ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2013, том 87, № 4, с. 717-719
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ =
УДК 669.76+542.943
КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ СПЛАВОВ Zn5Al И Zn55Al, ЛЕГИРОВАННЫХ СКАНДИЕМ
© 2013 г. З. Р. Обидов, А. В. Амонова, И. Н. Ганиев
Академия наук Республики Таджикистан, Институт химии им. В.И. Никитина, Душанбе
E-mail: z.r.obidov@rambler.ru Поступила в редакцию 23.02.2012 г.
Приведены результаты исследования кинетики окисления твердых сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных скандием. Показано, что добавки скандия в пределах 0.005—0.05 мас. % значительно уменьшают окисляемость исходных сплавов.
Ключевые слова: кинетика окисления, цинк-алюминиевые сплавы Zn5Al, Zn55Al, термогравиметрический метод, окисление сплавов, скандий.
Б01: 10.7868/80044453713040213
При создании новых материалов, предназначенных для работы в особо жестких условиях, встает задача придания им коррозионной стойкости, практическое решение которой связано с уровнем знаний в области высокотемпературного окисления металлов.
В настоящее время, на рынке стальных конструкций все чаще стали появляться гальфановые покрытия, представляющие сплавы цинка с 5 мас. % алюминия (Гальфан I) и цинка с 55 мас. % алюминия (Гальфан II). Дальнейшее повышение коррозионной стойкости гальфановых покрытий достигается легированием [1, 2].
Целью настоящей работы явилось изучение влияния температуры и химического состава на кинетику окисления сплавов Zn5Al, Zn55Al легированных скандием, в твердом состоянии. Для решения поставленной задачи применяли метод термогравиметрии с непрерывным взвешиванием образцов [3—7].
Исходным материалом для синтеза сплавов служили цинк марки "ч.д.а.", алюминий марки "А7" и его лигатура со скандием (2% 8е). Сплавы для исследования получали в шахтной печи сопротивления типа "СШОЛ" в интервале температур 750—850°С. Взвешивание шихты производили на аналитических весах АРВ-200 с точностью 0.1 х 10-6 кг. Перед исследованием образцы очищали от образующегося оксида. Шихтовка сплавов проводилась с учетом угара металлов. Состав сплавов контролировался анализом на электронном микроскопе 8ЕМ серии АК2100 (Южная Корея).
Окисление твердых цинк-алюминиевых сплавов, легированных скандием различной концентрации проводили на воздухе, для чего измеряли увеличение массы образца вследствие роста оксидной пленки во времени при постоянных температурах 523, 573 и 623 К. Истинную скорость окисления вычисляли по касательным, проведенным от начала координат к кривым, по формуле: K = (g/s)At, а значение кажущейся энергии активации процесса окисления вычисляли по тангенсу
угла наклона прямой зависимости lg K—1/T. Результаты исследования представлены в таблице.
Кинетику окисления исходных сплавов Zn5Al и Zn55Al в твердом состоянии исследовали при температурах 523, 573 и 623 К. Сформировавшаяся оксидная пленка в начальных стадиях процесса, по-видимому, не обладает достаточными защитными свойствами, о чем свидетельствует рост скорости окисления во времени и от температуры (таблица). Окисление данных сплавов характеризуются линейной зависимостью в начальных стадиях процесса, а затем по мере проявления защитной способности оксидной пленки прямая зависимость переходит в параболу (рисунок). С ростом температуры наблюдается увеличение истинной скорости окисления исходного сплава Zn5Al, которая составляет 3.07 х 10-4 и 3.91 х 10-4 кг/(м2 с), соответственно при температурах 523 и 623 К. Кажущаяся энергия активации окисления исследуемого сплава составляет величину 128.37 кДж/моль (таблица). Цинк-алюминиевый сплав Zn55Al по сравнению со спла-
718
ОБИДОВ и др.
Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердых сплавов /п5Л1 и /п55Л1 легированного скандием
с, мас. % T, K K х 10-4, кг/(м2 с) E, кДж/моль
Zn5Al
- 523 3.07 128.4
573 3.55
623 3.91
0.005 523 2.12 169.8
573 2.58
623 2.96
0.01 523 2.03 172.1
573 2.46
623 2.85
0.05 523 1.90 175.6
573 2.35
623 2.70
0.1 523 2.16 167.6
573 2.64
623 3.01
0.5 523 2.34 144.6
573 2.76
623 3.14
K х 10-4, кг/(м2 с)
E, кДж/моль
Zn55Al
2.74
3.32 3.73 1.94 2.37 2.68 1.66 2.06
2.33 1.48 1.84 2.08 2.10 2.58 2.94 2.23 2.72 3.08
154.4
176.2
186.3
194.8
170.0
164.5
Обозначения: с — содержание скандия в сплаве, Т — температура окисления, К — истинная скорость окисления, Е — кажущаяся энергия активации.
вом Zn5A1 характеризуется наименьшим значением истинной скорости окисления и наибольшей величиной кажущейся энергии активации (таблица).
Исследованием процесса окисления цинк-алюминиевых сплавов, в атмосфере воздуха установлено, что легирование скандием в количествах 0.005—0.05 мас. % оказывает существенное воздействие на окисляемость исходных сплавов Zn5A1 и Zn55A1 (таблица). При легировании сплава Zn55A1 скандием (0.05 мас. %) наблюдается заметное уменьшение окисляемости исходного сплава (таблица). Добавки 0.1 и 0.5 мас. % скандия способствуют некоторому увеличению скорости окисления, но последнее по своей величине не превышает окисляемость исходных сплавов (таблица).
Кинетические параметры процесса окисления зависят от структуры оксидной пленки. В данном случае, по-видимому, образовавшаяся пленка достаточно плотная и не позволяет доступу кислоро-
да к поверхности реагирования. Об этом свидетельствуют рассчитанные значения истинной скорости окисления, которые приведены в таблице.
Продукты, образующиеся при окислении сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных скандием, исследованы на электронном микроскопе SEM. Показано, что имеет место образование, как простых оксидов ZnO, Al2O3, Sc2O3, так и оксидов двойного состава Al2O3 • ZnO, ZnO • ScO.
В целом, по данным экспериментальных исследований кинетики окисления твердых сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных скандием, установлено, что сплавы, содержащие 0.1 и 0.5 мас. % скандия по сравнению с низколегированными скандием сплавами (0.005—0.05 мас. %) обладают наибольшим значением истинной скорости окисления и наименьшей величиной кажущейся энергии активации. Минимальное значение скорости окисления относится к сплавам, содержащим 0.05 мас. % скандия. Определено, что окисления изученных сплавов при вышеуказанных
КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ СПЛАВОВ Zn5Al И Zn55Al
719
(g/s) х 10-4, г2/см4
24
16
21
14
(a)
(б)
20
40
-•2 ~°3
1
зз
60 t, мин
Кинетические кривые окисления сплавов Zn5Al (а) и Zn55Al (б) при: 623 (1), 573 (2) и 523 K (3).
температурах подчиняются параболическому закону. Выявлено, что легирующий компонент значительно уменьшает окисляемость исходных сплавов Zn5Al и Zn55Al в пределах 0.005—0.05 мас. % скандия, которые являются перспективными в плане работы в качестве защитного покрытия стальных конструкций при высоких температурах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обидов З.Р., Ганиев И.Н. Анодные защитные цинк-алюминиевые покрытия с элементами II группы. Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 288 с.
2. Обидов З.Р., Ганиев И.Н., Алиев Д.Н., Ганиева Н.И. // Журн. прикл. химии. 2010. Т. 83. № 4. С. 962.
3. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1965. 428 с.
4. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов. М.: Мир, 1969. 392 с.
5. Лепинских Б.М., Киташев А.А., Белоусов А.А. Окисление жидких металлов и сплавов. М.: Наука, 1979. 116 с.
6. Биркс Н., Майер Дж. Введение в высокотемпературное окисление металлов. М.: Металлургия, 1987. 184 с.
7. Обидов З.Р., Ганиев И.Н. Анодное поведение и окисление сплавов систем Zn5Al—ЩЗМ и Zn55Al— ЩЗМ. Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 156 с.
1
8
7
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.