Окисление сплава Zn55Al, легированного барием, кислородом газовой фазы

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №12_

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 541.64:539.2

Дж.Н.Алиев, Н.И.Ганиева, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев

ОКИСЛЕНИЕ СПЛАВА Zn55Al, ЛЕГИРОВАННОГО БАРИЕМ, КИСЛОРОДОМ

ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Таджикский технический университет им. академика М.Осими

Анализ кинетики окисления легированного барием сплава Zn55Al в газовой среде показал интенсивное повышение скорости окисления во времени в начальных стадиях. Образующиеся оксидные плёнки А1203 и ZnO имеют пониженные защитные свойства в начальных стадиях, и по мере нарастания толщины оксидной плёнки процесс окисления протекает до полного окисления образца.

Ключевые слова: цинк-алюминиевый сплав - барий - истинная скорость окисления - сплав Zn55Al -кажущаяся энергия активации - кинетические параметры сплава Zn55Al.

Борьба с коррозией проводится методами защиты, разработанными на основе хорошо известных научных принципов, однако она остается одной из самых серьёзных и сложных задач современной техники. Около 10% общего количества металлов ежегодно теряется из-за коррозии, и огромные средства тратятся на защиту от коррозии. Современное развитие производства предъявляет высокие требования к надёжности и стойкости конструкционных материалов и совершенствованию методов их защиты [1].

Цинк-алюминиевые сплавы различного состава в основном применяются в качестве защитного покрытия металлических изделий. Расширение областей их применения требует систематических исследований физико-химических и коррозионных свойств сплавов с участием элементов второй группы Периодической системы. Однако в литературе отсутствуют сведения о влияния ЩЗМ на коррозионную стойкость сплава 2п55Л1 (Гальфан II) как в обычных условиях, так и при высоких температурах. В связи с этим нами были проведены исследования высокотемпературного окисления сплава 2п55Л1, модифицированного барием, кислородом газовой фазы.

Для изучения окисления сплавов использовался метод непрерывного взвешивания образцов, применяемый обычно при изучении высокотемпературной коррозии металлов [2]. Этот метод позволяет определить кинетические параметры окисления металлов и сплавов. К достоинствам данного метода следует отнести относительную простоту аппаратурного оформления и возможности его использования при высоких температурах.

Для исследования влияния бария на кинетику окисления сплава Zn55Al были синтезированы серии сплавов с содержанием бария от 0.005 до 0.3% (по массе). Окисление полученных сплавов проводили термогравиметрическим методом на установке, схема которой подробно описана в [3]. Процесс окисления цинк-алюминиевого сплава 2п55Л1, легированного барием различной концентрации, исследован при температурах 573, 598 и 623 К.

Адрес для корреспонденции: Алиев Джамшед Насридинович. Республика Таджикистан, 734042, г. Душанбе, пр. академиков Раджабовых, 10а, Таджикский технический университет. E-mail: jamshed-7206@mail.ru

Характер кинетических кривых окисления цинк-алюминиевого сплава показывает, что окисление в начальных стадиях протекает интенсивно, о чём свидетельствует рост величины удельной массы образцов. Истинная скорость окисления сплава 2п55Л1 в зависимости от температуры изменяется в пределах 2.30 •Ю-4 до 3.21-10-4 кг-м-2-сек-1. Кажущаяся энергия активации процесса окисления, вычисленная по тангенсу угла наклона прямой зависимости {^К-1/Т, составляет 140.24 кДж/моль (табл.). Динамика роста удельной массы образцов в зависимости от времени и температуры для цинк-алюминиевого сплава 2п55Л1 с барием (рис. а,б,в) показывает, что с повышением температуры увеличивается скорость окисления.

Сплав, содержащий 0.005 мас.% бария, характеризуется относительно растянутым процессом формирования оксидной плёнки по сравнению с сплавами, содержащими более высокие концентрации бария (рис. а,б,в). Такой механизм окисления объясняется образованием оксидов сложного состава на поверхности сплавов, которые характеризуются более высокими защитными свойствами.

Таблица

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твёрдого цинк-алюминиевого сплава

2п55Л1, легированного барием

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

- 573 2.30 140.24

598 2.77

623 3.21

0.005 573 2.50 91.95

598 3.08

623 3.70

0.01 573 2.98 70.60

598 3.45

623 4.15

0.05 573 3.20 61.27

598 4.05

623 4.80

0.1 573 3.58 34.85

598 4.27

623 4.96

0.3 573 4.05 28.18

598 4.47

623 5.05

Легирование цинк-алюминиевого сплава 2п55Л1 барием 0.01 и 0.05 мас.% способствует некоторому увеличению истинной скорости окисления и соответственно уменьшению энергии активации окисления по сравнению со сплавом, содержащим 0.005 мас.% бария. Так, если при температурах 573 и 623 К значение истинной скорости окисления сплава, содержащего 0.005 мас.% бария, изменяется от 2.50-10-4 до 3.70-10"4 кг-м"2-сек_1 с энергией активации 91.95 кДж/моль, то при этих же температурах скорость окисления сплава 2п55А1, содержащего 0.01 и 0.05 мас.% бария, характеризуется величинами 2.9810-4; 4.15-10"4 кг-м"2-сек_1 и 3.2010-4; 4.8010-4 кг-м"2-сек_1 и при этом значение кажущейся энергии активации составляет 70.60 и 61.27кДж/моль (табл.).

Б^-Ю-4,

Рис. Кинетические кривые окисления цинк-алюминиевого сплава 2п55Л1, содержащего бария, мас.%: 0.005(а); 0.01(б); 0.05(в).

Добавки бария в пределах до 0.01 мас.% незначительно влияют на окисляемость сплава Zn55Al. Дальнейшее увеличение концентрации бария повышает окисляемость исходного сплава Zn55Al (табл.).

В целом, проведённые исследования кинетики окисления сплава Zn55Al, легированного барием, показывают, что добавки бария в изученных пределах концентрации незначительно увеличивают окисляемость исходного сплава. Увеличение скорости окисления сопровождалось соответствующим уменьшением величины кажущейся энергии активации от 140.24 до 28.18 кДж/моль.

Ценную информацию о кинетике окисления сплавов можно получить, исследуя продукты их окисления, то есть оксидную плёнку, формирующуюся на поверхности образца при его нагреве.

Механизм взаимодействия металлов с кислородом близок по природе к высокотемпературной газовой коррозии, то есть имеет место адсорбция газовых молекул на поверхности металла, зарождение и затем рост плёнки оксида [4-6].

Продукты, образующиеся при окислении цинк-алюминиевого сплава Zn55Al, легированного барием, нами исследованы методом рентгенофазового анализа. Изучение продуктов окисления исследованных составов цинк-алюминиевого сплава Zn55Al, содержащего барий, показало образование как простых ZnO, Al2Ü3, BaO, так и оксидов сложного состава Al2O3ZnO, Al20з•Ва0.

Поступило 28.09.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. / Под ред. И.В. Семеновой - М.: Физматлит, 2002, 336 с.

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

3. Лепинских В.М., Киселев В.И. Об окислении жидких металлов и сплавов кислородом из газовой фазы - Известия АН СССР. Металлы, 1974, № 5, с. 51-54.

4. Самсонов Г.В. и др. Физико-химические свойства окислов. Справочник. - М.: Металлургия, 1974, 472 с.

5. Радин А.Я. Свойства расплавленных металлов. - М.: Наука, 1974, с.116-122.

6. Киселев В., Лепинских Б.М., Захаров Р., Серебрякова А.Н. - Труды 1-ой Всесоюз. конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. - Свердловск, 1974, с. 33-35.

^.Н.Алиев, Н.И.Ганиева, И.Н.Ганиев ОКСИДШАВИИ ХУЛАМ БО БАРИЙ ЧАВ^АРОНИДАШУДАИ Zn55Al

ДАР ФАЗОИ ГАЗЙ

Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.С.Осими

Тахлили кинетикаи оксидшавии хулаи бо барий чавхдронидашудаи Zn55Al дар фазой газй нишон медихдд, ки суръати оксидшавй дар муддати ва;т ;иёсан бошиддат меафзояд. Дар ин маврид пардаи оксидх,ои х,осилшудаи AI2O3 ва ZnO дар марх,илах,ои аввал хосияти хдмоявии

пастро доранд ва бо меъёри зиёдшавии гафсии пардаи оксидшуда, раванд то ба охир расидани оксидшавй ичро мешавад.

Калима^ои калиди: хулаи руу-алюминий - барий - суръати уациции оксидшавй - хулаи Zn55Al -цараёни авцгирандаи зоуирй - параметруои кинетикии оксидшавии хулаи Zn55Al.

J.N.Aliev, N.I.Ganieva, I.N.Ganiev CORROSION BY OXYGEN OF THE Zn55Al ALLOY GAS PHASE,

DOPED BY BARIUM

M.S.Osimi Tajik Technical University

Analysis of the kinetics of oxidation of doped barium alloy Zn55Al in the gas phase showed an intense increase in the rate of oxidation over time in the initial stages. Formed oxide film of Al2O3 and ZnO have reduced protective properties in the early stages, and with the growth of the thickness of the oxide film oxidation process proceeds until the complete oxidation of the sample.

Key words: zinc-aluminium alloy - barium - actual speed of oxidation - alloy Zn55Al - energy of activation - kinetic parameters ofprocess of oxidation alloy Zn55Al.