Исследование влияния ингибиторов с добавлением наночастиц оксида циркония на коррозионную стойкость стали

Коррозия сталей является одной из основных проблем в промышленности, поскольку она причиняет серьезный ущерб промышленному оборудованию и окружающей среде. Коррозия углеродистой стали — это неизбежный, но контролируемый процесс.

Анализ литературы показывает, что разработано множество различных соединений, оказывающих ингибирующее действие при коррозии сталей. Одним из наиболее эффективных, экономичных и экологически чистых средств контроля коррозии является использование полифункциональных органических ингибиторов, среди которых тиомочевина является одним из самых распространенных. Однако на дефектных поверхностях адсорбция ингибитора протекает хуже. Решить эту проблему можно добавляя в растворы наночастицы, которые размещаясь преимущественно в щелях и трещинах, увеличили бы эффективность использования ингибиторов.

Цель данной работы: разработка комплексного подхода к подготовке изделий из сталей различных марок, включая процессы травления и ингибирования.

Для достижения данной цели были поставлены задачи:

• 1)    Получить суспензию наночастиц оксида циркония методом обратного осаждения,

• 2)    Подготовить растворы тиомочевины (С = 0,5% масс.) с добавками НЧ ZrO 2 (C = 0,13% масс.),

• 3)    Оценить возможности использования ингибитора на основе тиомочевины и наночастиц ZrO 2 для защиты сталей марок У8А и 440С.

Материал и методы исследования

В качестве объектов исследования коррозионной устойчивости были выбраны образцы сталей двух марок: инструментальная сталь У8А и обладающая высокой коррозионной устойчивостью сталь 440С.

Оценку проводили с применением методов гравиметрии и оптической микроскопии.

Подготовка поверхности осуществлялась посредством травления образцов в смеси азотной и соляной кислот с объемной концентрацией 200 об. ч. (HNO 3 ): 300 об. ч. (HCl): 500 об. ч. (H 2 O).

По д готовка пове р хности об разц ов 440С и У8А

тиомочевина+НЧ ZrO 2

Пол у чение к р ивых т р авления

Получение оптических снимков

Рисунок 1. Общая схема эксперимента по подбору ингибитора.

После травления одну часть образцов выдерживали в 0,5% растворе тиомочевины NH2CSNH2, ГОСТ 6344-73, выбранной в качестве ингибирующей основы, а другую в растворе тиомочевины с добавлением наночастиц оксида циркония.

Методика гравиметрии

Измерение потери массы стальных образцов в среде смеси кислот проводили гравиметрическим методом. Данный метод относится к количественным методам исследования коррозии. Метод гравиметрии (весового анализа) основан на точном измерении массы исследуемых образцов после воздействия агрессивной среды. При этом определяют прибыль или убыль массы образца.

Большим преимуществом метода является высочайшая точность измерений 0,01– 0,005%, но вместе с тем большой недостаток метода — длительность анализа.

При измерениях использовали электронные лабораторные весы ALC-110d4.

Методика получения суспензии

Суспензия, содержащая наночастицы ZrO 2 , была получена методом обратного осаждения из раствора ZrO(NO 3 ) 2 с добавлением водного аммиака (NН 4 OH). Полученный раствор промывали дистиллированной водой до удаления побочных продуктов (аммиака) и установления нейтральной pH среды 7.

Приготовление суспензии наночастиц ZrO 2 осуществляли при медленном перемешивании на магнитной мешалке MS-3000. Температурный диапазон эксплуатации от +4 °С до +40 °С (от холодной комнаты до инкубатора) и макс. относительная влажность 80%.

После получения суспензии был приготовлен 0,5% раствор тиомочевины, в который была добавлена суспензия наночастиц оксида циркония. На 30 мл тиомочевины 0,5 мл суспензии, содержащих 38,9 мг ZrO 2 . Затем образцы марок У8А и 440С были обработаны в полученных растворах тиомочевины с добавленной суспензией наночастиц в течение 15 минут.

Результаты и обсуждение

Оптические данные подготовленных образцов:

Рисунок 2. Оптические изображения стали У8А: а) без ингибитора; б) обработанный в тиомочевине; б) обработанный в тиомочевине и ZrO 2

Рисунок 3. Оптические изображения стали 440С: а) без ингибитора; б) обработанный в тиомочевине; б) обработанный в тиомочевине и ZrO 2

На Рисунках 2 и 3 представлены снимки протравленных образцов, на которых заметна разница между обработанной ингибитором поверхностью и не обработанной. У ингибированных образцов заметно снижена морфологическая неровность верхнего слоя образца, которая впоследствии травления приобретает множество дефектов. Однако увидеть существенную разницу между образцами содержащим наночастицы оксида циркония и остальными не удалось, ввиду слабого разрешения оптического микроскопа.

Влияние кислот на ингибированную сталь

На графиках ниже представлена зависимость влияния коррозионной среды от времени ее воздействия на образцы с поверхностью, обработанной и необработанной ингибитором (Рисунки 4-5).

Рисунок 4. Средние кривые влияния воздействия смеси кислот HCl и HNO 3 на коррозионную устойчивость стали 440С

Рисунок 5. Кривые влияния воздействия смеси кислот HCl и HNO3 на коррозионную устойчивость стали У8А

Графики зависимости коррозионной устойчивости стали марок У8А и 440C в растворе смеси кислот смеси кислот HCl и HNO 3 демонстрируют эффективность применяемого ингибитора.

Однако в случае антикоррозионной стали марки 440С добавка НЧ циркония в ингибитор коррозии принесла меньший защитный эффект, в сравнении с инструментальной сталью У8А, что видно из анализа графиков. Благодаря успешному результату для стали У8А был проведен дополнительный эксперимент, включающий в себя предварительную сушку обработанных в ингибиторе образцов в печи в течение 1 часа при температуре 80 °C.

Рисунок 6. Кривые травления стали У8А, полученные в смеси HCl–HNO₃ после обработки в растворе тиомочевины с ZrO 2 , высушенные при Т = 25 (а) и 80 °С (б).

Анализируя кривые травления, представленные на Рисунке 6, можно сделать предположение о том, что термообработка не сказывается на улучшении антикоррозионных свойств ингибитора, однако она позволяет добиться равномерного закрепления наночастиц на поверхности стали, что отражено в малом расхождении по потерям массы для каждого образца.

Рисунок 7. Гистограмма изменения массы образцов после завершения эксперимента

Из гистограммы, изображенной на Рисунке 7, видно, что ингибирование повышает антикоррозионные свойства стали. В случае эксперимента со сталью 44 °С, не смотря на более эффективную защиту ингибитора с НЧ в начале испытания, во второй временной промежуток возникает упадок антикоррозионных свойств ингибитора, что объясняется постепенным стравливанием защитного слоя и последующим интенсивным разложением образца, приводящей к большей потере массы по окончанию эксперимента.

Выводы

• 1.    Добавление наночастиц ZrO 2 к раствору тиомочевины позволяет увеличить

• 2.    Добавление наночастиц ZrO 2 к раствору тиомочевины позволяет увеличить

• 3.    Предварительная обработка поверхности металла со слоем ингибитора при температуре 80 °С не повысила его эффективность, однако позволила увеличить воспроизводимость поверхности.

коррозионную устойчивость стали У8А на 3,02% в смеси кислот HNO 3 и HCl.

коррозионную устойчивость стали 440С на 2,26% в смеси кислот HNO 3 и HCl.