Современные методы исследования коррозионно-механического изнашивания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные методы исследования коррозионно-механического изнашивания

Е.А. Памфилов

Дана краткая характеристика коррозионно-механическому виду изнашивания. Рассмотрены схемы для его исследования в условиях трения скольжения. Выделены основные группы методов исследования коррозионно-механического изнашивания: гальванические, потенциодинамические, потенциостатические и электрохимическая импедансная спектроскопия. Дано описание и краткий сравнительный анализ каждой группы методов.

Ключевые слова: коррозионно-механическое изнашивание, трибокоррозия, трибоэлектрохимическая ячейка, электрохимическая импендансная спектроскопия

Коррозионно-механическое изнашивание (трибокоррозия), представляет собой разрушение материала в результате одновременного действия трения и коррозии. При этом во многих случаях проявляется взаимовлияние механических и химических явлений (синергизм), в результате чего картина изнашивания может существенно изменяться. Однако закономерности такого взаимовлияния изучены недостаточно [1].

Поэтому важной является разработка методик исследования коррозионно-механического изнашивания и их стандартизация. В 2004 году был создан стандарт США ASTM G119 «Guide for Determining Synergism Between Wear and Corrosion»[2], определяющий порядок вычленения отдельных компонент коррозионно-механического-изнашивания и исследования взаимодействия между ними. Европейские исследователи предложили собственный подход для исследования трибокоррозии [3,4,5 ]. Оба подхода основаны на объединении электрохимических и трибологических нагрузок и могут быть выполнены с помощью одного и того же оборудования.

Для оценки устойчивости материалов к коррозии целесообразно использование электрохимических методов, а именно гальванических, потенциодинамических, потенциостатических и электрохимической импедансной спектроскопии. Эти методы могут использоваться и для оценки взаимосвязи между механической и химической компонентой износа,

При выполнении исследований распространение получили подходы, объединяющие в себе электрохимические и трибологические испытания, в частности - исследование процессов в зоне трения скольжения при накладываемом внешнем потенциале [2], и - изучение трения в условиях равновесного потенциала системы [3,5].

Метод накладывания внешнего потенциала предполагает проведение исследований в 4 этапа. На первом этапе определяется суммарный износ Mtot в условиях коррозионно-механического изнашивания. Второй этап проводится в тех же условиях, что и первый, но дополнительно между металлическим образцом (рабочим электродом) и электродом сравнения задается фиксированный потенциал, поддерживающийся за счет тока между рабочим электродом и противоэлектродом (рис. 1).

Рис. 1. Трибоэлектрохимическая ячейка для исследования двунаправленного трения скольжения.

коррозионный механический изнашивание трение

Когда ток достигает стабильного значения ia, в добавление к коррозионной нагрузке образец вступает во фрикционный контакт с контробразцом. Измеряемый анодный ток в условиях трения обозначается iw. Сила тока измеряется при фиксированном потенциале. Таким образом возможно проследить изменения электрохимической кинетики реакций окисления и восстановления, происходящих в зоне фрикционного контакта образца и контробразца.

На данном этапе испытаний определяются значения стационарного потенциала Ecor, поляризационного сопротивления Rp и постоянных Тафеля вa и вс, а также вычисленные величины iw и Mw-c.

На третьем этапе определяют механическую компоненту износа Mmech, для чего минимизируют химическое воздействие на образец. Стандарт ASTM G119 для этого предлагает использовать катодную защиту, европейские исследователи рекомендуют использовать нейтральную среду с pH=7 [3, 2].

На четвертом этапе измеряется коррозионная стойкость материала образца при отсутствии фрикционного контакта, По результатам испытаний определяется Mc.После определения Mtot, Mw-c, Mmech и Mc вычисляется значение Mc-w.

Основным преимуществом данной методики является возможность количественной оценки компонентов износа. Однако наличие катодной защиты и использование нейтральной среды не всегда приводит к остановке коррозии и связанных химических реакций в зоне фрикционного контакта.

Методика исследования коррозионно-механического изнашивания в условиях равновесного потенциала системы заключается в исследовании трения образца, погруженного в электролит, без наложения внешнего потенциала. В этой методике выделяют три варианта: мониторинг значения равновесного потенциала Eoc, исследование вольтамперных характеристик и электрохимическая импедансная спектроскопия.

Равновесный потенциал системы Eос - потенциал, установившийся между рабочим электродом и электродом сравнения, при котором в электрохимической системе образец - электролит протекают анодные и катодные реакции. Этот параметр позволяет определить химическую активность материала образца в заданном электролите. Низкое значение Eoc показывает, что материал подвержен активному растворению, высокое значение Eoc говорит о пассивности материала.

Для пассивных металлов, таких как нержавеющая сталь и титановые сплавы, резкое снижение потенциала Eoc обычно наблюдается в начале трения и объясняется и воздействием ювенильной поверхности металла на электролит из-за разрушения оксидного пассивирующего слоя. Металл в этой зоне окисляется, образуя растворимые ионы и/или твердые продукты.

Главным недостатком мониторинга значения равновесного потенциала Eoc является невозможность дать количественную оценку механической и химической компонент трибокоррозии. Для количественной оценки трибокоррозионного износа предлагается измерение вольт-амперных характеристик между двумя электродами одинакового материала. Первый электрод используется как образец, а второй служит в качестве противоэлектрода. Перед приложением фрикционной нагрузки к образцу гальванический ток равен нулю, так как два электрода имеют одинаковое значение потенциала Eoc. В условиях трения между образцом и контрэлектродом создается гальваническая ячейка, и возникающий гальванический ток измеряется амперметром. Этот метод применяется в тех случаях, когда изношенная область поверхности образца генерирует электроны в процессе окисления металла, а катодная реакция на неизношенной области задействует эти электроны. Изменение протекающего тока характеризует влияние трения на процесс коррозии.

Однако не все электроны, порожденные реакцией окисления металла, проходят через амперметр, поэтому метод не дает репрезентативного количественного результата. Для более точной количественной оценки необходимо изолироапть поверхность образца от электролита (за исключением зоны износа) для снижения катодных реакций на поверхности образца, либо увеличить размер противоэлектрода.

Сущность метода электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) состоит в оценке изменения силы тока при воздействии потенциальных колебаний (обычно с медианным значением Eос) с амплитудой Еа и частотой f на электрохимическую систему. Электрохимический импенданс Z, являющийся отношением потенциала к току, вычисляется по выбранному частотному диапазону для получения спектра импенданса, который моделируется с использованием эквивалентного электродного потенциала. Этот метод применяется для пассивных материалов, подвергающихся трению.

Согласно применяемой методике полагается, что дорожка трения Atr на образце состоит из активной площади Aact, где исходный пассивирующий слой удален, и пассивной площади Arepass, где оксидный слой либо не был удален, либо уже восстановился. Потеря массы материала в дорожке трения Wtr составляет:

Wtr = Wcact + Wmact + Wcrepass + Wmrepass

где: Wcact - потеря массы материала в результате коррозии в активной площади, Wmact - потеря массы материала в результате механического изнашивания в активной площади, Wcrepass - потеря материала в результате коррозии в пассивной площади, Wmrepass - потеря массы в результате механического изнашивания материала в пассивной площади.

Достоинствами указанного метода являются проведение испытаний при равновесном электродном потенциале Eос без искусственного изменения электрохимических параметров системы и определение количественных оценок различных компонент коррозионно-механического износа. К недостаткам метода относится возможность применения только для пассивных материалов и проведения исследования в условиях однонаправленного трения скольжения,

Анализируя рассмотренные методы, можно сделать следующие выводы.

При исследовании коррозионно-механического изнашивания целесообразно использовать электрохимические методы, поскольку они позволяют моделировать многие химические характеристики коррозионной среды при одновременном механическом воздействии, что дает возможность оценить вклад коррозии в суммарный износ

Электрохимические методы имеют ряд недостатков, в частности реальный потенциал в зоне фрикционного контакта может существенно отличаться от накладываемого. Кроме того, принятие анодного тока как меры износа образца за счет химического воздействия правомерно только при отсутствии других значимых, кроме коррозионных, химических реакций, приводящих к разрушению или модификации материала образца.

Несмотря на общность подходов к использованию электрохимических методов возникают серьезные затруднения при выявлении синергизма и интерпретации результатов, для чего необходим анализ характеристик контактирующих поверхностей и продуктов износа.

Для унификации и повышения точности исследований требуется более широкое использование международных и создание отечественных стандартов в части изучения коррозионно-механического изнашивания.

Список литературы

1. Памфилов, Е.А. К вопросу моделирования коррозионно-механического изнашивания / Е.А.Памфилов, Я.С.Прозоров // Трение и износ. - Минск, 2012. - Том 33.- Номер 3. - с. 288-297 .

2. ASTM standard G119, “Standard guide for determining amount of synergism between wear and corrosion,” in Annual Book of ASTM Standards. Volume 03.02: Wear and Erosion, Metal Corrosion, ASTM, West Conshocken, Pa, USA, 2001

3. Mischler S. Triboelectrochemical techniques and interpretation methods in tribocorrosion: a comparative evaluation // Tribology International. 2008. Vol. 41, № 7. P. 573-583

4. Tribocorrosion of passive metals and coatings / Edited by Dieter Landolt and Stefano Mischler - Woodhead Publishing Limited, Cambridge UK, 2011 - 579 p

5. Tribocorrosion properties of metallic materials and effects of metal release/ Ph. D. Thesis by Morten Stendahl Jellesen - Department of Manufacturing Engineering and Management, Technical University of Denmark (DTU), 2007.

Размещено на Allbest.ru