Full Text

Введение В настоящее время сплавы на основе алюминия широко применяются в качестве конструкционных материалов. С одной стороны, они демонстрируют уникальное сочетание важных эксплуатационных характеристик (прочности, пластичности, коррозионной стойкости и т.д.) с низкой плотностью в сравнении со сталью и медными сплавами. С другой стороны, алюминий - один из наиболее распространенных в природе элементов, занимает по содержанию в земной коре третье место (до 8 %). За последние годы происходило активное наращивание темпов его производства (более 60 млн т в год) и потребления (около 90 млн т в год), и теперь алюминий уверенно занимает первое место по этим показателям среди всех цветных металлов [1-3]. Известно, что сплавы эвтектических составов обладают наилучшими литейными свойствами. Наиболее распространенными из них являются силумины. Однако их физико-механические и некоторые эксплуатационные характеристики в настоящее время часто не удовлетворяют требованиям техники, а резервы их улучшения исчерпаны. Из-за низкой пластичности силуминов детали, изготовленные из них, не выдерживают даже незначительные ударные нагрузки. Из этих сплавов сложно получить комбинированные детали - частично литые, частично деформированные [4; 5]. Железо представляет собой основную примесь в алюминиевых сплавах, при производстве первичного алюминия с помощью процесса Байера и процесса электролитического восстановления Холла - Эру. Еще одним источником железа в алюминии может быть лом металлургического алюминия. В некоторые сплавы железо добавляется в качестве легирующего элемента для увеличения твердости, но оно также увеличивает хрупкость сплава [6]. Растворимость железа в твердом алюминии очень низкая и составляет 0,04 масс.% при 625 °C [7]. Поэтому железо образует интерметаллические фазы. В зависимости от химического состава и условий затвердевания микроструктура сплавов Al-Si может содержать следующие интерметаллические фазы: α-Al8Fe2Si, β-Al5FeSi и δ-Al-9FeSi2 в качестве первично кристаллизованных фаз. Наиболее часто выделяющейся фазой в сплавах Al-Si является β-Al5FeSi. Фаза β-Al5FeSi отрицательно влияет на механические свойства. Иглы этой фазы имеют насечки в микроструктуре. Вдоль иголок β-Al5FeSi могут появляться трещины [8]. Известно, что благодаря целому ряду сочетаний свойств висмут нашел применение в промышленности, металлургии, электронике и т.д. При легировании сплавов щелочноземельными металлами в результате изменения структуры улучшаются механические свойства и повышается их жаростойкость. В связи с тем что механизм электрохимической коррозии алюминиевых сплавов в нейтральной среде электролита NaCl носит анодный характер, необходимо определить параметры данного процесса. В литературе сообщается о положительном влиянии щелочноземельных металлов на коррозионную устойчивость алюминиевого сплава АЖ5К10 [9-13]. Цель настоящей работы состоит в исследовании влияния добавок висмута на коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевого сплава АЖ5К10 на основе низкосортного алюминия в среде электролита NaCl. Для достижения поставленной цели необходимо определять основные электрохимические параметры и скорость коррозии алюминиевого сплава АЖ5К10, содержащего висмут. Материалы и методы исследования Сплавы для коррозионно-электрохимических исследований, получали в шахтной печи сопротивления типа СШОЛ при температуре 850 °С с добавлением висмута к сплаву АЖ5К10. Химический состав полученных сплавов контролировался квантометрическим методом в Центральной заводской лаборатории ГУП «Таджикская алюминиевая компания» на предмет содержания железа и кремния. Из полученных сплавов отливали в графитовую изложницу стержни диаметром 8 мм и длиной 140 мм. 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 NaCl. Температура раствора в ячейке поддерживалась постоянная 20 °С с помощью термостата MLШ-8. Для изучения электрохимических свойств сплавов применяли потенциостатический метод исследования, подробно описанный в работах [14-21]. Электрохимические испытания образцов проводили потенциостатическим методом в потенциодинамическом режиме на потенциостате ПИ-50-1.1 со скоростью развертки потенциала 2 мВ/с, в среде электролита NaCl. Электродом сравнения служил хлорид-серебряный, вспомогательным - платиновый. В качестве примера на рис. 1 представлена полная поляризационная диаграмма для исходного сплава AЖ5К10 в среде электролита - 3,0%-ного NaCl. Образцы потенциодинамически поляризовали в положительном направлении от потенциала, установившегося при погружении, до резкого возрастания тока в результате питингообразования (рис. 1, кривая І). Затем образцы поляризовали в обратном направлении (рис. 1, кривая ІІ) и по пересечению кривых І и ІІ определяли величину потенциала репассивации. Далее шли в катодную область до значения потенциала -1,2 В для удаления оксидных пленок с поверхности электрода (рис. 1, кривая ІІІ) в результате подщелачивания при электродной поверхности. Наконец, образцы поляризовали вновь в положительном направлении (рис. 1, кривая ІV), и из анодных кривых определяли основные электрохимические параметры процесса анодной коррозии сплавов. Рис. 1. Полная поляризационная (2 мВ/с) кривая алюминиевого сплава AЖ5К10, в среде электролита 3,0%-ного NaCl На полученных таким образом поляризационных кривых определяли основные электрохимические характеристики сплавов: потенциал питтингообразования (Еп.о.), потенциал и ток коррозии (Екор. и iкор.). Потенциал репассивации (Ер.п.) определялся графически как первый изгиб на обратном ходе анодной кривой или как точка пересечения прямого и обратного хода. Расчет тока коррозии как основной электрохимической характеристики процесса коррозии проводили по катодной кривой с учетом тафеловской наклонной вк = 0,12 В, поскольку в нейтральных средах процесс питтинговой коррозии алюминия и его сплавов контролируется катодной реакцией ионизации кислорода. Скорость коррозии, в свою очередь, является функцией тока коррозии, находимой по формуле: К = iкор. · к, где к = 0,335 г/А·ч - электрохимический эквивалент алюминия [22; 23]. Результаты и их обсуждение Результаты коррозионно-электрохимических исследований алюминиевого сплава АЖ5К10 с висмутом в среде электролита NaCl представлены на рис. 2-6 и в таблице. Коррозионно-электрохимические характеристики алюминиевого сплава АЖ5К10 с висмутом в среде электролита NaCl Среда NaCl, масс.% Содержание висмута в сплаве, масс. % Электрохимические потенциалы, В (х.с.э.) Скорость коррозии -Есв.кор. -Екор. -Еп.о. -Ерп. iкор.102, А/м2 К∙103, г/м2∙ч 0,03 - 0,750 0,993 0,644 0,737 3,7 12,39 0,01 0,518 0,915 0,519 0,723 3,5 11,72 0,1 0,474 0,899 0,499 0,704 2,9 9,71 0,5 0,469 0,887 0,489 0,694 2,7 9,04 1,0 0,459 0,869 0,469 0,674 2,4 8,04 0,3 - 0,950 1,060 0,660 0,780 4,6 15,42 0,01 0,714 0,964 0,548 0,768 4,1 13,73 0,1 0,674 0,938 0,518 0,728 3,5 11,72 0,5 0,664 0,924 0,498 0,713 3,2 10,72 1,0 0,638 0,908 0,498 0,698 3,0 10,05 3,0 - 1,000 1,110 0,700 0,900 5,8 19,43 0,01 0,824 0,988 0,568 0,802 5,4 18,09 0,1 0,749 0,967 0,558 0,778 4,7 15,74 0,5 0,710 0,958 0,548 0,758 4,4 14,74 1,0 0,702 0,942 0,533 0,758 4,0 13,40 Исследования показывают, что добавки висмута в пределах 0,01-1,0 % способствуют смещению потенциала свободной коррозии в положительную область во всех трех исследованных средах (рис. 2). При этом потенциалы питингообразования и репассивации также смещаются в положительную область значений. Добавки висмута до 1,0 масс.% снижают скорость коррозии исходного сплава в 1,5-2 раза. Стабилизация потенциала свободной коррозии наблюдается в течение 20-30 мин от начала погружения электрода в электролит. Сплав АЖ5К10, содержащий 0,5-1,0 масс.% висмута характеризуется более положительным значением потенциала свободной коррозии (рис. 2). В таблице представлены коррозионно-электрохимические характеристики сплава АЖ5К10 в среде электролита NaCl различной концентрации. Как видно с ростом содержания висмута в исходном сплаве АЖ5К10 и уменьшением концентрации хлорид-иона, потенциалы коррозии, питтингообразования и репассивации смещаются в положительную область значений. Это сопровождается уменьшением скорости коррозии исходного сплава почти в 2 раза. Зависимость скорости коррозии алюминиевого сплава АЖ5К10 от содержания висмута в среде электролита NaCl представлена на рис. 3, 4. Скорость коррозии и плотность тока коррозии имеют минимальное значение при легировании исходного сплава АЖ5К10 1,0 масс.% висмутом (1,5-2 раза меньше по сравнению с исходным сплавом). Следовательно, указанный состав сплавов является оптимальным в коррозионном отношении. Увеличение концентрации хлорид-иона способствует росту скорости коррозии сплавов (рис. 4). При этом электрохимические потенциалы смещаются в отрицательную область. С ростом концентрации висмута Рис. 2. Временная зависимость потенциала (х.с.э.) свободной коррозии (-Есв.кор., В) сплава АЖ5К10 (1), содержащего висмут, масс.%: 0,01 (2); 0,05 (3); 0,1 (4); 0,5 (5); 1,0 (6), в среде электролита 0,03 % (а); 0,3 % (б) и 3%-ного (в) NaCl Рис. 3. Зависимость скорости коррозии алюминиевого сплава АЖ5К10 от концентрации висмута в среде электролита 0,03 % (3); 0,3 % (2) и 3,0%-ного (1) NaCl Рис. 4. Зависимость плотности тока коррозии алюминиевого сплава АЖ5К10 (1), содержащего висмут, масс.%: 0,01 (2); 0,05 (3); 0,1 (4); 0,5 (5); 1,0 (6) от концентрации NaCl анодные кривые легированных сплавов смешаются в положительную область, что сопровождается сдвигом потенциалов свободной коррозии (Есв.кор.), питтингообразования (Еп.о.) и репассивации (Ерп.) в область положительных значений (таблица). Выводы Применение алюминиевых сплавов как конструкционных материалов во многом обусловлено их стойкостью против коррозии и как анодных материалов с отрицательным рабочим потенциалом по отношению к железу и его сплавам. Сплавы алюминия относятся к материалам с большой химической активностью, которые легко вступают в соединение с кислородом. В результате такого процесса на их поверхности мгновенно образуются тонкие оксидные пленки, толщина которых в естественных условиях достигает 0,01-0,02 мкм и может быть увеличена путем химического или анодного оксидирования до 5 или 50 мкм соответственно. Рис. 5. Микроструктуры (ув. × 10) алюминиевого сплава АЖ5К10 Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов в различных агрессивных средах во многом зависит от стойкости в этих средах оксидной пленки, а также от химического состава сплава, вида термической обработки поверхности детали. Известно, что на коррозионную стойкость алюминиевого сплавов отрицательно влияют добавки железа, никеля, олова, свинца и других примесей [24]. Коррозионная стойкость таких сплавов определяется не только химическим составом, но и характером кристаллизации первичных фаз, т.е. формой их выделения (рис. 5). Как известно, модификацией (измельчением) двойной и тройной эвтектик в структуре сплава можно значительно изменить как механические свойства, так и коррозионную стойкость. Улучшение коррозионной стойкости исходного сплава АЖ5К10 объясняется модифицирующим действием на микроструктуру двойных эвтектик (α - Al+Si), (α - Al+Al3Fe), а также тройной эвтектики (α - Al+SiFeSiAl5). Повышение качества алюминиевых протекторов неразрывно связано с разработкой новых марок литейных проекторных сплавов и прогрессивных технологических процессов плавки и литья, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей производства и применение литых протекторов. Качество протекторов зависит также от химического состава, структуры литого металла и так называемых рабочих потенциалов протектора. Как видно из таблицы, потенциал коррозии сплавов составляет -0,993 ÷ -1,110 В, что 2÷2,5 раза меньше, чем у железа. Разница потенциала между стальной конструкцией и протектора в нашем случае составляет 0,550÷0,600 В, что обеспечивает высокий уровень коррозионной стойкости конструкции от коррозии [24; 25].

About the authors

I. N Ganiev

Institute of Chemistry named after V.I. Nikitin National Academy of Sciences of Tajikistan

N. R Nurov

Technical College Tajik Technical University named after M.S. Osimi

U. Sh Yakubov

Institute of Chemistry named after V.I. Nikitin National Academy of Sciences of Tajikistan

K. Boturov

Physico-Technical Institute named after S.U. Umarov National Academy of Sciences of Tajikistan

References

Statistics

Views

Abstract - 148

PDF (Russian) - 82

Refbacks

• There are currently no refbacks.