CC BY
10
УДК 620.193.041:546.72
МИНЕРАЛЬНЫЕ СИЛИКАТЫ КАК КОМПОНЕНТЫ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1 ШУМИЛОВА М.А., 1 ТАРАСОВ В В., 2НОВИКОВ В Н.
1Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 2Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11
АННОТАЦИЯ. Методом ускоренного химического определения коррозионной стойкости материалов в электролите проведено исследование образцов стали. Установлено, что добавление в состав смазочного материала, покрывающего поверхность металла, природных (минералов) компонентов типа шунгита и серпентина значительно уменьшают среднюю удельную скорость электрохимической коррозии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: средняя удельная скорость электрохимической коррозии, Торсиол-55, шунгит, серпентин.
Надежность работы машин и механизмов достигается за счет высокого качества материалов с требуемым уровнем механических и прочностных свойств. Одной из основных причин выхода машины из строя является износ подвижных сопряжений, при этом значительная доля в процессе изнашивания приходится на абразивный износ и коррозию. Значимость борьбы с коррозией определяется тремя аспектами: экономический - имеет целью уменьшение материальных потерь, второй - повышение надежности оборудования, третий - сохранность металлического фонда.
Создание смазок, повышающих коррозионностойкие и антифрикционные свойства металлов и сплавов, на принципиально новой основе представляет фундаментальную, имеющую большую как теоретическую, так и практическую значимость, задачу. В последние годы было установлено, что введение некоторых минералов, в частности, шунгита, в различные смазочные материалы приводит к радикальному (до 10 раз) снижению коэффициента трения, а также существенному снижению или даже отсутствию износа в парах трения ("сталь-сталь", "сталь-латунь", "чугун-сталь" и т.д.) [1].
Целью представленной работы является изучение влияния минеральных силикатов типа шунгитов и серпентинов в качестве добавок в смазочные материалы на стойкость металла к электрохимической коррозии.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
По характеру разрушения поверхности металла коррозию подразделяют на равномерную и местную. Местной коррозией, или питтингом, называют разрушения локального типа, наблюдаемые в тех случаях, когда скорость коррозии на отдельных участках выше, чем на других. Если значительное разрушение сосредоточено на относительно маленьких участках поверхности металла, возникают глубокие точечные поражения, если площадь разрушения больше и глубина невелика - возникают язвенные поражения. Питтинговая коррозия, как правило, более опасна, чем равномерная, так как процесс протекает на большую глубину.
Испытания на коррозионную стойкость образцов из стали 65Г проводили согласно ГОСТ 9.912-89 методом ускоренного химического определения коррозионной стойкости материалов в электролите [2] при полном погружении образца в коррозионную среду. Исследованию подвергались плоские круглые образцы площадью не менее 600 мм2 с
отверстием для подвешивания на расстоянии 5 мм от верхней кромки, поверхность которых обрабатывалась наждачной бумагой с последовательно убывающей величиной зерна абразива до придания поверхности гладкого блестящего вида. После шлифовки образцы промывали струей водопроводной воды с одновременным протиранием фильтровальной бумагой, обезжиривали этиловым спиртом, ополаскивали дистиллированной водой и высушивали фильтровальной бумагой. Затем поверхность ряда образцов обрабатывали канатной смазкой марки Торсиол-55 (вариант 2), а в другой группе - смесью торсиола с шунгитом и серпентином в соотношении: Торсиол-55 - 90 % + шунгит - 3,3 % + серпентинит - 6,7 % (вариант 3). Подготовленные образцы и исходные образцы стали без покрытия (вариант 1) взвешивали на аналитических весах ВЛР-200 с погрешностью ±0,05 мг, подвешивали на леске и помещали в десятипроцентный водный раствор гексагидрата трихлорида железа (далее - коррозионная среда) на различное время. Время нахождения образцов в коррозионной среде - от 2 до 240 часов. Объем раствора соли составлял не менее 10 см на 1 см площади поверхности образца.
После испытания с образцов, покрытых смазкой, удаляли с помощью фильтровальной бумаги покрытие, обезжиривали растворителем 646, затем все образцы промывали в струе водопроводной воды, ополаскивали дистиллированной водой, тщательно высушивали
фильтровальной бумагой и вновь взвешивали на аналитических весах.
2 1
Среднюю удельную скорость коррозии (Ут), г-м- •ч- , вычисляли по формуле
Ут = ^ .104, т 5.1
где Ат - суммарная потеря массы параллельных образцов, г; 5 - суммарная площадь поверхности параллельных образцов, см2; ^ - продолжительность испытания, ч.
Для изучения влияния температурных условий нанесения покрытия на скорость коррозии, исследуемые образцы опускались в нагретый Торсиол-55, а также в его смесь с минеральными добавками и выдерживались там в течение 10 мин при температуре -110 °С, после чего опускались в раствор хлорного железа на 24 часа.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По химическому составу сталь 65Г, применяемую как износостойкий сплав, на 97 % состоит из железа. Согласно электрохимической теории коррозии, процесс коррозии обусловлен работой целой сети короткозамкнутых гальванических элементов на поверхности металла. На анодных участках ионы металла переходят в раствор, при этом анодная реакция описывается следующим уравнением:
Бе ^ Бе2+ + 2 е . (1)
Скорость данной реакции в большинстве сред достаточно велика, поэтому скорость коррозии железа и сплавов на его основе обычно лимитируется катодной реакцией, которая, как правило, существенно медленнее (катодный контроль). В неаэрируемых растворах катодная реакция имеет вид:
н+ ^ у2 н2 - е.
Катодная реакция ускоряется в присутствии растворенного кислорода (реакция деполяризации):
2Н+ + У2 О2 ^ Н2О - 2 е . (2)
Растворенный кислород реагирует с атомами водорода, адсорбированными на поверхности железа. Реакция окисления протекает с такой же скоростью, с какой кислород достигает поверхности металла.
Суммируя (1) и (2) и учитывая реакцию Н2О ^ Н+ + ОН" , получаем:
Бе + Н2О + / О2 ^ Бе(ОН)2.
Гидратированный оксид железа БеО пН20 образует на поверхности железа диффузионно-барьерный слой, через который должен диффундировать кислород. На внешней поверхности оксидной пленки, доступной растворенному кислороду, оксид железа (II) окисляется до оксида или гидроксида железа (III) - обычной ржавчины:
Бе(ОН)2 + / Н2О + / О2 ^ Бе(ОН)з.
Величины средней удельной скорости коррозии для образцов, подвергнутых испытаниям, представлены в таблице.
Таблица
Средняя удельная скорость коррозии образцов каната из стали 65Г
Скорость коррозии, ут, гм-Ч-1 Время, ч
2 5 24 48 72 95 240
Вариант 1 92,36 96,63 43,79 43,84 25,05 19,82 9,80
Вариант 2 9,33 10,74 21,71 14,80 4,53 3,25 12,65
Вариант 3 4,46 2,16 7,43 7,87 4,10 3,79 4,81
Как видно из экспериментальных данных, средняя удельная скорость питтинговой
коррозии для каната стали 65Г составляет 96,63 г-м"2-ч-1 в течение 5 ч в соответствии с
ГОСТом; покрытие изделия смазкой марки Торсиол-55 приводит к уменьшению скорости
-2 -1
коррозии практически на порядок (10,74 гм- •ч- ). Введение в состав смазки шунгита и серпентина уменьшает скорость коррозионного процесса почти в 50 раз (2,16 г-м"2-ч-1) по сравнению с необработанным образцом. Наблюдаемое резкое снижение удельной скорости коррозии, на наш взгляд, обусловлено тем, что нанесенная на поверхность железа смазка уменьшает контакт металла как с самим электролитом, так и с растворенным в воде кислородом.
Для выяснения роли защитного смазочного покрытия было проведено дополнительное исследование удельной скорости коррозии в расширенном временном диапазоне по сравнению с ГОСТом. Полученные результаты представлены в таблице и графически изображены на рисунке.
Согласно полученным данным, в течение первых пяти часов для образцов без покрытия удельная скорость коррозии возрастает, причем максимальный рост фиксируется в первые часы, после чего в течение первых двух суток скорость уменьшается почти в 2 раза и остается практически неизменной. Далее по истечении 10 суток средняя скорость планомерно снижается, что можно объяснить наличием достаточно мощного слоя гидратированных оксидов железа на поверхности, препятствующих протеканию катодных реакций.
Образцы с поверхностью, обработанной Торсиолом, в течение первых суток показывают увеличение скорости коррозионных процессов, однако ее абсолютные величины кратно меньше скорости коррозии необработанных образцов, причем первые 5 часов эти значения близки к 10-кратной величине. Максимальные значения скорости фиксируются через сутки, т.е. пока пленка из нефтяных углеводородов препятствует контакту между металлом и электролитом, то коррозионные процессы протекают незначительно, а с повреждением целостности покрытия - коррозия усиливается. Затем образующиеся в процессе коррозии гидроксиды железа препятствуют подходу молекул кислорода к поверхности металла, поэтому снова, как и в случае с необработанной поверхностью,
наблюдаем снижение удельной скорости коррозии, которая по истечении 10 суток по абсолютной величине близка к таковой для необработанной поверхности. Нарушение целостности покрытия смазочного материала поверхности изделия ведет к возникновению язвенных поражений, что и фиксируется величиной удельной скорости коррозии.
время, ч
-«-2 -*-3
Рис. Динамика средней удельной скорости коррозии образцов каната:
1 - без покрытия поверхности; 2 - покрытие Торсиолом - 55; 3 - покрытие смесью Торсиол -55 с шунгитом и серпентином
Образцы с поверхностью, обработанной смесью Торсиола с шунгитом и серпентином,
показывают минимальные величины удельной скорости коррозии. Максимальная величина
на уровне 7,43 - 7,87 г-м-2-ч-1 характерна в течение вторых суток, а затем фиксируется
2 1
приблизительно в диапазоне 3,79 - 4,81 г-м- •ч- . Данную закономерность, по нашему мнению, можно объяснить тем, что введение в состав смазочного материала шунгита и серпентина, минералов с высоким содержанием аморфного углерода и природных силикатов [4], резко повышает адгезионные свойства смазки по отношению к защищаемой поверхности, тем самым способствуя изоляции металла от агрессивной среды электролита. Таким образом, наличие более прочного слоя смазки на поверхности металла ведет к существенному снижению скорости коррозии.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали, что введение в состав смазочного материала природных минералов как шунгит и серпентин значительно снижают среднюю удельную скорость электрохимической коррозии. Ранее было установлено, что подобная добавка в смазку существенно снижает коэффициент трения в сопряжении [3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трение, изнашивание и смазка : справочник / под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина М. : Машиностроение, 1978. 400 с.
2. ГОСТ 9.912-89. (СТ СЭВ 6446-88). Единая система защиты от коррозии и старения. Стали и сплавы коррозионностойкие. Методы ускоренных испытаний на стойкость к питтинговой коррозии. М. 6 ГосСтандарт СССР, 1991.
3. Тарасов В.В., Постников В.А., Дорофеев Г.А., Коныгин Г.Н., Баянкин В.Я., Гильмутдинов Ф.З. Исследование состава минеральных силикатов типа шунгитов и серпентинов // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 1. С. 32-36.
4. Тарасов В.В., Калентьев Е.А., Новиков В.Н. Стальные канаты. Расчет конструкций и оценка эксплуатационных свойств // Материалы научных исследований «Механика и физико-химия гетерогенных сред, наносистем и новых материалов». Ижевск : ИМ УрО РАН, 2015. С. 237-259.
MINERAL SILICATES AS COMPONENTS AND LUBRICANTS FOR INCREASED CORROSION RESISTANCE OF METALS AND ALLOYS
1 Shumilova M.A., 1Tarasov V.V., 2Novikov V.N.
institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia 2Izhevsk State Agricultural Academy, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Method of accelerated chemical determination of the corrosion resistance of materials to molten steel samples study. Found that adding to the composition of the lubricant, which covers the metal surface, natural (mineral) shungite type components and significantly reduce average specific serpentine speed of electrochemical corrosion.
KEYWORDS: average specific speed of electrochemical corrosion, Torsiol-55, shungite, serpentine.
Шумилова Марина Анатольевна, кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел (3412) 21-89-55, e-mail: mashumilova@mail. ru
Тарасов Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИМ УрО РАН, тел. 8(3412) 20-29-25, e-mail: tvv@udman.ru
Новиков Виктор Николаевич, старший преподаватель ИжГСХА
