ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ. Цель работы - получение количественных характеристик окисления металлов и сплавов на воздухе при повышенных температурах и установление закона роста оксидной
6.1 УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНА РОСТА ПЛЕНКИ НА МЕТАЛЛЕ
Цель работы - получение количественных характеристик окисления металлов и сплавов на воздухе при повышенных температурах и установление закона роста оксидной пленки во времени. Оборудование и принадлежности: муфельная печь - 1; тигли огнеупорные (фарфоровые, корундовые и т.п.) - 3; подставка для тиглей из нихрома или нержавеющей стали - 1; цанги - 1; образцы (медь, латунь, сталь малоуглеродистая или жаростойкая) - 3; весы аналитические - 1; чашки фарфоровые - 4; пинцет - 1; ацетон (бензол); наждачная бумага.
Краткие теоретические сведения
Коррозия металлов при повышенных температурах имеет место при самовольном разрушении металлических материалов из-за их химического воздействия с внешней средой. Основа этого явления - термодинамическая неустойчивость металлов или сплавов в газовой среде при данной температуре и парциальном давлении агрессивного компонента. Поведение металлов при повышенных температурах характеризуется их жаростойкостью (способностью сопротивляться коррозийному воздействию газов) и жаропрочностью (способностью сохранять заданные механические свойства). В большинстве случаев при коррозии в газах, содержащих кислород, поверхность металла покрывается окисной пленкой, которая может затормозить окисление, если обладает защитными свойствами. Защитные свойства пленок оценивают по зависимости изменения толщины пленки во времени, которую называют законом роста окисной пленки. Чаще всего наблюдают следующие законы окисления металлов и сплавов: линейный, параболический и логарифмический. Линейный закон наблюдается в тех случаях, когда образующаяся пленка не защищает металл от окисления, т.е. не является сплошной и не экранирует поверхность металла. При этом h = K1 . t, где h - толщина пленки, м; K1 - постоянная; t - продолжительность окисления образца металла, мин. В этом случае скорость роста пленки постоянна и контролируется скоростью химической реакцией образования пленки из металла и кислорода (кинетический контроль). Параболический закон наблюдается тогда, когда на металле образуется сплошная защитная, без дефектов пленка. В этом случае окисление возможно лишь за счет диффузии реагентов (металла и окислителя) через пленку, т.е. осуществляется диффузионный контроль. При этом h2 = K 2. t, где K2 - постоянная. При диффузионно-кинетическом контроле hn = Kn. t, где n - показатель степенного закона, причем n > 2. Логарифмический закон наблюдается при образовании на металлах очень тонких сплошных пленок, сильно тормозящих процесс окисления. Изменение толщины окисной пленки описывается уравнением h = K3. lg(a.t+1), где K и a - постоянные.
Методика эксперимента
Образцы (3 шт.) указанного металла или сплава маркируют, зачищают шлифовальной шкуркой, измеряют с точностью ±0, 1 мм и обезжиривают. Затем пинцетом опускают в высокий тигель из огнеупорного материала. Тигли же с образцами помещают в гнезда-подставки из жаростойкой стали или нихрома, подставку с тиглями - в печь, нагретую до требуемой температуры. По истечении 30 мин. первый образец закрывают крышкой, вынимают из печи и сразу же помещают в эксикатор с осушителем воздуха для охлаждения. Второй образец вынимают из печи через 60 мин., третий - через 90 мин. После охлаждения тигли с образцами взвешивают повторно.
Требования безопасности труда
Операции удаления окислов с поверхности образца и обезжиривание проводят в работающем вытяжном шкафу. Помещать подставку с тиглями в печь и извлекать тигли из печи следует только исправными цангами. Категорически запрещается ставить нагретые тигли на возгораемую поверхность.
З а д а н и е
Провести эксперименты по описанной выше методике с указанным преподавателем металлом или сплавом и заданном значении температуры. На основании полученных экспериментальных данных определить закон роста окисной пленки во времени.
Обработка и анализ результатов эксперимента
Результаты экспериментов и расчетов записывают в табл. 1
Материал образца____________; температура ____________0С
Толщина образовавшегося оксидного слоя в каждый момент времени h=m/sr где Dm - увеличение массы образца, г; S - поверхность образца, см2; r - плотность окисла, г.см3. На основании полученных данных строят график h= f(t). Графическим дифференцированием определяют для какого-либо значения времени истинную скорость окисления и по формуле K+m=(m- mo)/S*t сопоставляют ее со средней скоростью (положительным показателем изменения массы К+m). Если известен химический состав образующейся окалины, то расчитывают отрицательный показатель изменения массы К-m, а также глубинный показатель коррозии Кп. Установление закона окисления осуществляют построением графиков h=f (t) для линейного, h= f(\¯ t) - для параболического и h=f (lgt) - для логарифмического законов. На основе анализа этих графиков делают вывод о законе окисления и определяют постоянные коэффициенты найденной эмпирической формулы. Правильность эмпирической формулы оценивают, расчитывая по ней значение h и сравнивая его с экспериментальными данными (совпадение опытных и расчетных данных должно быть в пределах ошибки опыта).
Контрольные вопросы
1. Чем можно охарактеризовать поведение металлов при повышенных температурах? 2. Как оценивают защитные свойства металлов и сплавов? 3. В каких условиях наблюдают линейный закон, параболический, логарифмический? 4. Методика проведения эксперимента. 5. Как можно определить толщину образовавшегося оксидного слоя? 6. Как рассчитать K+m, K-m, Kп? 7. Как на основании экспериментальных данных установить закон окисления металла (сплава)?
6.2 ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МЕТАЛЛОВ
Цель работы - определение значений и природы электродных потенциалов некоторых металлов в различных электролитах. Оборудование и принадлежности: образцы металлов (медь, сталь); электрод сравнения - 1; стеклянный стакан с монтажным плато - 1; потенциометр; растворы электролитов определенной концентрации (раствор сернокислой меди, хлористого натрия); чашки фарфоровые - 4; пинцет; ацетон (бензол и т.п.); наждачная бумага.
Краткие теоретические сведения
При погружении металла в элетролит в результате взаимодействия поверхности металла с раствором возникает разность электрических потенциалов, называемая электродным потенциалом. Если во взаимодействии металла и элетролита участвуют только ионы металла, то протекают следующие процессы: переход ионов из металла в раствор с образованием гидратированных ионов (анодный процесс): Me + mH2O = Men+. mH2O + ne; разряд ионов на поверхности металла (катодный процесс): Men+. mH2O + ne = Me + mH2O. При достижении равенства скоростей анодного и катодного процессов масса металла не изменяется во времени. Электродные потенциалы металлов, находящиеся в равновесии с собственными ионами в растворе, называются обратимыми, или равновесными, и подчиняются уравнению Нернста EМе р = EМео +RT/nF 2, 303 lg aМе где ЕМе р - равновесный электродный потенциал металла, В; ЕМе0 - стандартный электродный потенциал металла, B; R - газовая постоянная, Дж/(моль К); Т - температура, K; n - валентность ионов металла, переходящих в раствор; F - постоянная Фарадея, Дж/моль; aMe - активность ионов металла в растворе. Активность ионов металла в растворе может быть найдена по формуле aMen+ = m . g±, где m - молярность, моль.кг; g± - средний коэффициент активности электролита данной молярности. При изменении электродных потенциалов металлов вместо водородного электрода, потенциал которого при всех температурах условно принят равным нулю, применяют каломельный, хлорсеребряный и другие электроды. Полученные при этом значения электродного потенциала пересчитывают на водородную шкалу. Потенциалы электродов, у которых в процессе взаимодействия металла и электролита участвуют не только собственные, но и другие ионы и атомы, являются необратимыми, или неравновесными электродными потенциалами. Они не подчиняются термодинамическому уравнению, поэтому их нельзя рассчитать, а можно определить только опытным путем. Устойчивое значение необратимого электродного потенциала металла, которое устанавливается при равенстве сумм скоростей анодного и катодного процессов, называют стационарным необратимым потенциалом. Его величина зависит от природы металла, состояния его поверхности, природы и концентрации электролита, от физических условий (температуры, давления и т.д.). Для того, чтобы ответить на вопрос, является ли электродный потенциал металла в данном растворе обратимым или необратимым, следует сопоставить теоретическое, рассчитанное по уравнению Нернста, и опытное значение потенциала, а также сравнить зависимости потенциала металла от активности собственных ионов в растворе, полученные теоретическим и опытным путем. Чтобы определить природу электродного потенциала металла при его погружении в раствор чужеродных ионов, нужно знать активность собственных ионов металла в электролите. При образовании труднорастворимых продуктов коррозии активность ионов металла может быть рассчитана достаточно просто по произведению растворимости соединения, диссоциирующего по уравнению KmAn = mKn+ + nAm+, произведение растворимости выразится следующим образом: Lкm An = (aкn+)m . (aкm-)n, где aкn+ ; aкm- - активность катионов и анионов в растворе, г-ион/1000 г. Активность ионов металла в растворе
Этот расчет является приближенным при кратковременных испытаниях, так как активность ионов металла в растворе может не достигнуть значения, определяемого из произведения растворимости.
Методика эксперимента
Электродные потенциалы металлов измеряют на уcтановке схема которой приведена на рис.6.1.
Образец исследуемого металла зачищают наждачной бумагой, обезжиривают, прикрепляют к монтажному плато из текстолита или оргстекла и помещают в стакан. В монтажное плато укрепляют также электрод сравнения. Электрод сравнения и образец подсоединяют к потенциометру. После сборки цепи в стакан наливают исследуемый электролит, отмечая этот момент как начало опыта. Через каждые 2 минуты с помощью потенциометра измеряют потенциал металла по отношению к электроду сравнения до получения установившегося (стационарного) значения электродного потенциала. Перед измерением потенциала в новом растворе образец промывают водой, зачищают наждачной бумагой, промывают и обезжиривают.
Требования безопасности труда
Операцию обезжиривания поверхности образцов проводят в работающем вытяжном шкафу. При перемещении растворов сосуд с раствором необходимо брать двумя руками: одной за верхнюю часть, другой за дно. При переливании раствора из одного сосуда в другой необходимо пользоваться воронками. Воронки и сосуды после употребления следует ополоснуть водой под краном. Ни в коем случае нельзя пробовать вещества или растворы на вкус или определять их запах, приближая колбы к носу. Жидкость, разлитую на стол или на пол, необходимо немедленно нейтрализовать, удалить сухой тряпкой, а затем тряпкой, обильно смоченой водой, защитив руки резиновыми перчатками. Работать разрешается только на заземленном оборудовании. З а д а н и е
Провести эксперименты по описанной выше методике с указанными преподавателем металлами и растворами. На основании результатов экспериментов определить природу электродного потенциала.
Обработка результатов и анализ эксперимента
Результаты экспериментов и расчетов записать в табл.
Таблица Исследуемый металл_______________ Электролит_____________ Температура электролита____________ 0С
Указанные в таблице значения электродного потенциала металла по водородной шкале рассчитывают по уравнению: Е = Еэс + Еизм, где Е - потенциал металла по отношению к водородному электроду, В; Еэс - потенциал электрода сравнения при температуре опыта, В; Еизм - измеренный потенциал металла по отношению к электроду сравнения, В. Равновесный потенциал металла рассчитывают по уравнению Нернста. По результатам измерений и расчетов значений Енеобр, электродных потенциалов в растворе собственных ионов строят зависимость Енеобр = f (lgaнеn+). На график наносят стационарные (установившиеся) значения измеренных электродных потенциалов. Сопоставляя измеренную и рассчитанную зависимости потенциала от активности собственных ионов, определяют природу измеренных потенциалов (равновесные или необратимые).
Контрольные вопросы
1. Что такое электродный потенциал? 2. Какие электродные потенциалы называют равновесными и неравновесными? 3. Как рассчитать значение равновесного потенциала? 4. Как можно определить активность ионов металла в растворе? 5. Что называют стационарным неравновесным электродным потенциалом? 6. Как определить, является ли электродный потенциал равновесным или неравновесным? 7. Как определить активность ионов металла в растворе при образовании труднорастворимого соединения? 8. Нарисуйте схему установки для измерений электродных потенциалов. 9. Как подготовить поверхность образца к измерению электродного потенциала?
6.3. ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
Цель работы - определение адгезионных свойств различных лакокрасочных покрытий. О с н о в н ы е п о н я т и я
Лакокрасочные покрытия являются самым распространенным видом защиты металлов от коррозии. Основная роль лакокрасочного покрытия как средства защиты металла от коррозии сводится к изоляции металлической поверхности от внешней среды. Со временем изолирующие свойства покрытия ухудшаются. Однако даже при недостаточно полной изоляции металла (набухание пленки, проникновение раствора через пленку) электрохимическая коррозия металла с покрытием менее интенсивна, чем без покрытия. Интенсивность электрохимческой коррозии при нанесении лакокрасочного покрытия уменьшается не только вследствие затруднения диффузии коррозионных агентов к металлической поверхности, но и в результате увеличения омического сопротивления коррозионных пар, работающих под слоем покрытия, и торможении анодного процесса под пленкой. О торможении анодного процесса свидетельствует более положительное значение потенциала окрашенного металла по сравнению с потенциалом металла без покрытия. Торможение электродных процессов можно увеличить, вводя в покрытие замедлители коррозии, например, хроматы. К лакокрасочным покрытиям предъявляются следующие требования: беспористость, хорошее сцепление (адгезия) с поверхностью металла, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость в условиях эксплуатации и достаточная механическая прочность. Основным компонентом лакокрасочного материала ЛКМ, представляющего собой многокомпонентную систему, является пленкообразующее вещество, которое после нанесения на поверхность способно (в результате химических или физических превращений) образовывать прочное лакокрасочное покрытие и обуславливать его адгезию на подножие. В качестве таких веществ используют синтетические или природные олигомеры или высокомолекулярные соединения. В состава основных компонентов входят также пигменты и наполнители. В зависимости от состава и назначения ЛКМ подразделяются на лаки, эмали, грунтовки и шпатлевки. Лаками называют растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях, не содержащих пегментов и наполнителей. Эмали, груниовки и шпатлевки представляют собой высококонцентрированные суспензии пигментов и наполнителей в растворах олигомеров и полимеров. В состав ЛКМ входят пигменты, наполнители, растворители, разбавители, пластификаторы, сиккативы, ПАВ и ряд специальных добавок. При выборе лакокрасочных покрытий необходимо учитывать условия эксплуатации аппаратуры, природу окрашиваемой поверхности и технико экономическую эффективность применяемого лакокрасочного покрытия. В табл. приведены данные по срокам службы некоторых систем лакокрасочных покрытий в различных условиях эксплуатации, которые позволяют выбрать оптимальную систему покрытия, метод подготовки поверхности и способ нанесения покрытия. Технологический процесс окрашивания включает следующие операции: подготовку поверхности под окраску, нанесения покрытия и его отверждение (сушка). Подготовка поверхности под окраску осуществляется механическими, термическими и химическими способами. Лакокрасочные материалы наносят следующими способами: окунанием, обливом; пневматическим, безвоздушным, электростатическим распылением; электроосаждением и т.д. Отверждение покрытия производится в естественных и искусственно созданных условиях, где для ускорения формирования покрытий применяется нагревание. По способам подвода тепла к покрытию различают следующие способы отверждения: конвективный, терморадиационный, индуктивный. Методика и техника эксперимента Четыре стальных образца, имеющих форму лопаточки с размером 60х30х1 и отверстием на конце узкой нагретой части зачищают наждачной бумагой, протирают органическим растворителем и определяют их толщину в нескольких точках рабочей части образца. Для исследования берут различные ЛКМ: лаки краски, битумы, эпоксидные замазки и т.д. Для получения покрытий одинаковой толщины необходимо брать ЛКМ, близкие по вязкости, которую проверяют по времени истечения этих материалов из воронки вязкозиметра ВЗ-4; наносят покрытия унифицированным методом. На три стальных образца наносят различные покрытия следующим образом. Образец ниткой соединяют со шкивом, связанным с синхронным мотором (мотор Уорренна) с малым числом оборотов, и погружают в лакокрасочный материал. Длина погруженной части образца должна составлять 80 мм. Затем включают мотор. Скорость вращения мотора подбирают таким образом, чтобы образец из материала покрытия извлекался за 3-4 мин.
Таблица 6.1 Характеристики применяемых лакокрасочных покрытий
Образцы с покрытиями подсушивают сначала 15 мин на воздухе, затем 45 -50 мин в сушильном шкафу при 70-1000С. С помощью индикаторной головки измеряют толщину образцов с покрытием в нескольких точках рабочей части образца (по диагонали). Адгезию покрытия определяют методом решетчатых или параллельных надрезов и методом отслаивания (по ГОСТ 15140-78). По методу решетчатых надрезов на поверхности испытуемого образца острым лезвием делается несколько (не менее шести) перпендикулярных и параллельных надрезов до металла на расстоянии не менее 10 мм от края. Расстояние между надрезами 1 мм для покрытий толщиной d £ 60 мм, 2мм при d = 60-120 мкм и 3 мкм при d = 120-200 мкм. Скорость нанесения надрезов 20-40 мм/с, длина надрезов не менее 20 мм, расстоние между соседними решетками не менее 20 мм. После нанесения решетки поверхность покрытия очищают кистью от наслоившихся кусочков пленки и оценивают адгезию по четырехбалльной системе. При хорошей адгезии (1 балл) края надрезов гладкие, отслоившихся кусоков нет, при плохой (4 балла) наблюдается полное или частичное (более 35% площади поверхности) отслаивание покрытий полосами или квадратами вдоль линии надрезов. Для высокоэластичных покрытий после нанесения решетки непокрытую сторону образца подвергают ударному воздействию на приборах У-1 или У-1А грузом массой 1 кг с высоты 0, 5 м и менее до тех пор, пока не будет достигнута высота, при котрой ударное воздействие не вызывает отслаивания решетки. Адгезию оценивают величиной работы удара в джоулях. По методу параллельных надрезов на образце делают острым лезвием не менее 5 параллельных надрезов на расстоянии 1, 2 или 3 мм друг от друга. Перпендикулярно надрезам накладывают полоску липкой ленты на полиэтилентерефталатной основе размером 10х100 мм, оставив один конец ленты неприклеенным. Быстрым движением под прямым углом к покрытию отрывают ленту. Адгезию оценивают по трехбальной шкале. При хорошей адгезии (1 балл) полоски покрытия не отслаиваются, края надрезов гладкие. Отслаивание вдоль надрезов не более чем на 0, 5 мм по ширине полосы - 2 балла, отслаивание полосами - 3 балла. Результаты экспериментов занести в табл.6.2. Таблица 6.2 Результаты экспериментальных данных
Требования техники безопасности
При проведении лабораторной работы необходимо следовать требованиям ГОСТ 12.4.113-82. Обезжиривание образцов и нанесение покрытия следует осущетсвлять в вытяжном шкафу. Оборудование и принадлежности
Стальные образцы размером 60х30х1, имеющие форму лопаточки, лакокрасочные покрытия, индикаторная головка, сушильный шкаф, установка для нанесения покрытий, растворы для обезжиривание, наждачная бумага, липкая лента. Порядок выполнения работы
Задание 1.Четыре стальных образца очистить от окислов, обезжирить ацетоном, нанести покрытия на установке методом погружения. Просушить образцы в сушильном шкафу при 70-100 0С и определить величину адгезии методом решетчатых надрезов. Задание 2. Нанести покрытия тем же методом, что и в задании 1. Определить величину адгезии методом отслаивания.
Содержание и оформление отчета
Отчет должен содержать название работы, формулировку цели работы, основные понятия о лакокрасочных покрытиях, методику работы и результаты экспериментов в таблицы. По результатам экспериментов сделать выводы о качестве нанесения лакокрасочных покрытий.
Контрольные вопросы
1. Виды лакокрасочных покрытий. 2. Способы подготовки поверхности. 3. Способы нанесения покрытий. 4. Методы оценки качества покрытий.
6.4.ОКСИДИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ Цель работы - получение оксидной пленки на алюминии электрохимическим путем и испытание ее защитных свойств. Основные понятия Алюминий и его сплавы вследствие хороших конструкционных свойств и достаточно высокой коррозионной стойкости нашли широкое применение, особенно в авиации. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется защитными свойствами оксидной пленки Al2O3, которая возникает на его поверхности в атмосфере или в растворах, содержащих кислород или другой окислитель. Однако эти пленки в силу незначительной толщины (0.006-0.02 мкм) не обеспечивают надежной защиты от коррозии. Между тем, в результате определенной химической реакции или электрохимической обработки можно создать на поверхности металла искусственные пленки, которые обладали бы значительно более высокой коррозионной стойкостью, в сравнении с основным металлом, и защищали бы его от разрушения. Процесс получения оксидных покрытий на металле получил название оксидирования. Оксидирование алюминия может быть осуществлено электрохимическим и химическим путем. Основной промышленный способ - электрохимический. Процесс проводят в гальванической ванне на аноде. Чаще всего используют растворы серной кислоты, реже - хромовой или щавелевой кислот. Оксидная пленка, образующаяся в результате анодного окисления алюминия, хорошо защищает от его атмосферной коррозии, служит прекрасным грунтом под лакокрасочное покрытие, прочно адсорбирует анилиновые красители, окрашивается ими в различные цвета, а также легко пропитывается различными лаками, маслами. Пленка устойчива к воде и некоторым минеральным кислотам, однако легко растворяется в щелочах. Она состоит из кристаллической g - модификации Al2O3 и аморфного оксида алюминия. Пленка характеризуется достаточной твердостью, хорошо сопротивляется механическому износу и обладает высокими электроизолирующими свойствами. Оксид образуется на поверхности алюминия в результате анодного окисления: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H+ + 6e и состоит из двух слоев: плотного барьерного толщиной 0.01-0.1 мкм, расположенного на поверхности металла, и внешнего пористого слоя, толщина которого может достигать 200-400 мкм. Предполагают, что барьерный слой возникает в результате взаимодействия ионов алюминия и кислорода при их встречной миграции: ионов Al3+ к внешней поверхности барьерного слоя и ионов О2- - в направлении металла. Ионы Al3+ образуются при анодном растворении алюминия: Al = Al3+ + 3e, а ионы О2- - по реакции: Н2О = 2Н+ + О2- Таким образом, на аноде происходят одновременно процессы формирования барьерного слоя в результате электрохимического окисления металла у основания пор и химическое растворение пленки в электролите. Поэтому рост пленки возможен только тогда, когда скорость растворения оксида ниже скорости его образования. Процесс проводят в серной кислоте, при этом можно получать защитные оксидные пленки почти на всех алюминиевых сплавах (что затруднено в других электролитах). Чаще всего оксидирование проводят в 20%‑ ном растворе H2SO4 при 20°С и анодной плотности тока 1-2 А/дм2. Защитные свойства оксидной пленки после оксидирования можно повысить путем обработки изделия паром или горячей водой, погружением в горячие растворы хроматов и бихроматов. При обработке паром или горячей водой происходит смыкание пор из-за гидратации оксида; при хроматной обработке появляются более стойкие соединения типа (AlO)2CrO4. После оксидирования изделия обрабатывают в водных растворах красителей для придания им красивого внешнего вида.
Методика и техника эксперимента Работу проводят на установке, схема которой приведена на рис.1. Установка включает стеклянный стакан с электролитом для анодирования (200г/л H2SO4), в который помещают свинцовые катоды и алюминиевый анод. Постоянный ток подается на устновку от выпрямителя. Заданная анодная плотность тока устанавливается с помощью амперметра, напряжение контролируется вольтметром. Поверхность алюминиевых анодов перед помещением в установку должна быть подвергнута обезжириванию, осветлению, полированию. Для обеспечения лучшего отвода тепла, выделяющегося в процессе оксидирования, вода в термостате перемешивается с помощью мешалки, число оборотов которой регулируется автотрансформатором. В течение опыта необходимо поддерживать заданную силу тока.
При определении защитных свойств оксидной пленки нужно наносить капли раствора с помощью пипетки, не допуская образования больших капель и слияния отдельных капель. Оборудование и принадлежности Установка для оксидирования - 1; выпрямитель - 1; автотрансформатор - 1; алюминиевые образцы - 6; раствор серной кислоты; растворы для обезжиривания, осветления, полирования, определения защитных свойств; раствор красителя; наждачная бумага, пипетка, штангенциркуль. Порядок выполнения работы: алюминиевые образцы, количество которых устанавливает преподаватель, подвергают обезжириванию, для чего их помещают на 10-20 минут в стакан с раствором, содержащим 50-100 г/л NaOH и 5 г/л стирального порошка. Процесс обезжиривания осуществляют при температуре раствора 60-80°С. Качество обезжиривания определяют при полном смачивании поверхности образца водой, затем образец промывают, опуская сначала в горячую воду (50-60°С) 3-5 раз на 15-30 с, затем в холодную воду таким же образом. Осветление поверхности образца проводят в растворе, содержащем 35г/л CrO3, 175 г/л H2SO4, при температуре 60°С в течение 1-3 минут. Поверхность образца после осветления должна быть молочно-белой без темных пятен. По окончании этой операции следует 3-5-кратная промывка в холодной воде в течение 15-30 с и погружение образца на 5-10 с в раствор азотной кислоты концентрацией 300г/л. Последующее химическое полирование проводят в растворе, содержащем 1500-1600 г/л Н3РО4 и 60-80 г/л HNO3, при 65-75°С в течение 15 минут. После образец снова промывают в горячей (50-60°С) воде, окуная на 15-30 с, и в холодной таким же образом. Оксидирование проводится в растворе серной кислоты (150-200 г/л) при соотношении площади анода и катода 1: 1, анодной плотности тока 1-2 А/дм2 в течение 20-60 минут. Значение концентрации кислоты, анодной плотности тока и продолжительности оксидирования указываются преподавателем. Если образец после оксидирования подлежит окрашиванию, то промывку следует проводить в холодной воде, если нет, то - в горячей при ранее указанных режимах. Уплотнение (наполнение) оксидной пленки проводят для одного из образцов после оксидирования путем погружения в стакан с нагретой до 92-98°С дистиллированной водой и выдерживания его в ней при этой температуре 15 минут. После этого образец извлекают из стакана, сушат фильтровальной бумагой и затем в сушильном шкафу. Определение защитных свойств оксидной пленки можно осуществить по времени, по истечении которого нанесенная на поверхность пленки капля раствора, состоящего из 3 г K2Cr2O7, 25 мл HCl (r = 1.16) и 75 мл Н2О, зеленеет. Переход оранжевой краски капли в земную наступает в результате восстановления алюминием шестивалентного хрома до трехвалентного после растворения пленки Аl2O3. Этот процесс протекает в две стадии по реакциям: Al2O3 + 6HCl = 2Al2Cl3 + 3H2O; 2Al + K2Cr2O7 = 3H2O + 2Al(OH)3 + K2Cr2O4. Исходные данные и результаты экспериментов заносят в табл. 1. Защитные свойства оксидной пленки определяются на одной стороне образца по диагонали в трех точках, на которые наносят капли раствора, и затем определяют время, через которое край капли раствора начинает зеленеть. При этом защитные свойства оксидной пленки считают достаточными, если время, после которого наступает позеленение капли, составляет не менее 5 минут при температуре испытания 18-21°С, не менее 3.5 минут - при 22-26°С и не менее 2.5 минут - при 27-32°С. Результаты экспериментов занести в табл.6.3.
Таблица 6.3 Результаты экспериментов.
6.5.ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ЦИНКОВАНИЕ СТАЛИ
Цель работы - электролитическое получение цинкового покрытия из различных электролитов и определение выхода металла по току.
Основные понятия Цинк является наиболее распространённым металлом, применяемым для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. Около 50% мировой добычи цинка потребляется для защиты чёрных металлов от коррозии. Такое широкое применение цинковых покрытий для защиты от коррозии объясняется значительным электроотрицательным значением его потенциала (нормальный потенциал цинка по отношению к водородному электроду равен - 0, 76 В). В паре с железом цинк образует короткозамкнутый гальванический элемент, в котором цинк является растворимым электродом (анодом); он защищает железо от коррозии электрохимически. Скорость коррозии цинковых покрытий в городской атмосфере составляет 40 г/(м2´ год), или 5 мкм/год. Таким образом, долговечность покрытия при толщине 25 мкм составляет 5 лет. Процесс электролитического цинкования осуществляется на катоде из растворов цинковых солей по реакции Zn+2 + 2e- ® Zn0 (1) Наряду с реакцией выделения Zn на катоде может протекать реакция выделения водорода 2H+ + 2e- ® H2 (2) Теоретическое количество выделившегося металла Dmтеорможно определить по закону Фарадея, то есть Dmтеор = q´ I´ t, где q — электрохимический эквивалент металла: q = Am — атомная масса металла; n — число электронов, принимающих участие в реакции; F — число Фарадея; I — сила тока; t — время осаждения металла.
С учётом того, что наряду с выделением металла по формуле (1) протекает выделение водорода по формуле (2), количество выделившегося металла Dmпр = Dmтеор ´ Вт = q´ I´ t´ В
|
aкn+ = aMen+ = (LкmAn /(aAm-)n)m-
Рис.6.1. Схема установки для измерения потенциалов:
1 - Стакан с электролитом; 2 - образец; 3 - монтажное плато; 4 - электролитический ключ с насыщенным раствором KCl; 5 - потенциометр; 6 - хлорсеребрянный электрод.
Виды покрытий
Рис.6.2. Схема установки
для оксидирования алюминия:
1-стеклянный стакан; 2-термостакан; 3-плато; 4- свинцовые катоды; 5-алюминиевый образец (анод)
,
