Окисление сплава Zn5Al, легированного барием, кислородом газовой фазы

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ______________________________________2011, том 54, №5__________________________________

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 541.64:539.2

Академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев, Дж.Н.Алиев, Н.И.Ганиева, З.Р.Обидов

ОКИСЛЕНИЕ СПЛАВА Zn5Al, ЛЕГИРОВАННОГО БАРИЕМ, КИСЛОРОДОМ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Таджикский технический университет им. академика М.Осими

Анализ кинетики окисления легированного барием сплава Zn5Al в газовой среде показал интенсивное повышение скорости окисления во времени в начальных стадиях. Образующиеся оксидные плёнки Al2O3 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 - истинная скорость окисления сплава Zn5Al - кажущаяся энергия активации процесса окисления - содержание бария в сплаве - кинетические параметры процесса окисления твердого сплава Zn5Al.

Защита металлов и металлических сооружений от коррозии и разработка коррозионностойких сплавов является центральной проблемой современной химии и физики металлов.

Цинк-алюминиевые сплавы различного состава в основном применяются в качестве защитного покрытия металлических изделий [1]. 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 Zn5Al (Гальфан I) как в обычных условиях, так и при высоких температурах. В связи с этим нами были проведены исследования высокотемпературного окисления сплава Zn5Al, 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 Zn5Al были синтезированы серии сплавов с содержанием стронция от 0.005 до 0.3% (по массе). Окисление полученных сплавов проводили термогравиметрическим методом на установке, схема которой подробно описана в [3].

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления цинк-алюминиевого сплава Zn5Al, легированного барием различной концентрации, исследованы при температурах 573, 598 и 623 К.

Адрес для корреспонденции: Ганиев Изатулло Наврузович. Республика Таджикистан, 734042, г. Душанбе, пр. академиков Раджабовых, 10а, Таджикский технический университет. E-mail: ganiev48@mail.ru

Ценную информацию о кинетике окисления сплавов можно получить, исследуя продукты их окисления, то есть оксидную пленку, 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].

Характер кинетических кривых окисления цинк-алюминиевого сплава показывает, что окисление в начальных стадиях протекает интенсивно, о чем свидетельствует рост величины удельной массы образцов. Истинная скорость окисления сплава Zn5Al в зависимости от температуры изменяется в пределах 3.33-10"4 до 4.16-10"4 кг-м"2-сек-1. Кажущаяся энергия активации процесса окисления, вычисленная по тангенсу угла наклона прямой зависимости {^К-1/Т, составляет 165.32 кДж/моль (табл.). Динамика роста удельной массы образцов в зависимости от времени и температуры для цинк-алюминиевого сплава Zn5Al с барием (рис. а,б,в) показывает, что с повышением температуры увеличивается скорость окисления.

Сплав, содержащий более высокие концентрации бария, то есть 0.05 мас.%, характеризуется относительно растянутым процессом формирования оксидной плёнки по сравнению с малолегированными сплавами (табл.). Такой механизм окисления объясняется образованием оксидов сложного состава на поверхности сплавов, которые характеризуются более высокими защитными свойствами.

Таблица

Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого цинк-алюминиевого сплава

Zn5Al, легированного барием

Содержание бария в сплаве Zn5Al, мас.% Температура окисления, К Истинная скорость окисления К-10-4, кг-м-2-сек-1 Кажущаяся энергия активации, кДж/моль

- 573 3.33 165.32

598 3.75

623 4.16

0.005 573 3.61 139.40

598 4.15

623 4.74

0.01 573 4.89 112.28

598 5.20

623 5.68

0.05 573 5.21 92.35

598 5.62

623 6.07

0.1 573 6.47 77.87

598 6.78

623 7.18

0.3 573 6.85 60.25

598 7.25

623 7.68

Легирование цинк-алюминиевого сплава Zn5Al 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.

20 40 60 t, мин

Рис. Кинетические кривые окисления цинк-алюминиевого сплава Zn5Al, содержащего барий, мас.%: 0.005 (а); 0.01 (б); 0.05 (в).

Так, если при температурах 573 и 623 К значение истинной скорости окисления сплава, содержащего 0.005 мас.% бария, изменяется от 3.61-10-4 до 4.74-10-4 кг-м-2-сек-1 с энергией активации 139.40 кДж/моль, то при этих же температурах скорость окисления сплава Zn5Al, содержащего 0.01 и

0.05 мас.% бария, характеризуется величинами 4.89-10-4; 5.68-10-4 кг-м-2-сек-1 и 5.21-10-4; 6.07-10-4

кг-м"2-сек-1 и при этом значение кажущейся энергии активации составляет 112.28 и 92.35 кДж/моль (табл.).

Добавки бария в пределах до G.G1 мас.% незначительно влияют на окисляемость сплава Zn5Al. Дальнейшее увеличение концентрации бария повышает окисляемость исходного сплава Zn5Al (табл.).

В целом, проведённые исследования кинетики окисления сплава Zn5Al, 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 165.3 до 60.25 кДж/моль

Продукты, образующиеся при окислении цинк-алюминиевого сплава Zn5Al, легированного барием, нами исследованы методом рентгенофазового анализа. Изучение продуктов окисления исследованных составов цинк-алюминиевого сплава Zn5Al, содержащего барий, показало, что образуются как простые ZnO, A12O3, BaO, так и оксиды сложного состава Al2O3-ZnO, А1203-Ва0.

Поступило 14.014.2011 г.

ЛИТЕРAТУРA

1. Томашов И.Д., Чернова Г.Л. Коррозия и коррозионностойкие сплавы. - М.: Металлургия, 1973, 232 с.

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

3. Лепинских В.М., Киселев В.И. - Известия AН 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 AÆ Свойства расплавленных металлов. - М.: Наука, 1974, с. 116-122.

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

И.Н^аниев, Ч.-НАлиев, Н.И^аниева, З.Р.Обидов

ОKСИДШAВИИ ХÿЛAИ БО БAРИЙ ЧAВ^AРОНИДAШУДAИ Zn5Al

ДAР ФAЗОИ TA3H

Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи академик М.Осими

Тахлили кинетикаи оксидшавии хулаи бо барий чавхдронидашудаи Zn5Al дар фазой газй нишон медихдд, ки сyръати оксидшавй дар мyддати вак;т к;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 - суръати уациции оксидшавии хулаи Zn5Al - цараёни авцгирандаи зоуирии раванди оксидшавй - мщдори барий дар хула -параметруои кинетикии раван-ди оксидшавии хулаи сахти Zn5Al.

I.N.Ganiev, J.N.Aliev, N.I.Ganieva, Z.R.Obidov CORROSION BY OXYGEN OF THE ZN5AL ALLOY GAS PHASE,

DOPED BY BARIUM

M.Osimi Tajik Technical University Analysis of the kinetics of oxidation of doped barium alloy Zn5Al in the gas phase showed an intense increase in the rate of oxidation over time in the initial stages. Formed oxide film of А120з 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 - actual speed of oxidation of alloy Zn5Al - energy of activation ofprocess of oxidation - the barium maintenance in an alloy - kinetic parameters ofprocess of oxidation offirm alloy Zn5Al