Способ определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали

Изобретение относится к испытаниям материалов и может быть использовано для оценки долговечности хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Способ осуществляют путем воздействия кислым туманом на исследуемый образец с покрытием в камере в течение 12 часов при температуре (40±1)°С. Кислый туман создают распылением 0,06% (об.) раствора HCl и введением сернистого газа с концентрацией в камере 2,5 мг/м³. Подвергают обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора, затем 12 часов образец выдерживают в камере. Определяют потерю массы образца при значениях времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка и появления первого очага коррозии стали. На графике в координатах «потеря массы (г/м) - время (сут)» определенным образом проводят прямые, точка пересечения которых позволяет определить защитную способность хроматной пленки на цинковом покрытии. Защитную способность хроматированного цинкового покрытия на стали с учетом района его эксплуатации рассчитывают по установленной формуле. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к испытаниям материалов, а именно к способам определения защитной способности цинковых покрытий, и может быть использовано для оценки долговечности хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации.

Основными внешними факторами, определяющими скорость атмосферной коррозии для промышленных атмосфер, являются продолжительность смачивания поверхности металла и концентрация сернистого газа, см. Берукштис Г.К., Кларк Г.Б. Коррозионная устойчивость металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях, М., Наука, 1971 г., с.7, 11.

Коррозия цинковых покрытий носит неравномерный характер и протекает поэтапно с постоянными, но значительно различающимися на каждом из этапов скоростями, см. журнал «Защита металлов», 1999 г., Т.35, №3, с.273-275.

Известен способ определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, см. ГОСТ 9.040-74. Расчетно-экспериментальный метод ускоренного определения коррозионных потерь в атмосферных условиях, в соответствии с которым проводят ускоренные испытания образцов с покрытиями в чистой влажной атмосфере при различных температурах. Определяют значение скорости коррозии К, г/(м²·ч), для каждой температуры t. Из графика зависимости «К-t» находят скорость коррозии под адсорбционными пленками влаги - К⁰ _а, г/(м²·ч). Затем проводят ускоренные испытания при относительной влажности воздуха 100% при различных температурах. Аналогично вышеописанному определяют скорость коррозии под фазовыми пленками влаги К⁰ _ф, г/(м²·ч). После чего проводят ускоренные испытания образцов с покрытиями при относительной влажности 95%, температуре 20°С и сернистого газа С, равных 0,5, 2,0 и 6,0 мг/м³, и находят значение скорости коррозии К, г/(м²·ч) для каждой концентрации. По линейному участку зависимости «К-С» определяют коэффициент ускорения коррозии сернистым газом α, [г/(м²·ч)]/[мг/м³]. Потерю массы покрытием М, г/(м²·год), рассчитывают по формуле

M=(K⁰ _a+α·[C])·τ_a+К⁰ _Ф·τ_ф,

где τ_а и τ_ф (ч/год) - продолжительность увлажнения поверхности покрытия адсорбционными и фазовыми пленками влаги соответственно.

Недостатками известного способа является то, что он не учитывает реальный механизм разрушения хроматированных цинковых покрытий: условия, создаваемые в камере, неудовлетворительно имитируют коррозию в полевых условиях; выбранный критерий - потеря массы характеризует защитную способность только в случае равномерной коррозии и является недостаточным для оценки защитной способности в случаях локального разрушения цинковых покрытий, так как отказ изделия с покрытием (коррозия основного металла) может произойти в момент, когда потеря массы цинка еще мала. Определение защитной способности требует продолжительного времени (свыше 100 суток).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, заключающийся в том, что в камере исследуемый образец с покрытием в течение 12 часов при температуре (50±1)°С подвергают воздействию соляного тумана, который создают путем распыления раствора состава (г/дм³): NaCl - 27,4, MgCl₂ - 3,8, MgSO₄ - 1,7, CaSO₄ - 1,2, K₂SO₄ - 0,9, СаСО₃ - 0,1, KBr - 0,13, и обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора, затем 12 часов образец выдерживают в камере, после чего определяют потерю массы образца при значениях времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка и достижения коррозии стали, значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м²) - время (сут)», проводят прямую через начало координат и точку, соответствующую значению времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка, проводят прямую, угловой коэффициент которой равен 0,5 г/(м²·сут), через точку, соответствующую значению времени достижения коррозии стали, определяют защитную способность хроматной пленки на цинковом покрытии как абсциссу точки пересечения прямых, о достижении коррозии стали судят по появлению первого очага коррозии стали, а защитную способность хроматированного цинкового покрытия t^A _з (сут) с учетом района его эксплуатации определяют по формуле

t^A _з=(C^Y _Cl ^-/С^A _Cl ^-)·t^У _п+18(t^У _з-t^У _п),

где С^У _Cl ^- - концентрация хлоридов в камере, мг/(м²·сут);

С^A _Cl ^- - концентрация хлоридов в приморской атмосфере района эксплуатации,

мг/(м²·сут);

t^У _п - защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;

18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;

t^У _з - время появления первого очага коррозии стали, сут.

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет определять защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего определять защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали в промышленных атмосферах районов эксплуатации.

Техническая задача решается способом определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, заключающимся в том, что в камере исследуемый образец с покрытием в течение 12 часов при определенной температуре подвергают воздействию тумана, который создают путем распыления раствора и обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора, затем 12 часов образец выдерживают в камере, после чего определяют потерю массы образца при значениях времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка и достижения коррозии стали, значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м²) - время (сут)», проводят прямую через начало координат и точку, соответствующую значению времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка, затем проводят прямую, угловой коэффициент которой равен 0,5 г/(м²·сут), через точку, соответствующую значению времени появления первого очага коррозии стали, и определяют защитную способность хроматной пленки на цинковом покрытии как абсциссу точки пересечения прямых, в котором исследуемый образец с покрытием при температуре (40±1)°С подвергают воздействию кислого тумана, который создают путем распыления 0,06% (об.) раствора HCl и введением сернистого газа в количестве, обеспечивающем поддержание его концентрации в камере 2,5 мг/м³, а защитную способность хроматированного цинкового покрытия t^A _з (сут) с учетом района его эксплуатации определяют по формуле

t^А _з=(C^Y _SO2/С^А _SO2)·t^У _п+18(t^У _з-t^У _п),

где С^У _SO2 - концентрация сернистого газа в камере, мг/м³;

С^A _SO2 - концентрация сернистого газа в промышленной атмосфере района эксплуатации, мг/м³;

t^У _п - защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;

18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;

t^У _з - время появления первого очага коррозии стали, сут.

Решение технической задачи позволяет определять защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали для различных промышленных атмосфер районов эксплуатации.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.

Примеры по заявляемому объекту

Стальные (Ст 3) образцы размером 50×80 (мм): а) покрывают цинком толщиной 15-20 мкм из электролита №5 (г/дм³): ZnSO₄·7Н₂О - 80-140; NH₄Cl - 140-180; СН₃СОО NH₄ - 25-30; желатин - 0,5-1; рН 5,8-6,2; температура 25-40°С; плотность тока 0,7-1,2 А/дм²; реверсирование тока - 8/0,8 (с); осветляют в растворе (г/ дм³): CrO₃ - 100-150; HNO₃ - 80-100; Н₂SO₄ - 19-27; температура 18-23°С; продолжительность обработки 2-3 с; хроматируют в растворе №6 (г/дм³): Na₂Cr₂O₇ - 195-205; H₂SO₄ - 5; температура 18-25°С; продолжительность обработки 5-15 с. Условное обозначение покрытия 5-6;

б) покрывают цинком из электролита №4 (г/дм³): Zn - 30-35; NaCN - 80-90; NaOH - 80-90; Na₂S - 0,5-5; температура 25-35°С; плотность тока 2 А/дм²; хроматируют в растворе №5 (г/дм³): K₂Cr₂О₇ - 5-15; Na₂SO₄ - 5-15; HNO₃ - 5-15 см³/дм³; температура - 18-20°С; продолжительность обработки 50-60 с. Условное обозначение покрытия 4-5.

Исследуемые образцы с покрытиями 5-6 и 4-5 в течение 12 часов при температуре (40±1)°С подвергают в камере воздействию кислого тумана, который создают путем распыления 0,06% (об.) раствора HCl и введением сернистого газа в количестве, обеспечивающем поддержание его концентрации в камере 2,5 мг/м³, обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 минут после распыления раствора в присутствии сернистого газа, затем 12 часов образцы выдерживают в камере, после выдержки в камере определяют K₁₀ - потерю массы образцов с покрытиями 5-6 и 4-5 за время до появления белых объемных продуктов коррозии цинка - 10 суток, которая составляет 5,25 и 4,25 г/м соответственно. Затем определяют

t^У _з - время достижения коррозии стали для образцов с покрытиями 5-6 и 4-5, которое составляет 14 и 18 суток соответственно и K^У _t3 - потерю массы за 14 и 18 суток, которая составляет 7,5 и 8,5 г/м² соответственно. Значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м²) - время (сут)», см. фиг.1, точки В, В' и А, А'.

Проводят прямые через начало координат 0 и точки В, В', проводят прямые через точки А и А', угловой коэффициент k которых равен 0,5 г/(м²·сут), до пересечения с прямыми, проведенными через точки В и В'. Затем определяют защитную способность хроматных пленок как абсциссу точек пересечения прямых - С и С'. Значение защитной способности хроматных пленок t^У _п для покрытия 5-6 составляет 0 суток, а для покрытия 4-5 - 10 суток. Значение t^У _п для покрытия 5-6, равное 0, не означает, что хроматная пленка теряет свою защитную способность в момент начала испытаний. Очевидно, что различия в скоростях разрушения цинка в периоды времени сохранения хроматной пленкой защитных свойств и после их утраты ничтожно малы. Участок АВ является продолжением участка 0В. Для покрытия 4-5 после 10 суток (точки В' и С' совпадают), скорость разрушения цинкового слоя возрастает незначительно, что свидетельствует о низких защитных свойствах хроматной пленки.

Защитную способность хроматированного цинкового покрытия на стали в промышленной атмосфере с учетом района его эксплуатации рассчитывают по формуле

t^А _з=(C^Y _SO2/С^А _SO2)·t^У _п+18(t^У _з-t^У _п),

где С^У _SO2 - концентрация сернистого газа в камере, мг/м³;

С^A _SO2 - концентрация сернистого газа в промышленной атмосфере района эксплуатации, мг/м³;

t^У _п - защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;

18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;

t^У _з - время появления первого очага коррозии стали, сут.

Время до появления белых объемных продуктов коррозии цинка выбирают, исходя из того, что оно не превышает времени потери хроматными пленками защитных свойств - t^У _п. Обычно время до появления белых объемных продуктов коррозии цинка соответствует времени образования белых плоских пятен, для покрытий 5-6 и 4-5 оно принимается равным 10 суткам.

Район эксплуатации изделий с покрытиями 5-6 и 4-5 - промышленная атмосфера г.Москва. Концентрация сернистого газа C^A _SO2 в этом районе составляет 0,116 мг/м³, см. журнал «Защита металлов», 1987 г., Т.23, №1, с 64.

Для покрытия 5-6

t^A _з=(2,5/0,116)·0+18(14-0)=252 сут.≈8 мес.

Для покрытия 4-5

t^А _з=(2,5/0,116)·10+18(18-10)=368 сут.≈12 мес.

Периодический осмотр экспонированных на станции г.Москва образцов с покрытиями 5-6 и 4-5 показывает, что значения времени достижения коррозии стали близки к расчетным.

Значения потери массы К^У _tз наносят на график зависимости «потеря массы (г/м²) - время (мес)», построенной по данным испытаний на станции, см. Фиг.2, и определяют наблюдаемую на станции защитную способность покрытий K^A _tзн.

Для покрытия 5-6 при К^У _tз, равным 7,5 г/м², К^А _tзн составляет 243 сут (≈8 мес), для покрытия 4-5 - 342 сут (≈11 мес).

Погрешность определения защитной способности покрытий (%) находят по формуле

Δ=[|(К^А _tзн-К^А _tз)|/К^А _tзн]·100

Например, для покрытия 4-5

Δ=[|(342-368)|/368]·100=8%

Район эксплуатации изделий с покрытием 4-5 промышленный (г.Усти-на-Лабе). Концентрация сернистого газа в этом районе составляет 0,16 г/м³, см. журнал «Защита металлов», 1979 г., Т.15, с.432.

t^A _з=(2,5/0,16)·10+18(18-10)=304 сут≈10 мес.

Скорость проникновения коррозии для этого района составляет 9,4 мкм/год, при этом первые очаги коррозии стали наблюдают при оставшейся толщине покрытия 6-7 мкм, см. журнал «Защита металлов», 1987 г., Т.23, №1, с.72, 73. Тогда

К^А _tзн=(Н-h)/9,4,

где Н - толщина покрытия, мкм;

h - оставшаяся толщина покрытия, мкм,

t^A _tзн=(15-7)/9,4=0,85 года=10 мес≈306 сут.

Погрешность

Δ=[|(306-304)|/306]·100=0,67%≈1%

Значения защитной способности цинковых покрытий, параметров для ее определения и погрешность приведены в таблице.

Во всех случаях величина ошибки не превышает 10%.

Таким образом, заявляемый способ позволяет определять с высокой точностью защитную способность хроматированных цинковых покрытий на стали в различных промышленных районах эксплуатации.

Способ определения защитной способности хроматированных цинковых покрытий на стали, заключающийся в том, что в камере исследуемый образец с покрытием в течение 12 ч при определенной температуре подвергают воздействию тумана, который создают путем распыления раствора, и обдуванию ветром со скоростью 2,7 м/с, УФ-облучению в течение 5 мин после распыления раствора, затем 12 ч образец выдерживают в камере, после чего определяют потерю массы образца при значениях времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка и достижения коррозии стали, значения потери массы наносят на график в координатах «потеря массы (г/м²) - время (сут)», проводят прямую через начало координат и точку, соответствующую значению времени до появления белых объемных продуктов коррозии цинка, затем проводят прямую, угловой коэффициент которой равен 0,5 г/(м²·сут), через точку, соответствующую значению времени появления первого очага коррозии стали, и определяют защитную способность хроматной пленки на цинковом покрытии как абсциссу точки пересечения прямых, отличающийся тем, что исследуемый образец с покрытием при температуре 40±1°С подвергают воздействию кислого тумана, который создают путем распыления 0,06 об.% раствора HCl и введением сернистого газа в количестве, обеспечивающем поддержание его концентрации в камере 2,5 мг/м³, а защитную способность хроматированного цинкового покрытия t^A _з (сут) определяют по формуле

где - концентрация сернистого газа в камере, мг/м³;
- концентрация сернистого газа в промышленной атмосфере района эксплуатации, мг/м³;
- защитная способность хроматной пленки на цинковом покрытии, сут;
18 - коэффициент ускорения коррозии в камере;
- время появления первого очага коррозии стали, сут.