CC BY
78
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ________________________________2008, том 51, №10___________________________
ЭЛЕКТРОХИМИЯ
УДК 620.193
Б.Ш.Нарзиев, Р.О.Баротов, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев ПОТЕНЦИОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
Согласно диаграмме состояния системы Л1-М§, при температуре эвтектики в алюминии растворяется 17.4% М§. При понижении температуры растворимость магния резко снижается и в области комнатных температур составляет около 1.4%. Отрицательная роль повышенного содержания магния проявляется при изготовлении прессованных изделий. В связи с этим нами изучались содержащие магний сплавы в пределах от 0.01 до 1%, при постоянном содержании циркония, а также кальция и скандия. Такие низколегированные сплавы представляют собой твердый раствор алюминия, являются однофазными, легко поддаются обработке давлением и могут использоваться в электротехнике как проводники и в качестве защитной оболочки силовых кабелей.
Исследования сплавов проводили потенциодинамическим методом со скоростью развёртки потенциала 10 и 2 мВ/с в среде 3% №С1 и 0.01н №0И на потенциостате ПИ-50-1.1. Методики исследования сплавов описаны в работе [1]. Электрохимические характеристики исследуемых сплавов приведены в табл. 1-4. Из табл. 1 видно, что легирование алюминия магнием и скандием смещает потенциалы свободной коррозии, полной пассивации и питтин-гообразования в отрицательную область. Плотность токов полной пассивации и растворения из пассивного состояния несколько уменьшается. Это подтверждается гравиметрическими исследованиями скорости коррозии сплавов в среде 3% КаС1 + 0.1%оН202 (табл. 2).
При легировании алюминия любыми элементами увеличивается электрохимическая неоднородность, а коррозионная стойкость его определяется природой и количеством легирующих элементов. Наиболее эффективно влияют на кинетику электродных процессов концентрации легирующего алюминий элемента до 1% [2].
Хотя существует мнение, что в сплаве типа твердого раствора коррозионные процессы распространяются равномерно, однако это предположение является условным упрощением и в действительности поверхность сплава типа твердого раствора на атомарном уровне является электрохимически гетерогенной и коррозионный процесс относится к отдельным атомам сплава.
Таблица 1
Влияние магния и скандия на электрохимические характеристики (10 мВ/с) алюминия
в среде 3% ШаС1
Мй 8е* Электрохимические характеристики
мас. % - Есв.кор., В -Епп, В -Епо, В 1пп, мА/см2 Ірпс, мА/см2
0.01 0.01 0.72 1.27 0.65 0.32 0.16
0.01 0.05 0.73 1.26 0.65 0.25 0.13
0.05 0.05 0.74 1.28 0.67 0.29 0.13
0.10 0.05 0.85 1.34 0.67 0.25 0.10
0.20 0.05 0.85 1.35 0.67 0.25 0.10
0.5 0.05 0.87 1.30 0.69 0.28 0.12
А 0.76 1.32 0.68 0.35 0.17
*Al - остальное
В работе [3] указывается, что коррозия металлов начинается с кристаллических и структурных несовершенств и что в основном коррозия протекает на специфических кристаллических участках, которые обладают повышенной энергией и таким образом переходят в раствор более легко. Кристаллические несовершенства могут порождаться наличием инородных атомов с диаметром, отличающимся от диаметра атомов основы, которая их размещает при внедрении. Кроме того, границы зерен твердых растворов представляют собой область стыка двух кристаллических решеток различной ориентации, более того, это области скопления неметаллических включений, которые способны сделать границы зерен областью, благоприятствующей коррозии [4]. Именно на этих участках в основном происходит локальное активирование пассивных поверхностей, приводящее к развитию питтинговой коррозии. Питтинги могут возникать вблизи неметаллических включений различной природы, хотя последние могут сильно отличаться между собой по активности.
Таблица 2
Скорость коррозии алюминия, легированного магнием и скандием в среде 3% ша + 0.1%Н202
Мй 8е Скорость коррозии К.10-2, г/м2-ч
мас. %
0.05 0.05 1.50
0.10 0.05 0.96
0.15 0.05 1.10
0.20 0.05 1.09
0.50 0.05 1.32
А1 1.78
В связи с этим представляется перспективным использование в качестве микродобавок кальция и скандия, являющихся поверхностно-активными элементами, обладающими
большой химической активностью по отношению к газообразующим компонентам сплавов, и выступающими одновременно и в роли раскислителя и модификатора.
Разработка новых алюминиевых сплавов путем введения комплексной лигатуры на основе алюминия с кальцием и скандием позволит улучшить не только их коррозионную стойкость, но и механические и технологические свойства.
Результаты исследования влияния кальция и скандия на электрохимические характеристики исходного сплава Л1+0.1М§+0.052г представлены в табл. 3 и 4. В среде 3% ШаС1 сплавы, легированные отдельно кальцием и скандием, характеризуются более отрицательным потенциалом свободной коррозии, чем исходный сплав. Потенциалы свободной коррозии сплавов, совместно легированных кальцием и скандием, более положительны. Потенциалы полной пассивации и питтингообразования находятся на одном уровне. Плотности тока начала пассивации на потенциодинамических кривых для сплавов, легированных одновременно кальцием и скандием, в два раза ниже, чем для исходного сплава. Раздельно легированные кальцием и скандием сплавы по коррозионной стойкости уступают комплексно легированным сплавам (по величине 1пп, 1рпс) (табл. 3).
Потенциалы коррозии сплавов находятся в области пассивного состояния. Показатель питтингоустойчивости ДЕп.о = (Есв.к-Еп.о) сплавов, легированных кальцием и скандием, в два раза превышают по своей величине показатели для исходного сплава. Минимальные значения плотности токов полной пассивации и растворения из пассивного состояния приходятся на составы сплавов, содержащих по 0.5-0.10% кальция и скандия.
Электрохимические исследования сплавов в щелочной среде (0.01н ШаОН) проводили при скорости развёртки потенциала 2 мВ/с после установления стационарного потенциала. В щелочной среде происходит увеличение толщины гидроксидной плёнки во времени, что приводит к частичному пассивированию поверхности, смещению потенциала свободной коррозии в более положительную сторону, что указывает на электрохимический характер процесса коррозии алюминия и его сплавов в растворах щелочей [5,6].
Потенциалы свободной коррозии сплавов устанавливаются в течение 45-60 мин, а наиболее значительное смещение их в более положительную пассивную область наблюдается для сплавов, совместно легированных скандием и кальцием (табл.4). В неперемешивае-мых растворах лимитирующими стадиями для алюминиевых сплавов являются процессы электрохимического растворения металла и диффузия ионов (ОН-) к поверхности электрода с образованием гидроксидов. Данные табл. 4 показывают, что добавки кальция 0.03-0.07% и скандия 0.05-0.07% являются достаточными для достижения поставленной цели.
Таблица 3
Влияние скандия и кальция на электрохимические характеристики (10 мВ/с) низколегированного алюминиевого сплава Л1+0.1М§+0.052г в среде 3% №С1
Са 8с Электрохимические характеристики
мас. % - Есв.к., В - Епп, В -Еп.о., В 1пп, мА/см2 Ірпс, мА/см2
- 0.05 0.850 1.32 0.69 0.25 0.15
- 0.10 0.855 1.33 0.68 0.23 0.14
- 0.15 0.820 1.29 0.68 0.20 0.12
0,05 - 0.820 1.32 0.62 0.20 0.12
0,10 - 0.845 1.33 0.62 0.17 0.13
0,15 - 0.820 1.29 0.68 0.20 0.12
0,10 0.05 0.730 1.25 0.62 0.15 0.11
0,05 0.10 0.790 1.34 0.65 0.15 0.10
0,05 0.05 0.760 1.30 0.62 0.17 0.12
А1 0.740 1.32 0.68 0.23 0.14
Л1+0.1Ые+0.052г 0.805 1.32 0.69 0.30 0.16
Улучшение коррозионной стойкости или одновременное повышение механических и коррозионных свойств может быть достигнуто в результате термической обработки [7]. Исследуемые сплавы гомогенизировали при 773 К в течение 2.5 ч с последующей закалкой в холодной воде. Результаты исследования сплавов до- и после термообработки представлены в табл.4. Таким образом, если повышение коррозионной стойкости сплавов в щелочной среде при совместном легировании кальцием и скандием происходит на 20%, то термообработкой можно повысить ее на 30-40% по сравнению с исходным алюминием, что, по-видимому, связано с увеличением растворимости легирующих добавок в алюминии. Проведенные электрохимические исследования были подтверждены измерениями скорости коррозии сплавов гравиметрическим методом (табл. 4).
Полученные данные дают возможность целенаправленно и рационально использовать эту группу металлов при создании новых материалов для электротехнической отрасли.
Для электротехнических материалов важное значение имеет измерение их электросопротивления. Выбор легирующих добавок обосновывается их влиянием на физикомеханические, технологические свойства, электросопротивление исходного сплава. Полученные сплавы перед испытанием подвергались термообработке по режиму Т5 (отжиг при 773 К в течение 2.5 ч и искусственном старении при 490 К, 3 ч). Измерения электросопротивления сплавов проводили компенсационным методом.
Таблица 4
Влияние термообработки на электрохимические характеристики (2 мВ/с) и скорость корро-
зии низколегированного алюминиевого сплава Al+0.1Mg+0.05Zr в среде G.G^ NaOH
Са Sc Электрохимические характеристики Скорость коррозии, К-10"2
мас. %. -Есв.к., В -Е пас., В 2 с., 2м с < I м I пас., мАсм2 г/м2-ч
До термообработки После те рмообработки
- G.G5 1.2G 1.12 G.39 G.21 0.82
- G.1G 1.28 1.16 G.38 G.22 0.88
- G.15 1.26 1.17 G.5G G.25 1.15
G.G5 - 1.15 1.11 G.4G G.34 0.82
G.1G - 1.24 1.18 G.48 G.24 0.93
G.15 - 1.2G 1.16 G.48 G.26 1.08
G.1G G.G5 1.25 1.29 G.4G G.22 0.78
G.G5 G.1G 1.19 1.17 G.35 G.21 0.91
G.G5 G.G5 1.15 1.11 G.38 G.18 0.72
Лі 1.3G 1.25 G.43 G.32 1.23
ЛІ+G.I Mg+G.G5Zr 1.27 1.17 G.45 G.36 0.90
Повышение содержания скандия мало влияет на электросопротивление исходного сплава Л1+0.1М§+0.052г. Легирование алюминия магнием и цирконием несколько снижает его электропроводность. Электросопротивление алюминия составляет 2.86-10" ом.м, а у
о
сплава Л1+0.1М§+0.052г- 3.23.10" ом.м в нетермообработанном состоянии.
Выводы
Выполненные исследования позволяют разработать на основе алюминия и его низколегированных сплавов новые материалы для изделий электротехнической промышленности. Разработанные сплавы отличаются повышенной коррозионной стойкостью и удовлетворительной электропроводностью.
Институт химии им. В.Н.Никитина Поступило 17.06.2008 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Умарова Т.М., Ганиев И.Н. Коррозия двойных алюминиевых сплавов в нейтральных средах. Ду
шанбе: Дониш, 2007, 257 с.
2. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов - М.: Ме
таллургия, 1986, 368 с.
3. Palmor David I. - Corrosion Еп§теегт§. 1973, т.57, №3, p. 56-59.
4. Talbot I. - Corele d Etutes de metaux Bulletin, 1967, т.10, № 6, р. 239-253.
5. Умарова Т.М., Хакимов А.А., Ганиев И.Н. - ЖПХ, 2008, т.81, вып.1, с.71-74.
7б3
6. Паутов В.П., Лупенко Г.К., Стениловская Л.Н., Андросова Е.В. - Защита металлов, 1985, №3, с. 475-478.
7. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы. М.: Наука, 1972, 552 с.
Б.Ш.Нарзиев, Р.О.Баротов, И.Н.Ганиев ТАЗДИЦОТИ ПОТЕНСИОДИНАМИКИИ ХУЛА^ОИ КАМЛЕГИРОНИДАШУДАИ АЛЮМИНИЙ БАРОИ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Дар асоси тахдидотхои электрокимиёвй устуворй ба коррозияи хулахои камлеги-ронидашудаи алюминий омухта шуда, таркибхои нав барои электротехника пешниход карда шудаанд.
B.Sh.Nazriev, R.O.Barotov, I.N.Ganiev POTENTIODYNAMICAL INVESTIGATION OF THE LOW ALUMINIUM ALLOYS USING FOR ELECTROTECHNOLOGY
The corrosion stability of the low aluminium alloys has been investigated by electrochemical methods. Аs the result of these studies new aluminium alloys for electrotechnology have been proposed.
