УДК 620.178.162.4; 620.194.3

 

ИССЛЕДОВАНИЕ  КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ МЕТОДОМ НАКЛАДЫВАНИЯ ВНЕШНЕГО ПОТЕНЦИАЛА

 

INVESTIGATION OF CORROSION-MECHANICAL WEAR USING METHOD OF EXTERNAL POTENTIAL APPLICATION

 

  Прозоров Я.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ), Тупицкий О.О. (БГУ им. ак. И.Г.Петровского, г. Брянск, РФ)

 

Prozorov Ya.S. (Bryansk state engineering and technological academy, Bryansk, Russian Federation), Tupitskiy O.O. (Bryansk state university, Bryansk, Russian Federation)

 

Дана краткая характеристика коррозионно-механическому виду изнашивания. Рассмотрены схемы для его исследования в условиях трения скольжения. Выделены основные группы методов исследования коррозионно-механического изнашивания: гальванические, потенциодинамические, потенциостатические и электрохимическая импедансная спектроскопия.  Дано описание метода накладывания внешнего потенциала.

This article presents the short characteristic of corrosion-mechanical wear. There are schemes for his research in conditions of sliding friction. Main groups of methods are galvanic, potentiodynamic, potentiostatic and electrochemical impedance spectroscopy. The brief comparative analysis of method of external potential application is shown.

 

Ключевые слова: коррозионно-механическое изнашивание, трибокоррозия, трибоэлектрохимическая ячейка

Key words: corrosion-mechanical wear, tribocorrosion, electrochemical cell

 

Коррозионно-механическое изнашивание (трибокоррозия), представляет собой разрушение материала в результате одновременного действия трения и коррозии. При этом во многих случаях проявляется взаимовлияние механических и химических явлений (синергизм), в результате чего картина изнашивания может существенно изменяться. Трибокоррозия происходит в широком спектре совместных механических и химических воздействий. Механическое изнашивание при этом возникает в результате фрикционного контакта твердых тел (трение скольжения и качения, фреттинг), воздействий потока жидкости (кавитация) и абразивных частиц (эрозия). Коррозия возникает вследствие присутствия в зоне контакта химически агрессивных жидких сред или окисляющих газов. Эксплуатация в подобных условиях характерна для металлургического оборудования, техники химической, деревообрабатывающей, строительной и  нефтяной отраслей промышленности.

К сожалению, закономерности проявления  взаимовлияния механического и химического факторов трибокоррозии пока недостаточно изучены как теоретически, так и экспериментально. Это связано с тем, что для изучения коррозионно-механического изнашивания необходимо одновременное воспроизведение механических и химических составляющих процессов изнашивания. В последнее время в зарубежной  и отчасти отечественной практике исследования коррозионно-механического изнашивания используются методы, применяемые при изучении коррозии. С их помощью можно понять, как  механическое изнашивание влияет на кинетику реакций коррозии, а также оценить влияние этих реакций на механические характеристики фрикционного контакта[1].

Поэтому необходимым является разработка методики использования экспериментов для исследования коррозионно-механического изнашивания и их стандартизация. В результате выполнения указанных работ в 2004 году был создан стандарт США ASTM G119 «Guide for Determining Synergism Between Wear and Corrosion»[2], описывающий порядок вычленения компонент коррозионно-механического-изнашивания и исследования взаимодействия между ними. Европейские исследователи предложили собственный экспериментальный подход для исследования трибокоррозии [3,4,5]. Оба этих подхода основаны на объединении электрохимических и трибологических нагрузок и могут быть выполнены с помощью одного и того же экспериментального оборудования. Однако G119 включает изнашивание при анодной и катодной поляризации для исследования взаимодействия между износом и коррозией, европейский подход предусматривает изнашивание в условиях равновесного потенциала Еос.

Для изучения трибокоррозионных характеристик материалов в условиях трения скольжения предлагается использовать систему, позволяющую подвергать исследуемый образец одновременно трибологическим и коррозионным процессам. При этом  возможно применение стандартизованных как в России, так и за рубежом схем  типа «палец - диск» и «сфера - плоскость». В настоящее время для проведения таких исследования  применяется большое количество установок,  в том числе и серийного изготовления. Одна из таких моделей (стенд Tribocor производства компании Tricomat) приведена на рис. 1.

Рисунок1 - Установка для исследования коррозионно-механического изнашивания(а) и используемая в его составе трибокоррозионная электрохимическая ячейка (б)

 

При создании стендов для исследования коррозионно-механического изнашивания должны быть обеспечены следующие основные требования:

1) Зона фрикционного контакта должна быть полностью погружена в раствор электролита. При этом в целях безопасности образец желательно выполнять неподвижным со скользящим поверх него контробразцом.

2) Образец должен быть электрически подключен к потенциостату и выполнять функции рабочего электрода. Таким образом он является элементом трибоэлектрохимической ячейки, включающей в себя  также вспомогательный и противоэлектрод, которые позволяют контролировать электрохимические параметры воздействия на образец при проведение экспериментов. Схема трибоэлектрохимической ячейки представлена на рисунке 2.

3) Для изготовления контробразцов желательно использовать диэлектрические материалы (например, оксид алюминия или диоксид циркония), что позволяет предотвратить гальваническую связь между образцом и контробразцом. Если это невозможно, тогда он должен быть изолирован от остальной части устройства.

4) Держатель контробразца также должен быть изготовлен из непроводящего ток материала, чтобы предотвратить электрический контакт между электролитом и аппаратурой.

Для оценки устойчивости материалов к коррозии возможно использование различных электрохимических методов, а именно гальванических, потенциодинамических, потенциостатических и электрохимической импедансной спектроскопии. Эти методы могут активно использоваться в трибокоррозионных экспериментах для оценки взаимосвязи между механической и  химической компонентой износа,

При выполнении исследований трибокоррозии наибольшее распространение получили подходы, объединяющие в себе электрохимические и трибологические испытания, в частности первый - исследование процессов в зоне трения скольжения при накладываемом внешнем потенциале электрохимической ячейки [2], и второй - изучение трения в условиях равновесного потенциала системы [3,5].

Метод накладывания внешнего потенциала предполагает проведение исследований в 4 этапа. Параметры проведения экспериментальных исследований определяются на основе анализа условий эксплуатации: параметры трения, нормальная нагрузка Р, путь трения L, скорость скольжения V, свойства  контробразца, вид электролита, его температура, кислотность, накладываемый анодный потенциал. Площадь поверхности образца, подверженной воздействию электролита, обозначается Ао и обычно имеет определенное значение. Эта площадь включает две зоны:  область изнашивания в пределах дорожки трения Аw и неизношенная поверхность Аo – Аw.

Проведение эксперимента осуществляется в следующем порядке – вначале осуществляется очистка и промывка образца, после чего он погружается в раствор электролита. После  погружения образца необходимо дождаться стабилизации значения равновесного потенциала ячейки Eос.

Общая потеря массы материала Mtot в условиях коррозионно-механического изнашивания может быть выражена как:

                                                         (1)

Mmech - потеря массы за счет механического износа в отсутствие коррозии, Mc - потерей массы из-за коррозии в отсутствие изнашивания, и Msyn - потерей массы за счет взаимодействия между износом и коррозией. Msyn можно представить в виде суммы двух слагаемых, Мwи Mc-w, где Mw-с  - увеличение коррозионных потерь из-за  механических воздействия (индуцированная трением корррозия), и Мc-w - увеличение механического износа вследствие коррозии (индуцированный коррозией износ). Поэтому предыдущее уравнение может быть выражено следующим образом:

                                                    (2)                                      

Потеря массы образца в результате электрохимических реакций может быть опредлелена по закону Фарадея.

                                                                  (3)

 где М (кг) – потеря массы метала в результате химических реакций за время t (сек.), ia (A) - сила анодного тока, Ма (кг/моль) - атомная масса, n — число валентных электронов,  F  -  постоянная Фарадея.

Для чистых металлов показатель n обычно известен, для сплавов n получают с учетом его составных элементов при условии, что все они участвуют в процессе окисления по формуле:

                                                                 (4)

где Xj и nj - часть и число электронов валентности элемента j, соответственно.

На первом этапе определяется  суммарный износ Mtot, измеряемый как потеря массы образцов до и после единичных испытаний в условиях коррозионно-механического изнашивания.

Второй этап экспериментов (анодная поляризация) проводится в тех же условиях, что и первый, но дополнительно между металлическим образцом (рабочим электродом) и электродом сравнения задается  фиксированный потенциал, поддерживающийся за счет тока между рабочим электродом и противоэлектродом (рисунок 2).

 Рисунок 2- Трибоэлектрохимическая ячейка для исследования двунаправленного трения скольжения

 

Когда ток достигает стабильного значения ia, в добавление к коррозионной нагрузке образец в ступает во фрикционный контакт с контробразцом. Измеряемый анодный ток в условиях трения обозначается iw (рисунок 3). Сила тока измеряется при фиксированном потенциале в зависимости от времени. Таким образом возможно проследить изменения электрохимической кинетики реакций окисления и восстановления, происходящих в зоне фрикционного контакта образца и контробразца. Потери материала из-за коррозии Mc и индуцированной трением коррозии Mw–c, определяются следующим образом:

                                                          (5)

                                                   (6)

Следует отметить, что Mc рассматривается только для области локализации износа Aw для сравнения его значения с Mw-с. Площадь износа Аw определяется  после трибокоррозионного испытания. Для пассивных материалов Mc пренебрежимо мало по сравнению с Mw-c , поскольку разрушение защитных пассивирующих пленок  ведет к значительному ускорению растворения металла.

На данном этапе испытаний  определяются значения стационарного потенциала Ecor, поляризационного сопротивления Rp и постоянных Тафеля βa и βс, а также вычисленные по рассмотренным выше зависимостям величины  iw и Mw–c.

Рисунок 3- Описание механизма коррозионно-механического изнашивания при накладываемом внешнем потенциале

 

На третьем этапе испытаний определяют механическую компоненту износа Mmech, для чего добиваются минимизации химического воздействия на образец. Стандарт ASTM G119 для этого предлагает использовать катодную защиту (рисунок 4) в размере -1В от равновесного потенциала ячейки Eoc, европейские исследователи рекомендуют использовать нейтральную среду с pH=7. В некоторых исследованиях используют сразу два подхода [3, 2].

Четвертый этап представляет собой вариацию классического измерения коррозионной стойкости материала образца  при отсутствии фрикционного контакта, при котором образец из исследуемого материала  помещается в электролит на заданное время. По результатам испытаний определяется Mc.

Рисунок 4-  Описание механизма коррозионно-механического изнашивания в условиях катодной защиты

 

После определения Mtot, Mw–c, Mmech и Mc,  значение  Mc–w вычисляется из приведенного уравнения (2). Отметим, что значение Мс-w может быть положительным в случаях, когда химические реакции способствуют смазыванию или  уменьшают механический износ.

Основным преимуществом данной методики является возможность количественной оценки компонентов износа после серии экспериментальных тестов. Однако необходимость задания  катодной защиты на одном из этапов эксперимента может привести к наводороживанию образцов. С другой стороны, как наличие катодной защиты, так и использование нейтральной среды не всегда приводит к полной остановке коррозии и связанных химических реакций в зоне фрикционного контакта, что говорит об отсутствии универсальности у данного подхода.  

В целом же анализируя рассмотренный метод, можно сделать следующие выводы.

·                        При исследовании коррозионно-механического изнашивания целесообразно использовать электрохимические методы,  поскольку они позволяют моделировать многие химические характеристики коррозионной среды  при  одновременном механическом воздействии, что дает возможность оценить вклад коррозии в суммарный износ.  Причем это достигается путем измерения силы тока  и последующего расчета по известным  достоверным зависимостям.

·                        Вместе с тем электрохимические методы имеют ряд недостатков, в частности реальный потенциал в зоне фрикционного контакта может существенно отличаться от накладываемого потенциала  вследствие омического падения напряжения. Кроме того, принятие анодного тока  как  меры износа образца за счет химического воздействия может правомерно только при отсутствии других значимых, кроме коррозионных,  химических реакций, приводящих к разрушению или модификации материала образца.

·                        Несмотря на общность подходов к исследованию электрохимических методов, при их применении возникают серьезные затруднения при выявлении синергизма, интерпретации результатов и завершающих выводов, для чего для чего необходим дополнительный анализ характеристик контактирующих поверхностей и продуктов износа. Для унификации и повышения точности исследований требуется более широкое использование международных и создание отечественных стандартов в части изучения коррозионно-механического изнашивания.

 

Список использованных источников

1. Памфилов, Е.А. К вопросу  моделирования коррозионно-механического изнашивания / Е.А.Памфилов, Я.С.Прозоров // Трение и износ. – Минск, 2012. – Том 33.- Номер 3. – с. 288-297.          

2. ASTM standard G119, “Standard guide for determining amount of synergism between wear and corrosion,” in Annual Book of ASTM Standards. Volume 03.02: Wear and Erosion, Metal Corrosion, ASTM, West Conshocken, Pa, USA, 2001.

3. Mischler S. Triboelectrochemical techniques and interpretation methods in tribocorrosion: a comparative evaluation // Tribology International. 2008. Vol. 41, № 7. P. 573–583.

4. Tribocorrosion of passive metals and coatings / Edited by   Dieter Landolt and Stefano Mischler -  Woodhead Publishing Limited, Cambridge UK, 2011 – 579 p.

5. Tribocorrosion properties of metallic materials and effects of metal release/ Ph. D. Thesis  by Morten Stendahl Jellesen - Department of Manufacturing Engineering and Management, Technical University of Denmark (DTU), 2007.