Влияние модификации порошков железа и материалов на их основе на коррозионную стойкость в агрессивных средах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Т. В. Бурдикова, И. Ш. Абдуллин, М. Ф. Шаехов,

О. В. Евсюкова, Ю. В. Винокуров ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА И МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Показано принципиальная возможность увеличения коррозионной стойкости порошков железа и материалов на их основе, полученных методом порошковой металлургии, в кислых и щелочных средах за счет обработки порошков железа методом поверхностного механического легирования никелем и высокочастотной обработкой плазмой низкого давления.

Железный порошок находит широкое применение в народном хозяйстве в качестве основного компонента конструкционных материалов, которые отличаются высокими прочностными характеристиками. Основным недостатком порошков железа и материалов на их основе является их низкая коррозионная стойкость в агрессивных средах. Увеличение коррозионной стойкости металлических порошков и материалов на их основе является важной народнохозяйственной задачей [1].

Обычные металлургические методы создания жаропрочных и коррозионностойких материалов в настоящее время стоят на грани исчерпания своих возможностей. Дальнейший скачок в этой области дает применение дисперсионно-упрочненных материалов, изготовляемых методами порошковой металлургии. Характерными тенденциями в современном машиностроении являются стремление к созданию новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами и поиски наиболее экономных высокопроизводительных методов производства. На эти направления все большее влияние оказывает развитие порошковой металлургии [2].

Дальнейшее повышение нагрузок и скоростей работы машин, усложнение температурных условий и характера рабочих сред возможно только при применении новых материалов. В изготовлении таких материалов порошковая металлургия постепенно начинает играть ведущую роль.

Данная работа посвящена разработке методов модификации порошков железа и материалов на их основе, получаемых методом порошковой металлургии, с целью увеличения их коррозионной стойкости в жидких агрессивных средах.

Термин «коррозия» происходит от латинского слова «соггоэю», что означает разрушение, разъедание. По отношению к металлу этот термин характеризует как процесс разрушения металлов и сплавов, так и результат этого разрушения. Коррозионный процесс, возникающий в результате взаимодействия поверхности металла с водными растворами электролитов, влажными газовыми средами или расплавами солей и щелочей, является гетерогенной электрохимической реакцией и, в зависимости от характера внешней среды, протекает различно [3]. Причиной коррозии металлов в воде или других электролитах является термодинамическая неустойчивость большинства металлов при их контакте с воздействующей средой в данных условиях [4]. В связи с тем, что процесс коррозии начинается на поверхности металлов, то исходя из поставленной задачи, целесообразно применять такие методы, которые изменяют свойства поверхности.

С этой целью в данной работе были использованы методы модификации: поверхностное механическое легирование (ПМЛ) и высокочастотная плазменная обработка (ВЧГЮ) при пониженных давлениях. Механическое легирование представляет собой процесс механической обработки смесей порошков в аппаратах измельчения: аттриторах, планетарной, шаровой и вибромельницах. Конечным продуктом является порошок, каждая частица которого содержит все компоненты исходной смеси.

ПМЛ железного порошка марки ПЖВ-3 проводилось никелем (2-8%) на вибромельнице при времени обработки 60-180 мин. Ранее проведенные работы [5,6] показали, что применение метода поверхностного механического легирования порошков железа никелем приводит к увеличению эксплуатационных характеристик спеченных материалов. Представляет интерес оценить влияние данного метода модификации порошков железа на коррозионную стойкость материалов на их основе.

Перспективным методом увеличения эксплуатационных характеристик изделий из металлов, получаемых традиционным металлургическим способом, является высокочастотная плазменная обработка [7]. Установлено, что если плазмообразующий газ содержит атомы азота, кислорода или углерода, то в результате диффузионного насыщения поверхностного слоя металлов этими элементами увеличивается твердость, износостойкость, коррозионная стойкость обрабатываемых изделий [8].

В данной работе исследовалось влияние ВЧПО в среде аргона и аргона:пропана (70:30) при пониженном (1,5 Па) давлении, силе тока 1=0,7 А и расходе газа от 0,06 до 0,1 г/с.

Исследование структуры порошков железа проводилось на дифрактометре ДРОН-2.0. Рентгенографическая съемка порошковых препаратов реализовалась по методу Брегга-Брентано в координатах «обратная шкала межплоскостных расстояний (1/(^1, нм'1) - интенсивность». Использовалось СиКа-излучение с Х=1,54178А (рис.1).

4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4

Рис. 1 — Дифрактограммы порошков железа до и после высокочастотной плаз менной обработки

В образцах железа обнаружено только железо, имеющее кубическую кристаллическую решетку.

В таблице 1 приведены данные параметров кристаллической решетки из базы порошковых дифрактометрических стандартов РОР-2 (карточки 06-0696). Сравнивая полученные данные со стандартными, получено, что применение метода ВЧГЮ приводит к то му, что параметры решетки становятся сравнимы с эталонными.

Таблица 1 - Влияние ВЧПО на параметры кристаллической решетки порошка железа марки ПЖВ-3

Природа металла Вид обработки а А

железо исходный 2,8650

железо модифицированное ВЧПО 2,8664

железо эталон 2,8664

Известно, что поверхность твердого тела независимо от того, является оно кристаллическим или аморфным, низкомолекулярным или полимерным, неизбежно должна отражать специфику его внутренней структуры. Например, поликристаллический характер металлов обуславливает такие особенности морфологии металлической поверхности как мозаичность структуры.

Микрорельеф твердой поверхности, обусловленный особенностями внутренней структуры, условно называют первичным или атомно-молекулярным.

Поверхности твердых тел часто подвергаются различного рода изменениям: окисляются, гидролизуются и т.д. Возникающие при этом продукты реакции могут оставаться связанными с поверхностью, образуя своеобразный чехол. У металлов - это поверхностные пленки на основе оксидов, гидроксидов металлов. Толщина этого слоя в силу ряда обстоятельств может быть различной. Природа, структура, толщина поверхностной пленки, уровень поверхностной энергии металлов, их способность к смачиванию агрессивными жидкостями, у которых определяющими являются природа, концентрация, а также температура и давление являются основными факторами, оказывающими влияние на коррозию металлов. Процесс коррозии начинается при контакте агрессивной среды с поверхностной пленкой металла.

Исходя из того, что обработка порошков железа методом ВЧПО приводит к изменению внутренней структуры железа, то представляет интерес определить: изменяются ли свойства поверхности спеченных материалов после ВЧПО?

Следует ожидать, что изменения в структуре твердого тела приведет к изменению первичной структуры поверхности, а следовательно и вторичной, что несомненно окажет влияние на коррозионную стойкость обработанных материалов.

В данной работе исследовалось влияние ВЧПО материалов на основе порошков железа, полученных методом порошковой металлургии, на свойства их поверхности, которые оценивались по изменению угла смачивания капли воды и работы адгезии, которая определяется работой, затраченной на удаление жидкости с поверхности твердого тела [9]. В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны спеченные материалы на

основе необработанного железа (100%), ЖГр1,2Д2,75МОО,25Н2, содержащие молибден, никель, медь, ЖГрО,5ДЗНО,4, содержащий серу, медь (табл. 2).

Таблица 2 - Влияние ВЧПО материалов на основе железа на угол смачивания и ра боту адгезии

Вид материала Природа среды / расход газа, г/с Краевой угол смачивания О, град Работа адгезии УУ, Дж

Ре 100% Без обработки 50 119,5

Аргон-пропан 0,06 г/с 81 84,1

Аргон-пропан 0,1 г/с 81 84,1

ЖГр1,2Д2,75М Без обработки 55 114,4

00,25Н2 Аргон-пропан 0,08 г/с 75 91,5

Аргон-пропан 0,1 г/с 85 79,1

ЖГрО,5ДЗНО,4 Без обработки 50 119,5

Аргон-пропан 0,06 г/с 80 85,3

Аргон-пропан 0,08 г/с 80 85,3

Аргон-пропан 0,1 г/с 85 79,1

Пластины из Без обработки 50 119,5

стали-4 Аргон-пропан 0,06 г/с 60 109,3

Стеариновая кислота-аргон 0,06 г/с 80 85,3

Проведенные исследования показали, что при ВЧПО поверхность обработанных материалов изменяется: угол смачивания увеличивается в 1.6 раза, а работа адгезии снижается в 1.4 раза по сравнению с необработанными материалами (табл. 2).

В данной работе проводились исследования по влиянию природы, содержания и способа модификации порошков железа на их коррозионную стойкость в кислой (pH 3-5) и щелочной (pH 9-10) средах. В качестве кислой среды использовался раствор НС1 1:4, а в щелочной - состав пластовых вод нефтяных скважин.

Состав пластовых вод по ГОСТ 9. 506-87 :

№С1 169г/л;

СаС^-б Н20 34г/л;

МдС^-б НгО 17г/л;

Са504-2 Н20 0,14г/л.

В данной работе критерием оценки коррозионной стойкости является объем выделившихся газов с единицы поверхности с грамма вещества при прохождении химической реакции между железом, добавками, входящими в состав материалов на его основе, и компонентами агрессивных сред. Удельная поверхность, определяемая на ПСХ -4, порошков железа марки ПЖВ - 3 равна 2620 г/см2, после ВЧПО исследуемая характеристика не изменилась, а после ПМЛ никелем (2%) удельная поверхность модифицированных порошков железа стала равна 2900 г/см2.

Исследования показали, что высокочастотная плазменная обработка порошков железа привела к повышению коррозионной стойкости в 1,5-10 раз (рис. 2). Эффективным является использование смеси газов аргон-пропан при соотношении 30:70. Расход газа оказывает существенное влияние на коррозионную стойкость порошков железа. Исследование влияния расхода газов аргона, аргон-пропана (70:30; 50:50; 30:70) в количестве 0,06-0,1 г/с на исследуемую характеристику показало, что чем меньше расход газа, тем выше их коррозионная стойкость (рис. 2-4).

О

т—«

о

"и

12

10

8

6

к

го

О

й,

О,

о

М

♦ ■ Железо исх. 1 ■ 11 —Лс- Аргон:пропан (50:30^

—■- Аргон X Аргон:проп^^^^

4 Г-" -

Г"—- е ' ' "• , X

15

30

45

Т.

МИН

Рис. 2 - Влияние среды на коррозионную стойкость железных порошков в кислой среде

ГО

Ь

т-Н

5

~ 4

I 3

И 2 1 0

Необработанный 1

—0,1 г/с '

-4- 0,08 г/с -• —0,06 г/с "'У

у ^ \\

а^ ■

15

30

45

Т, мин

Рис. 3 - Влияние расхода аргона при ВЧПО на коррозионную стойкость в кислой среде порошков железа, модифицированных никелем (2%)

о -1----------------------------------------------------------------------------------

15 30 45 Т, мин

Рис. 8 - Влияние расхода газа (аргон :пропан 70:30) на коррозию спеченных пластин (ЖГр 1,2 Д2,75 М 0,25 Н2)

Для сравнения была определена коррозии порошков железа, легированных традиционным способом. Установлено, что порошки, содержащие хром, никель, медь имеют высокую коррозионную стойкость, сравнимую с порошками железа, обработанными ВЧПО в среде аргон-пропана (30:70) (рис. 9).

Рис. 9 - Влияние расхода аргон:пропана (70:30) на коррозию в кислой среде порошков, содержащих 60% железа, 15% никеля, 25% хрома

Таким образом, на основании проведенной работы рекомендуется с целью повышения коррозионной стойкости порошков железа и спеченных материалов на их основе проводить модификацию методом высокочастотной плазменной обработки в среде аргон-пропан (30:70) при расходе газа 0.08 и 0,1 г/с соответственно.

При выдержки образцов порошков железа в щелочной среде коррозия идет медленнее, за 48 ч. коррозионная стойкость порошков железа, легированных никелем, снизилась в 3 раза, а порошков железа, обработанных в среде аргон-пропана (30:70), снизилась в 2 раза (табл. 3).

Таблица 3 - Исследование влияние способа обработки порошков железа на их корро зионную стойкость в пластовых водах

Способ обработки порошка железа Объем газовыделения, мл

24 ч 48 ч

Исходный 7 10

ПМЛ (2% N0 1 3

ВЧПО (среда аргон-пропан 30:70) 3 5

При исследовании коррозии порошков железа Г1МЛ никелем (6%.8%) в щелочной среде получено, что порошки, содержащие 6% никеля, имеют в 2 раза коррозию ниже, чем у исходного порошка железа, и в 1.5 раза - по сравнению с порошками железа, НМЛ никелем 8% (рис. 10).

2 4 6 8 10 12 14

Т, сутки

Рис. 10 - Коррозия железного порошка, модифицированного никелем методом ПМЛ, в пластовых водах

Таким образом, в данной работе показано принципиальная возможность увеличения коррозионной стойкости порошков железа и материалов на их основе, полученных методом порошковой металлургии, в кислых и щелочных средах за счет обработки порошков

железа методом поверхностного механического легирования никелем и высокочастотной обработкой плазмой низкого давления.

Исходя из того, что плазмотроны находят все большее применение в народном хозяйстве, следует рекомендовать их использование для обработки порошков железа и материалов на их основе, работающий в условиях агрессивных сред, например, в качестве фильтрующих элементов с целью повышения их коррозионной стойкости.

Литература

1. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Справ, пособие. М: Химия, 1967.

2. Порошковые материалы. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ./ И.М.Федорченко, И.Н.Францевич, И.Д.Радосельский и др. Киев: Наук.Думка, 1985. 624с.

3. Коррозия химической аппаратуры и коррозионостойкие материалы. М.: Машиностроение, 1967.

4. Кук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов: Справ, пособие. М.: Металлургия, 1975.

5. Бурдикова Т.В. / Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С 280-283.

6. Бурдикова Т.В. / Вестник Казанского технол. ун -та. 2003. №1. С 372-378.

7. И.Ш.Абдуллин, В.С.Желтухин, Н.Ф.Кашапов Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Казань: Изд -во КГУ, 2000.

8. И.Ш.Абдуллин, В.С.Желтухин. /Вестник Казанского технол. ун -та. 2003. №1. С. 148-153.

9. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.:Химия, 1974.

© Т. В. Бурдикова - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии гетерогенных систем КГТУ; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии кожи и меха КГТУ;

М. Ф. Шаехов - докторант той же кафедры; О. В. Евсюкова - асп. каф. химической технологии гетерогенных систем КГТУ; Ю. В. Винокуров - нач. уч-ка ОАО КМГЮ.