Периодического смачивания

Исследования контактной коррозии пары алюминиевый сплав — сталь СтЗ, проведенные путем периодического погружения в 0,1%-ный раствор хлорида натрия на 10 мин с последующей выдержкой на воздухе в течение ~ 50 мин, показывают, что скорость коррозии составляет 0,08—0,12 мм/год для сплавов В92, В93, 01915 и 0,02—0,04 мм/год для сплавов АМг5, АМгб, АДЗЗ.

Метод периодического погружения в электролит применяется не только для испытания изделий, используемых в судостроении или гидротехнических сооружениях, но и для изделий, работающих в атмосферных условиях. Поскольку при этом виде испытаний коррозионный процесс большую часть времени протекает в тонком слое электролита, скорость коррозии металлов, у которых контролирующим является катодный процесс, значительно возрастает.

Для проведения испытаний в условиях периодического погружения образцов в электролит применяют аппараты из инертного материала (рис. 2.3). Частота вращения дисков, на которых в радиальных прорезях укрепляются образцы, выбирается с таким расчетом, чтобы осуществлялся выбранный режим смачивания.

Периодическое обрызгивание, так же как и периодическое смачивание, способствует ускорению процесса коррозии, особенно в том случае, когда электролит содержит хлорид-ионы. Ускорение создается за счет создания на поверхности металла тонкой пленки электролита, в которой катодный процесс развивается более интенсивно. Этот способ отличается от периодического погружения в электролиты только тем, что здесь не обеспечиваются условия для смывания продуктов коррозии и они более прочно связаны с металлом. Кроме того, в продуктах коррозии накапливаются соли, содержащиеся в электролитах.

Лаборатория Баттел-Колумбус проводит для ВВС США исследования новых материалов, которые могут найти применение в перспективных 'системах оружия. В рамках этих исследований проведены и испытания на коррозионное растрескивание [159, 160]. Образцы подвергались че-'тырехточечному нагружению до 80 % предела текучести в условиях периодического погружения (на 10 мин с 50-мин интервалами) в 3,5 %-ныЙ раствор NaCl. Продолжительность экспозиции 1000 ч. Испытывалось по 7 образцов каждого материала. Растрескивание не происходило на всех образцах следующих сплавов: 15-5РН (Н1025), кованый пруток; НР9№ — 4Со — 0,20С, кованый пруток; РН13-8Мо (Н1000), кованый пруток; 7049-Т76, прессованный пруток; Инконель 702, лист (состаренный) ; Инконель 706, кованый пруток (термообработка, увеличивающая -сопротивление ползучести); 17-4РН (Н900), пруток, электрошлаковая переплавка; Удимет 710, кованый пруток; Х7050-Т7Е56, ручная ковка; 2214-Т351 (процесс Alcoa 417), плита; Ti — 6A1 — 4V (DBHT), деталь, изготовленная диффузионной сваркой.

Большая часть проведенных в последнее время исследований посвящена коррозионному растрескиванию высокопрочных алюминиевых сплавов, в частности сплава 7075, представляющего систему Al — iZn — Mg—Мп. В 1972 г. Американская алюминиевая компания опубликовала данные о влиянии легирующих добавок или замещения компонентов этого сплава другими элементами на коррозию под напряжением [197]. Короткие поперечные образцы испытывали на растяжение при постоянной деформации в промышленной атмосфере (Нью-Кенсингтон, Пенсильвания, США) и в условиях периодического погружения в 3,5%-ный раствор NaCl. Наблюдавшиеся изменения свойств, вызванные изменениями состава, можно обобщить следующим образом:

В результате всех этих исследований Американской алюминиевой компанией был разработан сплав МА15 [199]. При 30-сут испытаниях в условиях периодического погружения в 3,5 %-ный раствор NaCl была отмечена хорошая стойкость к коррозионному растрескиванию коротких поперечных образцов, нагруженных до 170 МПа (значение предела текучести в продольном направлении 420 МПа). Сплав с оптимальным сочетанием прочности и стойкости к коррозии под напряжением содержит 5,5—6,5 %' Zn, 1,9—2,4 % Mg, 2,25—2,75 % Си, 0,08-0,14 % Zr, 0,12 % Fe, 0,10 % Si (max) и 0,04 % Ti (max). Однако при более продолжительных испытаниях (84 дня) в 3,5 %-ном растворе NaCl были получены противоречивые результаты, поэтому окончательную оценку стойкости этого сплава предполагалось дать после проведения продолжительных атмосферных коррозионных испытаний. Коррозионные и механические свойства промышленных образцов сплава МА15 (плиты толщиной от 2,5 до 15 см) в трех состояниях термообработки позже были исследованы в сравнении со сплавами 7075-Т651, 7075-Т7351, 7079-Т651 и 2024-Т351 [200]. При равных прочностях сплав МА15 обладал более высокой стойкостью к расслаивающей коррозии и коррозионному растрескиванию, более высокой ударной вязкостью и лучшими усталостными свойствами по сравнению с известными промышленными сплавами. При одинаковой стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением сплав МА15 обладал более высокой прочностью, чем другие алюминиевые сплавы.

В лаборатории Американской алюминиевой компании были проведены 4-летние сравнительные испытания на коррозионное растрескивание различных сплавов с использованием методов механики разрушения и обычных методов [208]. Исследования проводили на промышленных образцах плит и прутка толщиной 50,8—63,5 мм из 13 алюминиевых сплавов, 13 дисперсионнотвердеющих нержавеющих сталей и 2 титановых сплавов. Нагруженные болтами компактные образцы для испытаний на растяжение с предварительно нанесенной трещиной экспонировались в условиях периодического погружения в 3,5%,-ном растворе NaCl, а также в атмосфере морского побережья и в промышленной атмосфере. В случае алюминиевых сплавов низким пороговым нагрузкам, приводящим к растрескиванию гладких образцов, соответствовали и низкие критические значения Kiscc для образцов с усталостной трещиной. Справедливо и обратное: сплавы с высокими пороговыми значениями нагрузок, при которых разрушались гладкие образцы, обладали и высокими значениями параметра Kiscc- В то же время для большинства дисперсионнотвердеющих сталей и обоих титановых сплавов наблюдались низкие значения Kiscc и большие скорости растрескивания под напряжением, хотя разрушение гладких образцов происходило при высоких уровнях нагрузки.

Метод попеременного смачивания и высушивания испытуемых деталей, получивший широкое распространение, является обычно более энергичным в коррозионном отношении, чем метод постоянного погружения в воду или в растворы солей. Для испытания на коррозию по методу периодического погружения применяются разнообразные приборы, из которых следует отметить колесо Гарднера [12], а также аппараты Гопиуса и ЦНИИТМАШ, так называемые таух-аппараты.

Существенными недостатками прибора Гарднера являются относительная трудность регулирования времени пребывания образцов в растворе и на воздухе и невозможность одновременного испытания разных металлов и покрытий. Таух-аппараты лишены указанных недостатков и являются более удобными и совершенными приборами для 'периодического погружения образцов в жидкость.

Режимы испытаний черных и цветных металлов методом периодического погружения, применяющиеся у нас и за границей [36], приведены в табл. 9.

Коррозия вблизи ватерлинии, т. е. в зоне периодического смачивания (от 0,4 до 1 м и более над уровнем морской воды), часто бывает усиленной (рис. 284), что обусловлено облегченным доступом кислорода к поверхности металла, ухудшением условий для возникновения и сохранения защитных пленок на металле при периодическом смачивании и энергичным коррозионным воздействием брызг морской воды (при быстром испарении брызг образуются кристаллики морской соли, смоченные насыщенным раствором, которые затрудняют появление и сохранение защитных пленок; лучи солнца нагревают металлы и ускоряют коррозионный процесс в условиях усиленной аэрации).

Значительно продлить срок службы морских судов и сооружений можно рациональным конструированием например, равномерным распределением в конструкции напряжений, применением средств защиты, удалением ответственных элементов из зоны периодического смачивания, устранением контактной коррозии и т. д.

Известен опыт применения боридных покрытий для защиты от коррозии и наводороживания теплообменников. Теплообменники, изготовленные из стали 10, эксплуатировались в условиях воздействия конденсации паров серной кислоты, образующихся из продуктов сгорания сернистого топлива. Боридное покрытие, состоящее из двух слоев FeB и FeB2, наносили при температуре 950 °С в виде порошкообразной смеси, содержащей 98 % В4С, 1,5 % A1F3 и 0,5 % парафина. Такое покрытие позволяет повысить в 10 раз коррозионную стойкость стали в наводороживающей сероводородсодержащей среде и одновременно повысить ее циклическую прочность. Испытания теплообменников, проведенные на стенде с переменным внутренним давлением при ртах = 0,7 МПа с частотой 0,12 Гц показали, что без покрытия теплообменники выдерживают от 20 до 160 тыс. циклов, с боридным покрытием — не менее 400 тыс. циклов [61. В слабокислых минерализованных растворах в условиях периодического смачивания цинковые покрытия, полученные электрохимическим и горячим способом, менее устойчивы, чем диффузионные слои из порошковой смеси. Оцинкованные диффузионным способом трубы в 25 раз устойчивее труб с цинковыми покрытиями из расплава и в 15 раз - с покрытиями, полученными электролитическим осаждением.

* Верхняя — газовоздушная зона; средняя — зона периодического смачивания нефтью; нижняя — зона воздействия сточной воды.

В связи с этим кинетику процесса определяет состояние поверхностной пленки влаги — с уменьшением ее толщины катодная деполяризация усиливается. То же происходит и вследствие конвекционного переноса кислорода, ускоряющего электродные реакции в зонах периодического смачивания и высыхания вдоль ватерлинии.

Рассматривая морскую и приморскую атмосферы, следует особо выделить наиболее коррозионноактивную зону периодического смачивания, где скорость коррозии стали достигает 0,2876 г/м2 • сут.

Испытаниям подвергали стеклопластики горячего отверждения на основе связующего ЭДТ10П, пенопласт ПС1, а также прессматериалы СТЭР-1-30 и др. По условиям воздействия агрессивной среды на полимерные материалы установлено, что наиболее тяжелыми являются условия периодического смачивания, в меньшей степени — условия выдержки в атмосфере и в еще меньшей степени — условия в патерне.

В зонах периодического смачивания и конденсации, а также у поверхности раздела фаз (ватерлиния) наблюдается очень сильное коррозионное разрушение. Усиленная коррозия металла в зоне ватерлинии объясняется работой микроэлементов, возникающих за счет изменения концентрации реагирующих веществ в щелевых зазорах мениска у поверхности раздела фаз. При конструировании следует предусматривать в зоне ватерлинии усиление пояса и возможность его замены.

смачиванию брызгами морской или речной воды. Поэтому, подбирая стали для свай оснований морских нефтепромысловых сооружений, необходимо исходить из того, что наибольшей коррозии сваи подвергаются в зоне периодического смачивания, а часть свай, находящаяся в морской воде, корродирует медленнее, следовательно, испытания следует проводить при периодическом смачивании методом переменного погружения. Сплавы для конструкций и приборов, подвергающихся периодическому нагреву и охлаждению во влажной воздушной атмосфере, необходимо испытывать конденсационными методами.

Существует несколько способов повышения скорости коррозии. Применительно к атмосферной коррозии или случаям периодического смачивания электролитом металла наиболее простым является увеличение продолжительности контакта металлической поверхности с электролитом. Поскольку в атмосферных условиях продолжительность воздействия электролита на металл ограниченна, при ее увеличении сокращается продолжительность испытания. В атмосферных условиях процесс контролируется скоростью кислородной деполяризации, и испытания необходимо проводить таким образом, чтобы металл подвергался возможно более длительному воздействию тонкого слоя электролита, но при этом толщину пленки не следует уменьшать бесконечно, так как в очень тонких слоях наряду с облегчением протекания катодной реакции может замедлиться анодная реакция.

На рис. 2.2 приведены экспериментальные данные, характеризующие влияние периодического смачивания 0,5 н. раствором NaCl на скорость коррозии некоторых металлов [7]. Из приведенных данных видно, что больше всего скорость коррозии в этих условиях возрастает у стали, чугуна и цинка; для дуралюмина также наблюдается некоторое увеличение скорости коррозии. Применение периодического смачивания по режиму 10 мин в электролите и 50 мин на воздухе для алюминиевых и магниевых сплавов является стандартным испытанием.