Кинетика окисления сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных эрбием

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2012, том 55, №5__________________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 669.76+542.943

З.Р.Обидов, А.В.Амонова, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ СПЛАВОВ Zn5Al И Zn55Al, ЛЕГИРОВАННЫХ ЭРБИЕМ

Таджикский технический университет им. академика М.Осими

Приведены результаты исследования кинетики окисления твёрдых сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных эрбием. Показано, что добавки эрбия в пределах 0.005-0.1 мас.% незначительно уменьшают окисляемость исходных сплавов.

Ключевые слова: кинетика окисления - цинк-алюминиевые сплавы 2п5А1, Zn55Al - термогравиметрический метод - окисление сплавов - эрбий.

При создании новых материалов, предназначенных для работы в особо жёстких условиях, встаёт задача придания им коррозионной стойкости, практическое решение которой связано с уровнем знаний в области высокотемпературного окисления металлов.

В настоящее время на рынке стальных конструкций всё чаще стали появляться гальфановые покрытия, представляющие сплавы цинка с 5 мас.% алюминия (Гальфан I) и цинка с 55 мас.% алюминия (Гальфан II). Дальнейшее повышение коррозионной стойкости гальфановых покрытий достигается легированием [1].

Целью настоящей работы явилось изучение влияния температуры и химического состава на кинетику окисления сплавов 2п5А1 и 2п55А1, легированных эрбием, в твёрдом состоянии. Для решения поставленной задачи применяли метод термогравиметрии с непрерывным взвешиванием образцов [2-6].

Исходным материалом для синтеза сплавов служили цинк марки ч.д.а., алюминий марки А7 и его лигатура с эрбием (10% Er). Сплавы для исследования получали в шахтной печи сопротивления типа СШОЛ в интервале температур 750...850°С. Взвешивание шихты производили на аналитических весах АРВ-200 с точностью 0.1-10"4 кг. Перед исследованием образцы очищали от образующегося оксида. Шихтовка сплавов проводилась с учётом угара металлов. Состав сплавов контролировался анализом на электронном микроскопе SEM серии AIS2100 (Южная Корея).

Окисление твердых цинк-алюминиевых сплавов, легированных эрбием различной концентрации, проводили на воздухе, для чего измеряли увеличение массы образца вследствие роста оксидной плёнки во времени при постоянных температурах 523, 573 и 623 К. Истинную скорость окисления вычисляли по касательным, проведённым от начала координат к кривым, по формуле: K = g/s •М, а значение кажущейся энергии активации процесса окисления вычисляли по тангенсу угла наклона прямой зависимости lgK-1/T. Результаты исследования представлены в табл. 1 и 2.

Адрес для корреспонденции: Обидов Зиёдулло Рахматович. 734042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. акад. Раджабовых, 10, Таджикский технический университет. E-mail: z.r.obidov@rambler.ru

Кинетику окисления исходных сплавов 2п5А1 и 2п55А1 в твёрдом состоянии исследовали при температурах 523, 573 и 623 К. Сформировавшаяся оксидная плёнка в начальных стадиях процесса, по-видимому, не обладает достаточными защитными свойствами, о чем свидетельствует рост скорости окисления во времени и от температуры (табл. 1 и 2). Окисление данных сплавов характеризуется линейной зависимостью в начальных стадиях процесса, а затем, по мере проявления защитной способности оксидной плёнки прямая зависимость переходит в параболу. С ростом температуры наблюдается увеличение истинной скорости окисления исходного сплава 2п5А1, которая составляет 3.07-10-4 и 3.91-10-4 кг-м-2-сек-1, соответственно при температурах 523 и 623 К. Кажущаяся энергия активации окисления исследуемого сплава составляет величину 128.37 кДж/моль (табл. 1). Цинк-алюминиевый сплав 2п55А1 по сравнению со сплавом 2п5А1 обладает наименьшим значением истинной скорости окисления и наибольшей величиной кажущейся энергии активации (табл. 1 и 2).

Исследованием процесса окисления цинк-алюминиевых сплавов в атмосфере воздуха установлено, что легирование эрбием в количествах 0.005-0.01 мас.% оказывает существенное воздействие на окисляемость исходных сплавов 2п5Л1 и 2п55Л1 (табл. 1 и 2). При легировании сплава 2п55Л1

0.05 мас.% эрбием наблюдается заметное уменьшение окисляемости исходного сплава (табл. 2). Добавки 0.1 мас.% эрбия способствуют некоторому увеличению скорости окисления, но последнее по своей величине не превышает окисляемость исходных сплавов (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого сплава 2п5Л1,

легированного эрбием

Содержание эрбия в сплаве, мас.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления К-10-4, кг-м-2-сек-1 Кажущаяся энергия активации, кДж/моль

- 523 3.07 128.37

573 3.55

623 3.91

0.005 523 2.95 141.88

573 3.44

623 3.78

0.01 523 2.87 148.04

573 3.37

623 3.64

0.05 523 2.78 155.32

573 3.31

623 3.63

0.1 523 3.00 135.15

573 3.47

623 3.83

0.5 523 3.15 120.71

573 3.64

623 4.03

Таблица 2

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого сплава 2и55Л1,

легированного эрбием

Содержание эрбия в сплаве, мас.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления К-10-4, кг-м-2-сек-1 Кажущаяся энергия активации, кДж/моль

- 523 2.74 154.44

573 3.32

623 3.73

0.005 523 2.21 163.86

573 2.71

623 3.05

0.01 523 2.13 170.02

573 2.59

623 2.92

0.05 523 2.07 172.83

573 2.54

623 2.82

0.1 523 2.47 158.22

573 3.06

623 3.45

0.5 523 2.70 155.98

573 3.24

623 3.64

Кинетические параметры процесса окисления зависят от структуры оксидной плёнки. В данном случае, по-видимому, образовавшаяся плёнка достаточно плотная и не допускает доступа кислорода к поверхности реагирования. Об этом свидетельствуют рассчитанные значения истинной скорости окисления (табл. 1 и 2).

Продукты, образующиеся при окислении сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных эрбием, исследованы на электронном микроскопе SEM. Показано, что имеет место образование как простых оксидов ZnO, А120з, ErO, так и оксидов двойного состава A1203 Zn0.

В целом, по данным экспериментальных исследований кинетики окисления твёрдых сплавов Zn5A1 и Zn55A1, легированных эрбием, установлено, что сплавы, содержащие 0.1 и 0.5 мас.% эрбия, по сравнению с низколегированными эрбием сплавами (0.005-0.05 мас.%), обладают наибольшим значением истинной скорости окисления и наименьшей величиной кажущейся энергии активации. Минимальное значение скорости окисление относится к сплавам, содержащим 0.05 мас.% эрбия. Определено, что окисления изученных сплавов при вышеуказанных температурах подчиняется параболическому закону. Выявлено, что легирующий компонент незначительно уменьшает окисляемость исходных сплавов Zn5A1 и Zn55A1 в пределах 0.005-0.05 мас.% эрбия и они являются перспективными в плане работы в качестве защитного покрытия стальных конструкций от коррозии.

Поступило 15.02.2012 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Обидов З.Р., Ганиев И.Н. Анодные защитные цинк-алюминиевые покрытия с элементами II группы.— Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012, 288 с.

2. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов.— М.: Металлургия, 1965, 428 с.

3. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов.— М.: Мир, 1969, 392 с.

4. Лепинских Б.М., Киташев А.А., Белоусов А.А. Окисление жидких металлов и сплавов.— М.: Наука, 1979, 116 с.

5. Биркс Н., Майер Дж. Введение в высокотемпературное окисление металлов.— М.: Металлургия, 1987, 184 с.

6. Обидов З.Р., Ганиев И.Н. Анодное поведение и окисление сплавов систем Zn5A1-ЩЗМ и Zn55A1-ЩЗМ.— Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, 156 с.

З.Р.Обидов, А.В.Амонова, И.Н.Ганиев КИНЕТИКАИ ОКСИДШАВИИ ХУЛА^ОИ Zn5Al ВА Zn55Al,

КИ БО ЭРБИЙ чав^аронида ШУДААСТ

Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М. Осими

Дар мадола натичаи тахкидоти кинетикаи оксидшавии хулахои Zn5Al ва Zn55Al, ки бо эрбий чавхаронида шудааст, оварда шудааст. Нишон дода шудааст, ки иловахои эрбий дар худуди 0.005-0.1%-и вазн оксидшавии хулахои аввалияро камтар мекунад.

Калима^ои калиди: кинетикаи оксидашави - хулахои ру^-алюминий Zn5Al, Zn55Al - усули термогравиметри - оксидшавии хулауо - эрбий.

Z.R.Obidov, A.V.Amonova, I.N.Ganiev KINETIC OXIDATION OF Zn5Al AND Zn55Al ALLOYS, DOPED WITH ERBIUM

M.Osimi Tajik Technical University Resu1ts of oxidation kinetics research of so1id Zn5A1 and Zn55A1 a11oys, doped with erbium have been studied. Is shown, that additives of erbium about 0.005-0.1 wt.% s1ight1y reduced oxidabi1ity of initia1 a11oys.

Key words: kinetics of oxidations - zinc-aluminum alloys Zn5Al, Zn55Al - thermogravimetrical method -oxidation of alloys - erbium.

40б