CC BY
35
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2016, том 59, №5-6_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 621.762.4.04
Дж.Б.Аминов, Б.Аминов
ПОТЕНЦИОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ В СРЕДЕ ЭЛЕКТРОЛИТА NaCl
Таджикский технический университет им. академика М.С.Осими, Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан
(Представлено академиком АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиевым 17.02.2016 г.)
Рассматриваются результаты потенциодинамического исследования металлокомпозицион-ных материалов на основе алюминия в среде электролита NaCl. Даны подробные сведения о воздействии процентного содержания компонентов на коррозионную стойкость исследуемых материалов. Представлены данные о влиянии наполнителей на скорость коррозии материала основы.
Ключевые слова: композиционные материалы, порошковая металлургия, агрессивная среда, коррозионная стойкость, скорость коррозии.
Алюминий, имея большое сродство к кислороду, не разрушается при обычных условиях на воздухе и в кислороде, так как покрывается очень тонкой (толщиной порядка 0.00001 мм) плёнкой окиси алюминия А12О3, предохраняющей его от дальнейшего окисления.
На свойстве алюминия не окисляться на воздухе основано применение этого металла в металлургии для покрытия им железных изделий с целью предохранения от ржавления и придания жаростойкости. Процесс этот обычно называют алитированием, которое производится путём погружения изделий в расплавленный алюминий или нагреванием их в смеси порошков алюминия и окиси алюминия. При нагревании алюминий проникает в железо, образуя с ним раствор, не подвергающийся разрушению, даже при нагревании до 1000°С, кроме того, тонкий порошок алюминия применяют в качестве краски для покрытия железных изделий с целью защиты их от коррозии.
Порошки алюминия обладают высокой коррозионной стойкостью в различных средах. Однако, в связи с добавкой новых компонентов и внедрением их в технику, а также расширением масштаба применения алюминия и композитов на его основе, особенно в агрессивных средах, вопросы коррозионной стойкости алюминия и его наполнителей требуют дополнительного изучения [1].
Электрохимические, особенно потенциодинамические, методы давно и плодотворно применяют для изучения коррозии металлов [2]. При помощи этих методов удалось получить информацию столь большой ценности, что её смело можно отнести к наиболее существенным достижениям коррозионной науки. С применением потенциодинамических методов стало возможным оценить роль электродного потенциала в поведении металла (композита) при пассивации и в пассивном состоянии. Оказалось, что зависимость скорости растворения от потенциала является важнейшей коррозионной характеристикой металла, которая может быть использована как для предсказания его коррозионной стойкости, так и для выбора способа защиты в заданных условиях.
Адрес для корреспонденции: Аминов Буронкул Аминович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул.Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: buronkul@mail.ru
Всё вышесказанное подчёркивает важность изучения механизма коррозии композитов на основе алюминия и поиска эффективных способов их защиты от коррозии.
С этой целью представляло интерес исследовать коррозионную стойкость металлокомпози-ционных материалов на основе алюминия, полученных методом порошковой металлургии [3].
Исследуемые композиционные материалы на основе алюминия получены методом порошковой металлургии, формовки и прессованием под давлением 500-550 кг/см2 в пресс-форме, затем, перед использованием, были подвёргнуты спеканию при температуре 550-600°С в течение полутора часов в вакууме. В результате горячего прессования получаются изделия с минимальной пористостью, а также с высокой плотностью. Исследуемые объекты имели цилиндрическую форму диаметром 8±0.5 мм и высотой 120±0.5 мм. Для улучшения прессуемости и вязкости в порошок добавлено вспомогательное средство ПЭК (которое используется как связующее при брикетировании и спекании твёрдых веществ) в количестве 1% (по массе), в результате чего трение между частицами порошка и о стенки пресс-формы уменьшается, кроме того, уменьшается износ пресс-формы.
Для обеспечения высокого качества поверхности изделий, с целью повышения их пластичности и снятия наклепа, объекты были подвергнуты отжигу. Отжиг заготовок производился при температуре около 6000С, в течение 2 часов в защитной среде вакуума <1-10-4мм-рт. ст.
В конце полученную смесь дегазируют в вакууме при температуре 0.65-0.85 от температуры плавления алюминия, спекают и подвергают горячей экструзии через фильеру. Обеспечивается повышение физико-механических свойств материала и улучшение эксплуатационных свойств изделий, повышающих экологическую безопасность.
Нерабочая часть образцов изолировалась смолой (смесь 50% канифоли и 50% парафина). Рабочей поверхностью служил торец электрода. Перед погружением образца в рабочий раствор его торцевую часть зачищали наждачной бумагой, полировали, обезжиривали, тщательно промывали спиртом и затем погружали в раствор 0.03; 0.3 и 3%-ного КаС1. Температура раствора в ячейке поддерживалась постоянная 20°С с помощью термостата МЬШ-8.
При электрохимических испытаниях образцы потенциодинамически поляризовали в положительном направлении от потенциала, установившегося при погружении, до резкого возрастания тока в результате питтингообразования. Затем образцы поляризовали в обратном направлении до потенциала - 1.400 мВ, в результате чего происходило подщелачивание приэлектродного слоя поверхности композита. Наконец, образцы поляризовали вновь в положительном направлении.
Исследование коррозионно-электрохимического поведения металлокомпозиционных материалов на основе алюминия проводилось в среде электролита КаС1 с концентрацией 0.03 0.3 и 3% потенцио-динамическом режиме со скоростью развёртки потенциала 2 мВ/сек на потенциостате ПИ-50.1.1 по методике, описанной в работе [4].
Расчёт тока коррозии как основной электрохимической характеристики процесса коррозии проводили по катодной кривой с учётом таффеловской наклонной ДЕк = 0.12В, поскольку в нейтральных средах процесс питтинговой коррозии алюминия и его композитов контролируется катодной реакцией ионизации кислорода [5]. Скорость коррозии в свою очередь является функцией тока коррозии, находимой по формуле:
К - Чарр " к,
где к = 0.335 г/А • ч для алюминия согласно [1].
Результаты исследования представлены ниже на рис. 1 и 2.
Рис.1. Анодные поляризационные кривые композитов на основе алюминия в среде электролита 3%-ного №С1: 1 - Al95%+C5%; 2 - Al90%+C10%; 3 - Al85%+C15%; 4 - Al80%+C20%.
Рис.2. Анодные поляризационные кривые композитов на основе алюминия в среде электролита 3%-ного №С1: 1 - Al 95% + C 2.5% + ^ 2.5%; 2 - Al 90% + C 5% + ^ 5%; 3 - Al 85% + C 7.5% + ^ 7.5%; 4 - Al 70% + C 15% + ^ 15%; 5 - Al 50% + C 25% + ^ 25%.
Из рис. 1 и 2 видно, что анодные поляризационные кривые композитов на основе алюминия смещаются в положительную область. Смещение анодных поляризационных кривых в положительную область почти на 200 мВ также наблюдается с ростом концентрации углерода и меди.
Обычно порошки меди в композитах пассивируются очень слабо, поэтому кислород и другие окислители в атмосфере, водных средах в кислых и щелочных растворах являются деполяризаторами и увеличивают скорость коррозии. Если вода, проходящая через медные порошки, контактирует с порошками алюминия, то коррозия этих металлов значительно усиливается, так как ионы меди осаждаются на поверхности этих металлов, образуя коррозионные гальванические элементы. А при кон-
такте с влажным воздухом образуется нерастворимая плёнка, состоящая из продуктов коррозии меди типа СиС03 • Си(ОН)2 и это ускоряет атмосферную коррозию меди.
Таблица 1
Коррозионно-электрохимические свойства композиционных материалов на основе алюминия
в среде электролита №С1
л ч <и а Состав Электрохимические потенциалы, В Скорость коррозии
композитов, -^св.корр. Епо. 1 •Ю-2 Акорр. К-10-3
О мас. % А/м2 г/м2 • ч
А195+С5 0.624 0.705 0.380 0.393 0.75 2.51
-н о4 Г) А190+С10 0.482 0.512 0.345 0.354 0.77 2.58
А185+С15 0.558 0.726 0.365 0.374 0.84 2.81
А180+С20 0.460 0.675 0.370 0.381 0.91 3.05
О А195+С5 0.790 0.630 0.560 0.572 0.78 2.61
СЗ £ А190+С10 0.790 0.490 0.320 0.335 0.80 2.68
го о А185+С15 0.910 0.565 0.350 0.365 0.88 2.95
А180+С20 1.010 0.475 0.250 0.261 0.94 3.15
о л £ А195+С5 0.700 0.800 0.400 0.415 0.81 2.71
А190+С10 0.500 0.795 0.448 0.427 0.83 2.78
А185+С15 0.712 0.916 0.660 0.678 0.90 3.02
СП А180+С20 0.667 0.950 0.715 0.733 0.97 3.25
Коррозионно-электрохимические параметры процесса анодного растворения композиционных материалов на основе алюминия обобщены в табл. 1 и 2. Из таблицы следует, что добавки углерода и меди смещают в положительную область потенциалы коррозии и свободной коррозии, а также потенциалы питтингообразования и репассивации алюминия. Данная закономерность наблюдается во всех исследованных средах.
Как видно из табл. 1 и 2, наибольшей коррозионной стойкостью обладают композиты на основе алюминия с содержанием углерода.
Склонность алюминия к пассивированию позволяет повышать коррозионную стойкость композитов на основе алюминия путём обработки его поверхности сильными окислителями или с помощью анодного окислителя. При этом толщина защитной оксидной плёнки возрастает в несколько раз.
Коррозионное поведение композитов на основе алюминия зависит даже от малых количеств примесей, причём все эти примеси являются по отношению к алюминию незначительными. Примеси тяжёлых металлов (железо, медь) понижают химическую стойкость материала основы, не только из-за нарушения сплошности защитных плёнок, но и вследствие облегчения катодного процесса.
Высокая коррозионная стойкость, малое тепловое расширение и низкий коэффициент трения, что имеет также важное значение для скользящих контактов, делают композиты с содержанием графита незаменимыми при эксплуатации в предельных условиях.
Таблица 2
Коррозионно-электрохимические свойства композиционных материалов на основе алюминия
в среде электролита №0
л ч <и а Состав Электрохимические потенциалы, В Скорость коррозии
композитов, -^св.корр. -Екорр. -Епо. -^реп. i •Ю-2 Акорр. К-10-3
О мас. % А/м2 г/м2 • ч
О л £ Al95+C2.5+Cu2.5 0.282 0.290 0.140 0.156 0.30 1.01
Al90+C5+Cu5 0.504 0.520 0.255 0.269 0.36 1.17
Al85+C7.5+Cu7.5 0.094 0.125 0.040 0.053 0.41 1.37
СП о Al70+C15+Cu15 0.326 0.330 0.170 0.186 0.43 1.44
о Al50+C25+Cu25 0.280 0.296 0.135 0.152 0.47 1.57
_, Al95+C2.5+Cu2.5 0.424 0.432 0.205 0.211 0.44 1.47
О л £ Al90+C5+Cu5 0.537 0.545 0.265 0.274 0.48 1.61
Al85+C7.5+Cu7.5 0.190 0.208 0.115 0.122 0.54 1.81
0х го Al70+C15+Cu15 0.486 0.494 0.235 0.243 0.61 2.04
©0 Al50+C25+Cu25 0.436 0.444 0.210 0.217 0.65 2.18
Al95+C2.5+Cu2.5 0.625 0.636 0.370 0.388 0.55 1.84
о л £ Al90+C5+Cu5 0.680 0.695 0.405 0.413 0.58 1.94
Al85+C7.5+Cu7.5 0.514 0.522 0.250 0.274 0.63 2.11
СП Al70+C15+Cu15 0.570 0.588 0.300 0.283 0.68 2.28
Al50+C25+Cu25 0.570 0.583 0.270 0.278 0.71 2.38
Таблица 3
Скорость коррозии для композиционных материалов на основе алюминия в среде электролита №0
Состав композитов мас.% Скорость коррозии
i •Ю-2 Акорр. ют-3 i •Ю-2 Акорр. ют-3 i •Ю-2 Акорр. Ауу ют-3
Среда
0.03% ша 0.3% ша 3% ша
Al95+C5 0.75 2.51 0.78 2.61 0.81 2.71
Al90+C10 0.77 2.58 0.80 2.68 0.83 2.78
Al85+C15 0.84 2.81 0.88 2.95 0.90 3.02
Al80+C20 0.91 3.05 0.94 3.15 0.97 3.25
Al95+C2.5+Cu2.5 0.30 1.01 0.44 1.47 0.55 1.84
Al90+C5+Cu5 0.36 1.17 0.48 1.61 0.58 1.94
Al85+C7.5+Cu7.5 0.41 1.37 0.54 1.81 0.63 2.11
Al70+C15+Cu15 0.43 1.44 0.61 2.04 0.68 2.28
Al50+C25+Cu25 0.47 1.57 0.65 2.18 0.71 2.38
Согласно указанной в работе [6] методике, проводили расчёт скорости коррозии, предварительно измерив массу образцов до и после испытаний, определив тем самым коррозионные потери.
Как видно из табл. 3, скорость коррозии исследуемых образцов, увеличивается с добавкой в состав углеродных и медных наполнителей, что указывает на то, что использование порошков углерода и меди в качестве защиты композита основы от неблагоприятного влияния окружающей среды является весьма не эффективным. Это, скорее всего, связано с образованием в покрытии пассивирующих слоев углерода и меди с материалом основы.
На рис. 3 и 4 представлены зависимости скорости коррозии от процентного содержания компонентов в составе композиционных материалов для различных коррозионных сред. Как видно из графиков, скорость коррозии существенно увеличивается с увеличением количества наполнителей.
Следует отметить, что скорость коррозии для композитов с содержанием углерода несколько отличается от композитов с содержанием меди. Это зависит от того, что порошок углерода за счёт своей повышенной реакционной способности позволяет обеспечить дополнительную защиту композита от внутреннего окисления в процессе испытания. Кроме того, углеродные порошки химически стойки даже при повышенных температурах, могут работать в агрессивных средах химической промышленности. Заметное окисление углерода при нагревании на воздухе наступает лишь при температуре выше 700оС. А на поверхности в значительно меньшей степени откладываются накипь и загрязнения, чем на поверхности всех других металлических и неметаллических материалов.
Тем не менее вопрос о возможности применения метода порошковой металлургии как эффективного средства для получения коррозионно-стойких материалов для широкого круга композитов, которые могли бы работать в агрессивных средах, требует проведения дальнейших научно-практических исследований [7].
КIV г я1 ч
Рис.3. Зависимость скорости коррозии для углеродсодержащих композиционных материалов на основе алюминия в среде электролита №С1: 1 - 0.03% №С1; 2 - 0.3% №С1; 3 - 3% №С1.
Рис.4. Зависимость скорости коррозии для углеродмедьсодержащих композиционных материалов на основе алюминия в среде электролита №С1: 1 - 0.03% №С1; 2 - 0.3% №С1; 3 - 3% №С1 (3).
Поступило 19.02.2016 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Синявский В.С., Волков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1979, 640 с.
2. Фрейман Л.И., Макаров В.А., Брыксин И.Е. Потенциостатические методы в коррозионных исследованиях и электрохимической защите / Под ред. акад. Я.М. Колотыркина. - Л.: Химия, 1972, с. 182-240.
3. Андриевский Р.А. Порошковая металлургия. «Спечённые и композиционные материалы». Под. ред. В.Шатта. - М.: Металлургия, 1983, 517 с.
4. Ганиев И.Н., Умарова Т.М., Обидов З.Р. Коррозия двойных сплавов алюминия с элементами периодической системы. - Издательский дом: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, 208 с.
5. Колотыркина Я.М. Металл и коррозия. - М.: Металлургия, 1985, 88 с.
6. Блюменауэр Х. Испытание материалов. - М.: Металлургия, 1979, 448 с.
7. Казанцев И.А., Розен А.Е., Кривенков А.О., Чугунов С.Н. Коррозионная стойкость композиционных материалов на основе алюминия и его сплавов, формируемых микродуговым оксидированием. - Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, 2007, №3, с. 138-142.
Ч,.Б.Аминов, Б.Аминов*
ТАД^И^ОТИ ПОТЕНСИОДИНАМИКИИ МАВОД^ОИ КОМПОЗИТСИОНИИ ДАР АСОСИ АЛЮМИНИЙ СОХТА ШУДА ДАР МУХ,ИТИ ЭЛЕКТРОЛИТИ NaCl
Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.Осими, *Институти физикаю-техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цумхурии Тоцикистон
Дар макола натичадои тадкикоти потенсиодинамикии маводдои композитсионии дар асоси алюминий сохта шуда, дар мудити электролитии NaCl баррасй карда шудааст. Маълумо-ти муфассал оиди таъсири фоизнокии таркибии чузъдо ба устувории зангзании маводдои тадкикотй дода шудааст. Натичадои таъсири омехтагидо ба суръати зангзанй дар маводи асосй пешнидод карда шудааст.
Калима^ои калиди: маводдои композитсионй, металлургияи хокагй, мудити ^уцумкунанда, устуворнокй ба зангзанй, суръати зангзанй.
J.B.Aminov, B.Aminov*
POTENTIOMETRIC STUDY OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON
ALUMINUM IN THE ENVIRONMENT OF ELECTROLYTE NaCl
M.Osimi Tajik Technical University, S.U.Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan The results of potentiometric studies metalcomposite materials based on aluminium in the environment of the electrolyte NaCl is discusses. Detailed information about the impact of the percentage of components on the corrosion resistance of the investigated materials is provided. The data on the influence of the fillers on the corrosion rate of the substrate is presents.
Key words: composite materials, powder metallurgy, aggressive environments, corrosion resistance, the corrosion rate.
