Удосконалення технології синтезу хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10
Вантажиться...
Файли
Дата
2024
Автори
ORCID
DOI
Науковий ступінь
доктор філософії
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
161 – Хімічні технології та інженерія
Рада захисту
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут
Науковий керівник
Штефан Вікторія Володимирівна
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» (16 – Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2024.
Роботу виконано на кафедрі технічної електрохімії Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України.
Об’єктом дослідження є процеси електрохімічного синтезу хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10 в умовах стаціонарного та нестаціонарного електролізу.
Предмет дослідження – технологічні параметри процесу формування хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10 в електролітах, модифікованих SiO₂⸳nH₂O, та при різних режимах електролізу; захисні властивості хромоксидних покриттів.
Дисертацію присвячено вирішенню науково-технічної задачі – удосконаленню технологій синтезу хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10 із протикорозійними властивостями.
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, надано наукову новизну та сформульовано практичну значущість отриманих результатів.
У першому розділі проведено аналіз науково-технічної літератури щодо сучасних методів формування металоксидних покриттів, поширених електролітів та режимів електролізу, та властивостей хромвмісних покриттів. Висвітлено перспективи їх використання у сучасних галузях промисловості. Проаналізовано перспективні напрямки модифікування хромоксидних покриттів на нержавіючих сталях. На підставі аналізу сформульовано задачі дослідження та шляхи їх вирішення.
У другому розділі наведено опис матеріалів, методики проведення досліджень із зазначенням необхідної технічної апаратури. Морфологію сформованих хромоксидних покриттів досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Елементний склад покриттів вивчали за даними EDX-line, EDX-mapping та EDX-point. Корозійну стійкість досліджували методом поляризаційного опору, імпедансної спектроскопії та довготривалих корозійних випробувань. Стійкість покриттів до окислення при високих температурах визначали шляхом випробувань у середовищі водяної пари при температурі 600-1000℃. Результати досліджень піддавалися статистичній обробці.
Експериментальні дослідження проведені в лабораторії кафедри технічної електрохімії НТУ «ХПІ». СЕМ та EDX дослідження проводили на базі Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Дрезден, Німеччина). Високотемпературні випробування проводили на базі НТК ЯПЦ Нацiонального наукового центру “Харкiвський фiзико-технiчний iнститут”.
У третьому розділі представлені результати обґрунтування та модифікації складів електролітів та режимів електрохімічного синтезу хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10 та експериментально досліджено морфологію, структуру та елементний склад отриманих покриттів.
У даному розділі висвітлені наступні результати:
- експериментально обґрунтовано вибір компонентів електролітів та режимів електролізу для формування хромоксидних покриттів на сталі;
- отримані результати дослідження морфології показують, що структура хромоксидних покриттів, отриманих з електролітів, модифікованих SiO₂⸱nH₂O, є кристалічною. При збільшенні концентрації SiO₂⸱nH₂O в електроліті, поверхня покриття стає більш рівномірною та без тріщин. Дані елементного аналізу вказують, що покриття складаються переважно з Хрому та Оксигену, а також містять Силіцій в невеликих кількостях (0,17-1,09 мас.%). EDX-mapping демонструє рівномірний розподіл цих елементів по поверхні покриттів;
- дослідження морфології хромоксидних покриттів, отриманих в умовах нестаціонарного електролізу, показали, що тривалість паузи напряму впливає на структуру покриттів. Збільшення тривалості паузи від 0,25 с до 1 с зумовлює перехід структури з кристалічної до глобулярної та «губчастої». Усі покриття складаються з Хрому та Оксигену в різному масовому співвідношенні. Також зі зростанням тривалості паузи збільшуються розміри тріщин на поверхні сформованих покриттів;
- експериментальне дослідження впливу амплітуди густини струму показали, що при 90 А/дм2 сформовані на поверхні сталі покриття є ріномірними, однорідними та без відшаровувань. Зниження значення амплітуди до 30 А/дм² або збільшення до 130 А/дм² є причиною розтріскування та відшаровування покриттів по границям тріщин.
Четвертий розділ присвячений дослідженню фізико-хімічних властивостей хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10 на основі проведення натурних експериментів.
Отримано наступні результати:
- експериментально визначено, що модифікація електроліту SiO₂⸱nH₂O сприяє формуванню хромоксидних покриттів на нержавіючій сталі, які забезпечують захисні властивості у хлоридних середовищах.
- отримані потенціодинамічні залежності нержавіючої сталі без та із хромоксидними покриттями показують, що сталь 08Х18Н10 у хлоридних середовищах схильна до пітингоутворення, про що теж свідчать мікрофотографії поверхні після випробувань. Хромоксидні покриття значно підвищують пітингостійкість сплаву, тим самим забезпечуючи надійний захист в агресивних середовищах. Визначено, за результатами досліджень, що найбільш високу пітингостійкість має сталь із хромоксидним покриттям, отриманим з модифікованого 0,05 моль/л SiO₂⸱nH₂O;
- встановлено, що модифікація хромоксидних покриттів призводить до зниження їх дефектності та підвищення захисних властивостей, що підтверджується результатами корозійних випробувань;
- встановлено, що нанесення хромоксидних покриттів на сталь 08Х18Н10 підвищує її стійкість при високих температурах (600-1000℃) і швидкість корозії знижується в 3-5 разів.
У п’ятому розділі запропоновані удосконалені карти технологічних процесів формування хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10, вказано основні та допоміжні операції, склади електролітів та режими електролізу. Результати виконання дисертаційної роботи успішно інтегровано в навчальний процес кафедри технічної електрохімії НТУ “ХПІ” для навчання аспірантів спеціальності 161 “Хімічні технології та інженерія”.
Dissertation for the Doctor of Philosophy degree in specialty 161 “Chemical technologies and engineering” (16 - Chemical and bioengineering) at the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2024.
The work was performed at the Department of Technical Electrochemistry of the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Education and Science of Ukraine.
The object of the research is the processes of electrochemical synthesis of chromium oxide coatings on AISI 304 under the conditions of stationary and non-stationary electrolysis.
The subject of the study is technological parameters of the process of forming chromium oxide coatings on AISI 304 steel in electrolytes modified with SiO₂⸳nH₂O and in different electrolysis modes; anti-corrosion properties of chromium oxide coatings.
The dissertation focuses on addressing a scientific and technical challenge: enhancing the synthesis technologies for chromium oxide coatings on AISI 304 steel, aimed at imparting anti-corrosion properties.
The introduction justifies the significance of the dissertation topic, articulates its goal and objectives, defines the research's object, subject, and methodology, establishes its alignment with relevant scientific domains, highlights its scientific novelty, and elucidates the practical significance of the findings.
In the first chapter, an analysis of contemporary scientific and technical literature concerning modern methods of metal oxide coating formation, prevalent electrolytes and electrolysis modes, and the properties of chromium-containing coatings was conducted. The chapter also emphasizes the potential applications of these coatings in modern industrial sectors. Furthermore, prospective approaches for modifying chromium oxide coatings on stainless steels are examined. Based on this analysis, research objectives and methodologies for addressing them were formulated.
The second section presents a description of the materials and research methodologies, along with necessary technical equipment. The morphology of the chromium oxide coatings was examined using scanning electron microscopy (SEM), while the elemental composition was analyzed through EDX-line, EDX-mapping, and EDX-point data. Corrosion resistance was evaluated using polarization resistance, impedance spectroscopy, and long-term corrosion tests. Additionally, the coatings' resistance to high-temperature oxidation was assessed through tests conducted in a water vapor environment at temperatures ranging from 600 to 1000℃. Experimental investigations were conducted at the laboratory of the Department of Technical Electrochemistry at NTU “KhPI”.
SEM and EDX analyses were performed at the Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden, Germany), while high-temperature tests were conducted at the National Technical Research Center of the National Research Center “Kharkiv Physical and Technical Institute”. The results of the research were subjected to statistical processing.
The third section presents the results of substantiation and modification of electrolyte compositions and modes of electrochemical synthesis of chromium oxide coatings on AISI 304 steel, and the morphology, structure, and elemental composition of the obtained coatings are investigated.
This section highlights the following results:
- the selection of electrolyte components and electrolysis modes for the formation of chromium oxide coatings on steel is experimentally substantiated;
- the obtained results of the morphology study show that the structure of chromium oxide coatings obtained from SiO₂⸱nH₂O modified electrolytes is crystalline. When the concentration of SiO₂⸱nH₂O in the electrolyte increases, the surface of the coating becomes more uniform and without cracks. Elemental analysis data indicate that the coatings consist mainly of Chromium and Oxygen, and also contain Silicon in small amounts (0.17-1.09 wt.%). EDX-mapping demonstrates the uniform distribution of these elements on the surface of the coatings;
- studies of the morphology of chromium oxide coatings obtained under conditions of non-stationary electrolysis showed that the duration of the pause directly affects the structure of the coatings. An increase in the duration of the pause from 0.25 to 1 sec causes the transition of the structure from crystalline to globular and “spongy”. All coatings consist of Chromium and Oxygen in different mass ratios. Also, as the duration of the pause increases, the sizes of cracks on the surface of the formed coatings increase;
- studies of the amplitude of the current density showed that at 90 A/dm² the coatings formed on the surface of the steel are uniform, uniform and without peeling. A decrease in the value of the amplitude to 30 A/dm² or an increase to 130 A/dm² is the cause of cracking and peeling of coatings along the crack boundaries.
The fourth chapter is devoted to the study of the physical and chemical properties of chromium oxide coatings on AISI 304 steel based on field experiments.
The following results were obtained:
- it was experimentally determined that the modification of the SiO₂⸱nH₂O electrolyte contributes to the formation of chromium oxide coatings on stainless steel, which provide corrosion-protective properties in chloride environments.
- obtained potentiodynamic dependences of stainless steel without and with chromium oxide coatings show that AISI 304 steel in chloride environments is prone to pitting, which is also evidenced by microphotographs of the surface after the tests. Chromium oxide coatings significantly increase the pitting resistance of the alloy, thereby providing reliable protection in aggressive environments. Based on the results of research, it was determined that steel with a chromium oxide coating obtained from modified 0.05 mol/L SiO₂⸱nH₂O has the highest pitting resistance;
- it was established that the modification of chromium oxide coatings leads to a decrease in their defects and an increase in corrosion resistance, which is confirmed by the results of corrosion tests;
- it was established that the application of chromium oxide coatings on AISI 304 steel increases its resistance at high temperatures (600-1000℃) and the rate of corrosion decreases by 3-5 times.
In the fifth chapter, maps of the technological processes of the formation of chromium oxide coatings on AISI 304 steel are proposed, the main and auxiliary operations, electrolyte compositions and electrolysis modes are indicated. The results of the dissertation work have been successfully integrated into the educational process of the Department of Technical Electrochemistry of NTU “KhPI” for training graduate students in specialty 161 “Chemical Technologies and Engineering”.
Опис
Ключові слова
сталь 08Х18Н10, хромоксидне покриття, силіцій, електроосадження, нестаціонарний електроліз, потенціал, корозійна стійкість, імпедансна спектроскопія, структура поверхні, статистична обробка, AISI 304 steel, chromium oxide coating, silicon, electrodeposition, polarization, non-stationary electrolysis, potential, corrosion resistance, impedance spectroscopy, surface structure, statistical processing
Бібліографічний опис
Баламут Н. С. Удосконалення технології синтезу хромоксидних покриттів на сталі 08Х18Н10 [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра філософії : спец. 161 : галузь знань 16 / Наталія Сергіївна Баламут ; наук. керівник Штефан В. В. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2024. – 162 с.