В последнее время широкое распространение получил новый класс конструкционных материалов: класс объемных наноструктурированных металлических материалов с субмикрокристаллической структурой, полученных методами интенсивной пластической деформации (ИПД), например, равноканальным угловым прессованием (РКУП) [1, 2]. Данные материалы обладают высокой прочностью, что способствует их внедрению в различные области техники [3, 4]. В настоящее время наиболее актуальными проблемами в области физического материаловедения наноструктурированных металлических материалов является изучение стабильности структуры в процессе воздействия внешних факторов [5], прежде всего, коррозионных сред. Весьма перспективным направлением повышения коррозионной стойкости металлических материалов является нанесение на их поверхность коррозионностойких упрочняющих покрытий [6]. Однако сведений о коррозионной стойкости наноструктурированных материалов с покрытием в литературе практически нет.
Целью настоящей работы является исследование коррозионной стойкости образцов из стали 10 в исходном состоянии и после РКУП в субмикрокристаллическом состоянии без покрытия и с упрочняющим покрытием.
Материалы и методы исследования
В качестве исследуемого материала использовали промышленную сталь 10 (0,11% С) в исходном состоянии (средний размер зерна dср = 45 мкм) и после РКУП при 200°С, 4 прохода, маршрут Bc, угол φ = 120° [1, 2] (средний размер зерна dср = 300 нм). Твердость стали определяли по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59). Прочностные характеристики определяли на разрывной машине Р-10 по ГОСТ 1797-84. Диаметр образцов для определения механических свойств равен 3 мм.
Механические свойства стали 10 в исходном состоянии и после РКУП в субмикрокристаллическом состоянии представлены в табл. 1.
Таблица 1 Механические свойства стали 10 в исходном состоянии и после РКУП
|
Состояние стали |
НВ |
σв, МПа |
σт, МПа |
δ,% |
|
Исходное состояние |
121 |
460 |
350 |
25 |
|
После РКУП при 200°С, 4 прохода |
235 |
1028 |
989 |
8 |
Для коррозионных испытаний использовали образцы размером 10×10×3 мм с упрочняющим покрытием и без покрытия. Тонкопленочное упрочняющее алмазоподобное покрытие на основе оксикарбонитрида кремния наносили на поверхность образцов с помощью установки финишного плазменного упрочнения УФПУ-111. Толщина покрытия составляла 1 мкм. Далее образцы полностью погружали в испытательный раствор (5%-й раствор NaCl по ГОСТ 4233 + 0,5%-й раствор CH3COOH по ГОСТ 19814, насыщенный сероводородом, рН 3,5; Т = 297 К). Время коррозионного воздействия - 96 часов. Скорость коррозии (г/м2·ч) определяли по разности масс образцов до и после коррозионных испытаний. Металлографические исследования поверхности образцов до и после коррозии проводили с помощью металлографического микроскопа МИМ-8.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты испытаний образцов на коррозионную стойкость приведены в табл. 2. Из данной таблицы видно, что скорость коррозии образцов из стали 10 после РКУП в 1,4 раза ниже по сравнению с исходным состоянием. После нанесения упрочняющего покрытия скорость коррозии образцов в исходном состоянии уменьшилась в 2,3 раза, а образцов после РКУП - в 3,1 раза. Можно предположить, что покрытие, нанесенное на поверхность образцов стали 10 после РКУП, обладает большей адгезионной прочностью, обеспечивающей лучшую защиту стали от коррозии.
Таблица 2 Скорость коррозии (г/м2·ч) образцов из стали 10 без покрытия и с покрытием в исходном состоянии и после РКУП
|
Исходное состояние |
После РКУП |
||
|
без покрытия |
с покрытием |
без покрытия |
с покрытием |
|
5,104 |
2,270 |
3,615 |
1,153 |
Металлографические исследования поверхности образцов из стали 10 до (рис. 1, а) и после коррозионных испытаний (рис. 2, а, б) показали, что в результате коррозионного воздействия поверхность образцов из стали в исходном состоянии практически полностью повреждена путем питтинговой коррозии (рис. 2, а). Поверхность образцов из стали после РКУП повреждена в меньшей степени (рис. 2, б). Такой вид поверхности образцов хорошо согласуется с данными определения скорости коррозии стали 10 в исходном состоянии и после РКУП (см. табл. 2).
a б
Рис. 1. Поверхность образцов стали 10 до (а) и после (б) нанесения покрытия
После нанесения упрочняющих покрытий (рис. 1, б) на поверхность образцов из стали 10 в исходном состоянии и последующего коррозионного воздействия (рис. 2, в) поверхность образцов повреждена в меньшей степени, чем в образцах без покрытия. Хорошо видны округлые следы питтинговой коррозии размером не более 50 мкм (см. рис. 2, в). Поверхность образцов из стали 10 после РКУП с нанесенным покрытием после воздействия коррозионной среды (рис. 2, г) также повреждена питтинговой коррозией. Однако на такой поверхности большую площадь занимают свободные от коррозии участки, что также согласуется с результатами оценки скорости коррозии (см. табл. 2).
Рис. 2. Поверхность образцов стали 10 после коррозии: а - исходное состояние; б - после РКУП; в - исходное состояние с покрытием; г - после РКУП с покрытием
Выводы
-
Равноканальное угловое прессование (РКУП), формируя субмикрокристаллическую структуру, повышает коррозионную стойкость стали 10 в 1,4 раза по сравнению с исходным состоянием.
-
Нанесение упрочняющего алмазоподобного покрытия повышает коррозионную стойкость стали 10, причем в образцах из стали 10 после РКУП с покрытием коррозионная стойкость выше, чем в образцах из стали в исходном состоянии.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП (ГК № 16.513.11.3018).
Рецензенты:
-
Кушнаренко В.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой деталей машин и прикладной механики Оренбургского государственного университета, г. Оренбург;
-
Кучеренко М.Г., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиофизики и электроники Оренбургского государственного университета, г. Оренбург.
Работа поступила в редакцию 20.04.2012.