СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И СТОЙКОСТИ К МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ В ЭЛЕКТРОЛИТАХ Российский патент 2020 года по МПК C21D10/00 C22F3/00 

Изобретение относится к физико-химическим методам анализа металлов на твердость и стойкость к межкристаллитной коррозии.

Для исследования влияния электрического тока на твердость и стойкость к межкристаллитной коррозии металлов использовали алюминий и медь.

Алюминий. Стандартный электродный потенциал алюминия Е°=-1,66 В. Кристаллическая решетка алюминия гранецентрированная, кубическая с периодом а=0,4041 нм. Энергия кристаллической решетки алюминия равна U=310 кДж/моль. Температура плавления алюминия 660°С.

Алюминий обладает парамагнитными свойствами и плотностью ρ=2700 кг/м³; высокой теплопроводностью и электропроводностью, его электропроводность 37,6 м/Ом⋅мм². Алюминий высокой чистоты содержит 99,99% Al, для технических целей - 99,50% Al. В реальных кристаллах алюминия содержатся примесные атомы мышьяка, сурьмы. На поверхности алюминия образуется прочная оксидная фазовая пленка Al₂O₃, вследствие чего алюминий устойчив к равномерной коррозии.

Медь. Стандартный электродный потенциал меди равен Е°=0,34 В. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом а=0,361 нм. Энергия кристаллической решетки меди равна U=340 кДж/моль. Температура плавления меди 1083°С. Медь обладает диамагнитными свойствами и плотностью ρ=8920 кг/м³, высокой теплопроводностью и электропроводностью, ее электропроводность 60,1 м/Ом⋅мм². Медь высокой чистоты содержит 99,99% Cu, для технических целей - 99,50% Cu. В кристаллах меди содержатся примесные атомы мышьяка, висмута. На поверхности меди образуется в небольших количествах эвтектика Cu-Cu₂О, вследствие чего медь устойчива к равномерной коррозии.

Для металлов важной характеристикой является твердость и коррозионная стойкость. Твердость металлов определяется сопротивлением пластической деформации. Деформация определяется движением дислокаций под воздействием приложенных напряжений. Кристалл металла должен деформироваться без разрушения.

Повышение сопротивления движению дислокаций может быть увеличение энергии кристаллической решетки, т.е. повышение твердости металлов. Для повышения твердости металлов применяют легирование - получение сплавов, термическую обработку этих сплавов, затем закалку с последующим старением.

Недостатки метода: высокая стоимость и сложность технологического процесса, ограниченные возможности широкого использования метода.

Раскрытие изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание нового способа повышения твердости и стойкости к межкристаллитной коррозии металлов. Способ основан на воздействии электрического тока на металлы.

Поставленная задача решается при использовании постоянного электрического тока в данном случае исследовалось влияние электрического тока на предел прочности при растяжении и на стойкость к межкристаллитной коррозии металлов.

Для исследования использовали проволоку.

1. Проволока алюминиевая, круглая, диаметром 2,20 мм для проводов воздушных линий электропередачи марки АВЛ ГОСТ 16-705, 472-87.

2. Проволока медная, круглая, диаметром 2,17 мм электротехническая марки МТ ТУ 16-705, 492-2005.

В качестве источника электрического тока использовали лабораторный импульсный источник питания постоянного тока МЕГЕОН 31605. Напряжение 0-30 В Ток 0-3A.

Определяли временное сопротивление (предел прочности) при растяжении проволоки на машине ИМ-4Р.

Предел прочности при растяжении σ_в МПа определяли по формуле

где Рmax - максимальная нагрузка предела прочности, Н

F₀=π⋅^R - площадь поперечного сечения оразца, мм² (для алюминиевой проволоки 3,79 мм² - медной 3,64 мм²).

Определяли стойкость к межкристаллитной и равномерной коррозии проволоки в электролитах.

Реакция взаимодействия алюминия со щелочью (гидроксидом натрия) Образец алюминиевой проволоки помещали в стакан, куда заливали 0,01 М раствор NaOH, который проникал в щели зоны растяжения, вследствие чего возникала межкристаллитная коррозия. При этом протекала химическая реакция взаимодействия алюминия Al с гидроксидом натрия NaOH с выделением водорода H₂ и образованием аниона Al₂^-

Al+2OH^-=AlO₂^-+Н₂↑

(ионно-молекулярное уравнение)

В данном случае протекает электрохимическая равномерная и межкристаллитная коррозия алюминия. Весьма опасна межкристаллитная коррозия, разрушающая алюминий по границам кристаллов она значительно ухудшает механические свойства алюминия.

Реакция взаимодействия меди с азотной кислотой

Образец медной проволоки помещали в стакан, куда наливали 1,75 М раствор HNO₃, который также проникал в щели зоны растяжения, вследствие чего возникала межкристаллитная коррозия. При этом протекала химическая реакция взаимодействия меди Cu с азотной кислотой HNO₃

3Cu+2 NO^-₃+8Н⁺=3 Cu²⁺+2NO↑+4Н₂O

(ионно-молекулярное уравнение)

Наблюдали выделение газа оксида азота NO и образование гидратированного иона меди (II) Cu(H₂О)²⁺₄, который придавал бледно-синюю окраску раствору. В этом случае также протекает электрохимическая равномерная и межкристаллитная коррозия меди.

Для меди также весьма опасна межкристаллитная коррозия, которая значительно ухудшает механические свойства меди.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена зависимость чисел прочности σ_в КПа проволоки алюминиевой (1) и медной (2) от плотности i mA/мм² пропускаемого тока.

На фиг. 2 представлена схема установки для исследования электрохимической коррозии металлов в электролитах.

Из фиг. 1 видно, что, при пропускании электрического тока через алюминий и медь их числа прочности возрастают.

При увеличении плотности тока до 60 mA/мм² прочность алюминия возрастает от 170 до 190 КПа, меди от 240 до 270 КПа.

Определены коэффициенты прочности К для алюминия и меди по формуле:

где σ_к - конечная прочность металла при пропускании тока;

σ₀ - начальная прочность металла без пропускания тока.

Коэффициент прочности составил для алюминия 1,11, для меди 1,12.

Итак, экспериментально доказано возникновение эффекта повышения твердости алюминия и меди под воздействием электрического тока.

Энергия эффекта определяется концентрацией электронов, которые насыщают химическую связь между двумя атомами в кристалле.

В условиях эксперимента, при комнатной температуре образец металла обменивается энергией с окружающей средой в направлении, перпендикулярном электрическому току J. Поэтому процесс измерения твердости алюминия, меди является изотермическим _ΔT=0.

Для исследования влияния электрического тока на стойкость к межкристаллитной коррозии металлов использовали ту же проволоку - алюминиевую и медную.

Поверхность образцов проволоки зачищали от оксидной пленки наждачной бумагой, промывали проточной водой и протирали фильтровальной бумагой. При этом поверхность образца была чистой и сухой. Затем образцы проволоки согнули в виде полукольца. При этом образовались диаметрально расположенные зоны напряжений - зона сжатия (внутренняя часть полукольца) и зона растяжения с коррозионным растрескиванием поверхности (внешняя часть полукольца).

На фиг. 2 представлена схема установки для исследования электрохимической коррозии металлов в электроплитах. Продолжительность опыта после погружения образца в электролит 30 мин. при комнатной температуре. При пропускании электрического тока плотностью i=55 mA/мм² через образец алюминиевой проволоки реакция растворения алюминия в растворе гидроксида натрия не протекала - водород не выделялся.

При пропускании электрического тока плотностью i=140 mA/мм² через образец медной проволоки реакция растворения меди в азотной кислоте не протекала - образование гидратированного бледно-синего иона меди (II) Cu(Н₂O)²⁺₄ и выделение газа оксида азота NO не наблюдалось.

Таким образом, экспериментально доказано возникновение эффекта стойкости к электрохимической равномерной и мекристаллитной коррозии в агрессивной среде алюминия и меди под воздействием электрического тока.

Итак, экспериментально доказано возникновение эффекта повышения твердости и стойкости к межкристаллитной коррозии алюминия и меди под воздействием электрического тока.

Изобретение относится к физико-химическим методам анализа металлов на твердость и стойкость к межкристаллитной коррозии. Способ исследования прочности и стойкости к межкристаллитной коррозии металлов в электролитах, отличающийся тем, что металлический образец очищают, погружают в электролит комнатной температуры, через металлический образец пропускают постоянный электрический ток плотностью до 60 mA/мм² продолжительностью 30 минут. Технический результат - повышение твердости до 12-15% и полное исключение межкристаллитной коррозии металлов, вследствие чего значительно повышается срок службы изделий из алюминия и меди. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ исследования прочности и стойкости к межкристаллитной коррозии металлов в электролитах, отличающийся тем, что металлический образец очищают, погружают в электролит комнатной температуры, через металлический образец пропускают постоянный электрический ток плотностью до 60 mA/мм² продолжительностью 30 минут.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического образца используют алюминиевую проволоку.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлического образца используют медную проволоку.