CHOVÁNÍ ALUMINIDU ŽELEZA V KAPALNÝCH PROSTREDÍCH BEHAVIOUR OF IRON ALUMINIDES IN LIQUID ENVIRONMENTS

Transkript

1 CHOVÁNÍ ALUMINIDU ŽELEZA V KAPALNÝCH PROSTREDÍCH BEHAVIOUR OF IRON ALUMINIDES IN LIQUID ENVIRONMENTS Martin Kraus a Vladimír Cíhal a Petr Kratochvíl b a Katedra materiálového inženýrství, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, VŠB - TU Ostrava b Katedra fyziky kovu, Matematicko-fyzikální fakulta, Universita Karlova, Praha Abstrakt Aluminidy železa se jako usporádané intermetalické slouceniny stávají novými konstrukcními materiály. Jejich výhodou je nízká specifická hmotnost. Navíc neobsahují ve vetší míre ekonomicky méne výhodné kovy jako jsou chrom a nikl. Tyto materiály se dají použít jako levnejší náhrada za nekteré typy žáruvzdorných ocelí apod., zejména pak v souvislosti s provozními prostredími s výskytem chloridu a síry. V poslední dobe se darí úspešne zvyšovat a rídit jejich mechanické vlastnosti. To se týká zejména tažnosti za vyšších teplot. Velmi zajímavá je také korozní charakteristika aluminidu železa. Tento príspevek se konkrétne zabývá jejich elektrochemickými vlastnostmi v kapalných prostredích. Výzkum probíhal ve dvou fázích. V první fázi byl vybrán pro další zkoušení optimální materiál z nekolika typu slitin o základním složení Fe28Al4Cr (at. %). Jednalo se o aluminidy železa s prídavkem céru, prípadne titanboridu. Ve druhé fázi byla u vybrané slitiny provedena elektrochemická polarizacní potenciodynamická merení v ruzne agresivních elektrolytech a sledoval se potenciodynamický záznam krivek od aktivní pres pasivní až k transpasivní oblasti. Vyhodnocení probíhalo soubežne s optickým pozorováním degradace povrchu materiálu. Abstract Iron aluminides are became new constructive materials as organized intermetallic alloys. Their perquisite is low specific weight. Beyond they do not contain economical less profitable metals, as are chromium and nickel, in major contain. Is possible these materials use as a cheaper substitution for some types heat-resistant steels and others, especially in operating environments with addition of chlorides and sulphur. In this time is possible successfully advance and take control of their mechanical properties. It is a question of ductility during higher temperatures mainly. Very interesting is also corrosion characteristic of iron aluminides. This paper is interested in theirs electrochemical qualities in liquid environments. Research proceeded in two phases. In the first phase was chosen optimal material from the several types of materials with base composition Fe28Al4Cr (at. %) for next testing. This was iron aluminides with addition of cerium or titanium boride. In the second phase was effected in at choice alloy electrochemical polarisation potenciodynamical measurement. This proceeded in electrolytes with different aggressiveness. Potenciodynamical record of polarisation curves was observed from activity over passivity till to transpassivity area. Evaluation proceeded simultaneously with optical observation of surface degradation of specimens. 1

2 1 ÚVOD DO PROBLEMATIKY Novými vysokoteplotními konstrukcními materiály se stávají aluminidy železa Fe 3 Al a FeAl a nestechiometrická složení s aditivy. Jedná se o usporádané intermetalické slitiny, které nabízejí dobrou odolnost v oxidacních prostredích i za prítomnosti síry. Ocekává se, že jejich použití omezí spotrebu pomerne nákladných kovu, jako nikl a chrom, bez nichž si nelze predstavit bežné žáruvzdorné oceli a niklové superslitiny. Významná je i nižší specifická hmotnost v porovnání s vysokolegovanými slitinami železa a niklu. Uvažuje se o použití aluminidu železa zejména v souvislosti se zplynováním uhlí, pri zpracování a težbe ropy s vysokým obsahem síry a chloridu, v chemickém prumyslu, pri vývoji automobilu a leteckých motoru a dalších aplikacích [1,2]. Hlavním omezením pro konstrukcní použití intermetalik je zejména jejich omezená tažnost pri pokojové teplote; u aluminidu Fe 3 Al nekdy jen 2 až 5 %. Za dostatecnou tažnost se pak pri pokojové teplote u aluminidu železa považuje 5 až 10% a postacující pevnost 500 Mpa pri 600 C. To vše lze docílit kontrolou složení a mikrostruktury. Zejména se užívá zmeny obsahu hliníku (odklonu od stechiometrie) nebo ternárních prímesí, napr. chrómu, molybdenu, zirkonia, céru, titanu, TiB 2, bóru ap. Nekterá z aditiv mají pozitivní vliv na zjemnení zrna. Zlepšení tvárnosti se dá také dosáhnout vysokým stupnem deformace.[3-5] Aluminidy železa si zasluhují pozornost i s ohledem na korozní charakteristiky v kapalných prostredích, kterými se zabývá tato práce. Konkrétne se jedná o korozní chování slitin blízkých složení Fe28Al4Cr (at. %) s prídavkem céru, prípadne TiB 2 v elektrolytech s využitím polarizacních merení a korozní degradaci povrchu uvedeného materiálu v roztocích s rozdílnou agresivitou. 2 EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE 2.1 Výber vhodného materiálu Pro sledování korozních vlastností byla predbežne vybrána rada materiálu (v tváreném stavu), jejichž složení je uvedeno v tabulce. 1. Tyto materiály vykazují slibné mechanické vlastnosti (napr. R m až 1200 MPa pri 400 C) vhodné pro výše uvedené aplikace v prumyslu.[4] Tabulka 1. Složení materiálu v hm. % Table 1. Composition of materials in wt.% materiál hm.% Al Cr Ce TiB 2 Mn C produkt C1 16,18 2,89 0,06-0,40 0,04 tenký pás (6 mm) s oxidovaným povrchem C2 17,36 4,32-0,96-0,04 trubka, neopracovaný povrch (r vnejší cca 30 mm) C3 17,36 4,32-0,96-0,04 trubka, opracovaný povrch (r vnejší cca 30 mm) C4 16,18 2,89 0,06-0,40 0,04 hranolky (10 x 10 x 30 mm) C5 16,46 3,95 0,23-0,23 0,04 trubka, opracovaný povrch (r vnejší 47 mm) Na základe orientacních polarizacních potenciodynamických merení byl pro další výzkum zvolen materiál C1. 2

3 2.2 Elektrochemická merení Podmínky merení: Elektrochemická polarizacní potenciodynamická merení (dále jen polarizacní merení) pri laboratorní teplote byla provedena na potenciostatu PGP 201 s programovým vybavením VoltaMaster 1 se zkušební korozní celou, vymezující merenou kruhovou plochu 0,4 cm 2 a s tríelektrodovým zapojením: pracovní elektroda-vzorek; pomocná elektroda- platinová; referencní elektroda - SCE (nasycená kalomelová elektroda). Rozsah potenciálu E potenciodynamického záznamu krivek byl -700 mv až 2000 mv s rychlostí zmeny potenciálu 60 mv/min. Proudová hustota J byla zaznamenávána v rozsahu -100 ma/cm 2 až 200 ma/cm 2. Pred provedeným merením byl povrch všech vzorku upraven broušením a leštenímpostupy bežnými pri príprave metalografických výbrusu. Pro polarizacní merení bylo využito elektrolytu kyseliny sírové o koncentraci 0,5 mol l -1 a 2 mol l Rozbor výsledku: Na obr. 1 jsou uvedeny namerené polarizacní krivky v lineární závislosti J = f(e) pro jednotlivé vzorky. Tato polarizacní merení jsou pro vzájemné porovnání uvedena souborne. Pro zvýraznení kolísání proudové hustoty v oblasti pasivity u vzorku is1 mereného v méne agresivním elektrolytu je zvolena logaritmická závislost log J = f(e). (obr. 2) Polarizacní krivky namerené v elektrolytu 0,5 mol l -1 H 2 SO 4 mají shodný charakter a vykazují prechod do aktivity s kritickou pasivacní proudovou hustotou kolem hodnoty 20 ma/cm 2. V elektrolytu s vyšší koncentrací - 2 mol l -1 H 2 SO 4 zustává celkový charakter polarizacní krivky nezmenený a kritická pasivacní proudová hustota jen nepríliš vzrostla pouze na 35 ma/cm 2. (modrá krivka na obr. 1) Proudová hustota (ma/cm 2 ) Potenciál E (mv) is1-0,5 mol/l is2-0,5 mol/l* is3-0,5 mol/l is4-2 mol/l *) mereno na licí vade materiálu *) measured on cast discontinuity of specimen Obr. 1. Polarizacní krivky J = f(e) Fig. 1. Polarisation curves J = f(e) (J-current density) 3

4 Polarizacní merení u všech hodnocených vzorku vykázala výraznou pasivitu bez prechodu do transpasivního stavu až do vylucování kyslíku pri potenciálu okolo 1700 mv s jistou již zmínenou anomálií u vzorku s oznacením is1. Periodické kolísání proudové hustoty u tohoto vzorku (obr. 2) je zrejme zpusobeno jednak prunikem elektrolytu tesnením korozní cely, popr. jeho zesíleným vzlínáním v dusledku porezity zkoušeného materiálu. Tento prunik elektrolytu je ovšem pozorován také u ostatních vzorku log IJI Potenciál E (mv) is1 is2 is3 is4 Obr. 2. Polarizacní krivky log J = f(e) Fig. 2. Polarisation curves log J = f(e) (J-current density) 2.3 Metalografie a korozní degradace povrchu Polarizacní merení byla doplnena pozorováním na optickém metalografickém mikroskopu Olympus C-1400 a NEOPHOT II a jsou zdokumentována na dalších obr Na makrosnímku (obr. 3) je patrna merená silne naleptaná oblast, nenaleptaná oblast pod tesnením a oblast korozního napadení povrchu bez rízeného potenciálu mimo merenou plochu (resp. korozní celu). Tento obrázek také potvrzuje již zmínené kolísání proudové hustoty v pasivním stavu u vzorku is1. Prechod od merené oblasti pres oblast tesnení korozní celou k volnému povrchu je pri 100x zvetšení uvedena na obr. 4. Korozní poškození volného povrchu bez rízeného potenciálu prevážne bodovým napadením s nevýrazným naleptáním hranic zrn je uvedeno na obr.5. Merené oblasti všech vzorku vykazují stejný charakter bodového napadení s výraznejším napadením hranic zrn (obr. 6). U vzorku is3 je na obr. 7 dokumentováno napadení na rozhraní merené oblasti a tesnení korozní celou rozdílný od prechodu oblasti pod tesnením do naleptané cásti volného povrchu. Na obr. 8 je silne naleptaná oblast vzorku is4 mereného v koncentrovanejším elektrolytu 2 mol l -1 H 2 SO 4 s patrným zesíleným naleptáním hranic zrn. 4

5 10 mm Obr. 3. Makrosnímek povrchu vzorku is1 Fig. 3. General surface of specimen is1 Obr. 4. Korozní degradace povrchu Fig. 4. Degradation of surface by corrosion Obr. 5. Bodové napadení volného povrchu Fig. 5. Pitting of non-measured surface Obr. 6. Bodové napadení volného povrchu Fig. 6. Pitting of measured surface 5

6 Obr. 7. Prechod: merená oblast-tesnení kor. Obr. 8. Vzorek is4 (2 mol l -1 H 2 SO 4 ) cely Fig. 7. Transition: measured area-seal Fig. 8. Specimen is4 (2 mol l -1 H 2 SO 4 ) of corrosion box 3 ZÁVER Elektrochemická polarizacní merení vybraného typu aluminidu železa prokázala pomerne nízkou hodnotu maximálního proudu v aktivní oblasti- tj. kritické pasivacní proudové hustoty. Materiál se vyznacuje výrazným prechodem do pasivního stavu v elektrolytech s rozdílnou agresivitou. Následuje významná široká oblast pasivity až do potenciálu okolo 1700 mv. Vzorky daného materiálu nevykazují prechod do transpasivního stavu. Korozní charakteristiky mohou být nepríznive ovlivneny porezitou zkoušeného materiálu. Bodové a mezikrystalové napadení by si vyžádalo další výzkum ve vztahu ke strukturnímu stavu materiálu. Celkove lze ríci, že zkoumaný aluminid železa má zajímavé korozne elektrochemické vlastnosti, které si zaslouží srovnání s charakteristikami korozivzdorných ocelí. LITERATURA [1] Rao, V. S. et all: Passivation Behaviour of Iron Aluminides in Sulfidic Acid, In. Proc. Of Inter. Symposium on Mat. Ageing and Life, Kalpakam, 2000, s [2] Mc Kamey, C. G. et all: A review of recent developments in Fe 3 Al-based alloys, J. Mater. Res., 1991, Vol 6, No. 8, s [3] Karlík, M. et all: Mechanical Properties and Fracture of an Intermetalic Alloy Fe-28Al- 4Cr-0,1Ce (at%), Acta Polytechnica, 2000, Vol.40 No.4, s [4] Kratochvíl, P. et all: Struktura a mechanické vlastnosti alumunidu železa Fe28Al5Cr s prísadami céru a titanboridu, Hutnické listy, 2000, c.9, s [5] Karlík, M. et all: Tensile deformation and fracture micromorphology of an Fe-28Al-4Cr- 0,1Ce alloy, Materials Science and Engineering, 2000, A289, s Práce byla realizována za podpory projektu GACR c. 106/02/