СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАЩИТНОЙ СПОСОБНОСТИ ХРОМАТИРОВАННЫХ ЦИНКОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛИ
METHOD OF DETERMINING PROTECTIVE CAPACITY OF CHROMATED ZINC COATING ON STEEL

Изобретение относится к испытаниям материалов, а именно к способам определения защитной способности цинковых покрытий, и может быть использовано для оценки долговечности хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации.
Основными внешними факторами, определяющими скорость атмосферной коррозии для промышленных атмосфер, являются продолжительность смачивания поверхности металла и концентрация сернистого газа, см. Берукштис Г.К., Кларк Г.Б. Коррозионная устойчивость металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях, М., Наука, 1971 г., с.7, 11.
Коррозия цинковых покрытий носит неравномерный характер и протекает поэтапно с постоянными, но значительно различающимися на каждом из этапов скоростями, см. журнал «Защита металлов», 1999 г., Т.35, №3, с.273-275.
2
0
2
0
2
3
2
2
3
2
а
ф
Известен способ определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, см. ГОСТ 9.040-74. Расчетно-экспериментальный метод ускоренного определения коррозионных потерь в атмосферных условиях, в соответствии с которым проводят ускоренные испытания образцов с покрытиями в чистой влажной атмосфере при различных температурах. Определяют значение скорости коррозии К, г/(м·ч), для каждой температуры t. Из графика зависимости «К-t» находят скорость коррозии под адсорбционными пленками влаги - К , г/(м·ч). Затем проводят ускоренные испытания при относительной влажности воздуха 100% при различных температурах. Аналогично вышеописанному определяют скорость коррозии под фазовыми пленками влаги К , г/(м·ч). После чего проводят ускоренные испытания образцов с покрытиями при относительной влажности 95%, температуре 20°С и сернистого газа С, равных 0,5, 2,0 и 6,0 мг/м, и находят значение скорости коррозии К, г/(м·ч) для каждой концентрации. По линейному участку зависимости «К-С» определяют коэффициент ускорения коррозии сернистым газом α, [г/(м·ч)]/[мг/м]. Потерю массы покрытием М, г/(м·год), рассчитывают по формуле
0
0
a
a
Ф
ф
M=(K +α·[C])·τ+К ·τ,
а
ф
где τ и τ (ч/год) - продолжительность увлажнения поверхности покрытия адсорбционными и фазовыми пленками влаги соответственно.
Недостатками известного способа является то, что он не учитывает реальный механизм разрушения хроматированных цинковых покрытий: условия, создаваемые в камере, неудовлетворительно имитируют коррозию в полевых условиях; выбранный критерий - потеря массы характеризует защитную способность только в случае равномерной коррозии и является недостаточным для оценки защитной способности в случаях локального разрушения цинковых покрытий, так как отказ изделия с покрытием (коррозия основного металла) может произойти в момент, когда потеря массы цинка еще мала. Определение защитной способности требует продолжительного времени (свыше 100 суток).
3
2
2
A
2
4
4
2
4
3
з
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, заключающийся в том, что в камере исследуемый образец с покрытием в течение 12 часов при температуре (50±1)°С подвергают воздействию соляного тумана, который создают путем распыления раствора состава (г/дм): NaCl - 27,4, MgCl - 3,8, MgSO - 1,7, CaSO - 1,2, KSO - 0,9, СаСО - 0,1, KBr - 0,13, и обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора, затем 12 часов образец выдерживают в камере, после чего определяют потерю массы образца при значениях времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка и достижения коррозии стали, значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м) - время (сут)», проводят прямую через начало координат и точку, соответствующую значению времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка, проводят прямую, угловой коэффициент которой равен 0,5 г/(м·сут), через точку, соответствующую значению времени достижения коррозии стали, определяют защитную способность хроматной пленки на цинковом покрытии как абсциссу точки пересечения прямых, о достижении коррозии стали судят по появлению первого очага коррозии стали, а защитную способность хроматированного цинкового покрытия t  (сут) с учетом района его эксплуатации определяют по формуле
A
Y
-
A
-
У
У
У
з
Cl
Cl
п
з
п
t =(C  /С  )·t +18(t -t ),
У
-
2
Cl
где С   - концентрация хлоридов в камере, мг/(м·сут);
A
-
Cl
С   - концентрация хлоридов в приморской атмосфере района эксплуатации,
2
мг/(м·сут);
У
п
t  - защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;
18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;
У
з
t  - время появления первого очага коррозии стали, сут.
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет определять защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего определять защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации.
2
2
3
A
з
Техническая задача решается способом определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, заключающимся в том, что в камере исследуемый образец с покрытием в течение 12 часов при определенной температуре подвергают воздействию тумана, который создают путем распыления раствора и обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора, затем 12 часов образец выдерживают в камере, после чего определяют потерю массы образца при значениях времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка и достижения коррозии стали, значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м) - время (сут)», проводят прямую через начало координат и точку, соответствующую значению времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка, затем проводят прямую, угловой коэффициент которой равен 0,5 г/(м·сут), через точку, соответствующую значению времени появления первого очага коррозии стали, и определяют защитную способность хроматной пленки на цинковом покрытии как абсциссу точки пересечения прямых, в котором исследуемый образец с покрытием при температуре (40±1)°С подвергают воздействию кислого тумана, который создают путем распыления 0,06% (об.) раствора HCl и введением сернистого газа в количестве, обеспечивающем поддержание его концентрации в камере 2,5 мг/м, а защитную способность хроматированного цинкового покрытия t  (сут) с учетом района его эксплуатации определяют по формуле
А
Y
А
У
У
У
з
SO2
SO2
п
з
п
t =(C /С )·t +18(t -t ),
У
3
SO2
где С  - концентрация сернистого газа в камере, мг/м;
A
3
SO2
С  - концентрация сернистого газа в промышленной атмосфере района эксплуатации, мг/м;
У
п
t  - защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;
18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;
У
з
t  - время появления первого очага коррозии стали, сут.
Решение технической задачи позволяет определять защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали для различных промышленных атмосфер районов эксплуатации.
Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
Примеры по заявляемому объекту
3
2
3
3
4
2
4
3
4
3
3
2
4
2
2
7
2
4
Стальные (Ст 3) образцы размером 50×80 (мм): а) покрывают цинком толщиной 15-20 мкм из электролита №5 (г/дм): ZnSO·7НО - 80-140; NHCl - 140-180; СНСОО NH - 25-30; желатин - 0,5-1; рН 5,8-6,2; температура 25-40°С; плотность тока 0,7-1,2 А/дм; реверсирование тока - 8/0,8 (с); осветляют в растворе (г/ дм): CrO - 100-150; HNO - 80-100; НSO - 19-27; температура 18-23°С; продолжительность обработки 2-3 с; хроматируют в растворе №6 (г/дм): NaCrO - 195-205; HSO - 5; температура 18-25°С; продолжительность обработки 5-15 с. Условное обозначение покрытия 5-6;
3
2
3
3
3
2
2
2
7
2
4
3
б) покрывают цинком из электролита №4 (г/дм): Zn - 30-35; NaCN - 80-90; NaOH - 80-90; NaS - 0,5-5; температура 25-35°С; плотность тока 2 А/дм; хроматируют в растворе №5 (г/дм): KCrО - 5-15; NaSO - 5-15; HNO - 5-15 см/дм; температура - 18-20°С; продолжительность обработки 50-60 с. Условное обозначение покрытия 4-5.
3
10
Исследуемые образцы с покрытиями 5-6 и 4-5 в течение 12 часов при температуре (40±1)°С подвергают в камере воздействию кислого тумана, который создают путем распыления 0,06% (об.) раствора HCl и введением сернистого газа в количестве, обеспечивающем поддержание его концентрации в камере 2,5 мг/м, обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора в присутствии сернистого газа, затем 12 часов образцы выдерживают в камере, после выдержки в камере определяют K - потерю массы образцов с покрытиями 5-6 и 4-5 за время до появления белых объемных продуктов коррозии цинка - 10 суток, которая составляет 5,25 и 4,25 г/м соответственно. Затем определяют
У
У
2
2
з
t3
t  - время достижения коррозии стали для образцов с покрытиями 5-6 и 4-5, которое составляет 14 и 18 суток соответственно и K  - потерю массы за 14 и 18 суток, которая составляет 7,5 и 8,5 г/м соответственно. Значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м) - время (сут)», см. фиг.1, точки В, В' и А, А'.
2
У
У
п
п
Проводят прямые через начало координат 0 и точки В, В', проводят прямые через точки А и А', угловой коэффициент k которых равен 0,5 г/(м·сут), до пересечения с прямыми, проведенными через точки В и В'. Затем определяют защитную способность хроматных пленок как абсциссу точек пересечения прямых - С и С'. Значение защитной способности хроматных пленок t  для покрытия 5-6 составляет 0 суток, а для покрытия 4-5 - 10 суток. Значение t  для покрытия 5-6, равное 0, не означает, что хроматная пленка теряет свою защитную способность в момент начала испытаний. Очевидно, что различия в скоростях разрушения цинка в периоды времени сохранения хроматной пленкой защитных свойств и после их утраты ничтожно малы. Участок АВ является продолжением участка 0В. Для покрытия 4-5 после 10 суток (точки В' и С' совпадают), скорость разрушения цинкового слоя возрастает незначительно, что свидетельствует о низких защитных свойствах хроматной пленки.
Защитную способность хроматированного цинкового покрытия на стали в промышленной атмосфере с учетом района его эксплуатации рассчитывают по формуле
А
Y
А
У
У
У
з
SO2
SO2
п
з
п
t =(C /С )·t +18(t -t ),
У
3
SO2
где С  - концентрация сернистого газа в камере, мг/м;
A
3
SO2
С  - концентрация сернистого газа в промышленной атмосфере района эксплуатации, мг/м;
У
п
t  - защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;
18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;
У
з
t  - время появления первого очага коррозии стали, сут.
У
п
Время до появления белых объемных продуктов коррозии цинка выбирают, исходя из того, что оно не превышает времени потери хроматными пленками защитных свойств - t . Обычно время до появления белых объемных продуктов коррозии цинка соответствует времени образования белых плоских пятен, для покрытий 5-6 и 4-5 оно принимается равным 10 суткам.
A
3
SO2
Район эксплуатации изделий с покрытиями 5-6 и 4-5 - промышленная атмосфера г.Москва. Концентрация сернистого газа C  в этом районе составляет 0,116 мг/м, см. журнал «Защита металлов», 1987 г., Т.23, №1, с 64.
Для покрытия 5-6
A
з
t =(2,5/0,116)·0+18(14-0)=252 сут.≈8 мес.
Для покрытия 4-5
А
з
t =(2,5/0,116)·10+18(18-10)=368 сут.≈12 мес.
Периодический осмотр экспонированных на станции г.Москва образцов с покрытиями 5-6 и 4-5 показывает, что значения времени достижения коррозии стали близки к расчетным.
У
2
A
tз
tзн
Значения потери массы К  наносят на график зависимости «потеря массы (г/м) - время (мес)», построенной по данным испытаний на станции, см. Фиг.2, и определяют наблюдаемую на станции защитную способность покрытий K .
У
2
А
tз
tзн
Для покрытия 5-6 при К , равным 7,5 г/м, К  составляет 243 сут (≈8 мес), для покрытия 4-5 - 342 сут (≈11 мес).
Погрешность определения защитной способности покрытий (%) находят по формуле
А
А
А
tзн
tз
tзн
Δ=[|(К -К )|/К ]·100
Например, для покрытия 4-5
Δ=[|(342-368)|/368]·100=8%
3
Район эксплуатации изделий с покрытием 4-5 промышленный (г.Усти-на-Лабе). Концентрация сернистого газа в этом районе составляет 0,16 г/м, см. журнал «Защита металлов», 1979 г., Т.15, с.432.
A
з
t =(2,5/0,16)·10+18(18-10)=304 сут≈10 мес.
Скорость проникновения коррозии для этого района составляет 9,4 мкм/год, при этом первые очаги коррозии стали наблюдают при оставшейся толщине покрытия 6-7 мкм, см. журнал «Защита металлов», 1987 г., Т.23, №1, с.72, 73. Тогда
А
tзн
К =(Н-h)/9,4,
где Н - толщина покрытия, мкм;
h - оставшаяся толщина покрытия, мкм,
A
tзн
t =(15-7)/9,4=0,85 года=10 мес≈306 сут.
Погрешность
Δ=[|(306-304)|/306]·100=0,67%≈1%
Значения защитной способности цинковых покрытий, параметров для ее определения и погрешность приведены в таблице.
Во всех случаях величина ошибки не превышает 10%.
Таким образом, заявляемый способ позволяет определять с высокой точностью защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали в различных промышленных районах эксплуатации.