|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Одним из основных факторов, определяющих применение сварных конструкций из разнородных металлов в промышленности, является их коррозионная стойкость в различных условиях. Известно, что коррозия алюминия и алюминиевых сплавов ускоряется в контакте с рядом металлов в связи с возникновением гальванической пары. Проведено большое количество исследований, которые показали, что нельзя делать заключение относительно коррозионной стойкости этой пары только на основании возможности возникновения контактной коррозии.
Известно, что степень контактной коррозии зависит от величины проходящего между различными металлами тока, который обусловлен соответствующими потенциалами. По этому основному свойству металлы можно расположить в определенной последовательности. Алюминий и его сплавы
находятся в анодном ряду, монель, медь, латунь и бронза -в катодном ряду. Как известно, в электролитах металлы катодного ряда являются агрессивными по отношению к незащищенному алюминию. Цинк и лагний разрушаются в контакте с алюминием. Сталь и железо являются катодами по отношению к алюминию, хотя и в гораздо меньшей степени.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Ю. Эванс [40] приводит данные о количественных потерях железа в 1 % -ном растворе NaCl, находящегося в контакте с алюминием: Потери железа равны 9,8 мг, а алюминия — 105,9 мг. Цифры показывают, что железо защищается при контакте алюминием, как более отрицательным металлом.
Чистый алюминий имеет потенциал — 1,66 В, т. е. более отрицательный по сравнению с цинком, железом и медью (потенциал которых соответственно равен — 0,763 В, — 0,440 В, — 0,522 В) в растворах собственных ионов. Однако, применить алюминий в качестве протектора не удается, так как со временем он пассивируется. В связи с этим большой интерес представляют электродные потенциалы металлов, измеренные в рабочих средах.
Известны значения отрицательных потенциалов металлов, измеренных в 3%-ном растворе NaCl: нержавеющие стали от — 0,13 до 0,43 В; малоуглеродистая сталь (0,25%С) — 0,78 В; алюминий металлический (99,799% А1) — 0,85 В; цинк — 1,05 В. Измеренные потенцалы растворения (по отношению к каломельному электроду в 2%-ном растворе NaCl) составляют для алюминия — 0,76 В, для железа — 0,65 В; разница потенциалов (по отношению к алюминиевому электроду в 2%-ном растворе NaCl) составляет для алюминия — 0 В, для железа — 0,12 В
Электродные потенциалы металлов не дают полного представления об их коррозионной стойкости, так как трудно предсказать поведение контактной пары, когда на металлах присутствуют пленки с высокими защитными свойствами. Поэтому для дополнительной характеристики коррозионной стойкости биметаллического соединения служат данные о коррозионном токе.
С. Бирд и Ю. Эванс провели опыты по измерению силы тока и разности потенциалов пары алюминий — сталь в морской и пресной воде. Результаты измерений приведены на рис. 78.
Опыты показывают, что в начале алюминий всегда является анодом и в морской воде он не становится катодом. Тем не менее коррозия железа не прекращается. В пресной воде, содержащей бикарбонаты кальция и натрия, алюминий вскоре становится катодом и больше во время опыта не становится анодом. Таким образом, вне зависимости от того, имеется или нет контакт между разнородными металлами, для большинства условий наблюдается коррозия железа. Присутствие ионов железа в растворе уменьшает коррозию алюминия, но ионы железа, осаждаясь на поверхности алюминия, способствуют возникновению локальных участков коррозии.
Р. Видем определил потенциалы и изменение силы тока в паре алюминий — нержавеющая сталь. Полученные зависимости дали возможность рассчитать потенциал коррозии алюминия и нержавеющей стали и определить величину тока между ними. Было установлено, что электролитический элемент, в котором анод находится без защитного окисла, а катод покрыт окислами, обусловливает зарождение и рост микроточек коррозии. Электрический контакт с нержавеющей сталью увеличивает коррозионный потенциал и во многих случаях настолько, что зарождение микроточек коррозии ускоряется.
Авторами были проведены измерения тока на элементах, электроды которых составляли исследуемые биметаллические пары: СтЗ — АМгб; Ст4 — АМгб; Х18Н10Т — АМгб; СтЗ — АМгбВ; Х18Н10Т — АМгбВ.
В элементе, составленном из сплавов АМгб и стали 1Х18Н10Т, наблюдается наименьший коррозионный ток (34 мкА), а также наименьшие скорости коррозии. Сплав АМгб в контакте со всеми сталями более устойчив, чем сплав АМгбВ. Результаты испытаний приведены в табл. 34.
Таблица 34 Скорость коррозии сталеалюминиевых соединений
Д. Прайор [54] изучал гальваническую коррозию соединения алюминий — сталь. В растворах, содержащих хлориды, алюминий защищает от коррозии сталь в диапазоне кислотности pH от 0 до 14. Гальванический ток и коррозия достигает минимума пропорционально площади катодов при кислотности рН-7 и тогда диффузия кислорода является мерилом поведения стального катода. Перемешивание и продувание воздухом ускоряют гальваническую коррозию.
В институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР проводились исследования биметаллических соединений алюминий — сталь. Образец из биметалла вырезали в форме диска, который зажимали между фланцами двух цилиндрических сосудов. В каждый сосуд устанавливали платиновый электрод и электролитический ключ с краном. Поляризующий ток подводили к платиновым электродам, при этом сплав был анодом, а сталь катодом. В качестве коррозионной среды был выбран 3%-ный раствор NaCl. Перед снятием поляризационных характеристик измеряли стационарные потенциалы, а также проводили измерения общего потенциала при полном погружении. Результаты измерений приведены в табл. 35.
Экспериментом установлено, что биметаллические соединения Х18Н10Т — АМгб иХ18Н10Т — АМг5В характеризуются меньшими значениями максимального коррозионного тока, чем соединения этих же сплавов с малоуглеродистыми сталями. Многие исследователи изучали коррозию биметаллических пар алюминий — среднеуглеродистая сталь, алюминий — нержавеющая сталь, анодированный алюминий в контакте с вышеуказанными сталями. Поляризационные кривые биметаллических пар в однонормальном растворе NaCl показали, что сила коррозионного тока зависит от скорости реакции на катоде.
На основании измерений не было обнаружено по существу различия между алюминием и анодированным алюминием. Кривые поляризации для нержавеющей стали в однонормальном растворе NaCl при плотности тока 10-9 А/м2 и 13 10”10 А/м2 круто изгибаются; в этот момент потенциал нержавеющей стали равен 0,5 В. По-видимому, при этом значении потенциала коррозионное поведение стали контролируется реакцией диффузии кислорода.
Таблица 35 Величины поляризационных характеристик сталь-алюминиевых соединений
Величина скорости коррозии алюминия и анодированного алюминия увеличивается при соприкосновении со среднеуглеродистой и нержавеющей сталью. Для среднеуглеродистой стали происходит уменьшение скорости коррозии, и коррозия нержавеющей стали почти не происходит.
В работе [35] и других исследовалась коррозионная стойкость соединений стали и алюминиевого сплава, сваренных через биметаллические вставки. В результате этих измерений выявлено, что пластина алюминиевого сплава имеет более отрицательный потенциал и является катодом по отношению ко всему сварному соединению. Для того, чтобы избежать разницы потенциалов между контактирующими в сварном соединении алюминием и сталью, необходимо их потенциалы уравнять.
Бельчук Г, А. и Чертой Ф. А. [3] пришли к выводу,что покрытие стальной пластины цинком, сплавом АК (5% Si) или специальное ее алитирование дает возможность изменять электродный потенциал в широких пределах и обеспечить высокую коррозионную стойкость сварного соединения алюминий — сталь.
Авторами были измерены потенциалы под каплей в 3%-ном растворе NaCl в различных точках поверхности сварного соединения сплава АМгб с предварительно оцинкованной сталью СтЗ с алитированной сталью Х18Н10Т. В качестве присадочного материала применяли проволоки АДО, АМгб и проволоки, легированные медью, кремнием и бериллием. Результаты измерений приведены на рис. 79. Установлено, что для соединений АМгб — СтЗ (оцинкованная) более отрицательным потенциалом обладает цинковое покрытие ( — 0,825 В). Швы, сваренные легированными проволоками или АМгб, имеют более отрицательные потенциалы, чем основной металл АМгб и швы, сваренные проволокой АДО. Следовательно в первую очередь будет разрушаться цинковое покрытие; после его полного разрушения начнет корродировать шов, защищая собой сплав АМгб — СтЗ.
В сварном соединении АМгб + Х18Н10Т, выполненном с применением проволоки АДО, потенциал сплава АМгб, шва и алитированной стали Х18Н10Т одинаков и равен — 0,51 В, т. е. по всей поверхности будет наблюдаться равномерное разрушение. Швы, выполненные с применением проволоки АМгб, имеют более отрицательный потенциал.
Следовательно, для защиты сварных соединений алюминий — сталь необходимо на стальную поверхность наносить анодное покрытие определенной толщины, а швы выполнять проволокой из чистого алюминия. При этом будет выровнена электрохимическая гетерогенность поверхности.
По линии перехода в сварных соединениях алюминий — сталь при неправильных режимах сварки образуется достаточной величины слой интерметаллических соединений FewAlm. Этот слой, благодаря образованию микрогальвани-ческих элементов, усугубляет коррозионное разрушение, поскольку потенциалы интерметаллидов значительно отличаются от потенциалов стали и алюминия. А. И. Голубев приводит значения потенциалов в 3%-ном растворе NaCl: для железа — 0,290 В, для алюминия 0,670 В, для интер-металлида FeAl3 — 0,340 В. Таким образом, интерметаллид вблизи алюминиевого шва, имеющий более отрицательный потенциал, усиливает разрушение шва.
Аналогично действие включений, попавших в процессе сварки в алюминий. Имеются данные, что разность потенциалов между алюминием и кремнием меньше, чем между алюминием и соединением FeAl3, вследствие этого коррозия вокруг интерметаллида идет интенсивнее, чем около включений кремния, т. е. соединения служат микрокатодами в твердом растворе,
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЯ СО СТАЛЬЮ
Исследования электрических параметров не дают полной характеристики биметаллических сварных Соединений. И поэтому наряду с измерением токов, потенциалов и поляризаций большое значение для практических целей представляют и исследования коррозионной стойкости в условиях постоянного и переменного погружения в морскую воду, в условиях морской атмосферы и др.
Исследованиями было выявлено влияние меди, цинка и железа на коррозию алюминия, находящегося с ними в контакте. Испытания проводились в камерах с различными средами: во влажной атмосфере, в морской атмосфере, в атмосфере влажных промышленных газов (С02 й S02). При испытаниях алюминий соединяли с другими металлами с помощью алюминиевых болтов, выдерживая при закреплении одинаковые давления. Как показал автор, контакт алюминия с цинк — алюминием, углеродистой сталью» 1и фералюминием во всех средах дает уменьшение коррозии алюминия или только незначительное увеличение ее.
Бельчук Г. А. определил, что коррозионная стойкость сварных композитных соединений из алюминиевого сплава и оцинкованной стали в синтетической морской воде достаточно высокая.
В. П. Ситалов, Раздуй Ф. И. [35] исследовали стойкость сварных соединений АМгб — Ст4, сваренных через биметаллические вставки, и сделали вывод, что коррозионная стойкость соединений вполне удовлетворительна. Сварные швы как со стороны стали,так и со стороны алюминиевого сплава не уступают по коррозионной стойкости основному металлу; алюминий подвергается большей коррозии по сравнению со сталью. Механические испытания образцов показали неизменность прочностных свойств до и после коррозионных исследований. На основании исследований была предложена следующая схема лакокрасочных покрытий для защиты
конструкций от коррозионных разрушений: грунт BJI — 02 — один слой, краска ЭП — 71 — четыре слоя, сварные швы и биметаллические вставки покрывались герметиком У-ЗОМ-ЭС-5.
В лабораторных условиях было проведено исследование коррозионной стойкости в синтетической морской воде сварных соединений алюминий — сталь с эмалевыми покрытиями. Перед сваркой на кромки пластин СтЗ наносили двойное гальваническое покрытие — слой меди толщиной 5 — 6 мкм, затем слой цинка толщиной 30 — 40 мкм. Сварку между стальными пластинами и пластинами сплава АМгЗ производили аргонодуговым методом с применением присадочной проволоки АДО. На поверхность сварных образцов наносилось пять видов покрытий, основой которых были грунты ВЛ-02, АГ-10С и ФЛ-03, а также эмали ПХВ-бЭА, ЭП-51. Торцы образцов защищали бакелитовым лаком. Образцы испытывали в аппарате переменного погружения и влажной камере. Наилучшими из опробованных покрытий оказалось покрытие на основе грунта ВЛ-02 — первый слой, второй слой — грунт АГ-10С, третий слой — грунт АГ ЮС + 2% алюминиевой пудры и затем два слоя эмали ПХВ-бЭА. Осмотр после испытаний показал, что более жесткими являются испытания при переменном погружении. Покрытия на образцах после выдержки во влажной камере сохранились лучше.
В г. Севастополе коррозионная стойкость сварных соединений сплавов АМц и АМгб со сталями марок СтЗ и ХЮН ЮТ исследовалась в течение года. Ряд соединений для повышения механических свойств был выполнен при помощи присадочных проволок, дополнительно легирующих сварной шов кремнием, цинком и бериллием. Электрохимическая гетерогенность поверхности сварных соединений в известной мере уравнивалась применением для сварки проволоки АДО и покрытием поверхности стали марки СтЗ цинком, сталь Х18Н10Т — алитировалась. Часть образцов перед испытанием была покрыта лако-красочными
покрытиями. Коррозионные испытания проводились при полном и переменном погружении в море и в морской атмосфере.
Оценку степени коррозионного воздействия морской воды на соединения проводили по результатам механических исследований, проведенных до и после испытаний, визуальному осмотру и по глубине имеющихся коррозионных разрушений.
Соединения АМц + СтЗ после испытаний при постоянном и переменном погружении в море и в морской атмосфере показали хорошую коррозионную стойкость. Поверхность сплава АМц слегка потемнела, коррозионные разрушения отсутствовали, поверхность оцинкованной стали СтЗ в отдельных местах была покрыта продуктами коррозии.
Металлографические исследования показали, что меж-кристаллитная коррозия в отдельных местах после годичных испытаний наблюдается только на сплаве АМц; по линии сплавления, шву и по стали разрушений не обнаружено.
Испытания окрашенных (грунт ВЛ-02 — первый слой, краска ПФ-64 — второй слой) сварных образцов соединения АМц + СтЗ в морской атмосфере показало, что лакокрасочное покрытие имеет хорошую стойкость; покрытие сохранилось на всей поверхности. Однако в условиях полного и переменного погружения данный вид покрытия неприменим.
Соединения АМгб + СтЗ при испытаниях в условиях переменного погружения имели редкие точечные продукты коррозии, под которыми поверхность более светлая. На сплаве АМгб наблюдаются точечные разрушения (6 — 8 на 1 см2, глубина их не превышает 0,3 мм), на сварных швах имеются единичные точечные продукты коррозии.
При полном погружении образцы характеризуются недостаточной стойкостью. Металлографическими исследованиями сварных соединений после обеих видов испытаний не было обнаружено межкристаллитной коррозии.
Сварные соединения АМгб + СтЗ, сваренные проволоками, легированными кремнием, цинком, бериллием, показали
недостаточную коррозионную стойкость при полном погружении в море, интенсивное разрушение шва и наличие меж-кристаллитной коррозии по краю образцов и по линии сплавления,
Соединения АМгб + X18Н10Т при испытании в условиях постоянного погружения в море склонны к щелевой коррозии, так как швы на сплаве АМгб располагаются у мест крепления образцов к кассете, под краской и резиной.
При переменном погружении описанное явление не наблюдали, отмечены редкие точечные продукты коррозии, под которыми поверхность более светлая.
При обоих методах испытания коррозионные разрушения наблюдали со стороны алюминия, по краям и по шву, Со стороны стали — отдельные места с общими коррозионными разрушениями.
Определение зависимости электродного потенциала от времени производили на образцах сталей, алюминиевых сплавов и их сварных соединений, находящихся в условиях полного погружения в морскую воду, После восьми месяцев испытаний наиболее положительным потенциалом обладает сварное соединение АМгб + X18Н ЮТ и АМгб + СтЗ, При введении в шов легирующих элементов потенциал резко сдвигается в отрицательную сторону. Сварное соединение АМц + СтЗ характеризуется более отрицательным потенциалом, чем соединение СтЗ + АМгб.
В табл. 36 приведены механические свойства сварных соединений после испытаний в морской воде, Сварные соединения АМц + СтЗ показали наибольшую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, сварные соединения АМгб + ХЮН ЮТ — в условиях переменного погружения в море. Дополнительные легирования металла шва сварных соединений АМгб + СтЗ при испытании в морской воде показали значительное ухудшение механических и коррозионных свойств, что связано с ухудшением свойств образующейся на шве защитной пленки
Приведенные данные, показывают, что коррозионная стойкость сталеалюминиевых соединений зависит от многих факторов. Учет их в реальных условиях эксплуатации, применение надлежащих мер защиты позволит повысить долговечность сталеалюминиевых сварных конструкций, Сварные трубчатые биметаллические соединения алюминий + сталь нашли применение в кислородных регенераторах вместо стальных труб. Эти соединения сваривались по следующей схеме: на трубы стали X18Н ЮТ, которые привариваются к крышке регенератора, при помощи резьбы одеваются переходники из алюминия марки АДО; эти переходники свариваются с алитированной нержавеющей сталью аргонодуговой сваркой с применением проволоки АДО, Другой стороной переходники одеваются на развальцованные трубы из сплава АМц, которые заполняют весь регенератор. Между переходником и сплавом АМц производилась аргонодуговая сварка с присадочным материалом АДО
Все межтрубное пространство в регенераторе заполнено базальтовой крошкой.
Одновременно со сварными биметаллическими трубами испытывались трубы из сплава АМц и стали ХЮН ЮТ. Внешний вид сварных образцов после испытаний в промышленной атмосфере не изменился, металлический блеск сохранился, разрушений на них не наблюдалось.
Образцы после испытаний в клапанной коробке кислородного регенератора сохранили металлический блеск, разрушений на поверхности не наблюдалось. До и после испытаний образцы взвешивались; рассчитанные скорости коррозии показали, что данные соединения совершенно устойчивы в атмосферных условиях.
Со всех образцов после испытаний были вырезаны и изготовлены микрошлифы. Шлифы вырезались из сварных соединений в местах сварки переходника с трубкой сплава АМц и соединения переходника с трубкой стали ХЮН ЮТ. Коррозионных разрушений на шлифах не обнаружено. По краю металла алюминия и по линии сварки переходника сплава АД1 с трубкой из металла АМц после всех видов испытаний разрушений не обнаружено. На резьбовом соединении трубки стали ХЮН ЮТ с переходником АДО линия чистая, без изменений и разрушений. Разрушений не наблюдалось и на шве, между алитированной сталью и переходником АДО. Были обнаружены разрушения в виде тонких трещин на развальцованной поверхности трубки АМц и по линии соединения ее с переходником из АДО.
Биметаллические сварные трубчатые соединения пригодны для изготовления криогенных установок. Они не подверглись коррозионным разрушениям после всех видов испытаний.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЯ С МЕДЬЮ
Сварные соединения алюминий — медь, алюминий — -латунь предназначены для работы в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, которые эксплуатируются в различных атмосферных условиях. Коррозия алюминия при контакте с медными сплавами локализуется на небольшой поверхности вблизи границы контакта металлов и носит межкристаллитный характер [40].
В растворах хлористого натрия и в морской воде контакт с медными сплавами интенсифицирует коррозию алюминия.Существенную роль при этом играет вторично осаждающаяся медь, образующая эффективные местные катоды. Коррозия алюминия при контакте с другими металлами локализуется на небольшой поверхности вблизи границы контакта металлов и носит межкристаллитный характер.
Авторами были испытаны в различных коррозионных средах сварные соединения алюминий А5 — медь Ml и алюминий А5 — латунь JT059-1, выполненные аргонодуговой ручной сваркой вольфрамовым электродом и автоматической сваркой по флюсу АН-А1. В качестве присадочных материалов применялись проволока АДО и опытные проволоки А1 10% Zn и А1 — 10% Si. Осмотр показал, что образцы разрушались по разному. После испытаний в растворе 3% NaCl + 1% НС1 шов подвержен сильной общей коррозии. Образцы, имеющие соотношение площади шва к площади меди 1 : 12, разрушались полностью.
На образцах, полученных аргонодуговой сваркой, после испытаний в растворе 3% NaCl + 0,1 Н202 продукты коррозии расположены главным образом в околошовной зоне со стороны меди и латуни. Образцы с соотношением площадей 1 : 12, сваренные опытными проволоками, подвергались растрескиванию по зоне сплавления. Швы, выполненные автоматической сваркой проволокой АДО, выгодно
отличались от других; видимых разрушений на них не наблюдалось.
Перед испытаниями на сварных соединениях было замерено удельное электросопротивление, так как разность удельного сопротивления до и после испытаний характеризует наличие межкристаллитной коррозии. Однако удельное сопротивление, замеренное после испытаний, практически не изменилось. Следовательно, скорости коррозии, визуальный осмотр и удельное электросопротивление не могут достаточно охарактеризовать коррозионную стойкость сварных соединений алюминий — медь и алюминий — латунь. Поэтому были проведены металлографические исследования микрошлифов, изготовленных из всех испытанных образцов.
Сварные соединения алюминий — медь и алюминий латунь, выполненные аргонодуговой сваркой проволоками АДО, Al + Si и Al + Zn при различных соотношениях площадей, склонны к коррозионным разрушениям по зоне сплавления.
На образцах, выполненных автоматической сваркой проволокой АДО, незначительная коррозия наблюдалась только по краю образца. Следовательно, швы, выполненные автоматической сваркой, являются более коррозионностойкими, чем те, которые выполнены аргонодуговой. Легирование швов кремнием и цинком не улучшает их коррозионной стойкости.
|
