ЦИНК - АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к цинк-алюминиевым сплавам, предназначенным в качестве анодного сплавного покрытия для защиты от коррозии стальных изделий, конструкций и сооружений.

Известны сплавы на основе цинка, содержащие мас.%: алюминий 5.0-55; скандий 0.005-0.3; цинк – остальное [1].

Прототипом является сплав на основе цинка следующего состава: 5-55 мас.% алюминия; остальное-цинк [2].

Однако покрытия из известных сплавов не обеспечивают стабильной защиты стальных изделий, конструкций и сооружений от коррозии, так как имеют более низкую устойчивость к коррозионным воздействиям.

Цель изобретения – улучшение анодной устойчивости сплава-покрытия к коррозионным воздействиям, что достигается дополнительным введением в цинк-алюминиевый сплав кальцием или никелем. Сплав на основе цинка содержит, мас.%: алюминий 0.5-55; кальций или никель 0.005-0.5; цинк – остальное. Скорость коррозии сплавного покрытия – 0.11-0.26 г/м²∙ч (таблица).

Таблица

Данные таблицы свидетельствуют о преимуществе предложенного сплава перед известным [2].

Диаграмме состояния системы Zn-Al посвящено значительное число исследований, выполненных методами физико-химического анализа [3]. Эти исследования были выполнены методами микроструктурного анализа, дифференциальной записи кривых нагрева и охлаждения сплавов, а также методами измерения электросопротивления для сплавов и постоянной кристаллической решетки твердого раствора Zn в Al при высоких температурах. Область Al+ZnAl очень узкая, и её пределы точно не установлены.

Однако с повышением температуры растворимость цинка резко возрастает с образованием непрерывного ряда твердых растворов с ГЦК-решеткой. При этом все фазы имеют одинаковую структуру и отличаются только параметрам решетки [3].

Наиболее перспективным является увеличение содержания алюминия в Zn-Al сплаве (в данном случае – Zn0.5Al, Zn5Al, Zn22Al, Zn55Al), так как повышает его коррозионную стойкость и позволяет снизить толщину защитных покрытий. Однако при этом возникает опасность пассивации алюминиевой составляющей сплава. В связи с этим, в работе рассмотрена возможность активации указанных цинк-алюминиевых сплавов путем введения в его состав микродобавок третьего компонента (кальций или никель).

Исследования микроструктуры легированных тройных сплавов с участием кальция или никеля характеризуются мелкозернистую структуру по сравнению с микроструктурой двойных Zn-Al сплавов. Тогда коррозионное поведение сплавов, определяется их химическим и фазовым составом. Фазовый состав, в свой очередь, зависит от характера физико-химического взаимодействия компонентов сплава, то есть структурообразования (эвтектика, промежуточный сплав, интерметаллическое соединение и т.д.). Легирующий элемент сплава может выступить либо в роли модификатора, либо структурообразователя. Модификатор воздействует на размеры фазовых включений независимо от числа фаз в сплаве. В данном случае кальций и никель играют роли модификатора структуры исходных Zn-Al сплавов. Механизм влияния модификаторов (кальций или никель) заключаются в том, что, распределяясь по границам зарождающихся при затвердевании сплава зёрен, они затрудняют собирательную рекристаллизацию (или коагуляцию фазовых составляющих) при кристаллизации сплава. Модификатор препятствует также росту зёрен, укрепляет их границы и затрудняет процесс рекристаллизации в твёрдом состоянии. При этом, твердость и пластичность легированных цинк-алюминиевых сплавов с кальцием или никелем больше по сравнению со сплавами Zn0.5Al, Zn5Al, Zn22Al, Zn55Al.  

Таким образом, разработанные анодные сплавные защитные цинк-алюминиевых покрытий с участием кальция или никеля отличаются тем, что  на их поверхности фазового слоя образуются оксидов значительной толщины. Этот слой определяет анодные свойства электрода-покрытия, который следует характеризовать, прежде всего, как металлооксидную систему с электронной проводимостью основы и фазового слоя и с необычно высокой величиной потенциала нулевого заряда защитного слоя. Эти свойства в значительной степени затрагивают процессы адсорбции ионов и радикалов, а также обусловливают изменение природы их связи с поверхностью. Некоторые  ионы из этих металлов, входящие в состав сплавов, могут менять активность поверхности по отношению к электродным реакциям, в результате чего перераспределяются их скорости. Единственными отличительными чертами для сравнения кальция с никелем как легирующей добавки цинк-алюминиевых сплавов в плане разработки защитного покрытия изделий из стали является следующее: никель по сравнению кальция обладает блескообразующие свойства, что придает сплаву-покрытия привлекательный декоративный вид; сплавы с участием кальция несколько подешевле, чем сплавы с никелем.

С учётом выше изложенного, был выбран сплавы цинка с алюминием и оптимальным содержанием в них легирующего компонента (0.05 мас.% кальций или никель), которые создают покрытия стойкие к любым коррозионным средам, что объясняется быстрым заполнением пор продуктами коррозии цинка и алюминия.

Каждую смесь, состоящую из цинка, алюминия и его соответствующие лигатуры с кальцием (10% Ca) или никелем (2% Ni), сплавляют при 750-800⁰С в печах сопротивления. Расплав перемешивают, снимают шлак, и отбирают пробу для химического анализа, исследования коррозионных и электрохимических свойств. Образцы для исследования коррозионно-электрохимических свойств имели цилиндрическую форму высотой 100-120мм и диаметром 8-10мм. Исследования проводили в среде раствора 3%-ного NaCl с рН = 7.1-7.4, потенциодинамическим методом на потенциостате ПИ-50.1.1 со скоростью развертки потенциала 2мВ/с. В качестве электрода сравнения использовали хлорсеребряный электрод, а в качестве вспомогательного – платиновый электрод. Потенциодинамические кривые снимали следующим образом: от стационарного потенциала, который снимали после выдержки электрода в растворе 1 час, шли в анодную область до значения тока – 5мА, затем обратным ходом достигали потенциала коррозии, после чего заходили в глубоко катодную область до значения Е = -1.4 В, и обратным ходом до значения тока, равного нулю, далее снимали ход анодной кривой до значения 5мА. Анодные кривые обрабатывались. Основные характеристики снятие с анодных потенциодинамических кривых обобщены в табл.