Значение коррозийных явлений при обработке металлов

Категория:
Химическая обработка


Значение коррозийных явлений при обработке металлов

Разрушительная сила и скорость коррозийных процессов, вызванных химическим или электрохимическим воздействием, бывают настолько значительны, что возникает вопрос: нельзя ли разумно использовать это явление при обработке металлов?

Рассмотрим коррозию металлов именно с этих позиций.

Все технические сплавы неоднородны. На поверхности их одни участки играют роль анода, а другие (например, различного рода структурные составляющие, включения) — катода. В результате на поверхности сплавов образуется колоссальное количество микрогальванических пар, и чем больше неоднородность металла, тем больше скорость его разрушения. Коррозийное разрушение, связанное с возникновением электрического тока, называют электрохимической коррозией. Она возникает не только тогда, когда металлы соприкасаются с растворами электролитов, но и в воздухе. Дело в том, что в воздухе всегда содержится то или иное количество воды в виде пара.

Особенно агрессивна атмосфера влажного морского воздуха, где наряду с парами воды содержится большое количество мельчайших частиц разных солей. Много газов содержит атмосфера больших городов и промышленных центров.

Разрушение металла в атмосферных условиях следует рассматривать как результат работы колоссального количества микроскопических гальванических элементов.

Еще более активна электрохимическая коррозия в специально созданных условиях. Если воздействовать на чистый, без примесей цинк разбавленным раствором соляной кислоты, то он почти не будет растворяться в соляной кислоте. Но в присутствии меди цинк активно растворяется с выделением водорода. Если соединить цинк и медь, погрузив их в раствор кислоты, то растворение цинка происходит под действием возникшего электрического тока.

Этот вид коррозии является примером окислительно-восстановительной реакции. В раствор кислоты цинк интенсивно переходит в виде ионов. Избыток их переносится на медь. Имеющиеся в растворе ионы водорода восстанавливаются на медном электроде и, соединяясь с избыточными электронами, выделяются в виде газа.

Если осуществить обработку металла, в частности, шлифование в растворе электролита, то таким путем будут созданы условия коррозийно-абразивного разрушения, т. е. такого разрушения, с которым мы сталкиваемся в природе.

Коррозийно-абразивному изнашиванию подвергаются многие детали газовых и паровых турбин, котлоагрегатов, химического и металлургического оборудования.

Опыты показывают, что из всего многообразия физико-химических явлений, происходящих при шлифовании в растворе электролитов, наибольшее значение имеют коррозийные явления. Характер их зависит от химического состава металла и от свойств среды, в которой осуществляется шлифование.

При изучении процессов шлифования в различных химически активных средах установлена прямая зависимость между производительностью шлифования и коррозийной активностью.

Другие растворы, как показывают опыты, влияют на производительность в меньшей степени.

Характерными являются экспериментальные данные производительности шлифования стали в растворах азотнокислой ртути и сернокислой меди: будет такой же, как и в растворе сернокислой меди.

Однако это не подтвердилось: поверхность стали при шлифовании в растворе азотнокислой ртути равномерно амальгамируется и оказывается весьма однородной. При шлифовании в азотнокислой ртути производительность в 6 раз меньше, чем в сернокислой меди. Этот же вывод подтверждается при шлифовании чугуна в растворе азотнокислой ртути.

По приведенным данным, при шлифовании чугуна производительность по сравнению со шлифованием стали возрастает в 15 раз. Этому способствует наличие свободного углерода (графита) в структуре чугуна. Чем больше структурная неоднородность, тем больше производительность шлифования в растворе электролита. Графитовые включения, играя роль катодов, приводят к возникновению колоссального количества гальванических элементов микроскопических размеров (микрогальванических пар).

Коррозийное разрушение металла в растворах электролитов объясняется деятельностью гальванических элементов на поверхности металла, что было подтверждено действующей моделью. Два разных металла (железо и медь) взаимно шлифовались суспензией абразивного порошка в электролите. Шлифуемые металлы, разделенные тонким слоем суспензии, не имели между собой непосредственного контакта. Толщина слоя между металлами определялась размерами зерен абразива. Железо и медь были замкнуты проводом. Так как в процессе шлифования поверхность металла и суспензия, разделяющая металлы, непрерывно обновлялись, то в действие включались все новые и новые микропары. Поэтому величина тока в замкнутой цепи была постоянной. Измерялась скорость разрушения электроотрицательного металла цепи. При замыкании цепи производительность шлифования электроотрицательного металла повышалась в соответствии с током, развиваемым деятельностью микрогальванических пар. При шлифовании 20 см2 поверхности ток, вызванный действием микрогальванических пар, достигает 0,5 а.

При останове станка ток в цепи из-за поляризационных явлений быстро падает практически до нуля. Следовательно, активное коррозийное разрушение сплава происходит только в процессе шлифования, когда обрабатываемая поверхность механически деполяризуется. Коррозийное разрушение в каждый момент ограничено тонким поверхностным слоем металла и не нарушает структуры более глубоких слоев.

Производительность шлифования зависит и от структуры, толщины и прочности пленки — продукта химической реакции. Весьма существенным является прочность сцепления пленки с основным металлом. С ее увеличением производительность снижается. По этой причине некоторые металлы и сплавы, несмотря на высокую химическую активность, шлифуются с пониженной производительностью. К числу их относятся хром, никель, алюминий, нержавеющие стали, что объясняется образованием на их поверхности тонких сплошных, прочно сцепляемых пленок.

Алюминий, относящийся к числу электроотрицательных металлов, легко пассивируется с образованием исключительно плотной и прочной пленки окисла. Эта пленка служит надежной защитой от разрушения. По этой причине шлифование алюминия в воде и в растворах сернокислой меди происходит практически с одинаковой производительностью. В средах, где исключается образование защитных пленок (например, едкого натра), производительность процесса шлифования возрастает больше чем в 2 раза, но поверхность оказывается более шероховатой.

При коррозийном разрушении на поверхности металла помимо защитного слоя большей или меньшей прочности расположен тонкий слой металла с несколько нарушенной структурой. Механическая прочность этого Слоя меньше прочности глубинных слоев металла.

Поэтому в процессе шлифования происходит механическое разрушение не только поверхностного защитного слоя, но и лежащего под ним тонкого слоя с ослабленной структурой.

Прямая зависимость между производительностью шлифования и коррозийными явлениями особенно отчетливо устанавливается и при шлифовании таких структурно разнородных сплавов, как металлокерамические твердые сплавы. Поверхность твердого сплава в электрохимическом отношении особенно неоднородна. Зерна карбида вольфрама являются электроположительными, а участки кобальта — электроотрицательными- центрами поверхности. Деятельность гальванических микропар приводит к коррозийному разрушению кобальтовой связки и к освобождению зерен карбида вольфрама.

Однако этот процесс не заходит настолько глубоко, чтобы зерна карбида вольфрама полностью освобождались вследствие коррозии. Отчасти это может происходить потому, что процесс разрушения кобальтовой связки, окружающей карбидное зерно, требует немалого времени, отчасти и потому, что карбидные зерна в результате спекания оказываются до некоторой степени связанными друг с другом.

Поверхность твердого сплава, шлифуемая, например, в растворе CuS04, оказывается покрытой сплошным тонким слоем металлической меди, играющим роль защитного слоя. Слой этот легко может быть удален путем кратковременного шлифования поверхности абразивным порошком с водой. При шлифовании твердого сплава следуют друг за другом процессы химического растворения кобальтовой связки и механического удаления медного слоя.

В различных электролитах образуются защитные пленки толщиной от долей микрона до нескольких десятков микронов, а в некоторых случаях даже сотни микронов. Пленка меди, образующаяся при шлифовании твердого сплава, видна невооруженным глазом. Процесс роста пленок носит затухающий характер, т. е. сначала толщина пленки быстро увеличивается, затем скорость ее роста снижается, так как металл оказывается отделенным от раствора электролита.

В разбавленном растворе сернокислой меди происходит быстрое осаждение меди на поверхность шлифуемого сплава, а в более концентрированном не сразу, а приблизительно через 10 сек., причем сначала медь покрывает сплав в некоторых точках (обычно вдоль краев), а затем быстро распространяется по всей его поверхности.

Коррозийный процесс значительно ослабляет структуру поверхностного слоя сплава, что, в свою очередь, приводит к повышению производительности шлифования. Характер коррозийных разрушений зависит от природы воздействующего электролита. Наиболее эффективными ускорителями являются соли электроположительных металлов (серебра, ртути и меди). В этих электролитах металлический кобальт, входящий в состав твердого сплава, вытесняет из раствора электроположительный металл, который покрывает всю поверхность твердого сплава тонким слоем. Одновременно с выделением электроположительного металла в раствор переходит эквивалентное количество кобальта.

Химический анализ абразивной суспензии показывает, что во время шлифования непрерывно уменьшается содержание соли электроположительного металла и возрастает содержание соли кобальта. Характерно, что производительность шлифования твердых сплавов в растворе азотнокислой ртути, как и в других растворах солей электроположительных металлов, очень значительна. Это объясняется тем, что при шлифовании твердого сплава в азотнокислой ртути амальгамируется только кобальт, но не карбид вольфрама. По этой причине деятельность микропары на поверхности сплава в результате амальгамирования не прекращается, и при шлифовании происходит нормальный процесс коррозийного разрушения. Кроме того, амальгамирование участков кобальта способствует более легкому выкрашиванию зерен карбида вольфрама, что также повышает производительность процесса.

Производительность шлифования зависит от коррозийной стойкости твердых сплавов. В азотной кислоте 10%-ной концентрации коррозийная стойкость сплава ВК8 составляет 15 г/мм2 за сутки, в серной кислоте той же концентрации — 2,5 г/мм2. Подобная зависимость сохраняется и при шлифовании твердых сплавов; в растворе азотнокислой ртути съем твердого сплава больше, чем в сернокислой меди. Ниже приводятся данные шлифования твердого сплава ВК8 микропорошком М20 в растворах электролитов (число оборотов медного шли-фовальника 74 об/мин.; давление 240 г/см2):

Влияние наложения тока. Как было показано, коррозийное разрушение твердого сплава при шлифовании в растворах электролитов происходит в основном за счет деятельности гальванических микропар на шлифуемой поверхности.

Аналогичные результаты получаются при шлифовании твердого сплава с одновременным анодным растворением. Шлифованная поверхность сплава в данном случае также имеет нарушенную коррозийным процессом структуру.

В целях сравнения было проведено исследование шлифования твердого сплава в растворах электролитов и при одновременном анодном растворении, когда во внешнюю цепь электрической схемы вводился источник постоянного тока.

Результаты опытов показывают, что шлифование твердого сплава с одновременным анодным растворением значительно усложняет условия шлифования. Требуются мощные источники с регуляторами постоянного тока (200—5000 а), электронные устройства для сохранения постоянного межэлектродного зазора, насосы с баками емкостью в сотни, а иногда и в тысячи литров, фильтрующие устройства, измерительные приборы и др. Однако при обработке химически стойких сплавов, когда требуются большие съемы, наложение тока не только необходимо, но и экономически целесообразно.

Коррозийные процессы играют существенную роль не только при шлифовании, но и в других процессах обработки металлов. Здесь в качестве активного коррозийного агента выступает сера.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум