автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Многослойные коррозионно-стойкие материалы и технология их получения

ИИ4615509

На правах рукописи

ДЕНИСОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

многослойные коррозионно-стоикие материалы и технология их получения

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение). Специальность 05.17.03 - Технология электрохимических процессов

и защита от коррозии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-2 ДЕН 2010

ПЕНЗА 2010

004615509

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и учреждении Российской академии наук «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН».

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент ЛОСЬ Ирина Сергеевна;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПЕРВУХИНА Ольга Леонидовна

доктор технических наук, профессор АНДРЕЕВ Валерий Георгиевич; доктор технических наук, профессор КОБЕЛЕВ Анатолий Германович

ФГУП ЦНИИЧЕРМЕТ им. И. П. Бардина (г. Москва)

Защита состоится 15 декабря 2010 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40. Факс: (841-2) 36-82-98 Email: metal@pnzgu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат диссертации размещен на сайте www.pnzgu.ru.

Автореферат разослан 10 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

'-£¿2*2- и. И. Воячек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Защита от коррозии сосудов и аппаратов, изготовленных из металла, является актуальной задачей современного машиностроения. Развитие науки о защите от коррозии идет по пути создания новых высоколегированных сталей и сплавов, применения ингибиторов, анодной и катодной защиты, использования биметаллов.

Многообразие видов коррозионного разрушения и зависимости образования их от среды и условий эксплуатации оборудования приводит к тому, что не удается найти универсальный способ защиты. Одним из самых опасных коррозионных разрушений остается питтинговая коррозия, которая поражает малые объемы (менее 0,001 %) металла, но приводит к нарушению герметичности рабочих зон.

Увеличение содержания легирующих элементов в сталях и сплавах, как правило, не приводит к эффективной защите от этого вида коррозии.

Разработка принципиально новых методов защиты от питтинговой коррозии и материалов, стойких к данному виду разрушения, является, актуальной задачей. Наряду с созданием материала необходимо решить комплексную задачу по технологии его получения и применения.

Работа была выполнена в рамках Государственного оборонного заказа НИР «Разработка научных основ получения сваркой взрывом многослойных композиционных металлических материалов для создаваемых и модернизируемых образцов вооружения, военной и специальной техники», шифр «Уведомление», по заказу Министерства обороны РФ (государственный контракт № 1385 от 22.03.2004), Федеральной целевой программы «Разработка технологий, обеспечивающих ликвидацию различных химически опасных отходов, находящихся на территории накопителей, свалок и захоронений, на основе методов сверхкритического водного окисления и пиролиза в восстановительной среде без процесса горения», шифр «Сверхкрит», по заказу Министерства промышленности и торговли РФ (государственный контракт № 94111007500.13.1007 от 23.07.2009), Госбюджетной НИР «Разработка теоретических основ новых многослойных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости» (№ 1.16.09, номер государственной регистрации № 0120095067).

Цель работы - создание многослойного металлического материала, стойкого к питтинговой коррозии, и разработка опытно-промышленной технологии его получения.

Задачи исследований:

1. Разработать способы повышения стойкости конструкций к питтинговой коррозии путем применения многослойных металлических материалов.

2. Разработать состав многослойных металлических материалов в зависимости от состава агрессивной среды и обосновать способ их получения.

3. Исследовать особенности деформации крупногабаритных многослойных листов в процессе сварки взрывом методами компьютерного моделирования и экспериментально.

4. Изучить структуру и свойства многослойных материалов и установить их взаимосвязь с технологическими параметрами сварки взрывом.

5. Усовершенствовать промышленную технологию получения многослойного крупногабаритного материала с применением сварки взрывом.

Методы исследований. Комплекс теоретических исследований базируется на основных положениях теорий упругости и пластичности, теории коррозии металлических материалов, теории сварки взрывом, методе конечных элементов. При экспериментальных исследованиях применялись: метод микроанализа, метод реперных точек, статистическая обработка экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных и аттестованных средств измерений.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований, их сходимостью, результатами моделирования с применением метода конечных элементов, использованием результатов работы в производстве.

Научная новизна.

По специальности 05.16.09:

1. Разработан и теоретически обоснован способ повышения коррозионной стойкости конструкций на основе применения созданных многослойных металлических материалов.

2. Разработана методика исследования процессов деформации и структурообразования плакирующего и плакируемого листов для моделей, учитывающих и не учитывающих сопротивление сдвиговым деформациям, на основе компьютерного моделирования по программе ЬБ БУКА.

3. Установлено, что в процессе сварки взрывом крупногабаритных заготовок многослойных материалов плакирующий лист не удлиняется, а величина деформации плакируемого листа определяется его геометрическими размерами и свойствами свариваемых материалов, а также режимом сварки.

По специальности 05.17.03:

1. Установлена взаимосвязь между электрохимическими, химическими процессами коррозии многослойных материалов и составом

среды, содержащей водные растворы солей, щелочей и кислот, которые являются и не являются окислителями.

2. Разработан метод защиты конструкционных материалов от коррозии с применением многослойных композиций, сочетающих комбинации слоев с различными электрохимическими потенциалами.

Практическая значимость:

1. Предложен способ повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов, основанный на применении многослойных материалов, позволяющий повысить срок службы оборудования от 4 до 30 раз.

2. Предложен и обоснован выбор состава многослойных металлических материалов, которые предназначены для эксплуатации в средах, содержащих и не содержащих окислители.

3. Разработаны рекомендации и усовершенствована промышленная технология получения сваркой взрывом многослойных металлических материалов требуемого качества.

4. Определены области практического применения созданных многослойных материалов, в том числе в качестве плакирующих слоев в биметаллах взамен нержавеющих сталей.

Реализация и внедрение результатов. Результаты работы внедрены в виде усовершенствованной технологии промышленного производства крупногабаритных многослойных и биметаллических листов, получаемых сваркой взрывом на ООО НТЦ «Сварка», а также ООО «Битруб Интернэшнл» в виде рекомендаций по определению технологических параметров сварки взрывом.

На защиту выносятся:

1. Способ повышения коррозионной стойкости конструкций, основанный на применении многослойных металлических материалов.

2. Состав многослойных металлических материалов, предназначенных для эксплуатации в средах, содержащих и не содержащих окислители, обеспечивающие повышение коррозионной стойкости от 4 до 30 раз по сравнению с монометаллами, равными по толщине многослойному материалу.

3. Результаты экспериментальных исследований по определению максимально допустимой зоны действия протектора, а также результаты расчета коррозионной стойкости изделий многослойного металлического материала.

4. Результаты компьютерного моделирования процесса деформации крупногабаритных листов при сварке взрывом с использованием метода конечных элементов и экспериментальных исследований процесса деформации, данных листов по методу реперных меток.

5. Усовершенствованная опытно-промышленная технология производства сваркой взрывом многослойных металлических материалов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: «Композиты -в народное хозяйство» («Композит-2005») (Барнаул, 2005); III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005); IV и VII Всероссийских школах по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка, 2006, 2009); «Shock-assisted materials synthesis and processing: science, innovations and industrial implementation»: VIII, IX, X International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations (Moscow, 2006; Lisse 2008; Bechichi, 2010); V Международной научно-технической конференции (Санкт-Петербург, 2006); I Международной научно-технической конференции (Пенза, 2006); «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (НПМ-2007) (Волгоград, 2007); XIV симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2008); Международной конференции (XI Харитоновские чтения) «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено положительное решение на изобретение (международная заявка № WO 2010/036139 А1).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений. Работа изложена на 159 страницах основного текста, включает 42 рисунка и 12 таблиц. Список литературы содержит 156 наименований. Общий объем диссертации — 215 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность рассматриваемых задач, определены цель и задачи исследования, рассмотрена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы, в котором рассмотрены виды коррозии, способы защиты от коррозии и технологии получения многослойных материалов.

Определено, что одним из наиболее опасных видов коррозионного разрушения является питтинговая коррозия. Рассмотрены методы защиты от нее, которые разрабатывались в трудах Я. М. Колотыркина, И. JI. Розенфельда, Г. С. Фомина, Ю. Н. Михайловского, Е. А. Ульянина, А. П. Акшенцевой и др.

Показано, что эффективной защиты от питтинговой коррозии не создано, следовательно, актуальной научной и практической задачей является разработка метода защиты материала от питтинговой коррозии.

В машиностроении широкое применение получили биметаллы, применение которых позволяет снизить стоимость металлоконструкций. Однако повышение коррозионной стойкости не может быть достигнуто, так как в качестве плакирующих материалов в биметаллах применяются известные коррозионно-стойкие стали и сплавы.

Установлено, что экономически целесообразным способом получения биметалла является сварка взрывом. Разработкой теории и технологии сварки взрывом занимались А. А. Дерибас, В. С. Седых, А. С. Гельман, Э. С. Атрощенко, С. В. Лысак, А. Г. Кобелев, Л. Б. Первухин, А. Е. Розен, С. В. Кузьмин и др. Вместе с тем она имеет существенные недостатки, связанные с повреждением поверхности плакирующего материала, наличием остаточной деформации по длине и толщине заготовок, возникновением трещин.

В связи с этим актуальной научной и практической задачей является исследование влияния технологических параметров сварки взрывом, а также габаритных размеров листов на процесс деформации плакирующего и основного листа.

Во второй главе в соответствии с задачами исследования разработаны способы повышения конструкционных материалов за счет применения многослойных композиций, в основе которого лежат следующие положения:

1) взамен монометаллов или биметаллов предлагается использование многослойных металлических материалов, в которых состав слоев выбирается исходя из соотношения электрохимических потенциалов в конкретной среде;

2) первый слой, контактирующий с агрессивной средой, должен иметь достаточно высокую коррозионную стойкость и определенный диапазон значений стационарного электрохимического потенциала в данной среде;

3) при работе материала в среде, не содержащей окислителей, второй слой должен являться протектором, и его электрохимический потенциал должен быть ниже электрохимического потенциала первого слоя;

4) при работе материала в среде, содержащей окислители, второй слой должен иметь электрохимический потенциал, превышающий электрохимический потенциал первого слоя, и обладать более низким водородным перенапряжением;

5) количество слоев должно быть не менее трех, и третий слой по своим свойствам должен быть идентичным первому.

На основании приведенных положений разработаны составы многослойных металлических материалов для работы в агрессивных средах, не содержащих (1) либо содержащих (2) окислители.

Установлено, что в случае (1) механизм развития коррозии выглядит следующим образом (рисунок 1): при увеличении анодного поляризационного тока г на наружной поверхности материала 1

образуются оксидные соединения, повышающие его электрохимический потенциал от 0 до величины Ем- Образованные соединения формируют защитную пленку, препятствующую коррозии материала 1. Состояние материала 1 в точке пересечения анодной А\ и катодной К\ поляризационных кривых оценивается как равновесное.

Показано, что при взаимодействии материала 1 с рабочей средой в нем образуются очаги питтинговой коррозии, и при этом электрохимический потенциал материала 1 увеличивается более величины потенциала перепассивации ЕрзрЬ

В качестве материала 2 для многослойного материала выбирается материал, характеризующийся меньшим, чем у материала 1, стационарным потенциалом: Е$р2 < ¿^(кривые А2 и К2 на рисунке 1).

Характер анодных А2 и катодных Кг поляризационных кривых материала 2 показывает, что он при взаимодействии с указанными средами не способен к пассивации, превалирующими процессами являются процессы растворения материала 2. Протекторный слой (материал 2) становится анодом и начинает растворяться, а соседние плакирующие слои (материал 1 и 3) становятся катодами.

Установлено, что в случае (2), когда среда содержит окислители, материал 1 выбирают так же, как и в предыдущем случае, а материал 2 выбирают так, чтобы величина его стационарного электрохимического потенциала Е5р2 в условиях контакта с агрессивной средой находилась в интервале значений от электрохимического потенциала полной пассивации Еор\ до электрохимического потенциала перепассивации материала 1 Ерзр\ (Еор 1 < Ецр2 < Ерхрх) (рисунок 2). Показано, что стационарный электрохимический потенциал материала 2 Е5р2 должен быть более высоким, чем у материала 1: Е$р2 > Е8рХ.

Установлено, что материал 2 не может корродировать вследствие более высокого электрохимического потенциала по сравнению с материалом 1, а материал 1 находится в пассивном состоянии, что может привести к прекращению коррозионных процессов в материале 1 или существенному их замедлению.

Рассчитан срок службы многослойного металлического материала для неокислительной и окислительной агрессивной среды, который определяется по формуле

т —/пл 1 ^прот , ,ПЛ /и

1 общ — 'кор 'кор """'кор' ^

где Гобщ - общее время, за которое прокорродирует на всю глубину трехслойный материал, мм/год; время, за которое прокорродирует на

всю глубину плакирующий слой, мм/год; /¿^р7- время, за которое

прокорродирует на всю глубину и до критического диаметра протекторный слой, мм/год.

Рисунок 1 - Схема протекания питтинговой коррозии многослойного металлического материала, контактирующего с агрессивной рабочей средой, не содержащей окислители Аи К\, Аг, Кг - анодные и катодные, поляризационные кривые материала 1 и 2 соответственно; ^ I - плотность поляризационного тока; 5 - толщина слоя; / - время коррозии слоя; Е1р\, Е1Р2, Еф - стационарный электрохимический потенциал материала 1, 2 и 3 соответственно; Еор1 - электрохимический потенциал полной пассивации материала 1; Ер!р 1 - электрохимический потенциал перепассивации материала 1

агрессивной рабочей средой, содержащей окислители А\, К\, Аг, Яг - анодные и катодные, поляризационные кривые материала 1 и 2 соответственно; 1§ / - плотность поляризационного тока; 5 - толщина слоя; I - время коррозии слоя; Е$р\, Е!р2, Егрз - стационарный электрохимический потенциал материала 1, 2 и 3 соответственно; Еор\ - электрохимический потенциал полной пассивации материала 1; Ерзр\ - электрохимический потенциал перепассивации материала 1

Для определения максимально допустимой зоны действия протектора был взят образец биметалла (углеродистая сталь + нержавеющая сталь) длиной 300 мм. С него был снят плакированный слой длиной 280 мм (рисунок 3). Затем образец был помещен в раствор 0,1 % N30. Через каждые 12 ч фиксировался потенциал на поверхности нержавеющей стали при удалении от контакта с протектором хлорсеребряного электрода в течение 30 дней.

Рисунок 3 - Схема экспериментального определения зоны действия протектора (критического диаметра): 1- хлорсеребряный электрод; 2 - рН-метр (рН - 340); 3 - протекторный слой; 4 - плакирующий слой

Подобный эксперимент был проведен с биметаллическим образцом (нержавеющая сталь + медь) длиной 300 мм. Результаты экспериментов приведены на рисунке 4. Показано, что падение потенциала на данном расстоянии составило 0,1 В.

Расчетным и экспериментальным путем установлено, что разработанный способ обеспечивает повышенную стойкость по сравнению с существующими способами, особенно в условиях питтинговой коррозии.

Установлено, что реакция может протекать до образования линзы, равной критическому диаметру {(1кр) растворения материала 2, после чего возможно протекание питтинговой коррозии в материале 3.

Показано, что многослойные металлические материалы можно применять как в виде самостоятельных конструкционных материалов, так и в качестве плакирующего слоя конструкционных материалов, например низколегированных сталей.

В третьей главе исследован деформационный процесс крупногабаритных листов при сварке взрывом с целью изучения решения возможных проблем по нарушению толщин составляющих слоев многослойного материала.

Проведены компьютерное моделирование процесса деформации методом конечных элементов с помощью программы ЬБ-ИУМА и экспериментальная проверка результатов.

Моделирование было проведено по двум вариантам:

1) плакирующий и плакируемый листы ведут себя как твердый металл;

2) плакирующий лист ведет себя как идеальная несжимаемая жидкость, а плакируемый лист ведет себя как твердый металл.

__2

0,1 я 0,05

fj о

1 -0,05 | -ОД g -0.15

2 -0,2 1 -0,25 | -0,3 I -0,35 | -0.4 |-0,45 \ -0.5 ^ -0.55

-0,6

Расстояние от протектора, mi

Рисунок 4 - Изменения потенциала на поверхности металла: • 1 • 2 - для образцов «нержавеющая сталь + медь»: 1 -стационарный электрохимический потенциал меди; 2 - изменение потенциала на поверхности меда в зависимости от расстояния до протектора (12Х18Н10Т);

— 3 -■ -4 - для образцов «нержавеющая сталь + углеродистая сталь»: 3 - стационарный электрохимический потенциал 12Х18Н10Т; 4 - изменение потенциала на поверхности 12Х18Н10Т в зависимости от расстояния до протектора (09Г2С)

Для описания поведения материалов пластин по варианту 1 была использована модель Джонсона-Кука. Для описания поведения песка и плакирующего листа по варианту 2 была использована модель пористого материала NULL. Результаты расчета программы представлены на рисунке 5. В результате 1-го варианта расчета в начале биметаллического

листа плакирующий слой удлинился на Д£^,нечн = 29 мм, а основание -

на AZ^™e"H=16,l мм. В конце листа плакирующий слой удлинился на

^конечн = 71 мм, а основание - на Д1™*енчи = 61,3 мм.

Результат расчета по 2-му варианту показал, что вблизи точки инициирования удлинение плакирующего и плакируемого листов не происходит, а по мене удаления от нее произошло удлинение только

плакируемого листа на Д1™енчн = 35 мм.

С целью проверки результатов моделирования была проведена серия экспериментов по сварке взрывом крупногабаритных листов. Оценка деформации плакирующего и плакируемого листов проводилась путем совмещения их торцов (рисунок 6) и визуального сравнения изменения их размеров после сварки взрывом.

Результаты экспериментов показали, что деформация растяжения основного слоя по длине наблюдается в зоне окончания сварки, при этом

величина деформации возрастает по мере приближения к месту окончания сварки (рисунок 6,г). Расстояние между метками на плакирующем слое не изменялось, таким образом, деформации растяжения на плакирующем слое не выявлено.

Начало листа после сварки взрывом

Окончание листа после сварки взрывом

Окончание листа Начало листа

после сварки взрывом после сварки взрывом

б)

Рисунок 5 - Распределение деформации материала в расчетной области:

а - первый вариант расчета; б - второй вариант расчета;

АЬ - общая деформация удлинения на рассматриваемом участке

Для оценки деформации листов применительно к технологической схеме сварки взрывом биметалла совмещение торцов не производили. Метки наносили перед сваркой взрывом на торец плакируемого листа и поверхность плакирующего листа, а также в месте окончания основного листа на плакирующем листе ставили насечку.

Расстояние между метками, нанесенными на основной лист, увеличивалось от точки инициирования с расстояния от 1850 до 4800 мм (для листов длиной от 2,5 до 5,9 м соответственно). После сварки взрывом длина основного листа увеличилась на 15-25 мм (в зависимости от соотношения толщины основного и плакирующего слоя и расположения точки инициирования), а плакирующий слой не удлинился.

По данным экспериментов были построены графики зависимостей относительного удлинения листа от расстояния до места инициирования, а также динамика распределения удлинения на участке деформирования (рисунок 7).

в) г)

Рисунок 6 - Результаты эксперимента с совмещенными торцами плакирующего и плакируемого слоя до и после сварки взрывом: а - до сварки взрывом; б - после сварки взрывом;

в - вид сверху полученной деформации; г - торец плакированного листа после сварки взрывом без совмещения торцов плакирующего и плакируемого слоя

Анализ зависимостей показывает, что удлинение начинается, не сразу после начала сварки взрывом, а только с расстояния, составляющего 78-82 % длины от точки инициирования. Удлинение листа зависит от его длины и толщины.

Особенности удлинения листов в зависимости от режима сварки взрывом исследовали на скоростях 2400 м/с и 3500 м/с (рисунок 8).

Было установлено, что продольная деформация при скорости точки контакта 3500 м/с в два раза превышала деформацию, полученную при скорости точки контакта 2400 м/с, а область растяжения осталась практически неизменной. Величина деформации возрастает с увеличением энергии, пропорциональной квадрату скорости точки контакта.

Резкое уменьшение толщины листа совпадает с началом интенсивного удлинения основного листа. Уменьшение толщины листа на конечных участках шириной 100 мм достигало от 1 до 1,6 мм.

Установлено, что в зависимости от толщины и длины плакируемого листа относительное удлинение его после сварки взрывом различное. Величина деформации пропорциональна толщине плакируемого листа, и с ее ростом деформация растет.

В таблице 1 представлены обобщенные результаты проведенных расчетов и экспериментов, из которых видно, что наиболее точным расчетом, соответствующим экспериментальным данным, является вариант 2 (плакирующий лист ведет себя как идеальная несжимаемая жидкость, а плакируемый лист ведет себя как твердый металл).

0,3 0.25 ' 0.2 0.15

\\

\ у

№ < "

» V

V

\ V

\ чл\

100

еа

70

60

50

- * - 09Г2С+08Х18Н10Т, Ь=5900 мм. 5осн=26мы, 5плак=4мм —•— 12ХМ+ОШ8НЮТ, 1^5000 мм. 6осн-21мм, 5ПЛМ-4ММ —•-09Г2С+08Х18Н10Т, 1.-4000 мм. Еосн-40мм, 5яши1-4м11

■ Имщ- с центра 12ХМ+08Х18Н10Т, £.=5000 мм, 5осн=22м1£, 5плак=3им —• - 09Г2С-Ю8Х18Н10Т, Ь-5900 мм, 5ося»14 мм, 6ш1ЛК=5 мм » 09Г2С-Н)8Х18Н10Т, Ь=5900 мм, 5осн=14 мм, 8плах=3 мм_

40 30 20 10 0

Процент от общей длины листа 7 в, %

Рисунок 7 - Распределение относительного удлинения на листах

-09Г2С+08Х18Н10Т, 1-=5900 мм, 6осн=16мм, 5плак=3мм, Ук=3500м/с - 09Г2С+08Х18Н1 ОТ, 1=5900 мм, 5осн=16мм, 6плак=3мм, Ук=2400 м/с

Процент от общей длины листа %

Рисунок 8 - Удлинения листов в зависимости от скорости точки контакта

Подтверждено, что в процессе сварки взрывом плакирующий лист не деформируется. Следовательно, многослойный металлический материал оптимально наносить на защищаемую поверхность сваркой взрывом.

В четвертой главе рассматривается разработка технологии получения многослойных материалов, в том числе применяемых как в качестве самостоятельных конструкционных материалов, так и в качестве покрытий на углеродистых и низколегированных плакируемых основаниях.

Таблица 1 - Обобщенные результаты расчетов и экспериментов

Лист Перемещение торцов листа Вариант расчета Экспериментальные данные при Ко = 2100 м/с

1 2

Материал плакирующего листа-твердое тело, мм Материал плакирующего листа-идеальная несжимаемая жидкость, мм

Плакирующий Вправо 16,1 0 0

Плакируемый Вправо 29 0 0

Плакирующий Влево 61,3 35 25-28

Плакируемый Влево 71 0 0

Начало процесса удлинения, мм 1500 1300 1200

Выбор рациональных толщин плакирующих слоев основан на рекомендациях ГОСТ 10885-85, в котором указано, что толщина плакирующего слоя варьируется от 0,7 до 6 мм в зависимости от толщины основного металла. Наиболее широко распространены толщины покрытий от 3 до 6 мм, следовательно, суммарная толщина составляющих слоев многослойного материала может быть выбрана исходя из этих рекомендаций.

Экспериментальные исследования по определению максимально допустимой зоны действия протектора (критического диаметра) показали, что изменение электрохимического потенциала на поверхности плакирующего слоя практически отсутствует на расстоянии 90 мм от протектора. Таким образом, в практических расчетах следует принимать критический диаметр, равный 180 мм. Результаты расчета в зависимости от среды и состава приведены в таблице 2. Установлены рациональные размеры толщин многослойного покрытия основного металла.

Установлено, что в трехслойном металлическом материале, работающем в окислительной среде, плакирующие слои должны иметь толщину, в два раза превышающую толщину протекторного слоя, так как процесс коррозии протекает, главным образом, в плакирующих слоях.

Разработаны две технологические схемы по получению многослойного покрытия, стойкого к питтинговой коррозии: плакирование сваркой взрывом за один технологический прием несколькими листами конструкционного листа, а также сварка многослойного металлического листа, затем прокатка до необходимой толщины и; последующее плакирование конструкционного листа.

Результаты по апробации данных схем экспериментальным путем представлены на рисунке 9.

В ходе выполнения ОКР «Сверхкрит» была изготовлена опытно-промышленная партия листов из сталей 09Г2С и 08Х18Н10Т размерами 17(2,5 + 2 + 2,5 +10) х 500 х 2000 мм, 20(2,5 + 5 + 2,5 + 10) х 500 х 2000 мм.

Таблица 2 - Коррозионная стойкость многослойного металлического материала в зависимости от соотношения толщин слоев

Агрессивная среда Покрытие Многослойный металлический материал Повышение коррозионной стойкости, разы

Материал Рекомендуемая толщина покрыли по ГОСТ 10883-85, мм Скорость коррозии, им/год Рекомендуемый для данной агрессивной среды Соотношение толщин при рекомендуемой толщине покрытия, мм Рассчитанная скорость коррозии, мм/год

2 % водный раствор соляной кислоты 08Х18Н10Т 3 2,5 08Х18Н10Т+ СтЗ + +08Х18Н10Т 1 + 1 + 1 0,7 + 1,6 + 0,7 0303 83

0,309 8,1

4 2,5 1,3 +1,4 + 1,3 1+2 + 1 0,393 6,4

0,400 63

5 2,5 1,6 + 1,8 + 1,6 1,2 + 2,6 + 1,2 0,478 5,2

0,489 5,1

б 2,5 2 + 2 + 2 1,5 + 3 + 1,5 0,556 4,5

0,571 4,4

5 % водный раствор азотной кислоты ХН65МВУ 3 1,5 90 ХН65МВУ+ +медь М1+ +ХН65МВУ 1+1+1 1,2 + 0,6 + 1,2 0,049 30,7

0,049 30,8

4 М 1,3 + 1,4 + 1,3 1,6 + 0,8 + 1,6 0,065 23,2

0,064 23,3

5 М 1,6 + 1,8 + 1,6 2 + 1+2 0,080 18,7

0,080 18,8

б 2 + 2 + 2 2,4 + 1,2 + 2,4 0,095 15,7

0,095 15,8

б)

Рисунок 9 - Результаты экспериментального получения многослойного металлического материала и покрытия из него:

а - крупногабаритный многослойный металлический материал; б - ультразвуковой контроль многослойного металлического материала

Были проведены микроструктурные исследования многослойных материалов.

Результаты проведенных исследований легли в основу создания рекомендаций по совершенствованию технологии производства многослойного материала с помощью сварки взрывом:

1. При изготовлении крупногабаритных листов сваркой взрывом, длина которых превышает 3 м, необходимо выбирать толщину основного листа на 1 мм больше с целью получения требуемого по ГОСТ 10885-85 размера по толщине.

2. Листы длиной до 3 м включительно могут изготовляться сваркой взрывом без увеличения толщины основного листа.

3. При использовании промышленных взрывчатых веществ с различной скоростью детонации следует учитывать, что при повышении скорости точки контакта на 1000 м/с величина деформации может увеличиваться в два раза.

В соответствии с рекомендациями была усовершенствована технология производства биметалла на предприятии ООО «Битруб Интернэшнл», которая позволила сократить количество дефектов при производстве многослойных листов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По специальности 05.16.09:

1. Разработан и теоретически обоснован способ повышения коррозионной стойкости конструкций на основе применения многослойных металлических материалов, в состав которых входят сочетания высоколегированных сталей и сплавов, цветных металлов, низколегированных и углеродистых сталей.

2. Установлено, что использование для плакирующего листа модели, не учитывающей сопротивление сдвиговым деформациям, в наибольшей степени описывает деформационные процессы крупногабаритных

заготовок при сварке взрывом, а также исследованы особенности деформации крупногабаритных многослойных листов в процессе сварки взрывом при помощи компьютерного моделирования с применением программы ¿Б-О УМ Л.

3. Экспериментально установлено, что плакирующий лист не удлиняется в процессе сварки взрывом, а величина деформации плакируемого листа определяется его геометрическими размерами и свойствами свариваемых материалов, а также режимом сварки. Деформации растяжения плакируемого листа сопровождаются уменьшением его толщины, причем удлинение начинается на расстоянии 78...82 % длины листа от начала сварки.

4. Разработаны рекомендации и усовершенствована промышленная технология производства биметалла в ООО «Битруб Интернэшнл», что позволило получать многослойный металлический материал, соответствующий требованиям технических условий и стандартов.

5. Разработана технология получения многослойного металлического материала, сочетающая сварку взрывом и последующую прокатку, позволяющая избежать применения большой номенклатуры толщин плакирующих слоев.

По специальности 05.17.03:

6. Установлена взаимосвязь между электрохимическими, химическими процессами коррозии многослойных материалов и составом среды, содержащей водные растворы солей, щелочей и кислот, которые являются и не являются окислителями. Показано, что многослойный материал должен иметь нечетное число слоев (не менее трех).

7. Обосновано, что состав слоев выбирается исходя из соотношения электрохимических потенциалов в конкретной среде.

Для среды, не содержащей окислители, первый слой, контактирующий со средой, должен иметь достаточную коррозионную стойкость и электрохимический потенциал в интервале, обеспечивающем его пассивное состояние, а второй слой - протектор - должен иметь электрохимический потенциал ниже электрохимического потенциала первого слоя.

Для среды, содержащей окислители, первый слой, контактирующий со средой, должен иметь достаточную коррозионную стойкость и электрохимический потенциал в интервале, обеспечивающем его пассивное состояние, а второй слой - протектор - должен иметь электрохимический потенциал выше электрохимического потенциала первого слоя и обладать более низким водородным перенапряжением.

8. Разработаны многослойные металлические материалы для различных коррозионных сред, обеспечивающие повышение коррозионной стойкости от 4 до 30 раз по сравнению с монометаллами, равными по толщине многослойному материалу, а также выбраны рациональные толщины слоев материалов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Розен, А. Е. Математическое моделирование деформационного и взрывного процессов, происходящих при сварке взрывом [Текст] / А. Е. Розен, И. С. Лось, А. Ю. Муйземнек, Д. Б. Крюков, А. В. Хорин, И. В. Денисов // Известия Волгоградского государственного технического университета. - Волгоград : Изд. ВолгГТУ, 2006. - № 9 (24). - Вып. 2. -С. 79-87. - (Сварка взрывом и свойства сварных соединений).

2. Денисов, И. В. Деформационные процессы при сварке взрывом [Текст] / И. В. Денисов, Л. Б. Первухин, О. Л. Первухина, А. Е. Розен // Известия Волгоградского государственного технического университета. -Волгоград : ВолгГТУ, 2008. - № 3(41). - Вып. 3. - С. 39-45. - (Сварка взрывом и свойства сварных соединений).

3. Денисов, И. В. Компьютерное моделирование деформации составляющих слоев биметалла в процессе сварки взрывом с использованием программы LS-DYNA [Текст] / И. В. Денисов, А. Ю. Муйземнек, А. Е. Розен, О. Л. Первухина, Ю. А. Гордополов И Известия Волгоградского государственного технического университета. -Волгоград : ВолгГТУ, 2010. - № 5(65). - Вып. 4. - С. 66-74. - (Сварка взрывом и свойства сварных соединений).

Публикации в других изданиях

4. Pervukhin, L. В. Multilayer Clad Metals by Explosive Welding

[Текст] / L. B. Pervukhin, A. E. Rosen, I. S. Los', D. B. Kryukov, O. L. Pervukhina, N. A. Lyubomirova, A. V. Khorin, I. V. Denisov // Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials / Edited by A. A. Deribas and Yu. B. Scheck. - Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2006. - P. 111.

5. Денисов, И. В. К вопросу создания многослойных материалов, стойких к питтинговой коррозии [Текст] / И. В. Денисов, А. Е. Розен, И. С. Лось, Л. Б. Первухин, О. Л. Первухина, А. В. Хорин // 4-я Всероссийская школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых: сборник трудов. - Черноголовка, 2006. - С. 86.

6. Денисов, И. В. К вопросу деформации крупногабаритных листов при сварке взрывом [Текст] / И. В. Денисов, Л. Б. Первухин, А. Е. Розен, О. Л. Первухина // Новые перспективные материалы и технологии их применения - 2007 : сборник научных трудов Международной конференции. - Волгоград, 2007. - С. 182—184.

7. Денисов, И. В. Влияние масштабного фактора на деформацию заготовок при сварке взрывом / И. В. Денисов, Л. Б. Первухин, О. Л. Первухина // Актуальные проблемы прочности : сборник трудов XLVII Международной конференции. - Нижний Новгород, 2008. - С. 271.

8. Pervukhina О. L. Some aspects of join formation during explosive welding / O. L. Pervukhina, D. V. Rikhter, I. V. Denisov, L. B. Pervukhin // Shock-assisted materials synthesis and processing: science, innovations and

industrial implementation : IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations. - Lisse, 2008. -P. 7.

9. Rozen, A. E. Multilayer clad metals by explosive welding /

A. E. Rozen, 1. S. Los', D. B. Kryukov, I. V. Denisov, A. V. Khorin, L. B. Pervukhin, O. L. Pervukhina // Shock-assisted materials synthesis and processing: science, innovations and industrial implementation. IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations. - Lisse, 2008. - P. 105.

10. Denisov, I. V. Explosive welding of large-sized sheets: tensile deformation of base sheet /1. V. Denisov, O. L. Pervukhina, L. B. Pervukhin // Shock-assisted materials synthesis and processing: science, innovations and industrial implementation : IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations. - Lisse, 2008. -P. 76.

11. Денисов, If. В. Основы проектирования материала повышенной коррозионной стойкости [Текст]/ И. В. Денисов, А. Е. Розен, Ю. П. Перелыгин, Ю. А. Гордополов, Л. Б. Первухин, И. С. Лось, С. Г. Усатый, Д. Б. Крюков, Г. В. Кирий, П. И. Абрамов, О. Л. Первухина, А. В. Хорин, А. А. Розен // 7-я Всероссийская с международным участием школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых (25-27 ноября 2009 г.). - Черноголовка, 2009. - С. 85-88.

12. Muizemnek, A. Yu. Deformation of long-length exploclad sheets: mathematical modeling / A. Yu. Muizemnek, I. V. Denisov, I. S. Los', A. E. Rosen, Yu. A. Gordopolov // X International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations. -Bechichi, 2010.-P. 45.

13. Первухина, О. Л. Особенности процесса деформации при сварке взрывом крупногабаритного биметалла [Текст] / О. Л. Первухина, И. В. Денисов, Л. Б. Первухин, А. Ю. Муйземнек, А. Е. Розен, И. С. Лось // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010) : сборник науч. тр. V Международной конференции / Волгоград, гос. техн. ин-т. - Волгоград : ИУНЛ ВолГТУ, 2010. - С. 175-176.

14. Международная заявка 2010/036139 Российская Федерация МПК6 C23F13/00; В32В7/02. Многослойный материал повышенной коррозионной стойкости и способ его получения [Текст] / Розен А. Е., Лось И. С., Первухин Л. Б., Перелыгин Ю. П., Гордополов Ю. А., Первухина О. Л., Кирий Г. В., Абрамов П. И., Усатый С. Г., Крюков Д. Б., Денисов И. В., Розен А. А. ; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр «Инвестпатент»» - № 2008/000620 ; заявл. 26.09.2008 ; опубл. 01.04.2010. -44 с.

Научное издание

ДЕНИСОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

МНОГОСЛОЙНЫЕ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение) Специальность 05.17.03 - Технология электрохимических процессов и защита от коррозии

Подписано в печать 09.11.2010. Формат 60x84'/,6. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 001922. Тираж 100.

Издательство ПГУ Пенза, Красная, 40, т.: 56-47-33