Влияние внешних факторов на процесс коррозии алюминиевого сплава АД–31 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Неверов А. С., Приходько И. В., Павленко А. П.

Рассмотрен процесс коррозионного разрушения алюминиевого сплава АД–31 в ус-ловиях воздействия кислых и щелочных сред, а также в присутствии солей жесткости. Изучен механизм коррозии алюминиевого сплава в присутствии более электроположи-тельных металлов и при наличии внешнего электрического потенциала.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Неверов А. С., Приходько И. В., Павленко А. П.

Текст научной работы на тему «Влияние внешних факторов на процесс коррозии алюминиевого сплава АД–31»

ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС КОРРОЗИИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АД-31

А. С. НЕВЕРОВ, И. В. ПРИХОДЬКО, А. П. ПАВЛЕНКО

Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», г. Гомель

Одним из важнейших условий коррозионного разрушения металлов является наличие агрессивной окружающей среды. Но для различных металлов условия коррозии не идентичны. К примеру, алюминий корродирует в кислотах и щелочах интенсивнее, чем в воде, причем в кислотах скорость коррозии зависит от природы аниона. При использовании серной кислоты для создания кислотной среды скорость коррозии при комнатной температуре минимальна в диапазоне рН ^ 4 [1]. В щелочных растворах скорость коррозии алюминия быстро увеличивается с ростом рН, в отличие от железа и стали, которые в этих средах коррозионностойки [10].

Алюминий не встречается в чистом виде, так как на воздухе он покрывается тонким плотным слоем окиси, предохраняющий металл от коррозии, и эта защитная пленка предохраняет его от растворения в воде. Наличие щелочной среды способствует разрушению оксида алюминия и интенсификации коррозионного процесса с образованием солей алюминиевой кислоты [8]. Причина в том, что А13+ легко реагирует с ОН- с образованием АЮ^ [9]. Процесс идет по реакции

А1 + ШОН + Н20 ^ №АЮ2 + ^Н2. (1)

Эта реакция быстро протекает при комнатной температуре даже в разбавленных растворах щелочей, в то время как аналогичная реакция железа с образованием NaFeO2 и №^еО2 происходит в концентрированных щелочах и при высоких температурах.

По этой причине при катодной защите алюминия следует избегать перезащиты, чтобы не допустить разрушения металла в результате концентрирования щелочей на катодной поверхности. Агрессивны по отношению к алюминию известь Са(ОН)2 и некоторые высокоосновные органические амины (кроме КН4ОН), поэтому на поверхности алюминия при контакте с ними может наблюдаться выделение водорода, что также ведет к разрушению.

Значение алюминия и его сплавов в современной мировой промышленности очень велико. Самое широкое распространение они получили в авиационной, автомобильной промышленности, а также не редки случаи применения сплавов алюминия в быту. Достаточно широко используется алюминиевый сплав АД-31, имеющий достаточно высокую коррозионную стойкость [7], однако ряд внешних факторов может оказать влияние на процесс коррозии сплава.

В данной работе рассмотрено влияние солей жесткости, pH среды и воздействие внешнего электрического потенциала на коррозионное разрушение металла.

Коррозионные испытания образцов из алюминиевого сплава АД-31 проводили по ГОСТу 9.913-90 в соответствии с общими требованиями проведения коррозионных испытаний (ГОСТ 9.905-82).

Образцы представляли собой пластины размером приблизительно 30 х 40 х 1,6 мм; площадью 24 см . Испытания проводили в условиях полного погружения в коррозионную среду, представляющую собой дистиллированную воду, требуемое значение рН которой создавали добавлением гидроксида натрия (№ОН). Для испытаний приготавливали растворы с рН = 7; 8; 9; 9,3; 10,3 и 10,5. В раствор с рН = 10,5 добавляли растворимую соль кальция (СаС12) для создания определенного значения жесткости (Ж = 11,84 ммоль экв/л).

В каждый раствор помещали по семь маркированных образцов. Образцы с одинаковыми номерами были идентичными по составу, так как были вырезаны из одного и того же листа металла.

Образцы устанавливали вертикально в стеклянный стакан емкостью 500 мл, отделяя их друг от друга стеклянными пластинами, и полностью заливали раствором. Испытания проводили при температуре 60 °С в термошкафу СНОЛ-3,5. Время коррозионных испытаний 16 суток. Через каждые 4 суток образцы извлекали из раствора, высушивали в сушильном шкафу (^ = 105 °С) до постоянной массы и взвешивали на аналитических весах ВЛР-200 с точностью до 5 • 10-5 г. Для контроля рН использовали цифровой рН-метр марки рН-150М. Структуру поверхности образцов изучали с помощью стереоскопического микроскопа МБС-9 при увеличении 56х. Для фиксирования микроструктуры использовали микрофотонасадку МФН-3.

Для исследования коррозии под действием внешнего электрического потенциала были проведены следующие испытания. В электролит погружены два электрода. Один представляет собой прямоугольную пластину из сплава АД-31, а другой - фрагмент латунного крана. Электроды замкнуты на контакты универсального источника питания - УИП 2. Продолжительность испытаний - 1 час при напряжении 100 В.

Результаты испытаний и их обсуждение

Анализ полученных результатов показывает, что для всех образцов за время испытаний (16 суток) наблюдалось изменение массы (±0,01-0,03 %). Как показывают рис. 1а-1г (выполненные для образцов № 1 и 7), в средах с рН < 9 масса образцов в процессе испытаний уменьшалась, а в средах с большим рН увеличивалась. Это является свидетельством изменения механизма протекающих коррозионных процессов. Для образцов других серий зависимости анологичные.

Рис. 1а. Зависимость изменения массы образцов № 1 от pH среды (pH среда < 9)

Рис. 1б. Зависимость изменения массы образцов № 1 от pH среды (pH среда > 9)

Рис. 1в. Зависимость изменения Рис. 1г. Зависимость изменения

массы образцов № 7 °т pH среды массы образцов № 7 от pH среды

(pH среда < 9) (pH среда > 9)

Результаты исследований проведенных со всеми образцами сведены в общий график, показанный на рис. 2.

Рис. 2. Схема изменения массы алюминиевых образцов в зависимости от рН среды за время испытаний (16 суток) при температуре среды 60 °С

Визуальное рассмотрение поверхности, а также их микрофотографий подтверждает это предположение. После проведения испытаний при pH менее 9 поверхность образцов практически не отличается от исходной. Она блестящая светлая и на ней не наблюдается следов отложения алюмината натрия. При рН более 9 поверхность усеяна областями, окрашенными в темный цвет, и масса образцов начинает возрастать (рис. 3).

Это соответствует литературным данным [2], согласно которым скорость коррозии алюминия минимальна в диапазоне рН = 4-8,5. В щелочных растворах скорость коррозии увеличивается с ростом рН, так как алюминий легко реагирует с ионами ОН- с образованием АЮ^.

Эта реакция быстро протекает уже при комнатной температуре. Образующийся алюминат отлагается на поверхности алюминия и обусловливает увеличение массы образца и изменение цвета его поверхности. Образовавшаяся пленка алюмината оказывает некоторое тормозящее действие на развитие коррозионного процесса.

Рис. 3. Поверхность образца после испытаний на выдержку при полном погружении в среде с рН > 9 в течение 16 дней (Т =60 °С)

В нейтральной среде (рН = 7-8) преобладает анодное растворение алюминия, проявляющееся весьма незначительно вследствие пассивации алюминия водой. Пассивации способствует растворенный в воде кислород. Содержание его в воде снижается при повышении ее температуры. Поэтому нагревание воды интенсифицирует протекание коррозионных процессов. Характер и величина изменения массы практически одинаковы для всех 7 серий образцов. Максимальная величина ее изменения

в зависимости от рН находится в пределах ±0,03 %, что в расчете на площадь образ-

25 см соответствует скорости коррозии 0,02 г/(м • сут). Это подтверждает содержащиеся в литературе сведения [3] о том, что среди сплавов алюминия сплав АД-31 отличается наибольшей коррозионной стойкостью.

Жесткость воды характеризуется содержанием в растворе ионов кальция

Са [4]. Известно, что для таких катионов как калий, натрий, кальций и т. д. коррозионное влияние проявляется незначительно и их агрессивность снижается в приведенной последовательности [5]. Результаты экспериментов показывают, что существенного изменения массы образцов при добавлении солей кальция не наблюдается (рис. 1).

Коррозионный процесс ускоряет присутствие в растворе ионов меди и наличие внешнего электрического потенциала.

В процессе электролиза под действием внешнего электрического потенциала в начальный момент электролит практически не содержит ионов меди, поэтому восстанавливается вода. Образующиеся анионы гидроксила взаимодействуют с единичными катионами меди, затрудняя проникновение их к катоду и восстановление на нем.

К : 2^0 + 2е ^ ^ + 2OH-Си2+ + 20H- ^ Си(0Щ2 I (2)

В дальнейшем при накоплении в растворе ионов меди они начинают восстанавливаться на катоде, формируя хорошо заметное покрытие.

Наряду с описанными процессами на катоде происходит растворение алюминия в щелочной среде, образующейся при протекании катодного восстановления воды (1).

За счет этой реакции масса алюминиевого катода заметно уменьшается. Наблюдаемое в этом случае появление пузырьков водорода на алюминии подтверждает это предположение.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что масса электродов продолжает изменяться после проведения электролиза и отключения источника электрического напряжения. При этом масса латунного электрода уменьшается только в том случае, если в процессе электролиза он был анодом, а когда он выступает в качестве катода, масса не только не уменьшается, но даже несколько возрастает за счет оседания на электроде продуктов электролиза. Масса алюминиевого электрода также уменьшается при стоянии в электролите, но в значительно меньшей степени. Это можно объяснить тем, что в процессе электролиза с поверхности металла удаляется защитный оксидный слой, препятствующий растворению металла [6]. В связи с инертностью меди оксидный слой на ее поверхности возобновляется очень медленно, а активный алюминий окисляется практически мгновенно. Кроме того, после проведения электролиза поверхность латунного анода фактически покрыта слоем медного порошка за счет преимущественного растворения зерен металла, обогащенных цинком, - избирательная коррозия (рис. 4).

Вследствие этого суммарная площадь поверхности, на которой происходит растворение металла, также очень велика, что и обусловило заметное изменение массы.

Рис. 4. Микрофотографии латунного электрода после проведения электролиза

(и = 100 В, т = 1 ч)

В данной работе рассмотрено влияние pH среды, присутствие солей жесткости и внешнего потенциала на процесс коррозии алюминиевого сплава АД-31. По результатам анализа экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что pH среды оказывает большое влияние на интенсивность разрушения металла, независимо от того, кислотная она или щелочная. Таким образом, это наиболее оптимальный вариант эксплуатировать изделия из АД-31 в нейтральной или близкой к нейтральной среде. Присутствие солей жесткости не оказывает существенного влияния на коррозионное поведение исследуемых образцов. Анализ воздействия внешнего потенциала показал значительное разрушение исследуемых образцов вследствие электролиза. Таким образом, выявление и устранение коррозионных факторов - один из наиболее эффективных способов продления срока эксплуатации механизмов и оборудования.

1.Шлугер, М. А. Коррозия и защита металлов / М. А. Шлугер, Ф. Ф. Ажогин, В. А. Ефимов. - Москва : Металлургия, 1981. - 216 с.

2. Улиг, Г. Г. Коррозия и борьба с ней / Г. Г. Улиг, Р. У. Реви. - Ленинград : Химия, 1989.- 456 с.

3. Конструкционные материалы: справочник /Б.Н. Арзамасов [и др.] ; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. - Москва : Машиностроение, 1990.

4. Неверов, А. С. Коррозия и защита металлов / А. С. Неверов, Д. А. Родченко, М. И. Цырлин. - Минск : Выш. шк., 2007. - 83 с.

5. Тодт, Ф. Коррозия и защита от коррозии : пособие для студентов вузов / Ф. Тодт ; под ред. П. Н. Соколова. - Ленинград : Химия, 1966. - 524 с.

6. Герасименко, А. А. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений : справочник / А. А. Герасименко. - Москва : Машиностроение, 1987.- Т. 1.-С. 11.

7. Цыкановский, Е. Ю. Фасадные системы ДИАТ: безопасность и долговечность / Е. Ю. Цыкановский //Конф. по стр-ву. - Режим доступа: http://www.know-house.ru/dsp/.

8. Стругацкий, М. К. Общая химия / М. К. Стругацкий, Б. П. Надеинский. - Москва : Высш. шк., 1965. - 237 с.

9. Бык, М. В. Об участии гидрооксидных ионов в анодном растворении металлов в водных растворах электролитов / М. В. Бык, Д. А. Ткаленко, Д. М. Ткаленко // Защита металла. - 2004. - № 3. - С. 321-324.

10. Моисеева, Л. С. Влияние величины pH на коррозионное поведение стали в водных средах, содержащих С02 / Л. С. Моисеева, Н. С. Рашевская // Журн. прикладной химии. - 2002. - № 10. - С. 1659-1667.