Научные стремления 2011-1

УДК 621.762:71, 620.19

А.Н. Карпович

ВЛИЯНИЕ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ НА КОРРОЗИННУЮ СТОЙКОСТЬ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

Физико-технический институт НАН Беларуси, Минск

Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

Металлы и сплавы наиболее подвержены электрохимической коррозии, при которой взаимодействие с внешней средой происходит посредством электродных реакций. Первопричиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в окружающих их средах. При электрохимической коррозии металлов происходит два основных процесса: анодный процесс – переход металла в раствор в виде гидратированных ионов или его окисление (при этом в металле остается соответствующее число электронов); катодный процесс – поглощение появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами, которыми могут быть атомы, молекулы или ионы раствора, подвергающиеся восстановлению на всей поверхности металла или отдельных его участках.

Стали 20Х13 и 40Х13 обладают наилучшей коррозионной стойкостью после закалки с температуры, обеспечивающей полное растворение карбидов. Повышение температуры отпуска сопровождается снижением их стойкости к общей коррозии. Причиной снижения коррозионной стойкости является обеднение твердого раствора по хрому вследствие выделения карбидов хрома. Снижение коррозионной стойкости наблюдается при отпуске до 600°С, затем происходит некоторое ее увеличение [1].

В отожженном состоянии сталь 20Х13 имеет структуру хромистого феррита и перлита, а сталь 40Х13 имеет структуру перлита + легированный цементит + карбиды хрома. В нормализованном состоянии стали относятся к мартенситному классу.

Ионная имплантация привлекает все больше внимания специалистов в области коррозии. Еще в первых работах (начало 60-ых годов) сообщалось о возможности воздействия ионной имплантации на коррозионную стойкость металла. Ионная имплантация имеет ряд преимуществ перед другими методами повышения коррозионной стойкости, вытекающих из одного основного преимущества: возможность превышения пределов растворимости и создание недоступных для обычных методов метастабильных, однофазных со структурой твердого раствора поверхностных сплавов с весьма высокой коррозионной стойкостью [2].

До сих пор точный механизм влияния ионно-лучевого легирования на химические и электрохимические свойства поверхностей неизвестен, что сдерживает применение ионно-лучевых методов. В связи с этим при выборе

651

легирующего элемента и параметров облучения за основу принимаются результаты, полученные традиционными методами изменения структуры поверхностей.

Цель исследования. Проведение испытаний на коррозионную стойкость в растворах органических кислот и неорганических растворах высокохромистых нержавеющих сталей мартенситного класса.

Материалы и методы исследования. Для испытаний в качестве органического соединения использовался 6H водный раствор уксусной кислоты СН3СООН, в качестве неорганического соединения – 10% водный раствор

NaCl.

Материалы для исследований – высокохромистые нержавеющие стали мартенситного класса 20Х13 и 40Х13.

В качестве ионного источника использовался источник на базе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов со следующими характеристиками: энергия ионов 3 кэВ, плотность ионного тока 2 мА/см2, флюенс легирования порядка 3 1019 см–2. Образцы обрабатывались при температурах 670 и 770 К. Контроль температуры осуществлялся с помощью термопары хромель-алюмель.

Коррозионная стойкость стали 20Х13 в органических кислотах.

Известно, что предварительная закалка стали 20Х13 заметно увеличивает ее коррозионную стойкость. Это обусловлено высоким содержанием в ней хрома и отсутствием карбидных частиц.

Ионно-лучевое азотирование заметно изменяет антикоррозионные свойства поверхностных слоев в растворе уксусной кислоты. Антикоррозионные свойства имплантированных азотом слоев сильно зависят от температуры ионно-лучевой обработки [3].

На рисунке 1 приведены зависимости величины коррозионного растворения стали 20Х13, обработанной по различным режимам, от времени выдержки в растворе уксусной кислоты.

При температуре ионной имплантации азота 670 К скорость коррозионная стойкость стали повышается в 2-3 раза. Это связано с образованием насыщенного азотом матричного -твердого раствора. При 770 К коррозионная стойкость стали на начальных стадиях испытаний так же возрастает, но после стравливания поверхностного слоя, интенсивность коррозионного растворения существенно увеличивается. Данный факт обусловлен наличием на поверхности аморфизированного слоя и выделением в имплантированном азотом слое стали большого количества частиц CrN [4].

652

Рисунок 1 - Зависимость величины коррозионного растворения обработанной по различным режимам стали 20Х13 в 6Н водном растворе уксусной кислоты от времени

испытаний

Таким образом, ионное азотирование стали 20Х13 при температуре 670 К в совокупности с предварительной закалкой позволяет получить наиболее высокие антикоррозионные свойства.

Коррозионная стойкость стали 40Х13 в неорганических растворах. На рисунке 2 приведены потенциодинамические зависимости модифицированной ионами азота стали 40Х13 до и после ионно-лучевой обработки при 670 и 770 К с выдержкой до 25 часов в 10% водном растворе NaCl.

Рисунок 2 - Зависимость равновесного электродного потенциала стали 40Х13, обработанной по различным режимам, от времени выдержки в 10% водном растворе

NaCl:

1 – исходное состояние (закалка); 2 – имплантация N+ при 670 К; 3 – имплантация N+ при 770 К (i=2 мА см2, D=3 1019 см-2)

При температуре ионно-лучевой обработки стали 670 К существенно возрастает коррозионная стойкость поверхностного слоя, так как увеличивается равновесный электродный потенциал. Увеличение температуры до 770 К сопровождается снижением потенциала после длительной выдержки стали в агрессивной жидкости примерно на 8% по сравнению с необработанной

653

закаленной сталью. Однако, в случае кратковременной выдержки имплантированной при 770 К стали в растворе, стационарный электродный потенциал ее поверхностных слоев достаточно близок к значениям для необработанной стали.

Из результатов исследований структурного состояния имплантированной стали 40Х13 при различных температурах, можно сделать вывод, что модифицированный при 670 К поверхностный слой преимущественно содержит фазу – Fe8N, формирующуюся на базе азотистого мартенсита и отличающуюся от него упорядоченным расположением азота в кристаллической решетке –фазы (рис. 3). В более глубоких слоях регистрируется присутствие азотистого мартенсита N. Указанные фазы характеризуются повышенной стойкостью к коррозионному растворению. Однако выделение в поверхностном слое частиц нитрида Cr в результате ионной обработки при 770 К приводит к понижению содержания хрома в матричной фазе и замедляет кинетику пассивации поверхностного слоя в агрессивной среде [4]. Именно этими факторами объясняется различие в коррозионных свойствах стали, обработанной ионами азота при различных температурах.

Рисунок 3 - Микроструктура стали 40Х13, обработанной концентрированными потоками ионов азота при 670 К (а) и 770 К (б) (плотность тока ионного пучка

2 мА см-2, доза - 3 1019 ион см2)

Выводы.

1.Ионно-лучевая обработка стали 20Х13 при температуре 670 К коррозионная стойкость стали повышается в 2-3 раза. Увеличение температуры ионно-лучевой обработки до 770 К коррозионная стойкость стали на начальных стадиях испытаний возрастает, но после стравливания поверхностного слоя, интенсивность коррозионного растворения существенно увеличивается

2.Ионно-лучевая обработка стали 40Х13 при 670 К увеличивает коррозионную стойкость поверхностного слоя в 10% водном растворе NaCl. Увеличение температуры ионно-лучевой обработки до 770 К сопровождается снижением равновесного электродный потенциала после длительной выдержки

стали в агрессивной жидкости на 8% по сравнению с необработанной закаленной сталью 40Х13.

654

Литературные источники

1.Томашов Н.Д. Теория коррозии и коррозионно-стойкие конструкционные сплавы, 1986, 359 с.

2.Ионная имплантация / Под ред. Дж.К. Хирвонена. – М.: Металлургия,1 1985. – 392

с.

3.Современные перспективные материалы / Под редакцией В.В. Клубовича – Витебск: Изд-во УО «ВГТУ», 2011. – 562 с.

4.Белый, А.В. Инженерия поверхностей конструкционных материалов концентрированными потоками ионов азота / А.В. Белый, В.А. Кукареко, А. Патеюк – Минск: Белорус. Наука, 2007. – 244 с.

A.N. Karpovich

EFFECT OF ION-BEAM TREATMENT ON THE CORROSION RESISTANCE OF STEELS

Physical-Technical Institute of NAS of Belarus, Minsk

Summary

The tests for resistance to corrosion of steel 20X13 in solutions of organic acids and steel 40Х13 in inorganic solutions, treated by different regimes. These dependences on conclusions about the corrosion resistance in high-chromium martensitic steels in various corrosive environments. The factors that explain differences in corrosion properties of steels treated by nitrogen ions at different temperatures.

655

УДК 661.862.22

М.А. Коледа

ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ АКТИВНЫХ ТИТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ЗОЛЬ-

ГЕЛЬ МЕТОДОМ

Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины, Гомель

Внастоящее время наряду с увеличением темпов роста промышленного производства и хозяйственной деятельности обостряется проблема очистки воды. Существующие на сегодняшний день сорбционные, деструктивные и разделительные технологии лишь частично решают проблему загрязнения воды, так как предусматривают дополнительное обезвреживание и захоронение отходов, скапливающихся на поверхности сорбентов или фильтров в процессе очистки. Фотокаталитический метод выгодно выделяется на фоне указанных технологий и обладает комплексом положительных свойств [1]. Так, применение данного метода снижает объѐмы выброса в атмосферу окислителей типа хлора и озона, устраняет необходимость обезвреживания отходов, так как его реализация не связана с накоплением загрязнителей, требующих последующей утилизации [2].

Наноструктурированные материалы создают благоприятные предпосылки для эффективного решения задач по очистке воды от органических загрязнений

иинфекционных агентов [3]. Установлено, что окислительновосстановительные реакции на поверхности плѐнок на основе диоксида титана разлагают загрязнения до экологически безопасных составляющих. Стимулирующим фактором в данных процессах выступает фотоэлектрический катализ, протекающий под воздействием излучения видимого и ультрафиолетового диапазона.

Вэтой связи актуальной представляется разработка и внедрение систем очистки воды и комбинированной очистки водно-воздушных смесей на основе фотокаталитических покрытий. В качестве таковых выступают тонкоплѐночные системы на основе оксида титана [4].

Среди наиболее перспективных технологических подходов к созданию фотокаталитически активных покрытий на основе оксидов тугоплавких металлов выделяется золь-гель метод, позволяющий формировать наноструктурированные материалы повышенной чистоты. Основанный на осаждении гидроксидов либо этоксидов металлов с последующей кристаллизацией оксидов при термической обработке, данный метод позволяет в широких пределах варьировать физико-химические свойства получаемых покрытий и достигать значительного взаимодействия компонент плѐнкообразующего раствора. В то же время золь-гель синтез фотокаталитических покрытий является более энергоэффективной технологией по сравнению с вакуумными и плазменными методами.

Золь-гель методом были получены покрытия на основе изопропоксида и этоксида титана с различным содержанием оксида титана и отношением

656

компонент плѐнкообразующего золя. Приготовленные золи наносили на кремниевые подложки методом центрифугирования с последующей поэтапной термообработкой на воздухе.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что низкотемпературный отжиг (Т < 400 С) не приводит к образованию активных TiO2 частиц в полученных покрытиях. На дифрактограммах плѐнок, сформированных на основе изопропоксида титана (рисунок 1) видно, что кристаллы TiO2 (брукит), выступающие в качестве активных центров в фотокаталитических реакциях [4], образуются в при температуре Т=600 С. При дальнейшем росте температуры термообработки до 800 С происходит увеличение интенсивности линий, обусловленных присутствием брукита в исследованных покрытиях (2Ѳ=25.24). Данная полиморфная модификация диоксида титана, по некоторым данным [5], по фотокаталитической активности превосходит анатаз и рутил (рисунок 2). Интенсивность пиков Ti2O3 (2Ѳ=61.55) снижается с увеличением температуры отжига от 600 С до 800 С.

На основании рентгенофазового анализа золь-гель покрытий с добавлением дисперсного порошка TiO2 (рисунок 3), установлено, что варьирование температуры термообработки плѐнок не приводит к изменению их фазового состава.

Рисунок 1- Дифрактограммы золь-гель покрытий, сформированных на основе изопропоксида титана: 1 – температура отжига Т = 400 С; 2 – Т = 600 С;

3 – Т = 700 С; 4 – Т = 800 С

657

Рисунок 2 - Полиморфные модификации TiO2 [1]:

рутил - a (110); b (100); c (001); анатаз - d (101); e (100); f (001)

Так, для всех образцов фиксируется присутствие рутила по отдельно стоящим пикам при 2Ѳ=27.35 ; 2Ѳ=36.02 и 2Ѳ=41.13 , а так же анатаза при

2Ѳ=54.26 .

Рисунок 3 - Дифрактограммы исследованных титановых покрытий:

1 – Т = 400 С; 2 – Т = 600 С; 3 – Т = 700 С; 4 – Т = 800 С

658

Таким образом, присутствие брукита и рутила в исследованных тонкоплѐночных системах обуславливают возможность их использования в качестве покрытий с самоочищающейся поверхностью, а так же создания систем очистки воды на базе фильтров, выполненных из набора металлических сеток с активным фотокаталитическим покрытием.

Литературные источники

1.A. Fujishima, X. Zhang, D.A. Tryk, TiO photocatalysis and related surface phenomena //

Surfase Science Report №63, 2008. - P.515-582.

2.Ю.М.Артемьев, В.К.Рябчук, Введение в гетерогенный фотокатализ. – СПб.: Изд-во С.- Петерб. ун-та, 1999. – 304 с.

3.Способ получения дисперсий TiO2 в форме наночастиц, дисперсии, полученные указанным способом, и применение дисперсий TiO2 для придания поверхностям заданных свойств: пат. 2399589 C2 РФ, МПК C01G23/053 /Дж.Балди, М.Битосси, А.Барцанти; Кoлороббия Италия С.П.А.- № 2007125485; заявл. 20.01.2009; опубл. 20.09.2010// Федеральная служба по интеллект. собственности, патентам и товарным знакам. - 2010.

4.G.Xingtao, I.E. Wachs, Titania-silica as catalysts: molecular structure characteristics and phisico-chemical properties // Catalysis Today №51, - 1999. - P.233-254.

5.Ohtani B., Handa J.I., Nishimoto S.I., Kagiya T. // Chem. Phys. Lett., - 1985. - Vol. 120. -

P. 292.

M.A. Koleda

INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON PHASE COMPOSITION OF ACTIVE TITANIUM COATINGS FORMED BY SOL-GEL METHOD

Gomel State University named after F. Skorina, Gomel

Summary

The method of sol-gel forming of active films is described. The results of X-ray analysis of active titanium films are provided. It is determined that high-temperature processing causes formation of TiO2 crystallites in coatings based on titanium isopropoxide. Roentgenograms of the films are characterized by sharp bands which correspond to the presence of brookite. The results confirm the formation of active catalytic sites in investigated titanium films.

659

УДК 004.733

В.В. Котов, Е.Ю. Кулакова

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО СИМБИОЗА ПРОВОДНЫХ И БЕСПРОВОДНЫХ МЕТОДОВ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ СВЯЗИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ПРОЕКТЕ «СОЦИАЛЬНЫЙ ГЛОНАСС»

Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический университет

Актуальность работы. Социально - незащищенные слои населения - особая проблема, и расхожая истина, гласящая, что «об обществе судят по отношению к старикам, инвалидам и детям», со временем не теряет своей актуальности. Инвалиды – особая группа в этом ряду. Особенность ее заключается не столько в том, что многим сложно воспринимать инвалидов как полноправных членов общества. В большей степени это вопрос того, сколько внимания проблемам социально-незащищенных слоев уделяет государство, какие конкретные меры предпринимаются сегодня в рамках мирового сообщества по поддержке этой категории граждан. В современном мире проблема адаптации инвалидов стоит особенно остро. Чтобы облегчить жизнь инвалида и помочь ему взаимодействовать с окружающей средой, необходимы технические и программные средства, которые должны решать следующие задачи:

Обеспечивать знание местоположения инвалида в любой момент времени на экране оператора социальной сети.

Обеспечивать съем, передачу и сбор информации о биометрических параметрах инвалида с требуемой (по медицинским стандартам) периодичностью.

Обеспечивать накопление и хранение персональных данных жизни инвалида с начала работы системы.

Обеспечивать безопасность и защиту системы от возможных злоупотреблений.

Предоставлять оператору социальной системы оперативную возможность вызова сотрудников подсистемы экстренной помощи и скорой медицинской помощи.

Осуществлять интеграцию необходимых данных с другими БД.

Для решения этих задач необходимо разработать комплексную систему,

способную помочь обеспечить полноценную жизнь для разных групп инвалидов. Для этого планируется разработать систему связи, объединяющую ряд устройств, которые помогут инвалидам обмениваться информацией с социальной средой, определять местоположение, с помощью ГЛОНАСС, осуществлять мониторинг их физического состояния и, в случае необходимости, вызывать экстренную помощь.

Проведенный анализ показывает, что в крупнонаселенных городах проживают более 10-15% жителей с тяжелой группой инвалидности России.

660