Механизм коррозии материалов системы Al-Zn-РЗМ в растворах солей ванадиевых кислот

Алюминий и его сплавы по объемам производства и потребления занимают второе место после стали. Это обусловлено уникальными свойствами алюминия, среди которых в первую очередь следует отметить высокую прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошую способность к формоизменению путем литья, давления и резания, способность к нанесению защитных покрытий и т. д. В связи с расширением сфер применения алюминиевых сплавов большое внимание уделяется созданию и расширению номенклатуры новых конструкционных материалов с улучшенными технико-экономическими и технологическими антикоррозионными характеристиками.

В последнее время широко используются цинк-алюминиевые покрытия, которые обладают высокими защитными свойствами во многих агрессивных средах, характеризуются высокой термостойкостью и выдерживают воздействие высоких температур (>350°С) без существенного окисления поверхности. Кроме того, указанные сплавы обеспечивают протекторную защиту стальным изделиям.

Одним из методов повышения коррозионной стойкости является легирование сплавов редкоземельными металлами, обладающих рядом весьма ценных свойств.

Коррозионная активность среды зависит от физико-химических свойств компонентов, содержащихся в ней.

Газообразные и минеральные продукты сгорания нефтяного топлива, содержащих кроме соединений серы, фосфора, азота также фазы переменного состава Ка20-Л<�г205, вызывают катастрофическое высокотемпературное коррозионное разрушение узлов и деталей теплоэнергетических установок, авиационных двигателей, дизельных моторов. В более холодной зоне и особенно в зоне конденсации ванадаты, оседающие на металлической поверхности, частично растворимые в водных средах (например, в конденсате), резко повышают их коррозионную активность, как активные деполяризаторы. Высокая скорость ванадиевой коррозии вызывается как быстрым протеканием реакций взаимодействия ванадатов натрия и оксида ванадия (V) с различными металлами, так и тем, что эти реакции происходят обычно в жидкой фазе ввиду низких температур плавления оксида ванадия (V), ряда ванадатов и различных продуктов их коррозионного воздействия на металлы. Низкоплавкие ванадаты, почти не взаимодействующие химически с металлами, оказывают флюсующее действие на оксидные пленки, что также способствует ускорению процесса коррозии. Установлено, что ванадиевой коррозии в меньшей степени подвержены сплавы, легированные алюминием.

Учитывая высокую практическую ценность сплавов алюминия с цинком и редкоземельными металлами, представляет интерес изучение их электрохимического поведения в присутствии соединений ванадия.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой «Исследования и разработка коррозионностойких материалов и покрытий», входящей в тематический план единого заказ-наряда Уральского госуниверситета.

Цель и задачи настоящей диссертационной работы:

1. Изучение кинетики и механизма анодных и катодных процессов на алюминии и его сплавах с цинком и редкоземельными металлами (РЗМ): скандием, иттрием, неодимом, празеодимом, церием в растворах ванадатов с использованием постоянно-и переменнотоковых методов.

2. Исследование влияния условий поляризации, температуры и анионного состава раствора на процесс коррозионного разрушения указанных сплавов.

3. Определение состава анодных оксидных пленок, образующихся на поверхности сплавов, и продуктов коррозии в растворе электролита.

4. Изучение влияния природы и содержания редкоземельных металлов на коррозионную стойкость алюминий-цинковых сплавов.

5. Установление оптимального состава сплава, отличающегося повышенной коррозионной стойкостью.

Практическая ценность. Экспериментально показано, что сплавы алюминия с цинком, микролегированные редкоземельными металлами отличаются повышенной коррозионной стойкостью и являются базовой основой для разработки новых сплавов, необходимых для создания механически прочных деталей в авиационной технике, автомобильной промышленности, в нефтеи газодобывающем производстве. Изучение полученных в работе закономерностей позволяет осуществить более обоснованный подход к выбору перспективных конструкционных металлических материалов и рекомендовать их для производства оборудования, работающего на нефтяном топливе при повышенной температуре, а также в автомобильной и авиационной промышленности.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных конференциях: «Интеранод-93» (Казань, 1993 г.), «Благородные и редкие металлы -94» (Донецк, 1994), на всесоюзной конференции молодых ученых по физической химии (Москва, 1991 г.), на научно-технической конференции по коррозии и защите от коррозии оборудования (Екатеринбург, 1996).

1. Литературный обзор

Выводы.

1. Исследование коррозионно-электрохимического поведения алюминия и его сплава с цинком (45 ат.%) показало, что коррозионная активность возрастает в ряду растворов: МаЛЮ: гНа4У207-Ка3 Ю4 и КН4У0з-Кг03Маг03.

Введение

в раствор Ма3У04 анионов Сг2072″ и 8Ю42″ повышало коррозионную стойкость исследованных сплавов на 85% и 92% соответственно.

2. Растворение сплава А1−457л1 в системах с рН 8.0−9.0 (Ма?Оэ) происходит по селективному механизму с обогащением поверхности алюминием в виде оксидной фазы, накоплением ионов Ъх?'' в приповерхностном слое с последующей их диффузией в глубь раствора. С увеличением рН до 11−13 в системах Ма4¥-207 и Ка3У04 растворение приобретает равномерный характер. Сплавы с высоким содержанием цинка (7п-5А1) в вышеуказанных системах растворяются по равномерному механизму.

3. Сплав А1−452п в исследуемых растворах обладает большей коррозионной стойкостью по сравнению с 7п-5А1, что подтверждается соответствующими значениями плотности тока анодной пассивации, скорости свободной коррозии, поляризационного сопротивленя, а также коэффициентов диффузии компонентов сплава.

4. Микролегирование алюминий-цинковых сплавов редкоземельными металлами способствовало максимальному подавлению коррозионных процессов при содержании РЗМ 0.1 ат %. Увеличение концентрации РЗМ до 0.3ат.% не влияло существенно на скорость коррозии сплавов.

5. Эффект повышения коррозионной стойкости сплава А1−457,п при микролегировании его РЗМ нарастал в раду: Се-У-Рг~Ш-$с. Сплавы с добавками N<1 и 8с по коррозионным параметрам во всех ванадатных системах превосходили алюминий в 2−10 раз.

6. .Анодные оксидные пленки с меньшей толщиной (при одинаковом времени их формирования) обладали более высокими защитными свойствами, о чем свидетельствует понижение плотности тока анодной пассивации при соответствующем повышении электродной емкости.

7. Анодное растворение исследованных сплавов в ванадатных системах характеризуется смешанным диффузионно-кинетическим контролем процесса.

8. Электрической моделью анодно окисленных сплавов в растворе полнванадата натрия является плоский конденсатор с пассивирующей пленкой в качестве изолятора.

9. .Анализ результатов выполненных исследований позволяет осуществить более обоснованный подход к выбору перспективных конструкционных материалов и рекомендовать их для производства оборудования, работающего на нефтяном топливе при повышенной температуре, а также в автомобильной и авиационной промышленности.