Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами

Вивчено крайові кути змочування водою, аліфатичними спиртами, монокарбоновими кислотами та деякими інгібіторами поверхні маловуглецевої та нержавної сталей, міді, латуні, алюмінієвих і магнієвих сплавів. Показано, що поверхня металів з пасивною плівкою гідрофобніша, ніж мало-та середньовуглецевих ст...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Слободян, З.В., Маглатюк, Л.А., Купович, Р.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2012
Назва видання:	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/139755
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами / З.В. Слободян, Л.А. Маглатюк, Р.Б. Купович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 122-130. — Бібліогр.: 12 назв. — укp.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-139755
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1397552018-06-22T03:05:29Z Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б. Вивчено крайові кути змочування водою, аліфатичними спиртами, монокарбоновими кислотами та деякими інгібіторами поверхні маловуглецевої та нержавної сталей, міді, латуні, алюмінієвих і магнієвих сплавів. Показано, що поверхня металів з пасивною плівкою гідрофобніша, ніж мало-та середньовуглецевих сталей і магнію. Плазмоелектролітне оксидування сплавів алюмінію та магнію посилює гідрофільність їх поверхонь. Введення до складу оксидокерамічного покриву хрому сприяє гідрофобізації поверхні. Механо-імпульсне зміцнення сталі, формуючи на поверхні наноструктури, гідрофобізує її та підвищує адсорбцію поверхнево-активних речовин. Попередня пластична деформація 2,5...15% посилює змочування водою поверхні, збільшуючи адсорбцію органічних інгібіторів та дещо знижуючи адсорбцію неорганічних. Експлуатаційна деградація трубної сталі (30 років) зменшує крайові кути змочування, значення яких сумірні з такими ж для пластично деформованої сталі за деформації 2,5%. Изучены краевые углы смачивания водой, алифатическими спиртами, монокарбоновыми кислотами и некоторыми ингибиторами поверхности малоуглеродистой и нержавеющей сталей, меди, латуни, алюминиевых и магниевых сплавов. Показано, что поверхность металлов с пассивной пленкой более гидрофобна, нежели мало- и среднеуглеродистых сталей и магния. Плазмоэлектролитное оксидирование сплавов алюминия и магния усиливает гидрофильность их поверхности. Введение в состав оксидокерамического покрытия хрома способствует гидрофобизации поверхности. Механоимпульсное упрочнение стали формирует на поверхности наноструктуры, гидрофобизирует поверхность и повышает адсорбцию поверхностно-активных веществ. Предварительная пластическая деформация в диапазоне δ = 2,5…15 % способствует смачиваемости водой поверхности стали, увеличивая адсорбцию органических ингибиторов и несколько понижая неорганических. Эксплуатационная деградация трубной стали (30 лет) уменьшает краевые углы смачивания, значения которых соизмеримы c таковыми пластично-деформируемой стали при δ = 2,5%. The limiting wetting angles of the surface of low-carbon, stainless steel, copper, brass, aluminum and magnesium alloys with water, aliphatic alcohols, monocarboxylic acids and some inhibitors are studied. It is shown that the surface of metals with passive film is more hydrophobic than the surface of low- and medium-carbon steel and magnesium. Plasmaelectrolytic oxidizing of aluminum and magnesium alloys enhances the wetting ability of their surfaces. Introduction of the chromium into oxide-ceramic coatings promotes the wetting ability of the surface. Mechanopulse strengthening of steel forms nanostructures on the surface, waterproofs the surface and enhances the surfactants adsorption. Preliminary plastic deformation improves the wetting ability of the steel surface with water in the range δ = 2.5...15%, increasing the adsorption of organic inhibitors and somewhat reducing the adsorption of inorganic ones. Operational degradation of the pipe steel (30 years) reduces the limiting wetting angle, which value is commensurable with the limiting wetting angles of plastically deformed steel at δ = 2.5%. 2012 Article Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами / З.В. Слободян, Л.А. Маглатюк, Р.Б. Купович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 122-130. — Бібліогр.: 12 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/139755 620.197.3 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Вивчено крайові кути змочування водою, аліфатичними спиртами, монокарбоновими кислотами та деякими інгібіторами поверхні маловуглецевої та нержавної сталей, міді, латуні, алюмінієвих і магнієвих сплавів. Показано, що поверхня металів з пасивною плівкою гідрофобніша, ніж мало-та середньовуглецевих сталей і магнію. Плазмоелектролітне оксидування сплавів алюмінію та магнію посилює гідрофільність їх поверхонь. Введення до складу оксидокерамічного покриву хрому сприяє гідрофобізації поверхні. Механо-імпульсне зміцнення сталі, формуючи на поверхні наноструктури, гідрофобізує її та підвищує адсорбцію поверхнево-активних речовин. Попередня пластична деформація 2,5...15% посилює змочування водою поверхні, збільшуючи адсорбцію органічних інгібіторів та дещо знижуючи адсорбцію неорганічних. Експлуатаційна деградація трубної сталі (30 років) зменшує крайові кути змочування, значення яких сумірні з такими ж для пластично деформованої сталі за деформації 2,5%.
format	Article
author	Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б.
spellingShingle	Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б. Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами Фізико-хімічна механіка матеріалів
author_facet	Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б.
author_sort	Слободян, З.В.
title	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами
title_short	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами
title_full	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами
title_fullStr	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами
title_full_unstemmed	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами
title_sort	вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/139755
citation_txt	Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами / З.В. Слободян, Л.А. Маглатюк, Р.Б. Купович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 122-130. — Бібліогр.: 12 назв. — укp.
series	Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv	AT slobodânzv vplivpoverhnevihobroboksplavívzalízamagníûtaalûmíníûnaharakterzmočuvannâvodnimirozčinami AT maglatûkla vplivpoverhnevihobroboksplavívzalízamagníûtaalûmíníûnaharakterzmočuvannâvodnimirozčinami AT kupovičrb vplivpoverhnevihobroboksplavívzalízamagníûtaalûmíníûnaharakterzmočuvannâvodnimirozčinami
first_indexed	2025-07-10T08:58:58Z
last_indexed	2025-07-10T08:58:58Z
_version_	1837249798784155648
fulltext	122 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2012. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 620.197.3 ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВИХ ОБРОБОК СПЛАВІВ ЗАЛІЗА, МАГНІЮ ТА АЛЮМІНІЮ НА ХАРАКТЕР ЗМОЧУВАННЯ ВОДНИМИ РОЗЧИНАМИ З. В. СЛОБОДЯН, Л. А. МАГЛАТЮК, Р. Б. КУПОВИЧ Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів Вивчено крайові кути змочування водою, аліфатичними спиртами, монокарбонови- ми кислотами та деякими інгібіторами поверхні маловуглецевої та нержавної ста- лей, міді, латуні, алюмінієвих і магнієвих сплавів. Показано, що поверхня металів з пасивною плівкою гідрофобніша, ніж мало-та середньовуглецевих сталей і магнію. Плазмоелектролітне оксидування сплавів алюмінію та магнію посилює гідрофіль- ність їх поверхонь. Введення до складу оксидокерамічного покриву хрому сприяє гідрофобізації поверхні. Механо-імпульсне зміцнення сталі, формуючи на поверхні наноструктури, гідрофобізує її та підвищує адсорбцію поверхнево-активних речо- вин. Попередня пластична деформація 2,5...15% посилює змочування водою поверх- ні, збільшуючи адсорбцію органічних інгібіторів та дещо знижуючи адсорбцію не- органічних. Експлуатаційна деградація трубної сталі (30 років) зменшує крайові кути змочування, значення яких сумірні з такими ж для пластично деформованої сталі за деформації 2,5%. Ключові слова: поверхнева енергія, крайовий кут змочування, термодинамічна робо- та адгезії, механо-імпульсна обробка, оксидокерамічні покриви, відносне видовження. Поверхня металу не тільки геометрично та топографічно складна, але й має неоднорідне силове поле, що спричиняє різну адсорбційну, хімічну та корозійну активність металу. Грані, ребра, кути кристалів, які виходять на поверхню, харак- теризуються різною поверхневою енергією, що проявляється в неоднаковій реак- ційній здатності окремих ділянок. Через впорядкованість структури активність поверхні зменшується, а внаслідок диспергування поверхневого шару, навпаки, збільшується [1]. Тому поверхневі обробки, зокрема механо-імпульсні, які здріб- нюють поверхневий шар металу, повинні посилювати адсорбційні процеси, а та- кож хімічну та електрохімічну взаємодію металу зі середовищем. Поверхневі явища на межі поділу фаз газ–рідина–метал – це не лише адсорб- ція, а й змочування, які є первинними актами в корозійному та корозійно-меха- нічному руйнуванні. Оскільки адсорбція поверхнево-активних речовин (ПАР) без- посередньо пов’язана зі змочуванням, то залежатиме від поверхневої активності і металу, і середовища. Поверхнева активність останнього пов’язана із розчинніс- тю його компонентів: що вона менша, то вища поверхнева активність. Поверхне- во-активні середовища – це переважно розчини органічних речовин у воді, які, адсорбуючись на поверхні металу, знижують поверхневу енергію, внаслідок чого полегшується утворення нових поверхонь, а отже, зменшується втомна міцність [2]. Електроліти, наприклад NaCl, є поверхнево-інактивними речовинами, але такими, що дещо збільшують поверхневий натяг. Зокрема, в розчині NaCl іони Na+ та Cl– втягуються в об’єм фази сильніше, ніж молекули води, внаслідок ін- тенсивнішої взаємодії Na+ ↔ Н2О, Cl– ↔ Н2О проти Н2О ↔ Н2О. Додатково на- кладається і кулонівська взаємодія Na+–Cl–, через що поверхневий шар розчину збіднюється електролітом [1]. Контактна особа: З. В. СЛОБОДЯН, e-mail: maglatyuk@ipm.lviv.ua 123 Молекули спиртів чи карбонових кислот, навпаки, витісняються з об’єму в поверхневі шари і накопичуються на межі поділу рідина–метал. Внаслідок неси- метричної будови молекул спиртів та органічних кислот функціональні групи ОН– та СООН– орієнтуються у водну фазу, а вуглеводневий ланцюг – до поверхні металу. Поверхнева активність, а отже, і схильність до адсорбції зростають у 3–3,5 рази зі збільшенням вуглеводневого ланцюга на одну ланку –СН2– [3]. За результатами дослідження змочування різних металів з неоднаковим ста- ном поверхні можна диференціювати вплив ПАР на їх взаємодію з рідким сере- довищем. Процеси змочування характеризує термодинамічна робота адгезії Wadh, яка є роботою розриву міжфазного поверхневого шару та описується об’єднаним рівнянням Дюпре–Юнґа [4] Wadh = σlg (1 + cos ϑ). (1) де σlg – поверхневий натяг на межі рідина–газ, N/m; ϑ – крайовий кут змочування рідиною твердого тіла, grad. Нижче встановлено вплив природи металів та стану поверхні на її змочува- ність електролітами і ПАР. Матеріали та методика. Досліджували зразки зі сталі 10 та з цієї ж сталі, пластично деформовані розтягом, сталі 40Х (після імпульсного поверхневого зміцнення) [5], армко-Fe, нержавної сталі 12Х18Н10Т, міді (М3), латуні (Л60), магнієвого (МА18) та алюмінієвого (Д16) сплавів. Оксидокераміку на сплавах МА18 та Д16 синтезували в анодно-катодному режимі за густини струму 20 A/dm2 та співвідношення між густинами катодного іс та анодного іа струмів, рівного одиниці. Для синтезу оксидокерамічних покривів використовували такі електро- літи: 3 g/l KОН + 2 g/l nNa2O⋅mSiO2 (№ 1), 3 g/l KОН + 2 g/l nNa2O⋅mSiO2 + 0,1 g/l CrO3 (№ 2) та 3 g/l KОН + 4 g/l nNa2O⋅mSiO2 (№ 3) [6]. Таблиця 1. Фізико-хімічні характеристики аліфатичних спиртів та монокарбонових кислот Показники Сполука Молекулярна маса Поверхневий натяг σ⋅10–3, N/m Розчинність у воді, g/100 g Н2О Н2О 18 72,75 – С2Н5ОН 46 22,03 ∞ С5Н11ОН 88 25,16 2,6 С6Н13ОН 102 24,08 1,0 С7Н15ОН 116 24,48 0,09 С8Н17ОН 130 26,06 – С10Н21ОН 158 26,72 – С2Н5СООН 74 26,7 ∞ С4Н9СООН 102 26,35 3,7 С5Н11СООН 116 28,05 0,89 Поверхню зразків перед дослідженнями кутів змочування та синтезом окси- докерамічних покривів шліфували до шорсткості Rа = 0,63 µm. Покриви синтезу- вали в електролітах № 1 та 2 на сплаві МА18 і в № 1 та 3 – на сплаві Д16. Як ПАР вивчали спирти гомологічного ряду метанолу та монокарбонові кислоти (табл. 1), інгібітори КОРСОЛ-2, похідні піридину, корозивним середовищем слугували ди- стильована вода та 3%-й розчин NaCl. Поверхневий натяг визначали методом найбільшого тиску бульбашок повітря [7]. Крайові кути змочування вимірювали на установці [8], в якій система дзеркал проектує профіль краплі на екран. Актив- ність ПАР розраховували за формулою 124 0( ) /g C= σ − σ , (2) де σ0, σ – поверхневі натяги розчинника та розчину, N/m; С – концентрація розчину, M, а термодинамічну роботу адгезії Wadh цих речовин до поверхні мета- лів – за формулою (1). Результати та обговорення. Поверхневий натяг вказаних аліфатичних спиртів та монокарбонових кислот значно менший, ніж води, і різниться лише в межах кількох одиниць. Крайові кути змочування поверхні всіх досліджуваних металів зневодненими спиртами та кислотами виміряти практично неможливо через їх повне розтікання. Тому вивчали їх водні розчини (10–2 М), що цілком справедливо, оскільки ПАР концентруватимуться в поверхневих шарах краплі і безпосередньо контактуватимуть з металом. Рис. 1. Вплив природи металу на крайові кути змочування розчинами спиртів (a) та карбонових кислот (b): 1 – Mg; 2 – сталь 10; 3 – армко-Fe; 4 – нержавна сталь; 5 – Cu; 6 – латунь; 7 – Al. Fig. 1. Influence of metal nature on limiting wetting angles by alcohols (a) and carboxylic acids (b) solutions: 1 – Mg; 2 – steel 10; 3 – аrmcо-iron; 4 – stainless steel; 5 – Cu; 6 – brass; 7 – Al. Вплив природи металу на змочування водою та 3%-им розчином NaCl. Кра- йові кути змочування поверхні електролітами залежать від природи металу. Зо- крема, найкраще змочуються водою та 3% NaCl поверхня магнію (рис. 1). Най- нижча гідрофільність властива латуні та алюмінію. За її зменшенням метали роз- 125 міщаються в ряд Mg < сталь 10 < армко-Fe < нержавна сталь < Cu < Al < латунь. Отже, закономірності змочування тут подібні. Метали, покриті пасивними плів- ками, гідрофобніші, ніж магній чи сталь 10. Вплив стану поверхні на змочування. Встановлено, що поверхня сплаву MА18 із нанесеним оксидокерамічним покривом в електроліті № 1 гідрофілізу- ється (рис. 2a). Полірування зменшує її гідрофільність під час змочування водою і 3% NaCl. Через пористість крапля нестабільна в часі (рис. 3). Зокрема, впро- довж 3 min крайовий кут змочування зменшується з 36 до 7 grad, що пов’язане із капілярним заповненням пор. Такий ефект можна використати для оцінювання пористості покриву. Рис. 2. Змочування поверхні сплавів МА18 (a) та Д16 (b) без покриву (1), а також з оксидокерамічними покривами, синтезованими в електролітах № 1 та 2 без (2, 4) та з (3, 5) поліруванням; – дистильована вода, – 3% NaCl. Fig. 2. The surface wetting of МА18 (a) and Д16 (b) alloys (1) and coatings with oxideceramic coatings synthesized in the electrolyte № 1 and 2 without (2, 4) and after (3, 5) polishing; – distilled water, – 3% NaCl. Оксидокерамічний покрив на сплаві МА18, синтезований в електроліті № 2, має значно вищі кути змочування водою і 3% NaCl, ніж в електроліті № 1. У цьо- му випадку полірування не змінює крайових кутів змочування. Після введення хрому міняються пористість покриву та природа поверхневого шару, який, очевид- но, набуває пасивних властивостей, що підтверджують описані вище закономірності. Рис. 3. Залежність крайових кутів змочування поверхні оксидокерамічного покриву на сплаві МА18, синтезованого в електроліті № 1, від часу експозиції. Fig. 3. Dependence of the limiting angles of surface wetting of oxideceramic coatings synthesized in the electrolyte № 1, on exposition time. Алюмінієвий сплав Д16 гірше змочується водою та 3% NaCl, ніж сплав МА18 (рис. 2b). Оксидна плівка на алюмінії щільніша та пасивніша і, відповідно, гідрофобніша. Крайові кути змочування сплаву з оксидокерамічним покривом, синтезованим в електроліті № 1, такі ж, як і вихідного сплаву, що вказує на мен- шу пористість оксидокерамічного шару на алюмінії проти такого ж на магнії. Сплав Д16 з оксидокерамічним покривом, синтезованим в електроліті № 2, біль- ше змочується водою, ніж з покривом, отриманим в електроліті № 1. Після їх по- лірування підвищується гідрофобність поверхонь. Крайові кути змочування металів розчинами аліфатичних спиртів та моно- карбонових кислот. Нижчі спирти та кислоти, молекули яких витягнуті в ланцю- 126 жок з вуглеводневим радикалом та функціональними групами в різних кінцях, кон- центруються в поверхневих шарах краплі і їх органічний радикал спрямовувати- меться до поверхні металу. Поверхневий натяг води при цьому знижується до 40… 30 N/m і розтікання посилюється. Крайові кути змочування розчинами спиртів помітно менші, ніж водою та хлористим натрієм (див. рис. 1a), і мають тенденцію зменшуватися з ростом довжини вуглеводневого ланцюга в молекулі спирту. Спирт С10Н21ОН, який практично не розчиняється у воді, випадає з цієї закономірності. Розрахована поверхнева активність розчинів спиртів (табл. 2) зростає в ряду від С2 до С10, що вказує на посилення впливу середовища. Термодинамічна робота ад- гезії розчинів аліфатичних спиртів до поверхні всіх досліджених металів у 2–3 рази менша, ніж води, та знижується в ряду С2 → С10. Безпосередньо з металом в моно- молекулярному шарі контактують молекули спирту, тому отримані дані вказують на полегшення адсорбції спиртів зі збільшенням довжини ланцюга в молекулі. Таблиця 2. Поверхнева активність (g) та термодинамічна робота адгезії (Wadh) розчинів аліфатичних спиртів та монокарбонових кислот (10–2 М) Wadh сталі 10 нерж. ст. міді латуні алюмінію Сполука Показник Поверхневий натяг розчину σ⋅10–3, N/m Поверхнева активність g, N/(m⋅mol) N⋅grad/m Н2О 72,75 – 0,111 0,098 0,098 0,096 0,096 С2Н5ОН 35,6 3,71 0,057 0,056 0,053 0,048 0,048 С5Н11ОН 31,5 4,12 0,051 0,050 0,048 0,045 0,042 С6Н13ОН 29,52 4,32 0,045 0,043 0,042 0,040 0,042 С7Н15ОН 28,41 4,43 0,044 0,043 0,043 0,042 0,042 С8Н17ОН 27,26 4,55 0,042 0,040 0,040 0,039 0,044 С10Н21ОН 26,72 4,60 0,038 0,038 0038 0,035 0,038 С2Н5СООН 30,81 4,19 0,048 0,046 0,047 0,046 0,045 С4Н9СООН 29,05 4,44 0,044 0,043 0,045 0,044 0,043 С5Н11СООН 28,15 4,50 0,042 0,042 0,047 0,044 0,043 У ряду монокарбонових кислот від С2 до С5 маємо аналогічну закономірність: зі збільшенням довжини вуглеводневого ланцюга підвищується їх поверхнева активність та посилюється змочування (табл. 2). Однак тут різниця в змочуванні гомологами поверхні всіх досліджених металів менш помітна, ніж спиртами. Роз- рахована термодинамічна робота адгезії монокарбонових кислот в 2–2,5 рази менша, ніж води, і зменшується зі збільшенням довжини вуглеводневого ланцю- га в молекулі. Різниця у значеннях Wadh монокарбонових кислот на міді, латуні та алюмінії незначна, що пов’язано з пасивними властивостями їх поверхневих шарів. Зіставлення результатів змочування сталі 10 водою та розчинами спиртів С2Н5ОН і С5Н11ОН із визначеною в них швидкістю корозії сталі свідчать про за- довільну кореляцію: в присутності С2Н5ОН швидкість корозії така ж, як і у воді, тобто 9,1⋅10–6 g/(сm2·h), а в присутності С5Н11ОН падає до 7,7·10–6 g/(сm2·h). Та- ким чином, зі зменшенням змочування водою поверхні сталі 10 внаслідок ад- сорбції молекул спирту на 15% падає швидкість корозії. Вплив поверхневого зміцнення на змочування поверхні сталі 10. МІО формує на поверхні середньовуглецевих сталей високодисперсні наношари зі специфіч- ними властивостями [9]. Відомо, що диспергування приповерхневих шарів поси- лює активність поверхні [10]. Зміна силового поля під час МІО неминуче вплине на адсорбцію та змочування електролітами та ПАР. Крайові кути змочування водою такої поверхні в середньому на 10 grad менші, ніж для основного металу 127 (рис. 4). Тобто поверхня з наношаром гідрофілізується, внаслідок чого пришвид- шиться її взаємодія з водою. Рис. 4. Змочування водою та ПАР (10–2 М) поверхні сталі 10: – вихідний стан; – після МІО (а: 1 – Н2О; 2 – С2Н5ОН; 3 – С5Н11ОН; 4 – С6Н13ОН; 5 – С7Н15ОН; 6 – С8Н17ОН; 7 – С10Н21ОН; b: 1 – Н2О; 2 – С2Н5СООН; 3 – С4Н9СООН; 4 – С5Н11СООН). Fig. 4.Wetting of steel 10 surface with water and surface-active substances (10–2 М): – initial state; – after mechanical-pulse treatment (а: 1 – Н2О; 2 – С2Н5ОН; 3 – С5Н11ОН; 4 – С6Н13ОН; 5 – С7Н15ОН; 6 – С8Н17ОН; 7 – С10Н21ОН; b: 1 – Н2О; 2 – С2Н5СООН; 3 – С4Н9СООН; 4 – С5Н11СООН). Змочування розчинами карбонових кислот зміцненої поверхні має таку саму закономірність, що й основного металу: зі зростанням довжини вуглеводневого ланцюга в молекулі кислоти зменшуються крайові кути. На відміну від основно- го металу, кути змочування зміцненої поверхні розчинами монокарбонових кис- лот є більші, ніж водою (рис. 4b). Тобто високодисперсні наношари, сформовані МІО, сприяють частковій гідрофобізації поверхні в розчинах ПАР, послаблюючи взаємодію із корозивним середовищем. Розчини досліджених спиртів теж гідро- фобізують зміцнену поверхню (рис. 4a). Ймовірно, такий ефект пов’язаний зі специфічною адсорбцією спиртів та монокарбонових кислот на зміцненій по- верхні, які, формуючи моношарову плівку, зменшують змочування водою. Це ро- бить дещо зрозумілішими результати, отримані Ю. Бабеєм: підвищена здатність білих шарів адсорбувати інгібітор ХОСП-10 за одночасної посиленої корозійної активності порівняно з основним металом [11]. Вплив попередньої пластичної деформації та експлуатаційної деградації на змочування трубної сталі Х52 водою. Пластична деформація розтягом зразків трубної сталі (δ = 2,5; 5; 10 та 15%) змінює крайовий кут змочування поверхні водою (рис. 5). Зі збільшенням деформації вони зменшуються, тобто деформація сприяє розтіканню води. Крайові кути змочування на зразках, вирізаних із труби в стані постачання та із труб після 30 років експлуатації, мають тенденцію до зменшення. Очевидно, експлуатаційна деградація матеріалу труби посилює змо- чування корозивним середовищем. Значення крайових кутів на зразках експлу- атованої сталі (30 років) такі самі, як і на попередньо пластично деформованих за δ = 2,5%. Їх зміна корелює зі зміною термодинамічної роботи адгезії, компроміс- ного потенціалу та швидкістю корозії (рис. 6). Слід підкреслити, що відмінність у характеристиках експлуатованої та неексплуатованої сталі є наслідком не різної мікрогеометрії поверхні, а зміни фізико-хімічних властивостей матеріалу, оскіль- ки рівноцінність поверхні зразків забезпечували шліфуванням. Вплив попередньої пластичної деформації розтягом на змочування та деякі електрохімічні характеристики сталі 20 в інгібованих середовищах. Зовнішні навантаження посилюють електрохімічну гетерогенність поверхні, що інтенсифі- кує корозійні процеси та впливає на ефективність інгібіторів. Тому досліджували вплив пластичної деформації на зміну електродного потенціалу, струму корозії та змочування сталі в розчинах двох типів інгібіторів: органічних (для кислих се- 128 редовищ) та неорганічних (для нейтральних). У присутності піридину (Н-Ру) та його метилзаміщених у 2-, 3- та 4- положеннях компромісний потенціал зсуваєть- ся в бік менш від’ємних значень (табл. 3). Максимальне його ушляхетнення (60 mV) зафіксовано для 4-метилпіридину. Потенціал корозії пластично дефор- мованих зразків (δ = 5%) від’ємніший (12 mV), ніж недеформованих, а струм ко- розії на 10% вищий. Вільна поверхнева енергія пластично деформованого зразка зростає, що повинно вплинути на адсорбцію інгібіторів. І справді тут швидкість корозії знижується на 2…6% більше, ніж на недеформованих (табл. 3). Рис. 5. Fig. 5. Рис. 6. Fig. 6. Рис. 5. Залежність крайових кутів змочування водою поверхні пластично деформованої трубної сталі від відносного видовження. Fig. 5. Dependence of limiting wetting angles with water of the plastic deformation pipe steel surface on relative elongation. Рис. 6. Залежність термодинамічної роботи адгезії води (Wadh, N⋅grad/m) (крива 1), швидкості корозії (P, mm/years) (2) та компромісного потенціалу (–Ecorr, V) (3) від часу попередньої експлуатації трубної сталі. Fig. 6. Dependence of thermodynamic work of water adhesion (Wadh, N⋅grad/m) (curve 1), corrosion rate (P, mm/years) (2) and compromise potential (–Ecorr, V) (3) on preliminary operating time of the pipe steel. Таблиця 3. Вплив похідних піридину на компромісний потенціал –Е, швидкість корозії та коефіцієнти гальмування γ напруженої сталі 20 у водному розчині за рН 4,1 Інгібітори (10–2 М) Деформація δ, % Показники – Н-Ру 2-СН3-Ру 3-СН3-Ру 4-СН3-Ру –Е, mV 486 465 452 447 426 i, A/m2 1,288 0,387 0,343 0,322 0,262 – γ – 3,327 3,749 3,999 4,909 –Е, mV 498 486 465 452 401 i, A/m2 1,365 0,382 0,338 0,307 0,246 5% γ – 3,383 3,811 4,188 5,223 Пластична деформація сприяє змочуванню поверхні сталі водою: крайовий кут зменшується з 66 до 58 grad (табл. 4), термодинамічна робота адгезії знижу- ється на 14%. Піридин та ПАР у водному розчині зменшують крайовий кут змо- чування до 26 grad, а найефективніший інгібітор 4-метилпіридин – до 22 grad. Вплив пластичної деформації на крайові кути змочування інгібіторами КОРСОЛ та КОРСОЛ-2. Інгібітори групи КОРСОЛ складаються з неорганічних компонентів, які на відміну від піридину та його похідних, органічних похідних перехідних металів є поверхнево-інактивними і тому слабо впливатимуть на по- верхневий натяг води. 129 Крайові кути змочування неде- формованих сталей 20 та 40Х дисти- льованою та водогінною водами від- різняються мало (табл. 5). Поверхня ж трубної сталі гідрофільніша. За по- передньої деформації зразків (δ = 5%) крайові кути змочування зменшують- ся у всіх випадках на 8…10 grad. Оче- видно, через вихід дислокацій на по- верхню сталі збільшується кількість активних центрів, внаслідок чого посилю- ється адсорбція полярних молекул води, а отже, змочування поверхні сталі. В присутності інгібіторів КОРСОЛ та КОРСОЛ-2 [12] крайові кути змочування збільшуються на всіх досліджених сталях (табл. 5). Таблиця 5. Крайові кути змочування поверхні сталей інгібованими розчинами Сталь 20 Сталь 40Х Трубна сталь Х52 Матеріал Середовище недефор- мована дефор- мована недефор- мована дефор- мована недефор- мована дефор- мована Н2О дист. 45 37 48 37 36 23 Н2О водогінна 43 35 44 34 39 22 Н2О дист. + + КОРСОЛ – – – – – – Н2О водогінна + + КОРСОЛ 55 48 52 48 60 53 Н2О дист. + + КОРСОЛ-2 56 48 55 47 63 54 Н2О водогінна + + КОРСОЛ-2 58 50 57 52 65 56 Оскільки молекули інгібітора на поверхні сталей утворюють пасивну плівку, то слабше проникає корозивне середовище. На пластично деформованій поверхні крайові кути змочування водними розчинами інгібіторів менші, ніж на недефор- мованій, однак, залишаються більшими, ніж для неінгібованих розчинів. Таким чином, пластична деформація, підвищуючи адсорбційну неоднорідність поверх- ні, посилює її змочуваність водою. Інгібітори послаблюють вплив деформації та гідрофобізують поверхню. ВИСНОВКИ Виявлено, що поверхня металів, вкритих пасивними плівками (нержавна сталь, Al, Cu, латунь), гідрофобніша, ніж сталі 10, магнію тощо. Поверхня сплаву MА18 із нанесеним у лужносилікатному електроліті оксидокерамічним покривом гідрофілізується. З введенням у склад оксидокерамічного покриву хрому поверх- ня гідрофобізується. Алюмінієвий сплав Д16 гірше змочується водою та 3%-им NaCl, ніж сплав МА18. Термодинамічна робота адгезії аліфатичних спиртів С2–С10 та монокарбоно- вих кислот С2–С5 в 2–3 рази менша, ніж води, до поверхні сталі 10, нержавної сталі, алюмінію, міді та латуні. Внаслідок МІО на середньовуглецевих сталях формується поверхневий шар, який, з одного боку, гідрофільніший проти поверх- ні незміцненого металу, а з іншого – краще адсорбує ПАР. Попередня пластична деформація посилює змочування водою та по-різному впливає на ефективність інгібіторів: збільшує змочування органічними інгібіторами і дещо послаблює не- органічними. Експлуатаційна деградація трубної сталі (30 років) зменшує крайові кути змочування, значення яких сумірні із такими пластично деформованої сталі Таблиця 4. Крайові кути змочування ϑ водою (рН 4,1) та розчинами інгібіторів (10–2 М) поверхні сталі 20 ϑ, grad δ, % Н2О H-Py 4-СН3-Py – 66 26 22 5% 58 20 14 130 за деформації 2,5%. Зміна змочування поверхонь трубної сталі за різного часу експлуатації корелює зі зміною швидкості корозії та компромісного потенціалу. РЕЗЮМЕ. Изучены краевые углы смачивания водой, алифатическими спиртами, мо- нокарбоновыми кислотами и некоторыми ингибиторами поверхности малоуглеродистой и нержавеющей сталей, меди, латуни, алюминиевых и магниевых сплавов. Показано, что поверхность металлов с пассивной пленкой более гидрофобна, нежели мало- и средне- углеродистых сталей и магния. Плазмоэлектролитное оксидирование сплавов алюминия и магния усиливает гидрофильность их поверхности. Введение в состав оксидокерамичес- кого покрытия хрома способствует гидрофобизации поверхности. Механоимпульсное упрочнение стали формирует на поверхности наноструктуры, гидрофобизирует поверх- ность и повышает адсорбцию поверхностно-активных веществ. Предварительная пласти- ческая деформация в диапазоне δ = 2,5…15 % способствует смачиваемости водой поверх- ности стали, увеличивая адсорбцию органических ингибиторов и несколько понижая не- органических. Эксплуатационная деградация трубной стали (30 лет) уменьшает краевые углы смачивания, значения которых соизмеримы c таковыми пластично-деформируемой стали при δ = 2,5%. SUMMARY. The limiting wetting angles of the surface of low-carbon, stainless steel, copper, brass, aluminum and magnesium alloys with water, aliphatic alcohols, monocarboxylic acids and some inhibitors are studied. It is shown that the surface of metals with passive film is more hydrophobic than the surface of low- and medium-carbon steel and magnesium. Plasma- electrolytic oxidizing of aluminum and magnesium alloys enhances the wetting ability of their surfaces. Introduction of the chromium into oxide-ceramic coatings promotes the wetting ability of the surface. Mechanopulse strengthening of steel forms nanostructures on the surface, water- proofs the surface and enhances the surfactants adsorption. Preliminary plastic deformation improves the wetting ability of the steel surface with water in the range δ = 2.5...15%, increasing the adsorption of organic inhibitors and somewhat reducing the adsorption of inorganic ones. Operational degradation of the pipe steel (30 years) reduces the limiting wetting angle, which value is commensurable with the limiting wetting angles of plastically deformed steel at δ = 2.5%. 1. Каданер Л. І. Фізична та колоїдна хімія. – К.: Вищ. шк., 1983. – С. 25 2. Лобойко В. И., Карпенко Г. В., Василенко И. И. К вопросу об адсорбционной усталости конструкционных сталей в присутствии спиртов // Физ.-хим. механика материалов. – 1976. – № 1. – С. 21–25. 3. Дулицкая Ф. А., Фельдман Р. И. Практикум по физической и коллоидной химии. – М.: Высш. шк., 1962. – 338 с. 4. Айвазов Б. В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. – М.: Высш. шк., 1981. – 205 с. 5. Бабей Ю. И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. – К.: Наук. думка, 1988. – 237с. 6. Simultaneous redaction of wear and corrosion of titanium, magnesium and zirconium alloys by surface plasma electrolytic oxidation treatment / H. M. Nykyforchyn, V. S. Agar Wedgla, M. D. Klapkiv, V. M. Posuvailo / Advanced Materials Research. – 2008. – 38. – P. 27–35. 7. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1974. – 351 с. 8. Слободян З. В., Маглатюк Л. А., Купович Р. Б. Вплив пластичної деформації сталей на змочування їх поверхні інгібіторами типу КОРСОЛ // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2007. – № 3. – С. 125–126. (Slobodyan Z. V., Mahlatyk L. A., and Kupovych R. B. Influence of the Plastic Deformation of Steels on the Process of Wetting of Their Surfaces with KORSOL-Type Inhibitors // Ma- terials Science. – 2007. – № 3. – P. 446–448.) 9. Поверхнева нанокристалізація сталей високошвидкісним тертям / Г. М. Никифорчин, В. І. Кирилів, Н. В. Крет, В. А. Волошин // Наукові нотатки. – Луцьк, 2007. – С. 325. 10. Щукин Е. Д. Понижение поверхностной энергии и изменение механических свойств твердых тел под влиянием окружающей среды // Физ.-хим. механика материалов. – 1976. – № 1. – С. 3–20. 11. Бабей Ю. И., Сопрунюк Н. Г. Защита стали от коррозионно-механического разруше- ния. – К.: Техніка, 1981.– 125 с. 12. Патент UA 9043, МПК7 С23F11/08, C23F11/04. Інгібітор корозії / Г. М. Никифорчин, З. В. Слободян, Л. А. Маглатюк, Н. Б. Врецена. – Опубл. 15.09.05; Бюл. № 9. Одержано 26.11.2011

Вплив поверхневих обробок сплавів заліза, магнію та алюмінію на характер змочування водними розчинами

Репозитарії

Схожі ресурси