CC BY
85
УДК 541.138.2.
В. Н. Есенин, Л. И. Денисович, Б. Л. Журавлев
КОРРОЗИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ СИСТЕМ В ВОДНО-ГЛИКОЛЕВОМ РАСТВОРЕ
Получены экспериментальные данные, характеризующие коррозию конструкционных материалов систем охлаждения двигателей в водных растворах гликолей, и выяснена роль каждого из металлов в рассматриваемой коррозионной системе.
В современных системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания, в качестве конструкционных материалов, используются алюминий, сталь и чугун, а в качестве теплоносителей - водные растворы гликолей [1].
Целью настоящей работы является исследование коррозионного поведения алюминия, стали и чугуна в водно-гликолевом растворе, как в виде отдельных образцов металлов, так и их различных комбинаций при наличии между металлами электрических контактов.
Результаты и обсуждение
При отсутствии электрического контакта между образцами, потенциал алюминиевых образцов практически не меняется во времени, в то время как для стали и чугуна наблюдается сдвиг потенциалов к более отрицательным значениям (рис. 1). Коррозионные потери образцов стали и чугуна имеют линейную зависимость от времени (рис. 2), а для алюминиевых образцов наблюдается незначительное увеличение массы.
Рис. 1 - Зависимости потенциалов стандартных образцов металлов (без
электрического контакта) от времени их пребывания в 50%-ном водном растворе этиленгликоля: 1 - аллюминий (99,99%); 2- алюминий АК6М2; 3- сталь; 4-чугун
дт,мг
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Время, ч
Рис. 2 - Зависимости коррозионных потерь стандартных образцов металлов (без электрического контакта) от времени их пребывания в 50%-ном водном растворе этиленгликоля:1- сталь; 2- чугун
На рис. 3 приведены зависимости коррозионных потерь стандартных образцов металлов в трехэлектродной системе алюминий-сталь-чугун, находящихся в электрическом контакте между собой, от времени их пребывания в 50%-ном водном растворе этиленгликоля (кривые 1, 2). Видно (рис. 3), что кинетическая кривая
коррозионных потерь стали (кривая 1) имеет три различных участка, из которых два - ОА
2 2 (скорость коррозии стали V- = 0,006 г/м ч) и ВС ^2 = 0,032 г/м ч) - линейны.
Сопоставляя полученные величины со скоростью коррозии стального образца, не
’ 2
имеющего электрического контакта с другими металлами (прямая 1, Vo = 0,020 г/м ч),
можно заметить, что на начальной стадии коррозионного воздействия водно-гликолевого
раствора на сталь, в рассматриваемой трехэлектродной системе, скорость коррозии стали
VI значительно снижается (У--Мо = 0,3). Далее, с увеличением времени пребывания
стального образца в водно-гликолевом растворе, скорость его коррозии резко возрастает
(участок АВ) и, достигнув величины V2 = 0,032 г/м ч, в дальнейшем сохраняет постоянное
значение, превышающее V0 более, чем в полтора раза.
Кинетическая кривая коррозионных потерь чугуна (рис.3, кривая 2) отличается от
кинетической кривой для стального образца. На начальном участке ОБ скорость коррозии
/ 2
чугуна максимальна (V- = 0,083 г/м ч) и ее величина превышает скорость коррозии чугунного образца, не имеющего контакта с другими металлами (прямая 2, Vo= 0,033 г/м ч), более чем в 2,5 раза. При увеличении времени пребывания чугунного образца в водно-гликолевом растворе наблюдается снижение скорости коррозии до значения V2 = 0,045 г/м час (кривая 2, участок БЕ), и в дальнейшем скорость коррозии остается стационарной (кривая 2, участок ЕБ). Для алюминиевых образцов наблюдается увеличение массы на протяжении всего времени эксперимента.
Рис. 3 - Зависимости коррозионных потерь стандартных образцов металлов, находящихся в электрическом контакте, в системе алюминий-сталь-чугун, от времени их пребывания в 50%-ном водном растворе этиленгликоля: 1, 1’-коррозионные потери стали; 2.2’- коррозионные потери чугуна; (штрих-пунктир -в отсутствии электрического контакта между металлами)
Исследование коррозии рассматриваемых металлов с помощью более простых моделей, таких как алюминий - сталь, алюминий - чугун и сталь - чугун показало, что для пары алюминий - сталь в течение первых суток с начала испытаний наблюдаются потери массы алюминиевого образца, которые в дальнейшем сменяются незначительным привесом. Кинетическая кривая коррозионных потерь стали в данной паре сходна с таковой для системы алюминий - сталь - чугун. Отличие заключается в том, что в первом случае, коррозия стали на начальном этапе полностью отсутствует при этом начальные участки кривой 1 (0А и АВ) значительно менее продолжительны по времени (24 ч и 90 ч).
Полученные данные согласуются с изменением электродных потенциалов металлов этой пары. На начальной стадии процесса, пока потенциал стального образца положительнее, чем потенциал алюминиевого образца, роль анода отводится алюминию, а катода - стали, о чем свидетельствуют отсутствие коррозии стального образца, уменьшение массы алюминиевого образца и наличие значительного тока (6^-7 цА/см ) в данной контактной паре. По прошествии 10 - 12-ти часов пребывания контактирующих образцов в водно-гликолевом растворе значения потенциалов стали и алюминия выравниваются, после чего начинается растворение стального образца со скоростью У=
0,038 г/м ч, что в два раза превышает значение скорости коррозии при отсутствии электрического контакта, и наблюдается увеличение массы алюминиевого образца, Это свидетельствует о том, что в роли катода начинает выступать алюминий, а в роли анода -сталь. Подтверждением этому служат изменение направления тока пары и сдвиг потенциала алюминия в сторону более положительных значений.
При изучении коррозионного поведения контактной пары алюминий - чугун было установлено, что величина скорости растворения чугуна постоянна в течение всего времени эксперимента (У=0.045 г/м час) и превышает значение скорости растворения образца металла, не имеющего электрического контакта с алюминием ( 0,033 г/м ч ), в 1,35 раза. При этом потенциал чугуна быстро (в течение четверти часа от начала эксперимента) становится отрицательнее потенциала алюминиевого образца. Величина плотности тока пары также быстро растет от 1 до 3 дкА/см на протяжении первых 3*- 4-х часов, а затем остается практически постоянной. Таким образом, анодная поляризация чугунного образца, возникшая в результате контакта с алюминием, является причиной его более интенсивной коррозии.
Значительно более сложная картина наблюдается при исследовании контактной пары сталь - чугун. На начальном этапе когда разность потенциалов металлов весьма значительна (ДЕ=0,3^- 0,4У), растворение стали не отмечается, в то время как скорость коррозии чугуна максимальна (0,050 г/м ч), что в полтора раза превышает соответствующее значение для скорости коррозии индивидуального образца. Затем скорость коррозии стали начинает постепенно увеличиваться, а чугуна - снижаться, что связано с уменьшением разности потенциалов между металлами до 0,05^-0,1 V. Далее скорости коррозии обоих контактирующих между собой металлов не отличаются от таковых при отсутствии электрического контакта. И, наконец, когда электродный потенциал стального образца становится отрицательнее потенциала чугуна, величины скоростей растворения обоих металлов становятся одинаковыми и их значения составляют
0,030 гПиЗлученные результаты позволили интерпретировать кинетические кривые растворения металлов в трехэлектродной системе сталь - чугун - алюминий (рис. 3). В течение первых суток эксперимента, стальной образец находится под катодной защитой алюминия и чугуна, что характеризуется минимальным значением скорости его растворения (рис. 3, участок ОА). В свою очередь чугунный образец в это же время является анодом как по отношению к стали, так и по отношению к алюминию, и это обстоятельство определяет максимальную скорость его коррозии. Далее скорость растворения стали начинает плавно увеличиваться (рис.3, переходный участок АВ), так как стальной образец, испытывая анодную поляризацию со стороны алюминия, все еще остается под катодной защитой чугуна. И, наконец, когда значения потенциалов стального и чугунного образцов выравниваются, величины скоростей растворения обоих металлов сближаются между собой (0,032 и 0,045 г/м ч), но при этом данные значения превышают значения скоростей их растворения в том случае, когда между ними отсутствует электрический контакт (0,020 и 0,033 г/м ч соответственно). Этот факт, а также наличие токов в парах алюминий - сталь и алюминий - чугун в коротко замкнутой электрической системе алюминий - сталь - чугун свидетельствует о том, что оба металла испытывают анодную поляризацию со стороны алюминиевого образца. Таким образом, через 12 - 15 ч пребывания данной электрохимической системы в водно-гликолевом растворе, алюминиевый образец становится катодом по отношению, как к чугунному, так и к стальнПлубраацу. результаты показали, что контакт с алюминием увеличивает скорости коррозии стали и чугуна в 1,5-2 раза как в трехэлектродной системе, так и в парах
алюминий-сталь и алюминий-чугун. При этом алюминий практически не подвергается коррозионному воздействию электролита.
Прирост массы образцов алюминия, находящихся в контакте с водно-гликолевой средой, вероятно можно объяснить возникновением на поверхности металла покровной пленки гидратированного оксида алюминия, которая не может быть восстановлена катодным током, возникающим при электрическом контакте алюминий - сталь (чугун) из-за его незначительных величин, не превышающих значений 5^-7 дкА/см (катодное растворение восстановление пленки начинается при плотностях поляризующего тока I >
0.25 тА/см ). Экспериментальная часть
В качестве образцов для исследований (пластины размером 50х25х3мм) использовали сталь марки Ст. 3 ГОСТ 380, чугун 0И-190 н. ВАЗ 52205, сплав алюминия АК6М2 ГОСТ 1583 и высокочистый алюминий. (99,99%). Исследования проводили в 50 % растворе моноэтиленгликоля в воде, содержащем 148 мг/дм безводного сернокислого натрия, 165 мг/дм хлористого натрия и 138 мг/дм3 двууглекислого натрия при температуре 20±20С. Скорость коррозии оценивали гравиметрически по потере массы образцов. Ток электрохимической пары измеряли при помощи микроамперметра М198/2. Изменение электродных потенциалов металлов во времени, как при отсутствии электрических контактов между ними, так и в парах, коротко замкнутых через внешний проводник с малым сопротивлением измеряли с помощью высокоомного цифрового вольтметра постоянного тока Щ 1413 относительно хлорсеребрянного электрода сравнения. Расстояние между электродами, как при измерении токов пары, так и при определении электродных потенциалов металлов составляло 20 - 30 мм.
Заключение
Таким образом, получены экспериментальные данные, характеризующие коррозию конструкционных материалов систем охлаждения двигателей, и выяснена роль каждого из металлов в рассматриваемой коррозионной системе.
Литература
1. Патент РФ № 2241784. 2004. Есенин В.Н., Чижов Е.Б., Башкирцева Н.Ю., Идиатуллин Л.Р.
© В. Н. Есенин - ст. науч. сотр. института элементорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, г. Москва; Л. И. Денисович - ст. науч. сотр. института элементорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, г. Москва; Б. Л. Журавлев - д-р хим. наук, проф. каф. технологии электрохимических производств КГТУ.
