Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
41
при которой скорость коррозии Al резко возрастает, соответствует
температуре, при которой вместо байерита стабильным продуктом
коррозии становится бёмит.
При низкой температуре Al обладает достаточно хорошей кор-
розионной стойкостью в воде
1
(см. табл. 7.4 и рис. 7.6). Это обу-
словлено способностью Al к пассивации, объясняемой торможени-
ем анодного процесса растворения металла вследствие образования
на поверхности защитных слоев (оксидных, адсорбционных). Ход
анодной поляризационной кривой для Al имеет вид, типичный для
пассивирующих металлов (рис. 23.10). Участок АВС соответствует
активной области, CD
−
участок пассивного состояния, DE — об-
ласть перепассивации. При ком-
натной температуре стационар-
ный потенциал Al соответствует
пассивной области. Это, по-
видимому, связано с тем, что кор-
розия Al протекает преимуще-
ственно с кислородной деполяри-
зацией
2
. В этих условиях чистый
Al (99,9998 %) весьма стоек. Пас-
сиваторами по отношению к Al,
кроме кислорода воздуха или
кислорода, растворенного в воде,
по-видимому, является и сама во-
да, так как свободная энергия об-
разования оксида алюминия более
отрицательна, чем у воды (см.
рис. 23.8).
В случае нарушения сплошно-
сти пассивирующей оксидной
пленки (перемешивание среды,
механическое разрушение пленки) Al активируется и на анодной
поляризационной кривой пассивная область отсутствует.
Коррозионная стойкость Al в воде при нормальной температуре
зависит от его чистоты. Если примеси, присутствующие в Al (Сu,
1
Физическое материаловедение. − М.: НИЯУ МИФИ, 2021. Т. 2. П. 8.2.2, 8.2.5.
2
Физическое материаловедение. − М.: НИЯУ МИФИ, 2021. Т. 2. П. 8.3.9.
Рис. 23.10. Анодная поляризацион-
ная кривая сплава Al + 2 % Mg
в водном растворе, содержащем
5 мг/л Na
2
SO
4
: Е
−
потенциал;
j
−
плотность тока
42
Fe, Si и др.), обладают низким перенапряжением разряда водорода,
то они облегчают катодные процессы и смещают стационарный
потенциал Al в положительную сторону. В результате Al быстро
корродирует и, кроме общей коррозии, возникают местные пора-
жения основного металла.
Снижение коррозионной стойкости Al в воде при нормальной
температуре за счет указанных примесей в известной мере обу-
словливается и нарушением сплошности защитных пассивных пле-
нок, так как в этом случае в структуре Al присутствуют и выходят
на поверхность вторичные фазы − FeAl
3
, CuAl
2
, Si.
Примеси, обладающие более электроотрицательным стандарт-
ным потенциалом и высоким перенапряжением водорода (напри-
мер, Мg), не вносят существенных изменений в коррозионную
стойкость Al, а при определенных условиях даже повышают ее. В
нейтральных средах влияние примесей на скорость коррозии менее
эффективно.
Коррозия Al в воде при повышенной температуре (более 100 °С)
значительно возрастает. Так, в деаэрированной среде коррозия Al
идет с водородной деполяризацией и стационарный потенциал от-
вечает области активного растворения. В результате этого коррози-
онный процесс может протекать по линейному закону и чистый Al
разрушается. Например, Al чистотой 99,996 % при 200 °С полно-
стью превращается в оксид за несколько суток. С повышением
температуры может изменяться и характер коррозии. Кроме обшей
коррозии интенсивно протекает местная и межкристаллитная
коррозия
1
. Межкристаллитная коррозия Аl чистоты 99,99 % в воде
при температуре 150 °С достигает такой степени, что отдельные
зерна выпадают из металла.
На коррозионное поведение Al оказывает влияние среда, кото-
рая характеризуется многими параметрами. Наиболее важным из
них является концентрация ионов водорода, определяемая водо-
родным показателем рН. Установлено, что с наименьшей скоро-
стью Al корродирует в нейтральных и слабокислых средах, так как
пассивирующая пленка оксидов Al растворяется как в кислых, так
и щелочных средах. Оптимальное значение рН зависит от темпера-
туры: при температурах 125−200 °С рН = 4,5−5,5; при 200−300 °С
1
Физическое материаловедение. − М.: НИЯУ МИФИ, 2021. Т. 2. П. 8.1.5.
43
рН = 3−3,5. При повышении рН до 8,5 скорость коррозии возраста-
ет, изменяется и характер коррозии. Относительно равномерная
общая коррозия осложняется появлением язв, глубина которых (с
увеличением рН до 10) увеличивается.
Растворение оксидной пленки и рост скорости коррозии в ще-
лочных средах связаны с активирующим действием иона ОН
-
. При-
сутствие хлор-ионов также резко увеличивает скорость коррозии.
При анодной поляризации увеличение содержания хлор-иона в во-
де приводит к сужению или даже к полному отсутствию области
пассивного состояния.
Если чистый Al в опреде-
ленных условиях обладает
низкой коррозионной стойко-
стью, то легированием не-
большими количествами ряда
элементов удается снизить
скорость коррозии в сотни и
тысячи раз (рис. 23.11). На-
пример, технический Al (Fe ≈
≈ 0,5 %; Si < 0,l %; Сu ≈ 0,1 ÷
÷ 0,5 %) рассматривается как
конструкционный материал,
пригодный для применения
при температуре до 200 °С.
По имеющимся данным в
воде при температуре 150− 320 °С повышают стойкость Al чисто-
той не менее 99,99 % (0,1−0,3 %) Fe, (0,6−2,5 %) Ni и (0,09−0,6 %)
Cr; при 100−320 °С (0,1−1,2 %) Si и (0,5−3,2 %) Mg; в интервале
150−250 °С (0,09− 1,0 %) Мn; при 200−315 °С (0,12−2,0 %) Сu.
Марганец благоприятно влияет на коррозионную стойкость дю-
ралюмина, замедляет диффузионную подвижность Сu и входит в
состав сложных интерметаллидных фаз, например Al
20
Mn
3
Cu
2
, что
положительно влияет на жаропрочность алюминиевых сплавов,
поскольку интерметаллидные фазы с марганцем обладают значи-
тельной стабильностью свойств при повышенной температуре.
Одним из распространенных легирующих элементов, улучшаю-
щих стойкость Al в воде и паре при повышенных температурах,
Рис. 23.11. Изменение массы алюмини-
евых сплавов во-времени в деионизо-
ванной воде при температуре 300 °С:
1 − Al + 0,5 % Fe; 2 − Al + 0,5 % Ni;
3 − Al + 2 % Cu; 4 − Al + 2 % Fe;
5 − Al + l % Fe; 6 − Al + l % Ni;
7 − Al + 2 % Ni
44
является никель. Обычно чем выше рабочая температура, тем
большее количество легирующих элементов необходимо вводить в
алюминиевый сплав. Лучшие результаты наблюдаются при много-
компонентном легировании.
Положительное влияние легирования на коррозионную стой-
кость алюминиевых сплавов в воде при повышенных температурах
может осуществляться тремя основными путями:
1) уменьшением степени термодинамической нестабильности,
главным образом путем создания при помощи легирования проч-
ных защитных пленок;
2) торможением катодных процессов;
3) торможением анодных процессов.
Первый путь ограниченно применим для алюминиевых сплавов.
Из всех компонентов, обычно применяемых при изготовлении
алюминиевых сплавов, способность к образованию на поверхности
защитного слоя присуща главным образом основе сплава − алюми-
нию (см. рис. 23.8). Однако защитные свойства оксидной пленки
Al
2
O
3
проявляются в основном только тогда, когда коррозионный
процесс протекает в области пассивного состояния. Для чистого Al
это наблюдается при температуре < 100 °С. Поэтому на практике в
качестве эффективного метода защиты от коррозии при температу-
ре > 100 °С часто применяется плакирование − покрытие поверхно-
сти алюминиевых сплавов тонкой пленкой чистого алюминия.
При введении в Al легирующих элементов в структуре появля-
ются интерметаллидные фазы − CuAl
2
, FeAl
3
, NiAl
3
и др. (см.
табл. 23.5), подавляющее число которых в условиях электрохими-
ческого процесса коррозии проявляют себя в качестве катодной
составляющей.
Одним из путей уменьшения катодной активности сплава,
способствующей повышению коррозионной стойкости, является
уменьшение количества включений интерметаллидных фаз за счет
снижения концентрации легирующих элементов или перевода
включений в твердый раствор в результате применения термиче-
ской обработки. Однако для пассивирующихся систем, например
алюминиевых сплавов, повышение коррозионной стойкости при
температуре около 200−300 °С достигается и путем роста катодной
эффективности. Так, легирование алюминия Fe и Ni (примерно по
1% каждого элемента) увеличивает скорость катодного процесса
45
реакции разряда иона водорода и смещает стационарный потенци-
ал в положительную сторону. В этом случае стационарный потен-
циал сплава отвечает пассивной области.
Протекание анодного процесса связано с переходом металла из
кристаллической решетки в коррозионную среду в виде ионов, в
результате чего наблюдается анодное растворение металла. Однако
возможности повышения коррозионной стойкости алюминиевых
сплавов за счет торможения анодных процессов крайне ограничен-
ны. Для снижения коррозионной повреждаемости желательно, что-
бы упрочняющая фаза была анодной по отношению к металличе-
ской матрице сплава (катодной). Таким сплавом на основе Al мо-
жет быть, по-видимому, только сплав, легированный магнием, в
котором упрочняющая фаза Mg
17
Al
12
является анодной по отноше-
нию к металлической матрице. Коррозионная стойкость этого
сплава значительно выше, чем, например, дюралюминия, так как
отдельные включения анодной составляющей в его структуре
быстро растворяются и поверхность становится электрохимически
однородной.
При наличии в структуре химических соединений Al с легиру-
ющими элементами возможно развитие межкристаллитной корро-
зии
1
. Например, склонными к межкристаллитной коррозии при по-
ниженной температуре в средах, содержащих хлориды, являются
сплавы типа дюралюминов, легированные Сu и Mg и содержащие в
качестве упрочняющих фаз интерметаллиды CuAl
2
и CuAl
2
Mg
(S-фаза). Развитие межкристаллитной коррозии связано с ускорен-
ным разрушением интерметаллидных фаз, расположенных по гра-
ницам зерен, вызванным появлением на включениях интерметал-
лидов частичек Сu в виде губки. Последние становятся локальными
катодами и усиливают растворение как интерметаллидов, так и
прилегающих к нему участков твердого раствора Сu в Al. Развитие
межкристаллитной коррозии может быть ограничено применением
термической обработки и деформации, способствующих разруше-
нию сплошных выделений интерметаллидов по границам зерен.
Препятствует разрушению интерметаллидов и развитию межкри-
сталлитной коррозии и образование защитной оксидной пленки,
1
Физическое материаловедение. − М.: НИЯУ МИФИ, 2021. Т. 2. П. 8.1.4.
46
если коррозионный процесс идет с кислородной деполяризацией
без выделения водорода.
Движение воды способствует отводу от катодных и анодных
участков продуктов реакций и поэтому всегда ускоряет коррозию.
Кроме того, при интенсивном движении воды может происходить и
эрозионное повреждение оксидной пленки.
Характер структуры во многом определяет коррозионную стой-
кость сплавов Al−Ni−Fe. В сплавах, содержащих примерно равные
концентрации Ni и Fe, наблюдается присутствие преимущественно
интерметаллида FeNiAl
9
; при большем содержании Ni выделяется
и интерметаллид NiAl
3
. Преобладание Fe способствует появлению
FeAl
3
совместно с FeNiAl
9
. Установлено, что необходимым услови-
ем приемлемой коррозионной стойкости является наличие в струк-
туре интерметаллида FeNiAl
9
.
Определенное влияние на степень коррозионных разрушений
оказывает дисперсность интерметаллидных фаз. Как правило, бо-
лее высокую коррозионную стойкость имеют сплавы с высокодис-
персными и равномерно распределенными в алюминиевой матрице
частицами интерметаллидов. Поэтому положительное значение
имеет легирование Zr и Ti (до 0,15 %), так как при этом происходит
измельчение структуры сплавов и сварных швов (проявляется мо-
дифицирующее влияние Zr и Ti).
В деформируемых сплавах, легированных небольшими количе-
ствами Ni и Fe, при температуре около 350 °С после периода высо-
кой стойкости наблюдается ускорение коррозионных процессов
(рис. 23.12). Однако период ускорения заметно подавляется при
увеличении концентрации Ni до 1,3 %. В техническом Al при тем-
пературе до 200 °С период ускоренной коррозии не наблюдается.
Легирование никелем и марганцем повышает коррозионную стой-
кость технического алюминия. Благоприятное влияние на его со-
противление коррозии оказывает также кремний при концентраци-
ях примерно до 0,2 %. Более высокое содержание Si, по-видимому,
нежелательно, так как может привести к снижению коррозионной
стойкости в связи с появлением в структуре избыточных количеств
интерметаллида Al
12
Fe
3
Si и особенно интерметаллида Al
9
Fe
2
Si
2
.
Поэтому отрицательное влияние Si в алюминиевых сплавах, в
частности, в сплавах Al−Fe, может быть подавлено увеличением
концентрации железа.
47
В сплавах Al−Ni−Fe более
целесообразными являются низ-
кие концентрации кремния. Так,
скорость коррозии в воде спла-
ва, содержащего около 0,2 % Si,
значительно выше, чем сплава,
содержащего 0,001 % Si
(рис. 23.13). Однако при очень
большом количестве Si также
можно получить алюминиевые
сплавы с высокой коррозионной
стойкостью. Например, сплав
Al + 1 % Ni + 10 % Si является
коррозионно-стойким в воде до
температуры порядка 300 °С (по
стойкости он приближается к
сплаву Al − 1 % Ni, не содержащему Si) вследствие образования на
нем прочной защитной пленки. Кроме того, кремний (в больших
количествах) обеспечивает равномерное распределение упрочня-
ющих фаз (NiAl
3
, FeAl
3
, FeNiAl
9
) в виде дисперсных частиц, а это,
в свою очередь, является дополнительным фактором, увеличиваю-
щим сопротивление коррозии.
Рис. 23.13 Измене-
ние массы в воде
сплава Al + 1 %
Ni + 0,5 % Fe с со-
держанием 0,001 %
Si (сплошные линии)
и 0,2 % Si (пунктир-
ная линия)
Коррозионная стойкость сплавов Al−Ni−Fe в зависимости от со-
стояния пленки оксидов, температуры, чистоты и скорости потока
воды может изменяться. Так, при больших скоростях потока
(10−25 м/с) пленка оксида может отслаиваться.
Исследования показывают, что более высокую жаропрочность
можно достигнуть, если алюминиевые сплавы изготавливать мето-
Рис. 23.12. Зависимость глубины про-
никновения коррозии от времени ис-
пытания сплава Al + (0,9 ÷ 1,3) % Ni +
(0,45 ÷ 0,7) % Fe в воде при темпера-
туре 363 °С
48
дами порошковой металлургии. Например, сплавы типа Al−Ni−Fe,
полученные из порошков спеканием, а также с добавками Al
2
О
3
и
SiO
2
, при той же коррозионной стойкости имели более высокую
жаропрочность. Считают, что легированием никелем алюминиево-
го порошка, содержащего до 10 % Al
2
О
3
, можно получить матери-
ал, сочетающий хорошую коррозионную стойкость сплавов Al−Ni
(АПН) в воде при температуре порядка 350 °С с высокой стойко-
стью против коррозионного разрушения в водяном паре при темпе-
ратуре до 500 °С, которой обладает САП с 10 % Al
2
О
3
.
23.1.3. Применение алюминиевых сплавов
Алюминий и его малолегированные сплавы ввиду низкой проч-
ности применяют для ненагруженных или слабонагруженных дета-
лей и элементов конструкций, когда от материала требуется лег-
кость, свариваемость, пластичность. Так, из них изготовляют ра-
мы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и
нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводно-
сти Al используется для различных теплообменников, в промыш-
ленных и бытовых холодильниках. Высокая электропроводность
способствует его широкому применению для конденсаторов, про-
водов, кабелей, шин и др. В связи с высокой отражательной спо-
собностью используется для прожекторов, рефлекторов, экранов
телевизоров.
Малое сечение захвата тепловых нейтронов позволяет исполь-
зовать малолегированные сплавы Al в качестве конструкционных
материалов в активной зоне реакторов на тепловых нейтронах, ра-
ботающих при относительно низких температурах, например, в ка-
честве матрицы дисперсного топлива и оболочки твэов в исследо-
вательских реакторах (табл. 23.9 и 23.10).
Сплавы повышенной прочности используются для ответствен-
ных нагруженных деталей, например для силовых элементов кон-
струкции пассажирских и транспортных самолетов. Сплавы типа
АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяж-
кой, сваркой, oт которых требуется высокая коррозионная стой-
кость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а также
для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов
подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др.
49
Таблица 23.9
Сплавы алюминия в атомной технике
Марка
Химический состав, % Оптимальная тем-
пература исполь-
зования, °С
Механические свойства
Mg Si Fe Сu Ni Другие
σ
в
, МПа σ
0,2
, МПа δ, %
АД-1
≤ 0,05
0,35 0,3
≤ 0,05
− −
80–90
(max: 100−130)
95 47 38
САВ-1
0,45−0,9 0,7−1,2
0,2 0,012 0,03 012Mn;
0,012Ti;
0,03Zn;
0,00012В
100−130
290 245 11
6061 1,0 0,6
−
0,25
−
0,025Cr
80−90
(max: ≤ 200)
315
270 17,5
Жаропрочные сплавы
Х8001
−
0,1−0,3
0,5
−
1,0
−
170−200
Х8003
−
0,003 1,5
−
1,5
−
170−200
− − −
A288
−
0,003 0,5
−
1,0
− − − − −
1FA-2
−
10,0 0,5
−
1,0
−
230-315
− − −
IFA-3
0,8−1,0 11−12 0,3−0,5
−
1,0 0,1Ti
− − − −
Эксперимен-
тальный сплав
АПН
−
9,0
− −
1,0 0,1Ti
− − − −
− −
0,3−0,6
−
0,9−1,2
0,1Ti;
(5−7)Al
2
O
3
250−300
− − −
Примечание. Сплавы, содержащие 9−12 % Si, литейные, остальные деформируемые.
49
50
Таблица 23.10
Применение алюминиевых сплавов в ЯЭУ
Тип ЯЭУ Узел ЯЭУ Марка сплава
ОАЭС Элементы активной
зоны
САВ-1
A-1 − Чехия
Бак, технологические
трубы, крышка
САВ-1
РБМК Оболочки стержней
СУЗ, опорные
элементы труб
САВ-1; САП
Отечественные исследовательские
реакторы: MP, ИРТ, ВВР-С, ВВР-
М, МИР и др.
Оболочки твэлов,
другие элементы
активной зоны
CAB;
Al−9Si−1Ni−0,1Ti
Исследовательские реакторы за
рубежом типа BDRAX, EBWR,
SL-1
То же Х8001; Х8003
Промышленные реакторы Элементы активной
зоны
АД-1; САВ-1;
6061; 1100
Сплавы систем Al−Mg применяют для изготовления деталей,
работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и
ракетостроении. Из них делают детали приборов, вилки шасси и
хвостового оперения, штурвалы и др.
Проектирование и строительство современных судов и других
конструкций ведется в направлении снижения их массы, например,
за счет использования конструкционных металлических материа-
лов различной плотности. Наибольший эффект обеспечивается при
сочетании в конструкциях судов стального корпуса и развитой
многоярусной алюминиевой надстройки. Применение сталеалюми-
ниевых конструкций судов потребовало, в свою очередь, создания
и разработки технологии производства биметаллического материа-
ла (переходников) на основе судостроительных стали и алюминие-
вого сплава, разработки технологии сварки, обеспечивающей необ-
ходимые качество и эксплуатационную прочность соединений су-
докорпусных конструкций из разнородных материалов. Из алюми-
ниевых сплавов изготавливают также надстройки, рубки, мачты,
кожухи дымовых труб, переборки и выгородки и др.
Соединение алюминиевых и стальных элементов может осу-
ществляться с помощью клепки или сваркой через биметалличе-
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)