Испытания при полном погружении в электролиты

Ускоренные испытания металлов обычно классифицируют го условиям их проведения. Наиболее распространенными из иих являются испытания при полном и периодическом погружении в электролиты, а также испытания, воспроизводящие атмосферные условия.

При коррозии металлов в кислых электролитах процесс контролируется скоростью водородной деполяризации. Этим же процессом контролируется коррозия металлов с амфотерными свойствами в щелочах и частично — магния и его сплавов — в нейтральных электролитах.

В нейтральных электролитах коррозия большинства металлов контролируется скоростью кислородной деполяризации.

- При контроле процесса коррозии металлов по скорости водородной деполяризации увеличение скорости коррозии может быть достигнуто повышением концентрации водородных ионов, смещающих потенциал водородного электрода в положительную сторону и уменьшающих перенапряжение водорода в концентрированных растворах сильных кислот. Этим методом следует пользоваться только в том случае, когда металл находится в активном состоянии. Для железа, например, концентрацию соляной кислоты можно увеличивать беспредельно, концентрацию серной кислоты — лишь до 50—55, азотной кислоты —¦ до 30—35%.

Для увеличения скорости водородной деполяризации вводят также анионы, которые, внедряясь в двойной электрический слой, увеличивают скорость катодного процесса. He менее эффективны методы снижения перенапряжения водорода, а также повышения температуры электролита. Для металлов, характеризующихся высоким перенапряжением водорода, повышение температуры на I град приводит к снижению перенапряжения в среднем на 2—4 мВ. Хотя подвижность ионов водорода велика и их концентрация в кислых растворах достаточна для того, чтобы ие наступала концентрационная поляризация, в неразмешиваемых электролитах со временем может наблюдаться торможение процесса вследствие затруднения отвода продуктов растворения металлов.

Таким образом, при ускоренных испытаниях в кислых электролитах рекомендуется ускорять процесс за счет увеличения концентрации кислоты, снижения перенапряжения водорода, повышения температуры и усиления размешивания электролита. Для того чтобы иметь представление, в какой области pH целесообразно изменять кислотность и иа сколько изменится при этом скорость коррозии того или иного металла, необходимо учитывать зависимость скорости коррозии металла от pH [7].

Для процессов коррозии, протекающих с кислородной деполяризацией, при выборе метода ускоренного испытания следует учитывать целый ряд усложняющих обстоятельств. Растворимость кислорода в нейтральных электролитах ограниченна (в чистой воде при 20 0C она составляет 8—9 мг/л), поэтому, если вести испытания в неразмешиваемых электролитах, довольно быстро наступает концентрационная поляризация по кислороду, и процесс сильно замедляется. Для предотвращения этого ускоренные испытания в нейтральных электролитах необходимо проводить в движущихся жидкостях. Этого достигают как путем вращения ,образцов, так и путем движения жидкости относительно образцов. Оба приема способствуют увеличению поступления кислорода к поверхности металла и тем самым ускорению катодного процесса.

При проведении таких испытаний пользуются приборами с вращающимися образцами. При выборе частоты вращения образцов или движения электролита следует учитывать, что при увеличении доставки кислорода ие только повышается скорость катодного процесса, ио и в определенных условиях может тормозиться анодный процесс, что приведет к обратному результату, т. е„ к замедлению коррозии.

В морской воде, где концентрация ионов хлора велика, скорость коррозии с увеличением скорости движения будет непрерывно увеличиваться вплоть до величины 6—7 м/с, поскольку даже увеличение доставки кислорода к металлу в этих условиях не может привести к пассивности металла.

Увеличить доставку кислорода к металлу можио не только размешиванием, ио и введением дополнительных деполяризаторов, например пероксида водорода, который может восстанавливаться и, кроме того, при разложении которого увеличивается концентрация кислорода на поверхности металла. При ускоренных испытаниях в морской воде или 3%-иом растворе хлорида натрия добавляют 0,1% пероксида водорода.

Кроме пероксида водорода для ускорения катодного процесса можио использовать и другие катодные деполяризаторы: диоксид серы, атомный хлор, металлические катионы, существующие в нескольких степенях окисления (Fe3+, Cr6+), а также кислородсодержащие анионы. Применение кислородсодержащих аииоиов особенно целесообразно, если они присутствуют в электролите, в котором будет эксплуатироваться изделие.

Другим важным фактором, способствующим ускорению коррозионных процессов, является повышение температуры испытания. Необходимо учитывать, что при повышении температуры может изменяться характер образующихся продуктов.коррозии, что иногда обусловливает замедление процесса. Так, например, уменьшение скорости коррозии наблюдается при коррозии железа в нейтральном электролите при 70—80 °С, что обусловлено резким уменьшением концентрации кислорода в электролите при повышении температуры. Если известна зависимость скорости коррозии от температуры в данном электролите, температуру ускоренных испытаний следует выбирать на восходящей ветви кривой.

Рассмотрим закономерности, которые характерны для процессов коррозии, контролируемых скоростью анодного растворения, и пути увеличения скорости этого процесса при ускоренных испытаниях.

Из схематической анодной кривой, представленной на рис. 1.2, видно, что испытания нужно вести таким образом, чтобы потенциал металла находился в области активного растворения (АБ) и по возможности был смещен, в сторону положительных значений от стационарного, ио не выходил за пределы потенциала пассивации (фп). Это достигается введением в электролит окислителей в определенных концентрациях, а также увеличением подвода кислорода.

При увеличении тока анодного растворения во избежание пассивации следует применять перемешивание, которое будет способствовать отводу продуктов анодной реакции от поверхности испытуемых образцов.

Коррозионный процесс можно ускорить также путем изменения состава раствора, учитывая при этом специфическое действие анионов по отношению к различным металлам. Например, ионы SO42- действуют иа железо почти так же, как хлорид-ионы. В то же время сульфат-иоиы не ускоряют коррозии алюминия и нержавеющей стали. Добавка сульфата в хлоридиый раствор оказывает пассивирующее действие и при определенном соотношении способна полностью подавить действие хлорид-иона [3]. Поэтому при испытании нержавеющих сталей и алюминия нужио применять растворы хлорида иатрия. Медные сплавы, наоборот, очень чувствительны к сульфат-ионам, так как растворимость сульфатов меди- выше растворимости хлоридов. При испытаниях низколегированных и малоуглеродистых сталей допустимо применение электролитов, содержащих смесн сульфатов и хлоридов.

При выборе электролитов для испытания следует всегда учитывать и состав среды, в которой будет работать изделие, и увеличивать концентрацию того компонента, который для данного материала является наиболее агрессивным, поскольку многие металлы эксплуатируются в морской воде с большим содержанием хлоридов, при ускоренных испытаниях чаще всего применяют растворы хлорида натрия, концентрацию которого выбирают, исходя из общего содержания хлоридов в морской воде. Обычно применяют 3%-ный раствор хлорида натрия.

Рис. 2.1. Способы испытания металлических образцов при погружении в электролиты:

а — в комнатных условиях; б — термостатирование; в, г — перемешивание мешалкой; д — вращение образцов; е — пропускание воздуха

В речных водах с низкой концентрацией хлоридов содержание сульфатов относительно высоко, поэтому при лабораторных испытаниях для имитации этих условий применяют раствор, содержащий 30 мг/л хлорида натрия и 70 мг/л сульфата натрия.

В случае, когда коррозию определяют как аиодиый, так и катодный процессы, при ускоренных испытаниях применяют комбинированные методы — с ускорением этих двух электрохимических реакций. К таким методам можно отнести испытания в растворах хлорида натрия, содержащих 0,1% H2C^.

Введение в растворы кислот хлорида натрия в небольших количествах также будет способствовать увеличению скорости коррозии металлов, находящихся в пассивном состоянии.

Ниже приведены составы электролитов, применяющихся при ускоренных испытаниях металлов при погружении:

* ГОСТ 9.017—74. ** ГОСТ 9.020—74.

Способы аппаратурного оформления испытаний при полном погружении металла в раствор зависят от того, проводятся испытания в спокойном или в размешиваемом электролите. Самые простые способы испытания в открытом сосуде представлены на рис. 2.1.

При проведении испытаний в условиях размешивания электролита в сосуд с образцами помещают стеклянную мешалку или размешивают электролит

электромагнитной мешалкой (рис. 2.1,6 и б). Электролит можно перемешивать и путем пропускания потока воздуха под давлением (рис. 2.1, е).

При испытаниях материалов, предназначенных для трубопроводов, лабораторные испытания проводят на специальных установках, в которых предусмотрена циркуляция жидкости.