ТЕОРИЯ сварочных процессов

Растворение металлов в электролитах

Самопроизвольное растворение поверхности металла в резуль­тате взаимодействия с газовой (SO2) или жидкой (H2S) средой, приводящее к уменьшению массы (толщины) металла, называют коррозией. Различают химическую и электрохимическую, равно­мерную и сосредоточенную коррозию.

Химическая коррозия имеет место при контакте метала с горя­чими сухими газами или неэлектропроводными жидкостями. Ее результатом является образование оксидной пленки, рост пленки по толщине, отслаивание и дальнейшее окисление. Пленки, обра­зующие плотный сплошной слой, обладают защитными свойства­ми. Окалиностойкие стали содержат 12 % хрома, а также кремний, алюминий.

Электрохимическая коррозия - это растворение металла в электропроводных средах - электролитах вследствие самопроиз­вольного перехода системы в состояние с большей энтропией. (Кристаллический порядок переходит в беспорядок раствора.) Электролитами являются вода, содержащая воздух, раствор солей в воде, в том числе морская вода, различные кислоты и щелочи и

единение ионов Н с электронами на катоде К

Если два различных металла контактируют между собой и электролитом, то возникает гальванический элемент, приводящий к протеканию электрического тока в замкнутой цепи металл - электролит - металл 2 - металл 7.

Разность потенциалов между металлами 7 и 2 измеряют путем наложения внешнего потенциала, при котором ток между метал­лами 7 и 2 равен нулю. Эта измеренная разность потенциалов будет максимальной, т. е. электродвижущей силой ДЕ гальваниче­ского элемента. Она может быть вычислена по формуле

где п - валентность иона, перешедшего в раствор; F - число Фара­дея.

Электродвижущая сила определяет потенциал растворения данного металла в расплаве в сравнении с эталонным, т. е. со стек­лянно-натриевым электродом. Например, АЕ магния в расплаве хлоридов равна +0,66 В, а алюминия +1,36 В, т. е. в 2 раза выше.

На потенциал растворения влияют температура и активная концентрация ионов в электролите. Кроме того, он зависит от уровня остаточных или внешних упругих напряжений. Они опре­деляют энергию Геймгольца AF, аккумулированную металлом, которая снижает энергию Гиббса, что усиливает растворение:

где AG - значение энергии Гиббса для напряженного металла;

AG0 - стандартное значение энергии Гиббса.

Если в металле возникли участки с различным уровнем напря­жений, то они могут при контакте с электролитом создать замкну­тую электрическую цепь, т. е. гальванический элемент, вызываю­щий в одном участке растворение металла (переход положительных ионов металла в электролите, поляризацию системы), а в других участках - переход положительных ионов из электролита на по­верхность металла, т. е. деполяризацию системы:

2Н++2е = Н2-

Сосредоточенное растворение металла возможно, если участок металла, погруженного в электролит, обладает макро - или микро­неоднородностью, приводящей к различному электрохимическому потенциалу. Основными причинами сосредоточенного растворе­ния являются включения, (карбиды, интерметаллиды, оксиды), примеси, неодинаковый наклеп, границы зерен и т. п.

Растворение металла усиливается на участках искажения кри­сталлической решетки, где ослаблены или нарушены связи поверхностных атомов с металлом. Такими участками являются границы зерен. Растворение резко усиливается, если по границам зерен расположены избыточные фазы или неметаллические вклю­чения (сульфиды, карбиды, интерметаллиды). В этом случае растворение, т. е. коррозия, металла переходит от равномерной, поверхностной к локальной межкристаллической коррозии (МКК) с резким изменением скорости коррозии соответственно от

л

0,1 мм/год до 10 мм/год.

В сварных соединениях имеет место резко выраженная локали­зация коррозии в зоне термического влияния в результате нагрева, роста зерен, сегрегации углерода на границах зерен, а также вслед­ствие выпадения карбидов (Сг2зС6) и обеднения периферии зерен хромом.

Главный метод борьбы с МКК - обеспечение однородности структуры стали, содержащей свыше 12 % хрома. Этого достигают путем подавления роста зерен, уменьшения внутренних напряже­ний, снижения температуры и длительности перегрева, а также термической обработкой после сварки, приводящей к растворению карбидов и развитию выравнивающей диффузии.