite using hybrid low temperature thermochemical heat treatment on 2205 duplex stainless steel
RU2791348C1 (en) Method for niobizing surface layers of chromium-nickel steel