Сплавы магния можно найти во множестве областей применения, где вес имеет особое значение. Например, в автомобильной и аэрокосмической промышленности более легкий компонент повысит топливную эффективность самолета или транспортного средства.
Он также предлагает более конкретные преимущества: он имеет высокое соотношение прочности к весу, что позволяет использовать его в строительных целях, а также обладает тепло- и электропроводностью. Эти характеристики открывают перспективы и в других, более ресурсоемких приложениях. Однако магний более подвержен коррозии, чем его более тяжелые аналоги, что исторически ограничивало его использование.
Недавние достижения в понимании механизмов коррозии и связанных с ней характеристик материалов дают ученым-материаловедам ценную информацию. Это делает возможным широкое распространение новых технологий обработки поверхностей, которые продлевают срок службы магния в агрессивных средах.
Оксидный слой магния
Подверженность магния коррозии возникает, несмотря на наличие оксидного слоя. Эта пленка, которая также образуется на других легких металлах, таких как алюминий, не может должным образом защитить компоненты в кислой и нейтральной среде, где она может быстро подвергнуться коррозии, подвергая металл под ней дальнейшему воздействию. Таким образом, если магний не легирован другими элементами для улучшения его коррозионной стойкости или не защищен поверхностным покрытием, применение магния может быть ограничено.
Для следующего поколения применений решающее значение имеет повышение производительности сплавов с высоким содержанием магния. Магний обычно сплавляют с алюминием для обеспечения дополнительной коррозионной стойкости, но он остается подверженным коррозии в средах, содержащих диоксид углерода или хлорид натрия.
Что такое коррозия и каковы ее причины?
Коррозия – это общий термин, описывающий ряд реакций. Вообще говоря, это происходит, когда металлы непреднамеренно вступают в реакцию с элементами окружающей среды. В результате этой реакции они превращаются в такие вещества, как оксиды, гидроксиды и сульфиды. Это электрохимическая окислительно-восстановительная реакция (восстановление/окисление), в ходе которой металл теряет электроны. Когда он реагирует с кислородом воздуха, магний теряет два электрона в пользу кислорода, в следующем примере образуется оксид магния:
2Mg + O 2 → 2MgO
Реакция показана ниже, включая перенос электрона (Mg теряет два электрона, становится положительно заряженным, кислород приобретает два электрона и становится отрицательно заряженным):
2Mg + O 2 → 2Mg 2+ O 2-
Потеря электронов значительна. Как подчеркивалось выше, коррозия вызвана окислительно-восстановительной реакцией, когда металлы отдают электроны другим элементам. Однако некоторые металлы не подвергаются коррозии, за исключением исключительных обстоятельств. Это потому, что они химически очень стабильны, как золото и серебро, которые являются двумя из немногих металлов, которые встречаются в природе в металлическом состоянии. Это связано с тем, что таким металлам, как золото, термодинамически невыгодно терять электроны, которые вызывают их окисление.
Магний является элементом II группы, поэтому в его валентной оболочке имеется два электрона. Это внешняя оболочка атома. Именно количество электронов в этой валентной оболочке, называемых валентными электронами, определяет, насколько реакционноспособен элемент. И эта реакционная способность затем определяет, насколько легко элемент будет химически связываться с различными атомами.
Магний имеет низкую энергию ионизации, которая представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы два электрона покинули свою валентную оболочку. Это означает, что энергия, необходимая для потери этих электронов, доступна в типичных условиях окружающей среды — она образует оксид, гидроксид или сульфид, который инициирует процесс коррозии. Золото имеет значительно более высокую энергию ионизации, поэтому оно не теряет свои электроны на воздухе и не подвергается коррозии.
Какие виды коррозии поражают магний и его сплавы?
Существует множество различных типов коррозии, все из которых вызваны одними и теми же электрохимическими процессами, но могут иметь разные инициаторы и проявляться в разных формах.
- Равномерная коррозия
- Гальваническая коррозия
- Точечная коррозия
- Нитевидная коррозия
- Межкристаллитная коррозия (IGC)
- Расслаивающая коррозия (EFC)
- Щелевая коррозия
- Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC)
- Коррозионная усталость (CF)
- Эрозионная коррозия
Форма коррозии металла зависит от многих факторов, в том числе:
- Химический состав, например, магниевый сплав будет включать другие элементы.
- Кристаллическая структура, включая дефекты и дислокации.
- Размер и форма зерна и границы зерен
- Примеси, включения и пустоты
- Последующая обработка, такая как термическая прокатка, экструзия и термическая обработка.
Магний и его сплавы могут подвергаться коррозии любым из этих способов, включая равномерную коррозию, гальваническую коррозию , точечную коррозию и коррозию под напряжением. Гораздо реже можно увидеть, как магний страдает от EFC и щелевой коррозии.
Металл особенно подвержен гальванической коррозии, когда проводящий раствор соединяет два металла, разъедая один и защищая другой. С точки зрения инженерного проектирования гальваническая коррозия имеет большое значение, поскольку компоненты из магниевого сплава обычно крепятся к другому металлу.
Процессы гальванической коррозии – где и почему они происходят
Компоненты и детали из магния и магниевых сплавов встречаются во многих секторах. Например, поскольку магниевый сплав имеет меньшую жесткость, чем сталь, он является эффективным гасителем вибраций, который часто используется в качестве опоры блока двигателя, прикрепленной к шасси и блоку двигателя в различных транспортных средствах. Люлька будет соединена посредством болтового соединения, а не сварки. Использование этого типа крепежа позволяет легко снять блок двигателя для ремонта.
В результате опора из магниевого сплава потенциально контактирует со стальным шасси через стальной крепеж и, возможно, с магниевым блоком двигателя, но, скорее всего, с чугуном или алюминием. Если не принять меры по ее предотвращению, произойдет гальваническая коррозия.
Металлы имеют разные электродные потенциалы. По сути, один теряет свои валентные электроны легче, чем другой. В случае контакта магниевого сплава со стальной застежкой через проводящий раствор, такой как солевой туман от езды под дождем, магниевый сплав теряет свои электроны и образует оксиды и гидроксиды.
При этом материал, магниевый сплав, удаляется из подставки. Точная форма коррозии зависит от основных факторов, описанных выше, но почти наверняка произойдет точечная коррозия. Это приведет к трещинам и возможному выходу из строя.
Благодаря более высокому потенциалу – т.е. более сильной валентной электронной оболочке – стальной болт защищен от гальванической коррозии. В зависимости от спецификации стали она также может страдать от коррозии, вызванной соляным туманом, от независимого механизма коррозии до гальванической коррозии.
Обычно решение состоит в том, чтобы разделить различные металлы с помощью пространственного или поверхностного покрытия. Если используется поверхностное покрытие, это может обеспечить дополнительную защиту от коррозии.