Изобретение относится к металлургии, а именно, к сплавам на основе цинка, используемым в различных отраслях промышленности для изготовления деталей с повышенными требованиями к коррозионной стойкости, а также для коррозионно-стойких покрытий стальных изделий, наносимых методом горячего цинкования и изготовления мелкодисперсных порошков-наполнителей, используемых в различных антикоррах.
Известен сплав на основе цинка для нанесения защитного покрытия стальных изделий при горячем цинковании, содержащий алюминий, мишметалл и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий – 3,0-5,5
мишметалл – 0,005-0,05
марганец – 0,005-0,05
цинк – остальное [1].
Недостатком данного сплава является невысокая коррозионная стойкость получаемого из него покрытия на стальных изделиях при воздействии на них солевого тумана.
Известен также сплав на основе цинка, содержащий алюминий, медь, магний, железо, свинец, олово, кадмий и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий – 3,0-5,5
медь – не более 0,06
магний – 0,02-0,06
железо – не более 0,06
свинец – не более 0,004
олово – не более 0,001
кадмий – не более 0,003
кремний – не более 0,015
цинк – остальное [2].
Недостатком данного сплава является его невысокая коррозионная стойкость и соответственно получаемого из него покрытия стальных изделий, в среде электролита NaCl.
Прототипом предлагаемого изобретения по химическому составу и достигаемому результату является цинковый сплав ZnAl4А, ГОСТ 25140-93 [3]. Часть компонентов данного известного цинкового сплава - алюминий, медь, магний, железо, свинец и олово совпадают с компонентами настоящего изобретения.
Задачей настоящего изобретения является создание нового сплава на основе цинка с повышенной коррозионной стойкостью. Техническим результатом, на который направлено изобретение, является повышение коррозионной стойкости сплава, в среде электролита NaCl.
Для достижения указанного технического результата сплав на основе цинка содержит алюминий, медь и один элемент из группы литий, натрий калий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий – 1-4
медь – 0,5-1,5
элемент, выбранный из группы литий, натрий калий – 0,05-1,0
цинк и примеси – остальное.
Покрытия из известных сплавов не обеспечивают стабильной защиты стальных конструкций, изделий и сооружений от коррозии, так как имеют более низкую устойчивость к коррозионным воздействиям. Особенно низкие противокоррозионные свойства указанных сплавов проявляется в хлоридсодержащих средах, типа морской среды. Скорость коррозии известных сплавов выше, чем у заявляемого сплава и поэтому не обеспечивают длительную эксплуатацию стальных конструкции в районах с активной химической атмосферной.
Предлагаемый сплав имеет следующие электрохимические характеристики:
- рабочий потенциал -1.002÷-1,078 В;
- скорость коррозии -124.4÷-106.1 г/м2·час.Данный сплав имея высокие электрохимические характеристики позволяет снизить стоимость защитных покрытий за счет использования цинка технической чистоты и вторичного сырья. Введение в сплав элемента выбранного из группы литий, натрий калий способствует образованию на защищаемой поверхности защитных покрытий гидроксидной пленки и улучшает их пассивацию.
Ниже приведены основные физикохимичес-кие свойства металлов использованных при получении предложенного сплава.
Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660 0C. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.
Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве - лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем.
Медь - золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.
Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 0C: 55,5-58 мсм/м. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления: 0,4 %/°С и в широком диапазоне температур слабо зависит от температуры. Медь является диамагнетиком.
Из-за низкого удельного сопротивления, медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов и силовых трансформаторов.
Другое полезное качество меди - высокая теплопроводность. Это позволяет применять её в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.
В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы.
В ювелирном деле часто используются сплавы меди с золотом для увеличения прочности изделий к деформациям и истиранию, так как чистое золото очень мягкий металл и нестойко к этим механическим воздействиям.
Прогнозируемым новым массовым применением меди обещает стать её применение в качестве бактерицидных поверхностей в лечебных учреждениях для снижения внутрибольничного бактериопереноса: дверей, ручек, водозапорной арматуры, перил, поручней кроватей, столешниц - всех поверхностей, к которым прикасается рука человека.
Металл литий обладает уникальными химическими и физическими свойствами. Он отличается от остальных щелочных металлов, что расширяет его возможности применения в разных сферах деятельности. Он очень важен для правильной работы организма.
Литий - щелочной металл, который имеет выраженные пластичные свойства, серебристый цвет, характерный металлический блеск. Его легко обрабатывать, он имеет низкую температуру плавления - 180°C. Если сравнивать его с другими щелочными металлами, он обладает самой низкой плотностью. Поскольку его плотность ниже чем у воды, материал всплывает на поверхность.
Структура кристаллической решетки металлического лития - кубическая, объёмноцентрирован-ная. Ее параметры - 3,490 Å. Данные характеристики соблюдаются только при комнатной температуре. Атом лития имеет две оболочки - внешнюю и внутреннюю. На внешней оболочке атома расположены электроны. Они участвуют в образовании химических связей.
Натрий - серебристо-белый металл, в тонких слоях с фиолетовым оттенком, пластичен, даже мягок (легко режется ножом), свежий срез натрия блестит. Величины электропроводности и теплопроводности натрия достаточно высоки, плотность равна 0,96842 г/см³ (при 19,7 °C), температура плавления 97,86 °C, температура кипения 883,15 °C. Под высоким давлением становится прозрачным и красным, как рубин. При комнатной температуре натрий образует кристаллы кубической сингонии, пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,42820 нм, Z = 2. При температуре -268 °С (5 К) натрий переходит в гексагональную фазу, пространственная группа P 63/mmc, параметры ячейки a = 0,3767 нм, c = 0,6154 нм, Z = 2.
Калий имеет атомный номер 19 и атомную массу равную 39,098 г/моль. По своим физическим свойствам элемент представляет металл серебристо-белого цвета. Он очень пластичный и плавкий. Имеет характерный металлический блеск. Калий легко режется ножом и по твердости не уступает куску твердого сыра. Калий состоит из трех изотопов: 39К, 41К, 40К. Два первых соединения являются стабильными, а третий считается достаточно слабым, но при всем этом радиоактивным. Период полураспада последнего соединения составляет 1,32*109 лет.
Для эксперимента были использованы сплавы на основе цинка, содержащего железа не более 0,02%, свинца до 2,5% и примеси различных металлов. Сплавы готовили в графитовых тиглях в электрической печи. Процесс приготовления сплавов осуществляли следующим образом: расплавляли цинк марки ЦЗ, вводили расчетное количество лигатуры цинк-медь (содержание меди 5%), алюминия марки А85 и металлических лития, натрия и калия в виде завернутом алюминиевой фольге. После выравнивания состава по объему расплава проводили рафинирование хлористым цинком или хлористым аммонием в количестве 0,2% от массы расплава. После отстаивания в течение 10-15 мин производили разливку сплавов при температуре 450-480 0С. Химический состав, скорость коррозии и электрохимический потенциал свободной коррозии сплавов приведены в таблице.
Исследование коррозионноэлектрохимичес-кого поведения цинковых сплавов, легированного одним элементом из группы литий, натрий, калий проводилось в растворе хлорида натрия с концентрацией 3.0%, с помощью потенциостата ПИ-50.1.1 с выходом на программатор ПР-8 и самописцем ЛКД-4. Температура раствора в ячейке поддерживалась постоянная (20 0С) с помощью термостата МЛШ-8. Электродом сравнения служил хлорид-серебряный, вспомогательным – платиновый электрод.
Исследование коррозионных и электрохимических свойств проводились в потенциодинамическом режиме со скоростью развёртки потенциала 2 мВ/с. Электроды потенциодинамически анодно поляризовали от установившегося значения стационарного потенциала до резкого возрастания тока (до постоянного значения тока 2А), затем в обратном направлении до значения потенциала – 1.5 В, при котором происходит восстановление оксидной пленки. Затем образцы снова поляризовали в положительном направлении до потенциала питтингообразования. Из полученных потенциодинамических кривых определяли основные электрохимические характеристики сплавов: потенциал коррозии Екор. и ток коррозии iкор., потенциалы питтингообразования Еп.о. и репассивации Ереп.
Величину Ереп. определяли графически как потенциал, при котором наблюдается первый перегиб на обратном ходе анодной кривой, или как потенциал, при котором происходит пересечение прямого и обратного хода анодной поляризационной кривой. Скорость коррозии определялся по формуле: K = iкор. · k, где k – электрохимический эквивалент, численное значение которого для цинка составляет 1.22 г/А·час. Воспроизводимость измерения электрохимических потенциалов равнялся ±5 ÷ ±10 мВ, а плотность тока коррозии составляла (0,001 – 0,005)·10-2 А/м2.
Как видно из таблицы, сплавы NN2-7, содержащие щелочные металлы в заявленных пределах, имеют высокие электрохимические характеристики, причем наименьшее значение рабочего потенциала имеет сплав N7. Для сравнительной оценки на основе того же цинка был приготовлен известный сплав, взятый за прототип по ГОСТу 25140-93.
Как видно из таблицы, электрохимические характеристики и низкая скорость коррозии предлагаемого сплава, приготовленного на основе цинка с указанным содержанием железа, значительно превышают те же характеристики известного сплава, приготовленного на той же основе.
Механизм действия щелочных металлов на коррозионно-электрохимические свойства исходного сплава (прототип) заключается в изменении, т.е. измельчении микроструктуры сплавов путём абсорбирования на поверхности первичных выделений фаз в процесс их кристаллизации из расплава и последующего затормаживания роста. Щелочные металлы являясь известными модификаторами структуры сплавов широко используются в процессе плавки и литья алюминиевых сплавов. В нашем случае модифицирующая их способность использовалось для группы цинковых сплавов. Происходящие в результате модификации структуры способствуют увеличению коррозионной стойкости цинковых сплавов.
Использование предлагаемого сплава по сравнению с прототипом позволит изготавливать более дешевые протекторы с высокими электрохимическими характеристиками и достаточным сроком службы. Экономический эффект от использования изобретения заключается в продлении срока службы стальных изделий и сооружений на 15-20% за счёт повышения их коррозионной стойкости. Повышение коррозионной стойкости сплавов на 10% позволяет уменьшить массу изделий тоже на 10%. При стоимости 1тн цинковых сплавов 4000 $ США 10%-ное снижение массы при объеме производства 1000 тн. сплава равняется 100тн×400$=400 000$ США.
