Кафедра технології електрохімічних виробництв (ТЕХВ)
Постійне посилання на фонд
Сайт кафедри: https://electrochemistry.kpi.ua/
Переглянути
Перегляд Кафедра технології електрохімічних виробництв (ТЕХВ) за Ключові слова "620.193.4, 620.193.2, 621.793.6"
Зараз показуємо 1 - 2 з 2
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Протикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Янцевич, Кароліна Віталіївна; Погребова, Інна СергіївнаЯнцевич К.В. Протикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.14 – Хімічний опір матеріалів та захист від корозії. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена захисту металів від корозії, підвищенню надійності та довговічності сталевого обладнання шляхом нанесення дифузійних хромосиліцидних покриттів газовим методом в атмосфері хлору. В роботі наведено результати теоретичних розрахунків рівноважного складу багатокомпонентних систем за участю хрому, силіцію, вуглецю, заліза, кисню, хлору, що дало можливість визначити ймовірний склад газової та конденсованої фаз, оптимальні параметри процесу насичення сталей хромом та силіцієм. Визначено найбільш термодинамічно імовірні хімічні реакції, що мають місце при комплексному насиченні сталей силіцієм та хромом. На основі отриманих даних запропоновано і експериментально підтверджено раціональний склад вихідних реагентів, температурні інтервали проведення дифузійного насичення сталей хромом та силіцієм. Встановлено склад, структуру, мікротвердість, мікропоруватість покриттів. Встановлено, що отримані хромосиліцидні покриття володіють високою жаростійкістю в атмосферному повітрі до 1000 С. Процес окиснення хромосиліційованих сталей 20, 45, У10А в інтервалі температур 800 – 1000 С підпорядковується параболічному закону, що свідчить про дифузійний механізм корозії. Показано, що жаростійкість хромосиліцидних покриттів на сталях підвищується в ряду: сталь У10А→ сталь 20→сталь 45, що пов’язано з різною структурою та складом отриманих покриттів. Виявлено, що після окиснення в дифузійному шарі покриття на сталях 20, 40, 45 утворюється оксид хрому Cr2O3 та оксид силіцію SiO2, який виконує роль бар’єрного шару. Встановлено, що отримані покриття підвищують корозійну стійкість вуглецевих сталей у багатьох водних середовищах. Корозійна стійкість хромосиліційованих сталей і захисна дія покриттів залежить від природи розчинів, виду деполяризації корозійного процесу, часу корозійних випробувань. Вони виявляють невисоку захисну дію в умовах корозії з водневою деполяризацією (концентровані розчини сульфатної та хлоридної кислот, =52,3-76,1%), більш високу при корозії з кисневою (технічна вода, = 74,8%; 3% NaCl, =82,4%) та змішаною киснево-водневою (оцтова кислота, =84,8%) деполяризацією, найбільшу - в концентрованих розчинах нітратної кислоти ( = 99,86%). Селективність захисної дії покриттів обумовлена їхнім різним впливом на парціальні реакції корозійних процесів та різною хімічною стійкістю їхніх захисних плівок у різних розчинах. Нанесення покриттів призводить до прискорення реакції виділення водню, гальмування відновлення кисню, зниження швидкості анодного розчинення сталей в активному та пасивному стані. Запропоновано способи підвищення корозійної стійкості ( =99,82%) вуглецевих сталей з хромосиліцидними покриттями в розчинах кислот за рахунок окиснення їхніх поверхневих шарів в атмосферному повітрі або введення у розчини кислот добавки-окисника (молібдату натрію). Вольтамперметричними дослідженнями показано, що в розчинах кислоти окисненні покриття характеризуються стійким пасивним станом у широкому інтервалі потенціалів. Триботехнічними дослідженнями встановлено, що хромосиліціювання підвищує зносостійкість сталі 45 в умовах абразивного зношування ( 13,0 разів) та в умовах тертя без змащувального матеріалу ( 7,0 разів). Наведені рекомендації щодо практичного використання хромосиліцидних покриттів.Документ Відкритий доступ Протикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Янцевич, Кароліна Віталіївна; Погребова, Інна СергіївнаЯнцевич К.В. Протикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.14 «Хімічний опір матеріалів та захист від корозії». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена захисту металів від корозії, підвищенню надійності та довговічності сталевого обладнання шляхом нанесення дифузійних хромосиліцидних покриттів. Збереження від корозійного руйнування металевих конструкцій, обладнання та споруд є одним із найважливішим питанням у промислово розвинених країнах світу. Збиток країнам від корозії і витрати на боротьбу з нею за даними NACE (National Association of Corrosion Engineers) сягає 3% від ВВП і полягає не тільки у пошкоджені та роз’їданні металу, але й в погіршенні функціональних властивостей виробів, зниженні їх надійності, довговічності. Для України, яка є однією з найбільш металонасичених країн Центрально-Східної Європи, ця проблема також надзвичайно важлива. Тому вирішення проблеми протикорозійного захисту металів, підвищення надійності обладнання є актуальним та першочерговим завданням в Украйні. Одним із найбільш розповсюджених методів протикорозійного захисту виробів і деталей з вуглецевих сталей від високотемпературного окиснення, електрохімічної корозії та механічного руйнування є нанесення на їхні поверхні захисних дифузійних покриттів. І тому, вирішення проблеми захисту вуглецевих сталей від високотемпературної корозії в атмосферному повітря, електрохімічної корозії у ряді водних агресивних середовищах та корозійно - механічного зношування шляхом нанесенням дифузійнихпокриттів на основі хрому та силіцію газовим методом в одному технологічному циклі є актуальною. Метою роботи було підвищення стійкості до високотемпературного окиснення в атмосфері повітря, корозійної стійкості у водних агресивних середовищах та зносостійкості вуглецевих сталей шляхом нанесення на їхні поверхні дифузійних покриттів на основі хрому та силіцію, встановлення механізму протикорозійного захисту вуглецевих сталей покриттями в різних агресивних середовищах. Відповідно до мети в роботі були поставлені наступні наукові завдання: 1. На основі аналізу теоретичних розрахунків можливих фізико – хімічних умов нанесення дифузійних покриттів, визначити раціональні склади насичуючих сумішей та режими дифузійного насичення сталей силіцієм та хромом в атмосфері хлору. На основі отриманих даних запропонувати спосіб отримання хромосиліцидних покриттів на вуглецевих сталях з метою підвищення їх стійкості до високотемпературної корозії в атмосфері повітря, зносостійкості і корозійної стійкості у водних агресивних середовищах. 2.Встановити взаємозв’язок між складом і структурою отриманих хромосиліцидних дифузійних шарів на поверхні вуглецевих сталей та їхнім впливом на стійкість сталей до високотемпературної корозії в атмосфері повітря. 3.Дослідити вплив отриманих дифузійних хромосиліцидних покриттів на електрохімічну корозію вуглецевих сталей та встановити механізм їх захисної дії у агресивних водних середовищах. 4.Встановити можливість підвищення корозійної стійкості вуглецевих сталей з хромосиліцидними покриттями в розчинах кислот за рахунок окиснення їхніх поверхневих дифузійний шарів (високотемпературного окиснення в атмосфері повітря, введення неорганічних добавок - окисників у агресивне середовище). 5.Провести лабораторні випробування хромосиліцидних покриттів, нанесених на вуглецеві сталі запропонованим способом. Термодинамічні розрахунки вихідних систем проводили з використанням програм «АСТРА» та «HSC Chemistry 5.0» з базою термодинамічних даних. Структуру та фазовий склад дифузійних хромосиліцидних покриттів досліджували за допомогою мікроструктурного, дюрометричного та рентгеноструктурного аналізу. Жаростійкість в атмосферному повітрі досліджували термогравіметричним методом з безперервною фіксацією зміни тепла, зміни маси зразків до температури 1000 С. Кінетику високотемпературного окиснення зразків зі сталей та сталей з покриттями оцінювали по збільшенню маси при різних температурно-часових умовах. Корозійні та електрохімічні дослідження сталей та сталей з покриттями проводили у різних водних агресивних середовищах. Дослідження абразивної стійкості та зносостійкості шляхом ковзання без змащувального матеріалу оцінювали за втратою маси зразків. За результатами проведених досліджень встановлено, що експлуатаційні властивості вуглецевих сталей (корозійна стійкість, жаростійкість, опір зносу) можуть бути суттєво підвищені за рахунок дифузійного насичення хромом та силіцієм в атмосфері хлору в єдиному технологічному циклі. В роботі наведено результати теоретичних розрахунків рівноважного складу багатокомпонентних систем за участю хрому, силіцію, вуглецю, заліза, кисню, хлору, що дало можливість спрогнозувати склад газової та конденсованої фаз, оптимальні параметри процесу насичення сталей хромом та силіцієм. Визначено найбільш термодинамічно імовірні хімічні реакції, що мають місце при комплексному насиченні сталей силіцієм та хромом. Запропоновано удосконалену конструкцію реакційної камери для дифузійного насичення сталей силіцієм та хромом, яка дозволяє зменшити витрати порошків силіцію і хрому на 25–30% (по масі), усунути можливе легування покриттів елементами, які входять до складу матеріалу, з якого виготовлена камера (сталь 12Х18Н10Т), а також необхідність введення до складу вихідних реагентів твердих вуглецьмістких речовин. Встановлено, що склад, структура та властивості хромосиліцидних покриттів суттєво залежать від вмісту вуглецю в сталі. На поверхні сталей з вмістом вуглецю (0,20-0,60)% дифузійний шар складається з двох зон - зовнішньої, до 15-20 мкм, яка містить карбіди хрому Cr23C6, Cr7C3 та внутрішньої зони 80-100 мкм, що представляє собою твердий розчин хрому та силіцію в -залізі (шар Fe (Si,Cr), На поверхні сталей з вмістом вуглецю (0,70-1,2)% утворюється дифузійний шар, який складається з карбідів хрому Cr23C6 та Cr7C3. Загальна товщина дифузійних покриттів складає 90 - 120 мкм. Мікрорентгеноспектральним аналізом встановлено, що на поверхні сталей 20 та 45 вміст силіцію у зовнішній зоні дифузійних покриттів складає, відповідно, 0,39 та 0,15 ат.%, у внутрішній – до 3,01 і 8,24 ат.%; вміст хрому у зовнішній зоні покриття складає 71,14 та 52,3 ат.%, у внутрішній, відповідно, 18,97 та 10,01 ат.%. На поверхні сталей У8А та У10А в карбідній зоні вміст силіцію складає (0,40-0,45) ат.%, вміст хрому - (89,9 – 92,1)ат.% та поступово знижується до 78,0 ат.%. Запропоновано механізм формування хромосиліцидних шарів на вуглецевих сталях. Термогравіметричні дослідження на дериватографі зразків зі сталі 45 з хромосиліцидним покриттям показали відсутність зміни маси, що свідчать про їхню жаростійкість до 1000 С. Масометричним методом досліджено вплив температури, часу ізотермічної витримки та марки сталі на жаростійкість хромосиліційованих сталей (20, 45, У10А). Встановлено, що процес окиснення хромосиліційованих сталей підпорядковується параболічному закону зростання захисних плівок у всьому дослідженому температурному інтервалі 700-1000 С, що свідчить про дифузійний механізм процесу. Нанесення на поверхню сталі 45 хромосиліцидного покриття призводить до підвищення її опірності високотемпературній корозії за температур 700, 800 С у 14,0; 23,0 рази, відповідно. Експериментально показано, що жаростійкість хромосиліцидних покриттів, нанесених на вуглецеві сталі, підвищується в ряду: сталь У10А→ сталь 20→сталь 45. Проведеними дослідженнями показано, що підвищення жаростійкості обумовлено утворенням в шарі покриттів оксиду хрому та оксиду силіцію. Рентгеноструктурним аналізом всановлено, що після окиснення протягом однієї години при температурі 1000 С на поверхнях середньовуглецевих сталях з покриттями зберігаються фази карбідів хрому Cr23C6, Cr7C3, твердий розчин хрому та силіцію в - залізі та фіксується поява оксиду хрому Cr2О3 та на глибині 10-15 мкм оксиду силіцію SiО2. Встановлено, що оксид силіцію, розташований на межі розподілу карбідна фаза – твердий розчин хрому та силіцію в -залізі, виконує роль бар’єрного шару, запобігає проникненню кисню вглиб покриття та не дає можливості утворюватися в ньому крихким та корозійно нестійким оксидам заліза. Виявлено, що висока жаростійкість хромосиліцидних покриттів, нанесених на сталь 20 і сталь 45 у порівнянні зі сталлю У10А, пов'язана з невеликим вмістом заліза в їх карбідних фазах, значно більшою часткою в них карбіду хрому Cr23C6 та наявністю оксиду силіцію SiО2 в шарі покриття. На основі проведених розрахунків було побудовано параметричну діаграму жаростійкості хромосиліційованої сталі 45, яка дозволяє провести оцінку її довговічності при різних температурах (800 - 1000 С) та тривалості витримки (1 - 6 годин) в атмосфері повітря. Мікротвердість поверхневого шару хромосилцідного покриття на сталі 45 дорівнює 19,5 ГПа і зменшується до 6,0 ГПа на відстані 40-60 мкм від поверхні, що відповідає шару на основі твердого розчину хрому та силіцію в -залізі. Такий розподіл мікротвердості по перерізу дифузійних шарів сприяє зменшенню внутрішніх напружень в покритті, покращенню його зчеплення з основою та підвищенню корозійної стійкості під впливом механічних напружень та зношування. Встановлено, що швидкість корозії хромосиліційованих сталей 20, 45 і захисні властивості отриманоих покриттів залежать як від природиагресивного середовища, виду деполяризації корозійного процесу, так і часу експозиції зразків у розчинах. Масометричними випробуваннями було виявлено, що хромосиліціювання запропонованим способом призводить до підвищення корозійної стійкості сталі 45 від сульфатної та хлоридної кислот до розчинів солей, технічної води та розчинів оцтової і нітратної икслот. В умовах корозії з водневою деполяризацією (розчини сульфатної та хлоридної кислот) отримані покриття виявляють невисоку захисну дію (=2,1-3,2), значно вищу мають при корозії з кисневою деполяризацією (технічна вода, розчини солей, = 4,6-5,7) та з киснево-водневою деполяризацією (оцтова кислота, = 7,5-18,0) деполяризацією, найбільшу – переважно з окиснювальною деполяризацією (розчини нітратної кислоти, = 12,0-720,0). За довготривалих корозійних випробувань (після 576 годин випробувань) захисна дія хромосиліцидних покриттів у технічній воді, 3% розчині хлориду натрію та оцтовій кислоті зростає і забезпечує підвищення корозійної стійкості вуглецевої сталі 45 в 8,5-18,0 разів. Високу захисну дію вуглецевих сталей при довготривалих випробуваннях (1522 годин) показали хромосиліцидні покриття у розчинах нітратної кислоти ( =99,98%). Виявлено, що з підвищенням часу експозиції покриттів у розчинах сульфатної і хлоридної кислот їхня захисна дія знижується, що пов’язано з відновленням оксидних плівок Cr2O3, SiO2 та утворенням гальванічної пари покриття – основа. У воді, розчинах 3%NaCl, оцтовій та нітратній кислоті захисна дія покриттів з часом підвищується за рахунок утворення на поверхні та в глибині покриття оксидних плівок хрому та силіцію, які мають високу хімічну стійкість у цих розчинах. Результати вольтамперометричних досліджень показали, що у розчинах сульфатної та хлоридної кислот корозія сталі 45 та сталі 45 з покриттям протікає в активній області з водневою деполяризацією. Процес виділення водню на сталі 45 без покриття та сталі з покриттям у розчинах кислот описуються рівнянням Тафеля. Виявлено, що дифузійне хромосиліціювання сталі призводить до підвищення швидкості катодноїреакції корозійного процесу (внаслідок низької перенапруги виділення водню на карбідах хрому (Cr23C6, Cr7C3) і до гальмування анодної реакції розчинення сталі за рахунок високої хімічної стійкості карбідів хрому у розчинах сульфатної та хлоридної кислоти. У 3% розчині NaCl корозія сталі 45 з покриттям протікає з кисневою деполяризацією. Нанесення на поверхню сталей хромосиліцидних покриттів призводить до гальмування як катодної реакції корозійного процесу (за рахунок гальмування швидкості діфузії кисню крізь дифузійний шар), так і анодної (за рахунок високої хімічної стійкості карбідів хрому). У розчинах оцтової кислоти корозія протікає зі змішаною воднево-кисневою деполяризвцією. Виявлено, що нанесення на поверхню сталі 45 хромосиліцидного покриття призводить до гальмування процесу відновлення кисню та виділення водню, та анодного розчинення її в активній області та в області пасивного стану. У розчинах нітратної кислоти корозійний процес протікає за рахунок відновлення аніонів кислоти. Показано, що нанесені на поверхню сталей покриття зменшують швидкість катодної та анодної реакцій процесів корозії. Триботехнічні дослідження показали, що процес дифузійного насичення хромом та силіцієм призводить до підвищення зносостійкості сталі 45 в умовах абразивного зношування 13,0 разів. в умовах тертя без змащувального матеріалу 7,5 разів, що пов’язано з високою мікротвердістю хромосиліцидних покриттів. Запропоновано ефективні способи підвищення корозійної стійкості вуглецевих сталей (20, 45, У10А) з хромосиліцидними покриттями в водних агресивних середовищах за рахунок окиснення їхніх поверхневих шарів в атмосфері повітря або введення у розчини кислот окисників (молібдату натрію, молібдату амонію). Виявлено, що після ізотермічної витримки сталі 45 з хромосиліцидним покриттям протягом однієї години при температурах 873К і 1023К в атмосфері повітря коефіцієнти гальмування корозії у 10% H2SO4 та 10% HCl досягають значень 39,0; 122,0 та 42,0; 141,0, в той час, як для неокиснених покриттів вони не перевищують 2,2 та 3,2, відповідно. Зпідвищенням часу ізотермічної витримки сталі 45 з хромосиліцидним покриттям до двох годин за тих самих температур коефіцієнти гальмування корозії у розчинах сульфатної та хлоридної кислот дорівнюють 68,0-298,0 та 84,0-180,0, відповідно. Тривалою експозицією у розчинах кислот (до 720 годин) покриттів окисненних в атмосфері повітря при температурах 873К і 1023К підтверджено їх високу корозійну стійкість (ступінь захисту сягає =98,99%). Вольтамперметричними дослідженнями показано, що в розчинах сульфатної кислоти хромосиліцидні покриття, які були окиснені при температурі 750 С протягом однієї години мають більш позитивний Ес - потенціал, ніж неокисненні; характеризуються стійким пасивним станом, що вказує на їх високі захисні властивості у широкому інтервалі потенціалів. Показано, що ізотермічна витримка хромосиліцидних покриттів протягом однієї-двох годин при температурі 1023К забезпечує ступінь захисту вуглецевих сталей 20, 45, У10А від корозії у розчинах сульфатної та хлоридної кислот на рівні 99,0-99,8 %. Іншим ефективним способом підвищення корозійної стійкості вуглецевих сталей (20, 45, У10А) з хромосиліцидними покриттями є введення у розчини кислот окисників. Показано, що введення у 10% розчини сульфатної, хлоридної кислот окисника (3-5 г/л молібдату натрію або 3-5 г/л молібдату амонію) підвищує корозійну стійкість хромосиліційованої сталі 45 у 6,0-17,0; 36,0-124,0 разів, відповідно. Виявлено, що введення молібдату натрію до розчину сульфатної кислоти призводить до значного підвищення поляризації катодної реакції корозії хромосиліційованої сталі 45, зміщенню її Ес - потенціалу в область позитивних значень, зниженням (2-2,5 порядки) струму пасивації. Лабораторними випробуванням на кафедрі прикладної механіки та інженерії матеріалів Національного авіаційного університету (м. Київ) доведена доцільність нанесення хромосиліцидних покриттів запропонованим способом на поверхню вуглецевих сталей для підвищення їх корозійної стійкості та зносостійкості.Використання запропонованих способів підвищення працездатності робочих елементів обладнання в машинобудуванні, хімічній та інших галузях промисловості (втулки, клапани, осі, диски) дозволить замінити дорогі високолеговані сталі на більш дешеві вуглецеві сталі з дифузійними хромосиліцидними покриттями.