Ускоренные коррозионные испытания металлов с гальванопокрытием

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ускоренные коррозионные испытания металлов с гальванопокрытием

Хмелёв В.В.

Новоселов Ю.Н.

Щеглова Е.Н.

Аннотации

Разработана методология назначения режимов коррозионных испытаний металлов с гальванопокрытием, приведены результаты экспериментальных работ, сделан вывод по коррозионной стойкости покрытий в условиях эксплуатации.

Ключевые слова:

коррозия, испытания, гальванопокрытия, срок службы.

Abstract:

a methodology was Developed for assigning modes of corrosion testing of metals by electroplating, the results of experimental work, concluded on the corrosion resistance of coatings in operating condition.

Keywords:

operation, corrosion, accelerated corrosion test, galvanic, life.

Проанализированы внешние воздействующие факторы, выделены факторы влияющие на динамику атмосферной коррозии металлов. Проведен анализ процессов возникновения и протекания коррозии. Разработана методология проведения ускоренных коррозионных испытаний, представлены режимы проведения испытаний. Приведены результаты ускоренных коррозионных испытаний на образцах с гальванопокрытиями: кадмиевое с хроматированием, цинковое с хроматированием и медное. В заключении выданы рекомендации по применению рассмотренных гальванопокрытий. коррозионный металл гальванопокрытие

Изделия РКТ разработки НПО "Искра", как правило, предназначены для эксплуатации в макроклиматических районах с умеренным и холодным климатом по ГОСТ 15150 [1]. Для северных и восточных районов эксплуатации по ГОСТ 16350 [2] определяющими воздействиями являются пониженные температуры и перепады температур, для западных и южных районов - повышенные температуры и повышенная влажность воздуха. Кроме того, расположение баз хранения и эксплуатации изделий вблизи морей и солёных озёр обуславливает воздействие на конструкцию морского (соляного) тумана. Также особенностями климатической модели эксплуатации является размещение поверхностей (внутри или снаружи изделий) и этапы жизненного цикла изделий: производственный цикл изготовления, хранение и транспортирование к месту эксплуатации, нахождение в стадии ввода в эксплуатацию, эксплуатация, хранение и транспортирование при эксплуатации, средний и капитальный ремонт.

Все факторы, приводящие к атмосферной коррозии металлов, можно разделить на две группы: внутренние и внешние. Внутренние факторы связаны с природой материала (структура, состав, состояние поверхности, внутренние напряжения и т.п.). Внешние - с составом коррозионной среды и условиями эксплуатации (температура, относительная влажность воздуха (ОВВ), солнечное излучение и т.п.) [3-9].

Морская атмосфера обладает очень жёстким коррозионным воздействием из-за постоянного наличия на поверхности металла плёнки влаги с растворёнными в ней солями морской воды, что способствует длительному протеканию коррозионных процессов с большой скоростью коррозии [7-9]. Содержащиеся в морской атмосфере хлор-ионы играют роль активаторов, нарушающих пассивное состояние металлов. Периодический контакт металла с морской атмосферой (морской водой) при эксплуатации способствует возобновлению плёнки влаги, тем самым исключает торможение анодного процесса и обеспечивает, благодаря новой порции кислорода, растворённого в морской воде, эффективное протекание катодного процесса. Степень воздействия морской атмосферы на металл определяется солёностью (солесодержанием). Солёность поверхностного слоя морской воды колеблется в пределах 13-37,5 ‰. Обычно солёность измеряется содержанием в воде хлоридов (хлор-ионов) [3]. Морскую атмосферу моделируют, как правило, созданием раствора хлористого натрия NaCl, который является основной составляющей морской воды. По ГОСТ 15150 в морской атмосфере (тип III) содержание хлоридов, осаждённых на поверхность, составляет от 30 до 300 мг/м 2 • сут. Такая концентрация хлоридов при испытаниях достигается созданием 3%-го раствора NaCl. Анодный процесс в таких условиях протекает беспрепятственно и не нуждается в ускорении. Для ускорения процессов коррозии применяют методы, ускоряющие катодный процесс. Наиболее эффективными путями повышения скорости катодного процесса являются повышение температуры испытаний и периодическое возобновление плёнки электролита, что увеличивает доставку кислорода к поверхности металла [4-6]. Однако экспериментально доказано, что существенное увеличение скорости коррозии наблюдается при температурах до 60С, дальнейшее увеличение температуры резко уменьшает растворимость кислорода, что приводит к обратному результату - уменьшению скорости коррозии [7, 9].

Солнечное излучение выступает в роли катализатора коррозии, которое кроме нагрева поверхности активирует фотохимические процессы.

Скорость атмосферной коррозии находится в определённой зависимости от степени увлажнения поверхности. Тонкие адсорбционные плёнки (толщиной порядка нескольких молекулярных слоёв) нельзя рассматривать как сплошные и обладающие свойствами электролита, скорость коррозии в таких плёнках минимальна - сухая атмосферная коррозия. Плёнки порядка десятков и сотен молекулярных слоёв начинают играть роль электролита, скорость коррозии при этом быстро возрастает, наблюдается переход от химического механизма к электрохимическому механизму коррозии - влажная атмосферная коррозия [6]. При этом величина критической ОВВ значительно изменяется в зависимости от состояния поверхности, будь то особенности конструкции (зазоры, канавки и т.п.), дефекты металла или загрязнение солями. Образующиеся на поверхности продукты коррозии являются тонкими капиллярами, способствующими конденсации влаги даже при ОВВ менее 100 %. Экспериментальными исследованиями установлено, что критическое значение ОВВ находится в пределах 70-80 % [7-9], вследствие чего при ускоренных испытаниях учитывается продолжительность эксплуатации при ОВВ больше 70 %. Время воздействия ОВВ менее 60 % не учитывается, так как при такой ОВВ происходит процесс сухой атмосферной коррозии с минимальной скоростью, заключающийся в крайне медленном окислении металла.

Основным методом, позволяющим в сжатые сроки оценить изменение свойств металлов и покрытий под действием внешних климатических факторов, является проведение ускоренных коррозионных испытаний. Ускорение достигается увеличением концентрации агрессивной среды, повышением температуры и ОВВ.

Для проведения ускоренных коррозионных испытаний, имитирующих климатические условия эксплуатации покрытий в составе конструкции, были выбраны следующие гальванопокрытия: кадмиевое с хроматированием, цинковое с хроматированием и медное. Покрытия толщиной 9 мкм были нанесены на образцы размерами 75х 150х 3 мм. Количество образцов - по 7 шт. каждого покрытия.

Выбраны следующие режимы испытаний: воздействие повышенной и пониженной температуры воздуха, воздействие перепадов температуры (сезонные, суточные), воздействие атмосферы с повышенной ОВВ, воздействие морской атмосферы. Испытания на устойчивость к воздействию температуры моделируют термонапряжения, возникающие в системе "покрытие - основной металл" при эксплуатации. Испытания на воздействие атмосферы с повышенной ОВВ и морской атмосферы моделируют коррозионное воздействие внешней среды при эксплуатации. Испытанию на воздействие морской атмосферы подвергались только образцы с цинковым и кадмиевым покрытиями.

Для назначения режимов испытаний приняты следующие районы эксплуатации - климатические районы на суше и на море по всей территории России, кроме очень холодного климата по ГОСТ 16350: южный климатический район эксплуатации - умеренно тёплый с мягкой зимой (экстремальный пункт г. Новороссийск), северный климатический район эксплуатации - холодный (представительный пункт г. Салехард), экстремальный климатический район с точки зрения перепадов температур - умеренно холодный (представительный пункт г. Тюмень), экстремальный климатический район с точки зрения воздействия максимальных температур - умеренный (представительный пункт г. Волгоград).

Общий срок службы металлов с покрытиями принят 25 лет, из них: до 2 лет - эксплуатация в морской атмосфере, до 3 лет - эксплуатация в атмосфере с повышенной ОВВ, до 12 лет - эксплуатация на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, до 12 лет - эксплуатация в отапливаемом помещении.

Расчёт продолжительности режимов воздействия атмосферы с повышенной ОВВ и морской атмосферы основан на использовании известной математической модели долговечности по ГОСТ Р 51372 [10]:

,

где L - долговечность; А, n, m - опытные коэффициенты; С - концентрация агрессивной среды, %; - ОВВ, %; Е - энергия активации процесса, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль•К); T - температура, K;

Используя принцип эквивалентности изменения свойств материала в реальных условиях эксплуатации и в имитируемых условиях при испытаниях, получено выражение для расчёта продолжительности режима воздействия атмосферы с повышенной ОВВ и морской атмосферы:

,

где Н - продолжительность эксплуатации, годы; Сэ, Си - концентрация агрессивной среды при эксплуатации и испытании, %; эij - продолжительность эксплуатации при воздействии эi и Tэj в течение года; эi - ОВВ в i-том диапазоне влажности, %; и - ОВВ при испытании, % ; Tи - температура в испытательной камере, К; Tэj -температура воздуха в j-том диапазоне температуры, К; М - количество температурных диапазонов; N - количество влажностных диапазонов.

Режимы ускоренных коррозионных испытаний представлены в таблице.

Таблица

Режимы УКИ

Анализ результатов ускоренных коррозионных испытаний, имитирующих эксплуатацию гальванопокрытий в течение срока службы 25 лет, показал, что наилучшие результаты достигнуты на образцах с цинковым покрытием - внешний вид без изменений на 70 % образцов, незначительные точечные коррозионные поражения покрытия обнаружено на 30 % образцов, коррозия основного металла отсутствует. Кадмиевое покрытие после испытаний имеет следы окисления, наблюдается слабое сцепление покрытия с основным металлом, покрытие легко отслаивается и повреждается, однако коррозионные поражения основного металла отсутствуют. После испытаний отмечено потемнение медного покрытия, имеются пятна продуктов коррозии серо-фиолетового цвета, наблюдаются множественные нарушения покрытия до основного металла, в отдельных точках имеется коррозия основного металла.

Таким образом, по результатам испытаний установлено:

- все исследованные покрытия устойчивы к климатическим воздействиям и отвечают требованиям нормативно-технической документации по коррозионной стойкости;

- наиболее коррозионностойки - цинковые покрытия, а наименее - медные;

- исследованные покрытия могут применяться в конструкциях изделий при эксплуатации в макроклиматических районах с умеренным и холодным климатом, в том числе цинковые и кадмиевые покрытия вблизи морей и солёных озёр.

Литература

1. ГОСТ 15150 - 69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

2. ГОСТ 16350 - 80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей.

3. Морская коррозия. -М.: Металлургия, 1983., 512с.

4. Кеше Г. Коррозия металлов. Физико-химические принципы и актуальные проблемы. -М.: Металлургия, 1984., 400с.

5. Скорчеллетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. - Л.: Химия, 1973., 264с.

6. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т. - М.: Машиностроение, 1987., 688 с.

7. Розенфельд И.Л., Жигалова К.А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов - М.: Металлургия, 1966.

8. Томашев Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М.: Изд. АН СССР, 1959.

9. Розенфельд И.Л. Атмосферная коррозия металлов. - М.: Изд. АН СССР, 1960.

10. ГОСТ Р 51372-99 Методы ускоренных испытаний на долговечность и сохраняемость при воздействии агрессивных и других специальных сред для технических изделий, материалов и систем материалов.

Размещено на Allbest.ru