CC BY
75
Металлургия и материаловедение -►
УДК 620.193
В.П. Юркинский, Е.Г. Фирсова, В.В. Оковитый
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ОКСИДИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ 20 И 12Х18Н10Т НА ПОРИСТОСТЬ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ
V.P. Yurkinsky, E.G. Firsova, V.V. Okovity
THE EFFECT OF CARBON STEEL (TYPES STEEL C1020) AND STAINLESS STEEL (TYPES STEEL 321) OXIDATION TECHNIQUE ON THE POROSITY OF OXIDE COATINGS
Изучено оксидирование углеродистой стали 20 и легированной нержавеющей стали 12Х18Н10Т с использованием термического, химического и анодного способов оксидирования. Определена пористость полученных оксидных покрытий.
ОКСИДИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ. ХИМИЧЕСКОЕ. АНОДНОЕ. ОКСИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ. ПОРИСТОСТЬ.
The oxidation of сагЪоп steel types C1020 and stainless steel types 321 by thermal, chemical and anodic techniques is studied, and the porosity of the obtained oxidе ratings is determined. THERMAL. CHEMICAL. ANODIC OXIDATION. OXIDE COATINGS. POROSITY.
Малоуглеродистые и легированные стали находят применение в качестве материала для теплообменников в ряде ядерных устройств. Коррозионная стойкость оксидного покрытия существенно зависит от его пористости [1—3]. Поэтому представляет практический интерес определить влияние на пористость оксида способа его получения.
В предлагаемой вниманию работе изучена пористость оксидных покрытий углеродистой стали 20 и высоколегированной стали 12Х18Н10Т в зависимости от способа их оксидирования, при этом использованы методы термического, химического и анодного оксидирования.
Экспериментальная часть
Образцы стальной жести (2x3x0,5 см) предварительно механически полировались, тщательно отмывались в мыльной воде и далее выдерживались 1—2 минуты в растворе серной кислоты (5 масс.%). После этого образцы промывались в дистиллированной воде и сушились при 80 °С.
Термическое оксидирование образцов стали 20 проводилось на воздухе в печи сопротивления при 350 °С , а стали 12Х18Н10Т - при 350 и 700 °С,
причем выдержка при каждой температуре производилась в течение 30, 60 и 90 мин. для стали 20 и 60, 90 минут — для стали 12Х18Н10Т.
Химическое оксидирование проводилось в трех различных средах следующих составов:
1) едкий натр — 650 г/л, азотнокислый натрий — 175 г/л. Температура раствора — 135 °С; время обработки — 60, 90 и 120 мин.;
2) едкий натр — 750 г/л, азотнокислый натрий — 225 г/л, нитрит натрия — 60 г/л; температура раствора — 140 °С; время обработки 60, 90 и 120 мин;
3) расплав гидроксида натрия; температура — 350 °С; время обработки 10, 15 и 30 мин.
Для анодного оксидирования использовался водный раствор МаОИ с концентрацией 40 масс.% при температуре 100 °С. В качестве катода использовался графитовый электрод. Анодное оксидирование выполнялось при двух различных плотностях тока — 30 и 60 мА/см2. Время оксидирования составляло 60 и 120 мин.
Пористость оксидных покрытий определялась путем наложения на исследуемый образец фильтровальной бумаги, смоченной раствором, содержащим железосинеродистый калий (10 г/л) и хлорид натрия (20 г/л). Количество выявлен-
ных пор определялось визуально с помощью компьютерной программы «Photoshop». Пористость П, %, определялась отношением суммарной поверхности пор к общей наблюдаемой поверхности на фотографии изученного оксида (рис. 1).
В качестве дополнительной оценки защитных свойств оксидных покрытий на сталях была использована методика измерения стационарных электродных потенциалов оксидированных образцов, для сравнения также измерены по-
тенциалы на неоксидированных образцах. Измерения стационарных потенциалов проводились в растворе 0,5М №С1 в течение 10 минут [4].
На рис. 1 приведены примеры фотографий оксидных покрытий, полученных различными методами.
В таблице и на рис. 2 приведены значения пористости оксидных покрытий для сталей 20 и 12Х18Н10Т, полученные различными способами.
Рис. 1. Примеры фотографий поверхности образцов сталей 20 и 12Х18Н10Т, оксидированных термическим способом и обработанных в растворе желе-зосинеродистого калия (а — сталь 20; б — сталь 12Х18Н10Т): Т = 350 °С; время оксидирования — 90 мин;
Пористость оксидных покрытий сталей 20 и 12Х18Н10Т в зависимости от способа оксидирования
Тип стали Способ оксидирования Т, °С Время, мин. П, %
Сталь 20 Оксидирование на воздухе 350 30 1,17
60 1,65
90 1,56
Химическое оксидирование, состав раство- 135 60 0,15
ра № 1 90 0,12
120 0,05
Химическое оксидирование, 145 60 0,11
состав раствора № 2 90 0,08
120 0,04
Химическое оксид. в расплаве №ОН 350 10 0,39
15 0,097
30 0,049
Анодное оксидирование, при I = 30 мА/см2 100 30 0,44
60 0,098
120 0,078
при I = 60 мА/см2 60 0,08
90 0.075
Металлургия и материаловедение
Окончание табл.
Тип стали Способ оксидирования Т, °С Время, мин. П, %
12Х18Н10Т Оксидирование на воздухе 350 60 0,003
90 0,01
700 60 0,002
90 0,005
Химическое оксидирование, 135 60 0,001
состав раствора № 1 90 0
120 0,0001
Химическое оксидирование, состав раство- 145 60 0,02
ра № 2 90 0,046
120 0,015
Химическое оксид. 350 10 0
в расплаве №ОН 15 0,0015
30 0,049
Анодное оксидирование, 100 60 0,015
при I = 30 мА/см2 120 0,0025
при I = 60 мА/см2 60 0
120 0
Рис. 2. Зависимость пористости оксидных покрытий на сталях 20 и 12Х18Н10Т от времени обработки
при различных способах оксидирования:
а — сталь 20; 1 — термическое оксидирование; 2 — химическое оксидирование в растворе № 1; 3 — химическое оксидирование в растворе № 2; 4 — химическое оксидирование в расплаве №ОИ; 5 — анодное оксидирование; б — сталь 12Х18Н10Т: 1 — термическое оксидирование; 2 — химическое оксидирование в растворе № 1; 3 — химическое оксидирование в растворе № 2; 4 — химическое оксидирование в расплаве №ОИ; 5 — анодное оксидирование
Как видно из приведенных данных в таблице и на рис. 2, при времени оксидирования более 60 минут (в случае расплава №ОИ — 30 мин.) качественные, с низкой пористостью оксидные покрытия на углеродистых сталях можно получить с помощью химического и анодного способа оксидирования (наиболее пористые оксиды получены при термическом оксидировании стали 20). На высоколегиро-
ванных сталях (типа 12Х18Н10Т) при времени оксидирования 60 минут (в случае расплава №ОИ — 15 мин.) — с помощью любого из рассмотренных способов оксидирования (более пористые оксиды на наших сталях получены при способе химического оксидирования в растворе № 2 при времени обработки 90—120 мин и в расплаве №ОН при времени оксидирования 30 мин.).
Рис. 3. Зависимость стационарного потенциала оксидированных стальных образцов от времени выдержки в растворе №С1 и способа оксидирования стали: а — сталь 20; 1 — термическое оксидирование; 2 — химическое оксидирование в растворе № 1; 3 — химическое оксидирование в растворе № 2; 4 — химическое оксидирование в расплаве №ОН; 5 — анодное оксидирование
(I = 30 мА/см2); 6 — не оксидированный образец; б — сталь 12Х18Н10Т; 1 — (700 °С) и 2 (350 °С) — термическое оксидирование; 3 — химическое оксидирование в растворе № 1; 4 — химическое оксидирование в растворе № 2; 5 — химическое оксидирование в расплаве №ОН;
6 — анодное оксидирование (I = 30 мА/см2); 7 — неоксидированный образец Время оксидирования образцов в расплаве №ОН — 30 мин, а для остальных режимов — 60 мин.
На рис. 3 приведены значения стационарных потенциалов образцов сталей 20 и 12Х18Н10Т, оксидированных разными способами.
Измерения потенциалов относительно хлор-серебряного электрода сравнения проводились в водном растворе 0,5М №С1 при комнатной температуре. В качестве сравнения приведены также значения потенциала неоксидированного образца. Как и ожидалось, в случае оксидированных образцов наблюдается сдвиг потенциала в сторону более положительных значений в сравнении с неоксидированным образцом. Из результатов измерения стационарных потенциалов следует, что для стали 20 в соответствии с выше приведенными значениями пористости оксидов и с учетом способа оксидирования минимальный сдвиг потенциала наблюдается в случае термического метода оксидирования, а максимальный — при оксидировании в расплаве №ОН.
В случае легированной стали 12Х18Н10Т согласно данным рис. 4 минимальной пористостью
обладают оксиды, полученные химическим оксидированием в растворе № 2 и в расплаве №ОН, а также анодным оксидированием. Таким образом, полученные результаты обоих методов удовлетворительно согласуются.
Установлено (на примере стали 20), что при оксидировании углеродистых сталей, качественные оксидные покрытия можно получить с помощью методов химического и анодного оксидирования.
В случае стали 12Х18Н10Т показано, что при оксидировании легированных сталей наиболее качественные оксидные покрытия можно получить с помощью всех рассмотренных методов оксидирования при времени оксидирования не менее 60 минут.
Установлено, что результаты оценки пористости оксидных покрытий, полученные с помощью двух методов, удовлетворительно согласуются.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безносов, А.В. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / А.В. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков. — М: Изд-во АТ, 2007. — 434 с.
2. Кравцов, Д.В. Влияние легирования феррито-мартенситных сталей на их коррозионную стойкость в жидком свинце [Текст] / Д.В. Кравцов, С.А. Кохтев, И.А. Мещеринова // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и ра-
диационное материаловедение.— 2004. № 3 (85).— С. 23-25.
3. Прозоров, В.В. Оксидирование перлитных сталей в нитратных растворах [Текст] / В.В. Прозоров // Защита металлов.— 1987. Т. 23, № 2.— С. 12-16.
4. Борщевский, А.М. Коррозия и защита металлов [Текст] / А.М. Борщевский, Л.П. Батурова, В.А. Зайцев.— СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1993.— 39 с.
Металлургия и материаловедение -►
ЮРКИНСКИЙ Владимир Павлович — доктор химических наук, профессор кафедры физико-химии и технологии микросистемной техники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия
(812)552-63-87
ФИРСОВА Елена Германовна — кандидат технических наук, доцент кафедры физико-химии и технологии микросистемной техники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; (812)552-63-87
ОКОВИТЫЙ Владислав Викторович — студент шестого курса кафедры физико-химии и технологии микросистемной техники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия (812)552-63-87
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
