Протикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorПогребова, Інна Сергіївна
dc.contributor.authorЯнцевич, Кароліна Віталіївна
dc.date.accessioned2025-05-27T09:43:00Z
dc.date.available2025-05-27T09:43:00Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractЯнцевич 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.
dc.description.abstractotherIantsevitch C.V. Anti-corrosion protection of carbon steels by diffusion coatings based on chromium and silicon. - Qualification scientific work manuscript copyright. The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical Sciences, specialty 05.17.14 «Сhemical resistance of materials and protection against corrosion». – National technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the protection of metals from corrosion, increasing the reliability and durability of steel equipment by applying diffusive chromosilicide coatings. The protection from corrosion of metal structures, equipment and buildings is one of the most important issues in industrialized countries of the world. The damage to countries from corrosion and the costs of combating it, according to NACE (National Association of Corrosion Engineers), reaches 3% of GDP and consists not only in damage and corrosion of metal, but also in the deterioration of the functional properties of products, reducing their reliability, durability. The Ukraine, which is one of the most metal-saturated countries in Central and Eastern Europe, this problem is also extremely important. Therefore, solving the problem of anti-corrosion protection of metals, increasing the reliability of equipment is an urgent and priority task in Ukraine. The One of the most common methods of anticorrosion protection of products and parts made of carbon steels from hightemperature oxidation, electrochemical corrosion and corrosive-mechanical wear is the application of protective diffusion coatings to their surfaces. Therefore, solving the problem of protecting carbon steels from high-temperature corrosion in the air atmosphere, electrochemical corrosion in a number of aqueous aggressive environments, and corrosive-mechanical wear by applying diffusion coatings based on chromium and silicon by the gas method in one technological cycle is relevant.The purpose of this work is to increase the resistance to high-temperature oxidation in the air atmosphere, corrosion in some aqueous aggressive environments and the wear resistance of carbon steels by applying diffusion coatings based on chromium and silicon, establishing the mechanism of anticorrosion protection of carbon steels by coatings in various aggressive environments. In accordance with the goal, the following scientific tasks were set in the work: 1. The analysis based on of theoretical calculations of the possible physical and chemical conditions for applying diffusion coatings, determine the rational compositions of saturating mixtures and modes of diffusion saturation of steels with silicon and chromium in a chlorine atmosphere. On the basis of the obtained data, propose ways of obtaining chromosilicide coatings on carbon steels in order to increase their durability to high-temperature corrosion in the air atmosphere, wear resistance and corrosion durability in aqueous aggressive environments. 2. The establish relationship between the composition and structure of the obtained chromosilicid diffusion layers on the surface of carbon steels and their influence on the resistance of steels to high-temperature corrosion in the air atmosphere. 3. The investigate the effect of the obtained diffusion chromosilicide coatings on the electrochemical corrosion of carbon steels and establish the mechanism of their protective effect in aggressive water environments. 4. The establish the possibility of increasing the corrosion resistance of carbon steels with chromosilicid coatings in acid solutions due to the oxidation of their surface diffusion layers (high-temperature oxidation in the air atmosphere, introduction of inorganic additives - oxidants into an aggressive environment). 5. The will carry out laboratory tests of chromo-silicide coatings applied to carbon steel by the proposed method.The thermodynamic calculations of the initial systems were performed using the «ASTRA» and «HSC Chemistry 5.0» programs with a thermodynamic database. The structure and phase composition of diffusion chromium silicide coatings were studied using microstructural, durometric and X-ray structural analysis. Heat resistance in the air atmosphere was investigated by the thermogravimetric method with continuous recording of heat changes and changes in the mass of samples up to a temperature of 1000 °C. The kinetics of hightemperature oxidation of samples from steels and coated steels was evaluated by increasing the mass under different temperature-time conditions. The corrosion and electrochemical tests of steels and coated steels were carried out in various aqueous aggressive environments. The Studies of abrasive resistance and wear resistance by sliding without lubricant were evaluated by the loss of mass of samples. The results to fccording of the studies, it was found that the operational properties of carbon steels (corrosion resistance, heat resistance, wear resistance) can be significantly increased due to diffusion saturation with chromium and silicon in a chlorine atmosphere in a single technological cycle. The paper presents the results of theoretical calculations of the equilibrium composition of multicomponent systems with the participation of chromium, silicon, carbon, iron, oxygen, chlorine, which made it possible to predict the composition of the gas and condensed phases, the optimal parameters of the process of saturation of steels with chromium and silicon. The most thermodynamically probable chemical reactions that occur during the complex saturation of steels with silicon and chromium are determined. An improved design of the reaction chamber for the diffusion saturation of steels with silicon and chromium is proposed, which allows reducing the consumption of silicon and chromium powders by 25–30% (by mass), eliminating the possible alloying of coatings with elements that are part of the material from which the chamber is made (steel 12X18N10T), as well as the need to introduce solid carbon-containing substances into the composition of the starting reagents. The was established that the composition, structure and properties of chromo-silicide coatings depend significantly on the carbon content in the steel. On the surface of steels with a low carbon content (0.20 - 0.60)%, the diffusion layer consists of two zones - the outer one, up to 15-20 microns, which contains chromium carbides Cr23C6, Cr7C3, and the inner zone of 80 - 100 microns, which represents a solid solution of chromium and silicon in - iron (Fe (Si,Cr) layer). On the surface of stacks with a carbon content of (0.70 -1.2)%, a diffusion layer is formed, which consists of chromium carbides Cr23C6 and Cr7C3. The total thickness of diffusion coatings is 90 - 120 microns. The X-ray microspectral analysis established that on the surface of steels 20 and 45, the content of silicon in the outer zone of the diffusion coatings is, respectively, 0.39 and 0.15 at.%, in the inner one - up to 3.01 and 8.24 at.%; the chromium content in the outer coating zone is 71.14 and 52.3 at.%, in the inner one, 18.97 and 10.01 at.%, respectively. On the surface of U8A and U10A steels in the carbide zone, the silicon content is (0.40-0.45) at.%, the chromium content is (89.9-92.1) at.% and gradually decreases to 78.0 at.%. The mechanism of formation of chromosilicide layers on carbon steels is proposed. The thermogravimetric studies on a derivatograph of samples of 45 steel with a chromium silicide coating showed no change in mass, indicating their heat resistance up to 1000 °C. The influence of temperature, holding time, and steel grade on the heat resistance of chromosilicized steels (20, 45, U10A) was investigated using the massometric method. It was established that the oxidation process of chromosilicized steels obeys the parabolic law of the growth of protective films in the entire investigated temperature range of 700-1000 C, which indicates a diffusion mechanism of the process. The applying a chromosilicide coatings to the surface of steel 45 leads to an increase in its resistance to hightemperature corrosion at temperatures of 700, 800 C in 14.0; 23.0 times, respectively. It has been experimentally shown that the heat resistance of the chromo-silicide coatings applied to carbon steel increases in the following order: steel U10A → steel 20 → steel 45. Conducted studies have shown that the increase in heat resistance is due to the formation of chromium oxide and silicon oxide in the coatings layer. The X-ray structural analysis after oxidation of coated samples for one hour at a temperature of 1000 C established that the chromium carbide phases Cr23C6, Cr7C3, solid solution of chromium and silicon in - iron are preserved in the coating on steel 45 and steel 20, and the appearance of chromium oxide Cr2O3 and at a depth of 10-15 microns of silicon oxide SiO2. The silicon oxide, located at the border of the carbide phase distribution - a solid solution of chromium and silicon in -iron, acts as a barrier layer, prevents the penetration of oxygen into the depth of the coatings and prevents the formation of brittle and corrosion-resistant iron oxides in it. The high heat resistance of chromium silicide coatings applied to steel 20 and steel 45 compared to steel U10A is associated with a low iron content in their carbide phases, a significantly higher proportion of chromium carbide Cr23C6 in them, and the presence of silicon oxide SiO2 in the coatings layer. Based on the calculations, a parametric diagram of the heat resistance of chromosilicized steel 45 was constructed, which allows to evaluate its durability at different temperatures (800 - 1000 С) and duration of exposure. (1-6 hours) in an air atmosphere. The microhardness of the surface layer of the chromosilicate coatings on steel 45 is 19.5 GPa and decreases to 6.0 GPa at a distance of 40-60 μm from the surface, which corresponds to a layer based on a solid solution of chromium and silicon in -iron. This distribution of microhardness across the cross-section of diffusion layers helps to reduce internal stresses in the coating, improve its adhesion to the base, and increase corrosion resistance under the influence of mechanical stress and wear. The It was established that the corrosion rate of chromosilicized steels 20, 45 and the protective properties of the resulting coatings depend on the nature of the aggressive environment, the type of depolarization of the corrosion process, and the exposure time of the samples in solutions. The massometric tests revealed that chromium silicification by the proposed method leads to an increase in the corrosion resistance of steel 45 from sulfuric and hydrochloric acids to salt solutions, technical water, and solutions of acetic and nitrate acids. The conditions of corrosion with hydrogen depolarization (solutions of sulfuric and chloride acids), the obtained coatings show a low protective effect ( = 2.1-3.2), they have a much higher protective effect in corrosion with oxygen depolarization (technical water, salt solutions, = 4.6-5.7) and with oxygenhydrogen depolarization (acetic acid, = 7.5-18.0) depolarization, the largest - in conditions of predominantly oxidative depolarization (nitric acid solutions, = 12.0 -720.0). The protective effect of chromosilicid coatings during long-term corrosion tests ( after 576 hours) in technical water, 3% sodium chloride solution and acetic acid increases and provides, an increase in the corrosion resistance of carbon steel 45 by 8.5 - 18.0 times. The high protective effect of carbon steels during long-term tests (1522 hours) was shown by chromosilicide coatings in nitric acid solutions ( =99.98%). It was found that with increasing research time, the protective effect of coatings in solutions of sulfuric and hydrochloric acids decreases, which is associated with the recovery of oxide films Cr2O3, SiO2 and the formation of a galvanic pair of the coatings - the base. In water, 3% NaCl solutions, acetic and nitric acid, their protective effect increases over time due to the formation of chromium and silicon oxide films on the surface and in the depth of the coatings, which have high chemical resistance in these solutions. The results of voltammetric studies showed that in solutions of sulfuric and hydrochloric acids, the corrosion of steel 45 and steel 45 with a coating occurs in the active region with hydrogen depolarization. The process of hydrogen evolution on steel 45 without a coating and steel and a coating in acid solutions is described by the Tafel equation. It was found that in sulfuric and hydrochloric acid solutions, chromium silicide steel leads to an increase in the rate of the cathodic reaction of the corrosion process (due to the low overvoltage of hydrogen evolution on chromium carbides (Cr23C6, Cr7C3) and to the inhibition of the anodic reaction of steel dissolution due to the high chemical stability of chromium carbides. In a 3% NaCl solution, corrosion of coated 45 steel proceeds with oxygen depolarization. Application of chromium silicide coatings to the surface of steels leads to the inhibition of both the cathodic reaction of the corrosion process (due to the inhibition of the rate of oxygen diffusion through the diffusion layer) and the anodic reaction (due to the high chemical stability of chromium carbides). In acetic acid solutions, corrosion proceeds with mixed hydrogen-oxygen depolarization. It was found that application of a chromium silicide coating to the surface of 45 steel leads to the inhibition of the process of oxygen reduction and hydrogen evolution, and its anodic dissolution in in the active region and in the passive region. In nitric acid solutions, the corrosion process occurs due to the reduction of acid anions. It has been shown that coatings applied to the surface of steels reduce the rate of cathodic and anodic reactions of corrosion processes. The tribotechnical studies have shown that the process of diffusion saturation with chromium and silicon leads to an increase in the wear resistance of steel 45 under conditions of abrasive wear by 13.0 times. in friction conditions without lubricant 7.5 times, which is due to the high microhardness of the chromo-silicide coatings. The effective methods for increasing the corrosion resistance of carbon steels (20, 45, U10A) with chromium silicide coatings in aqueous aggressive media are proposed by oxidizing their surface layers in the air atmosphere or introducing oxidizing agents (sodium molybdate, ammonium molybdate) into acid solutions. So, It was found that after isothermal aging of steel 45 with a chromium silicide coating for one hour at temperatures of 873K and 1023K in the air atmosphere, the corrosion inhibition coefficients in 10% sulfuric and 10% hydrochloric acid solutions reach the values of 39.0; 122.0 and 42.0; 141.0, while for unoxidized coatings they do not exceed 2.2 and 3.2, respectively. The increase in the isothermal holding time of steel 45 with a chromium silicide coatings to two hours at the same temperatures, the corrosion inhibition coefficients in sulfuric and hydrochloric acid solutions are 68.0-298.0 and 84.0-180.0, respectively. The long-term exposure in acid solutions (up to 720 hours) of coatings oxidized in the air atmosphere at temperatures of 873K and 1023K confirmed their high corrosion resistance (the degree of protection reaches =98.99%). It is shown that isothermal aging of chromium silicide coatings for one to one-two hours at atemperature of 1023K provides a degree of protection of carbon steels 20, 45, U10A from corrosion in solutions of sulfuric and hydrochloric acids at the level of 99.0-99.8%. The voltammetric studies have shown that in sulfuric acid solutions, chromium silicide coatings that were oxidized at a temperature of 1023K for one hour have a more positive Ec - potential than unoxidized ones; they are characterized by a stable passive state, which indicates their high protective properties in a wide range of potentials. The another effective way to increase the protective effect of the chromosilicide coatings in the conditions of acid corrosion of steels is to oxidize their surface layers by using oxidizing additives. It is shown that the introduction of oxidizing agents (3-5 g/l of sodium molybdate, 3-5 g/l of ammonium molybdate) into 10% solutions of sulfuric and hydrochloric acids increases the corrosion resistance of chromo-silicide coatings by 6.0 - 17.0; 36.0 - 124.0 times, respectively. The was found that the introduction of sodium molybdate leads to a significant increase in the polarization of the cathodic corrosion reaction of chromosilicate steel, a shift of its Ec - potential in the region of positive values, and a decrease (by 2-2.5 orders) of the passivation current. The laboratory tests at the Department of Applied Mechanics and Materials Engineering of the National Aviation University (Kyiv) proved the feasibility of applying the proposed method to the surface of carbon steels with a chromosilicide coatings to increase their corrosion resistance and wear resistance. The use of the proposed methods of increasing the performance of working elements of equipment in mechanical engineering, chemical and other industries(hubs, valves, axles, discs) will allow replacing expensive high-alloy steels with cheaper carbon steels with a diffusion chromo-silicide coatings.
dc.format.extent208 с.
dc.identifier.citationЯнцевич, К. В. Протикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію : дис. … канд. техн. наук : 05.17.14 - Хімічний опір матеріалів та захист від корозії / Янцевич Кароліна Віталіївна. – Київ, 2025. – 208 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/73955
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectкорозія
dc.subjectсталь
dc.subjectхромосиліцидні покриття
dc.subjectжаростійкість
dc.subjectокиснення
dc.subjectводні агресивні середовища
dc.subjectелектрохімічна поведінка
dc.subjectвольтамперометрія
dc.subjectзносостійкість
dc.subjectcorrosion
dc.subjectsteel
dc.subjectchromosilicide coatings
dc.subjectheat resistance
dc.subjectoxidation
dc.subjectwater aggressive solution
dc.subjectelectrochemical behavior
dc.subjectvoltamperometry
dc.subjectwear resistance
dc.subject.udc620.193.4, 620.193.2, 621.793.6
dc.titleПротикорозійний захист вуглецевих сталей дифузійними покриттями на основі хрому та силіцію
dc.title.alternativeAnti-corrosion protection of carbon steels by diffusion coatings based on chromium and silicon
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
IantsevitchCV_dys.pdf
Розмір:
3.99 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТЕХВ)
Дисертації (вільний доступ)