English
ДонНТУ Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

На момент написания данного реферата магистерская работа не завершена. Предполагаемая дата завершения — май 2024 г. Полный текст работы, а также материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

Введение

В современном мире коррозия металла является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем. Экономические потери от коррозии металлов огромны по своим масштабам. По последним данным в США ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 1,3% ВВП, в Германии — 2,8% ВВП. По оценкам специалистов в других развитых странах ущерб от коррозии ежегодно составляет от 2 до 4% ВНП. Ежегодные потери металла от коррозии (с учётом вышедших из строя металлоконструкций, оборудования и т.д.) составляют от 10 до 20% годового производства стали.

Существует множество способов борьбы с коррозией путём воздействия на коррозионно‐активную среду, состав корродирующего металла и т.д. Наиболее широкое распространение получили методы защиты путём нанесения защитных металлических покрытий, в частности — хромирование. Действительно, такие покрытия обеспечивают длительную защиту изделий от коррозии, однако требуют дополнительных затрат на специальное оборудование, дорогостоящие коррозионностойкие материалы.

Эффективный, однако не часто используемый метод защиты изделий от коррозии — химико‐термическая обработка.

Целью научно‐исследовательской работы является изучение коррозионной стойкости боридных покрытий в различных средах для оценки возможности их применения в качестве защитных при коррозионных процессах.

1. Методы проведения коррозионных испытаний

Целью коррозионных испытаний является определение долговечности стальных изделий в условиях эксплуатации. При коррозионных исследованиях решаются следующие задачи:

По общему характеру методы коррозионных исследований подразделяются:

Обычно вначале проводят лабораторные, затем внелабораторные и последними — эксплуатационные испытания. Различные виды исследований дополняют друг друга.

Коррозионные исследования могут быть ускоренными, т.е. проводимыми в искусственных условиях, ускоряющих коррозионные процессы, протекающие в естественных условиях эксплуатации. Ускорение испытаний достигается облегчением протекания контролирующих процессов, но без изменения характера коррозионного процесса. В некоторых случаях проводят длительные испытания, соответствующие по продолжительности времени эксплуатации. Ускоренные и длительные методы исследований дополняют и контролируют друг друга. Сопоставление результатов при этих исследованиях позволяет получить коэффициенты пересчёта, что освобождает от необходимости проведения длительных испытаний.

Более широкая классификация коррозионных испытаний приведена на рисунке 1.1.

Классификация коррозионнных испытаний

Рисунок 1.1 — Классификация коррозионных испытаний [2]

При качественной и количественной оценке коррозионной стойкости металлов рекомендуется пользоваться десятибалльной шкалой.

Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов и сплавов. Рисунок анимирован. Количество кадров равно 7, количество повторов равно 7, длительность одного составляет 3,5 с

Рисунок 1.2 — Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов и сплавов [3]
Рисунок анимирован. Количество кадров равно 7, количество повторов равно 7, длительность одного составляет 3,5 с

2. Коррозионная стойкость борированной стали

В работе [4] приводятся исследования потери массы борированных и неборированных образцов стали С35 в низкоконцентрированных водных растворах кислот, солей и щелочей. В результате экспериментов было установлено, что потери массы борированных образцов в средах 5% HCl, HNO3 и NaCl, NaOH ничтожно малы по сравнению с не борированными. С помощью электрохимических поляризационных кривых для необработанной и борированной стали C35 в 5% растворе H2SO4 было установлено, что коррозионные потенциалы борированной стали С35 более электроположительны, чем необработанной. Авторы утверждают, что коррозионная стойкость борированной стали С35 возросла в 4 — 16 раз по сравнению с необработанной.

Сравнение скорости протекания коррозионных процессов для борированной и неборированной стали в кислом, нейтральном и щелочном растворах

Рисунок 2.1 — Сравнение скорости протекания коррозионных процессов для борированной и неборированной стали в кислом, нейтральном и щелочном растворах [4]

По данным [5], борированные стали обладают высокой устойчивостью против атмосферной коррозии. Проводился эксперимент по выдержке в атмосферных условиях с воздействием природных факторов образцов борированной (жидкостным способом) и неборированной стали в течение одного года. Контрольные образцы неборированной стали подверглись значительному окислению вплоть до разрушения, в то время как борированные образцы доказали свою устойчивость (при исследовании их поверхности с использованием микроскопа с увеличением х50 очаги окисления не были обнаружены).

В работе [6] проводилось изучение коррозионной стойкости покрытий на основе нитрида бора. Исследовалось импульсное лазерное осаждение гексагональных нитрида бора (hBN) в виде плёнок в качестве защитных покрытий непосредственно на стали для замедления коррозионных процессов. Были исследованы микроструктурные, механические, смачивающие и коррозионные свойства полученных материалов, при различных температурах нанесения (25–800°C) и различной толщине (35–115 нм). Коррозионные исследования, выполненные в 3,5%‐ном растворе NaCl по массе, показали, что покрытия hBN толщиной 115 нм, нанесённые при 600°C, приводят к снижению скорости коррозии и обладают ~ в 6 раз более высокой коррозионной стойкостью, чем у необработанной стали.

В работе [7] изучены коррозионностойкие свойства многокомпонентных покрытий на основе бора. Установлено, что механические и трибологические свойства покрытий Ni—P—TiN, нанесённых на сталь, являются довольно высокими. В качестве альтернативы применяемым покрытиям для обработки поверхности, частицы олова были внедрены в матрицу покрытия из Ni—B, и были исследованы морфология, структура, механические, трибологические свойства и коррозионная стойкость полученного композитного покрытия. Данное композитное покрытие по результатам экспериментов обладает превосходными механическими, трибологическими и антикоррозийными свойствами, полученными за счёт обеспечения компактного, гладкого и однородного распределения частиц олова в матрице сплава Ni—B.

Исследование [8] посвящено анализу одновременного применения гомогенизации и борирования для повышения твёрдости и коррозионной стойкости нержавеющей стали. Процессы проходят одновременно при 1000°C в течение 1 часа, было исследовано влияние применяемой термической обработки на микроструктуру, фазовые компоненты, твёрдость и износостойкость. Результаты показали, что в процессе борирования образуется боридный слой толщиной 30 мкм, состоящий из FeB, Fe2B, Cr5B3. Износостойкость обработанной стали при комнатной температуре и температуре 500°C увеличилась в 31,84 и 8,06 раза соответственно.

В работе [9] были изучены эффекты применения термохимической обработки (борирования) в качестве трибологического усилителя на изделиях из низкоуглеродистой стали, восстановленных с помощью дуговой сварки. Трибологические характеристики (коэффициент трения и объём износа) восстановленных изделий до и после борирования оценивали с помощью испытаний на микроабразивность, чтобы воспроизвести трёхкомпонентное истирание в абразивных средах. Кроме того, физико‐механические характеристики боридного покрытия, как в исходном материале, так и в восстановленной зоне, оценивались с помощью оптической микроскопии, рентгеновской дифракции, инструментального теста на твёрдость и испытания на адгезию. Результаты показали, что обработка борированием была эффективной для повышения твёрдости и износостойкости восстановленных изделий из низкоуглеродистой стали без создания градиентов твёрдости, износостойкости или прочности сцепления между поверхностью исходного материала и восстановленной зоной.

Изучена возможность использования борированных сталей в геотермальной энергетике. Данное направление получения энергии привлекает к себе достаточно сильный интерес, т.к. в отличие от многих возобновляемых источников энергии она не зависит от погодных условий, времени суток и других природных факторов. Главной преградой на пути к её активной разработке является сложность подбора действующего оборудований, а точнее материалов для него. Дело в том, что геотермальные жидкости и газы имеют достаточно сложные химические составы, в дополнение к этому на оборудование постоянно действуют высокие давления и температура. Большинство материалов в таких условиях разрушаются в кратчайшие сроки. Во многом оказывает влияние также образование накипи на внутренних стенках труб и других технологических объектов, что вызывает усиление давления в системе, часто приводящее к аварийным ситуациям из-за нарушения её целостности. По данным [10], технология борирования позволяет получить на сталях покрытия, устойчивые к столь агрессивным условиям, что позволит производить выработку геотермальной энергии в более широких масштабах.

Изменение массы борированных и неборированных образцов при взаимодействии со сложным соляным составом на воздухе при высокой температуре (а) и при кипячении в суспензии солей (b)

Рисунок 2.2 — Изменение массы борированных и неборированных образцов при взаимодействии со сложным соляным составом на воздухе при высокой температуре (a) и при кипячении в суспензии солей (b) [10]

Большой интерес представляет применение борированных сталей в нефтедобыче. Условия добычи нефти являются достаточно сложными и с точки зрения коррозии являются кладезем коррозионных факторов. Для скважинных труб, например, характерны влияния высоких давлений и температур, контакт с агрессивными средами, как на внутренней, так и на внешней поверхности, износ внутренней поверхности под действием высокоскоростных потоков нефти, абразивный износ внутренней поверхности под действием содержащегося в сырой нефти песка и т.д. Совместное влияние этих и многих других факторов приводят к возникновению локальных дефектов (трещин), в которых коррозионные процессы развиваются более интенсивно, образуя впоследствии очаги коррозионных разрушений.

В таких условиях большинство защитных покрытий быстро разрушаются, а по данным [11], бессильными оказываются даже сплавы с высоким содержанием хрома, титана и никеля. Именно поэтому важно подбирать материалы и покрытия, характеризующиеся высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью одновременно. В исследовании [11] описано несколько испытаний, от статических до динамических, описывающих поведение борированных сталей в условиях и средах, имитирующих нефтедобычу. Авторами доказана эффективность применения борирования в качестве защитной обработки для оборудования нефтедобычи и транспортировки, приведена информация об использовании борированных труб на одной из нефтяных скважин Западного Техаса.

Изношенная секция трубопровода для транспортировки нефти (а) и борированная секция после 6 месяцев работы в реальных условиях (b)

Рисунок 2.3 — Изношенная секция трубопровода для транспортировки нефти (а) и борированная секция после 6 месяцев работы в реальных условиях (b) [11]

Таким образом, борированные покрытия являются перспективными для применения в качестве защитных от коррозионных процессов.

3. Экспериментальное исследование коррозионной стойкости борированной стали

3.1 Постановка цели и задач исследования

Целью работы является исследование коррозионной стойкости стали, подвергнутой борированию, в кислых и нейтральных средах. Исходя из цели, были определены следующие задачи исследования:

3.2 Материал и методика

В качестве материала для исследования были использованы борированные образцы низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,09–0,11%. Пластины толщиной 0,65 мм после очистки поверхности упаковывали в контейнер с борсодержащей смесью.

Борирование выполняли в смеси карбида бора и 2% фтористого натрия. Контейнер с размерами 200×250×100 мм нагревали в производственной печи типа СНО/СНЗ. Тепловой режим заключался в нагреве до 920–940°C с выдержкой 6 часов с последующим охлаждением с печью до 600–650°C и далее на воздухе.

На полученных образцах определяли плотность гидростатическим методом. Удельное электрическое сопротивление определяли с помощью двойного моста Томсона.

Микроструктуру и микротвёрдость исследовали на поперечных шлифах, которые изготавливали с помощью струбцины. Микротвёрдость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г.

Коррозионные испытания проводили в кислой (1%‐ный раствор H2SO4) и нейтральной средах (3%‐ный раствор NaCl).

Образцы погружали в растворы таким образом, чтобы наружная поверхность смачивалась жидкостью. Каждый день образцы переворачивались.

Коррозионную стойкость оценивали по массовому показателю:

Формула определения массового показателя

где Δm — убыль массы образца за период испытания, г; S — площадь поверхности образца, м2; τ — продолжительность испытания, ч.

После выдержки в коррозионных средах на образцах были сделаны поперечные шлифы для оценки коррозионных разрушений. Для изготовления шлифов исследуемые пластины зажимали в струбцину и отшлифовывали с помощью наждачной бумаги с постепенным увеличением её зернистости и полировали на полировальном круге с использованием суспензии оксида хрома. Для травления шлифов применяли 4%‐й раствор азотной кислоты в этиловом спирте.

3.3 Исследование коррозионной стойкости борированных образцов

Результаты изменения массы борированных образцов на протяжении коррозионного испытания представлены на рисунке 3.1.

Изменения массы борированных образцов при испытаниях в кислой (а) и нейтральной (b) средах

Рисунок 3.1 — Изменения массы борированных образцов при испытаниях в кислой (а) и нейтральной (b) средах

В результате эксперимента выявили, что при коррозии в кислой среде потеря массы происходит достаточно активно (≈ 0,29 г и 0,19 г для образцов № 1 и 3 соответственно), в то время как потери от коррозии в нейтральной среде достаточно малы (≈ 0,03 г и 0,01 г для образцов № 2 и 4 соответственно).

Коррозионные разрушения оценивали на поперечных шлифах. Микроструктуры представлены на рисунке 3.2 и 3.3. На образцах, испытывавшихся в кислой среде, хорошо заметны коррозионные разрушения в виде продолговатых пор. Характер расположения пор говорит о том, что разрушение начиналось с растворения участков слоя между иглами боридов. Большие грушевидные поры образовались, по-видимому, в результате выкрашивания боридов из матрицы при изготовлении шлифа. Неоднородность коррозионных повреждений на разных сторонах образца вызвана разными условиями коррозии для нижней и верхней сторон образца. Постоянство условия испытания достаточно трудно соблюсти. Это связано с изменениями коррозионной активности среды со временем. Поскольку кислота расходуется на взаимодействие с материалом образца непрерывно, а нижняя сторона образца взаимодействует со средой мене интенсивно из-за выделяющихся и накапливающихся пузырьков водорода.

Микроструктура борированного образца после коррозии в кислой среде без травления (а) и после травления ниталем (b, c) (а, b - х270; c – х600)

Рисунок 3.2 — Микроструктура борированного образца после коррозии в кислой среде без травления (а) и после травления ниталем (b, c) (а, b — х270; c — х600)

Микроструктура борированного образца после коррозии в нейтральной среде без травления (а) и после травления ниталем (b), х270

Рисунок 3.3 — Микроструктура борированного образца после коррозии в нейтральной среде без травления (а) и после травления ниталем (b), х270

Глубина коррозионных повреждений превышает глубину борированного слоя. На одном из образцов даже было замечено расслоение, связанное с частичным растворением стальной основы образца.

Коррозионные повреждения образцов в нейтральной среде гораздо меньше (рисунок 3.3). Глубина повреждений не превышает 40–50 мкм. Соответственно, потери массы при коррозии гораздо ниже.

Таким образом, борирование позволяет повысить коррозионную стойкость стали в 15,1 раз в нейтральной и в 5,9 раз в кислой средах. Коррозионная стойкость борированных образцов в кислой среде ниже, чем нейтральной в 14,8 раз. В кислой среде происходит преимущественное разрушение стальной матрицы с последующим выкрашиванием боридов.

Выводы

Коррозия металлов является одной из наиболее острых проблем современности. Она наносит непоправимый урон всем отраслям промышленности, выводя из строя оборудование, тем самым ухудшая производительность и, в некоторых случаях, качество продукции предприятий. В наибольшей степени страдают предприятия металлургии и машиностроения, т. к. на них ложится задача по восстановлению и обновлению повреждённых коррозией изделий и механизмов.

Покрытия на основе бора, образованные на самых разных марках сталей посредством технологий борирования, более известны своими особо высокими показателями сопротивления износу вследствие высокой твёрдости поверхности. Несмотря на больший интерес к показателям износостойкости, боридные покрытия доказали свою коррозионную стойкость путём испытаний в коррозионных средах различного состава и агрессивности, что позволяет рассматривать их в качестве защитных для противостояния коррозионным воздействиям.

В результате экспериментальных исследований выявлена более высокая коррозионная стойкость боридных покрытий в нейтральных средах по сравнению с кислыми, установлена повышенная коррозионная стойкость борированной стали по сравнению с необработанной (в 15,1 раз в нейтральной и в 5,9 раз в кислой средах).

В результате анализа микроструктуры борированной стали после выдержки в коррозионно-активных средах определено, что коррозионный процесс развивается между иглами боридов на материале подложки. Предположительно, такое развитие коррозионных процессов вызывает внешнее механическое повреждение боридного слоя.

Список источников

  1. Россина, Н. Г. Коррозия и защита металлов. В 2 ч. Ч. 1. Методы исследований коррозионных процессов / Н. Г. Россина, Н. А. Попов, М. А. Жилякова, — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 108 с.
  2. Перелыгин, Ю. П. Коррозия и защита металлов от коррозии : учеб. пособие для студентов технических специальностей / Ю. П. Перелыгин, И. С. Лось, С. Ю. Киреев. — 2-е изд., перераб. и доп. — Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. — 88 с.
  3. Луканина, Т. Л. Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии / Т. Л. Луканина, И. С. Михайлова, М. А. Радин — Санкт-Петербург : Изд-во СПбГТУРП, 2014. — 85 с.
  4. Effect of Boriding Treatment on the Corrosion Behavior of Steels / Y. Ergun [et al] // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. — 2017. — Vol. 17. — Р. 8946–8951.
  5. Шилякин, Л. В. Метод модификации жидкостным борированием стальных изделий с целью повышения их эксплуатационных свойств / Л. В. Шилякин, Д. Н. Веропаха, Н. В. Веропаха // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2014. — № 1. — С.48–51
  6. Synthesis of hexagonal boron nitride nanocoatings for corrosion prevention of iron substrates / V. Kandadai [et al] // Surface and Coatings Technology. — 2023. — Vol. 468. — Р. 129736
  7. How the duty cycle affects wear and corrosion: A parametric study in the Ni—B—TiN composite coatings / F. Dogan [et al] // Results in Surfaces and Interfaces. — 2023. — Vol. 11. — Р. 100212
  8. A new approach to improve some properties of wire arc additively manufactured stainless steel components: Simultaneous homogenization and boriding / A. Gunen [et al] // Surface and Coatings Technology. — 2023. — Vol. 460. — Р. 129395
  9. Tribological effects of boriding treatment on a low carbon steel repaired by wire and arc additive manufacturing / L. Farfan-Cabrera [et al] // Surface and Coatings Technology. — 2023. — Vol. 465. — Р. 129574
  10. Advanced iron boride coatings to enhance corrosion resistance of steels in geothermal power generation / Е. Medvedovski // Advances in Applied Ceramics. — 2020. — Vol. 119. — Р. 462–481.
  11. Formation of Corrosion-Resistant Thermal Diffusion Boride Coatings / Е. Medvedovski // Advanced Engineering Materials. — 2016. — Vol. 18. — №. 1. — Р. 11–33.