Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
МЕТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ ПОСТРОЕНИЯ КРИВЫХ
ОХЛАЖДЕНИЯ И ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Цель работы: ознакомиться с методикой термического анализа металлов и сплавов на основе построения кривых охлаждения и
диаграмм состояния сплавов.
Краткие теоретические сведения
Переход металла из жидкого состояния в кристаллическое
называется кристаллизацией.
Кристаллизации, как впервые установил Д.К.Чернов, начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Пока
образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении
растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих
областях рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех
направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. Растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную внешнюю форму и
называются кристаллитами или зернами.
Явления, протекающие в процессе кристаллизации, сложны и
многообразны. Одним из методов изучения кристаллизации является
термический метод, при котором определяют критические точки, т.е.
те температуры, при которых в металлах и сплавах происходят фазовые превращения. По данным теоретического анализа строят кривые
нагрева и охлаждения, являющиеся основой для построения диаграмм
состояния сплавов.
Процесс образования твердой кристаллической фазы из жидкого сплава называется первичной кристаллизацией. Твердая кристаллическая фаза характеризуется определенным закономерным расположением атомов в пространстве — пространственной кристаллической
решеткой.
Многие чистые металлы и сплавы при различных температурах ниже температуры плавления могут иметь два или более устойчивых типа кристаллических решеток. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом. Перекристаллизация в твердом
2
состоянии при нагреве или охлаждении называется вторичной кристаллизацией. Процесс фазового перехода, при котором происходит
изменение типа кристаллической решетки, называется аллотропическим превращением. Температуры начала и конца фазовых превращений называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения — критическими точками. Так, например, для чистого
железа характерны аллотропические формы (которые обозначаются
обычно начальными буквами греческого алфавита) и соответствующие
им виды кристаллических решеток, показанные на рис. 1.1:
- до 911 °С — объемоцентрированная решетка (Feα);
- 911 °С-1392 °С — гранецентрированная решетка (Feγ);
- 1392 °С-1539 °С — объемоцентрированная решетка (Feδ).
При температуре 768 °С изменения вида кристаллической решетки не происходит, однако меняются магнитные свойства железа.
Эта критическая точка соответствует точке Кюри. Изменение в строении решетки всегда сопровождается изменением свойств: Fe α почти не
растворяет углерод, а Feγ растворяет его до 2,14 %. Поэтому для определения критических точек иногда используют метод измерения каких-либо физических величин (магнитные свойства, теплопроводность, подвижность носителей заряда и др.).
Рис. 1.1. Кривая охлаждения чистого железа
Как видно из рис. 1.1, изменение фазового состава, а иногда
каких-либо физических свойств в пределах одной фазы, приводит на
кривых охлаждения к останову температуры, т.е. при охлаждении ме-
3
талла температура остается неизменной в течение некоторого интервала времени. Этот факт объясняется тепловыми эффектами кристаллизации, т.е. выделением так называемой внутренней энергии кристаллизации во время фазового перехода.
Величина теплового эффекта зависит от ряда факторов: природы металла, массы материала и других условий, в которых происходит превращение. Кристаллизация из жидкого состояния характеризуется, как правило, большим тепловым эффектом, чем в условиях вторичной кристаллизации, т.е. при превращении в твердом состоянии.
Кривые охлаждения из жидкого состояния строят при очень
медленном охлаждении, чтобы обеспечить равновесное состояние системы. Равновесными считаются условия, при которых процессы протекают обратимо, т.е. процессы, протекающие при охлаждении, полностью возмещаются процессами, протекающими при нагреве. Иначе
говоря, процесс при нагревании идет в обратном направлении при той
же температуре, что и при охлаждении.
В реальных условиях из-за энергетических барьеров, описанных выше, для кристаллизации необходимо переохлаждение, степень
которого определяется чистотой металла и скоростью охлаждения.
Поэтому при нагреве процессы начинаются и протекают при более
высоких температурах, чем при охлаждении, т.е. существует температурный гистерезис — разность температур превращений при нагреве и
охлаждении. Теоретическая температура кристаллизации всегда отличается от соответствующей величины, полученной при снятии кривых
охлаждения, и это отличие тем больше, чем выше степень переохлаждения.
Следовательно, процесс кристаллизации может протекать
только при переохлаждении металла. Если обозначить через Т п —
температуру плавления металла, а через Тк — температуру кристаллизации, то разность между температурами Т п и Тк, при которых может
протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:
ΔТ=Тп-Тк
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью (ν), даны на
рис. 2. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения
невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к Тп (рис.1.2, кривая ν 1).
4
Рис.1.2. Термические кривые, характеризующие процесс
кристализации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения
возрастает (кривые ν2, ν3), и процесс кристаллизации протекает при
температурах, лежащих значительно ниже Т п.
Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения ΔТ может быть очень велика, однако чаще степень переохлаждения не превышает 10-30 °С.
В сплавах фазовые переходы могут происходить как при постоянной температуре, так и в интервале температур. В последнем
случае на кривых охлаждения должны наблюдаться перегибы за счет
изменения скорости охлаждения.
Для построения диаграмм состояния из компонентов, допустим, А и В (рис.1.3) изготавливают серию сплавов различного состава
и для каждого из них строят кривую охлаждения (в координатах «температура — время») по результатам термического анализа. Критические точки каждого сплава наносят на сетку в координатах «температура — концентрация». На диаграмме Х1, Х2, ХЕ, Х3 и Х4— содержание
в сплаве компонента В.
Рассмотрим кривую I охлаждения сплава с содержанием
Х1 компонента В. До температуры, отвечающей точке 1, падение температуры протекает равномерно.
5
Рис. 1.3. Диаграмма состояния I типа
Затем образование кристаллов, сопровождающееся бурным
выделением теплоты, замедляет изменение температуры и, следовательно, уменьшает наклон, не приводя, однако, к образованию горизонтальной площадки. При достижении эвтектической температуры
образуется горизонтальная площадка, так как кристаллизуются одновременно оба компонента сплава и температура остается постоянной.
Дальнейшее понижение температуры будет протекать опять плавно.
Подобный вид имеют кривые охлаждения сплавов и другого состава
(II, III, 1V ), за исключением эвтектики Е, которая, кристаллизуясь при
постоянной температуре, дает подобно чистым компонентам плавную
кривую охлаждения с горизонтальным участком при эвтектической
температуре.
Определение кривых охлаждения для сплавов различного состава дает возможность построить по ним диаграмму состояния, способ построения которой ясен из рис.1.3. На диаграмме состояния линия acb — начало затвердевания сплавов — линия ликвидуса. Выше
этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия dce —
окончание процесса кристаллизации — линия солидуса. Ниже этой
линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между этими линиями часть сплава в жидком, часть в твердом состоянии. По линии ac из
жидкого сплава выделяются кристаллы компонента А, по линии cb —
кристаллы компонента В.
Диаграмма состояния (рис.1.3) характерна для компонентов,
неограниченно растворимых в жидком состоянии и нерастворимых,
т.е. образующих механическую смесь в твердом состоянии. Это диаграмма состояния I типа. Для компонентов, имеющих иные свойства,
диаграммы состояния имеют другой вид, но методика их построения
6
остается той же. В сплавах со вторичной кристаллизацией диаграммы
состояния имеют более сложный вид.
На рис. 1.4 приведены кривые охлаждения конкретных элементов, в частности свинца, сурьмы и сплавов свинец - сурьма. Из
приведенных кривых видно, что три кривые охлаждения — для свинца, сурьмы и сплава 87 % Pb и 13 % Sb имеют одну критическую точку
(горизонтальную площадку). Горизонтальные площадки для чистых
металлов — свинца при 327 °С и сурьмы при 631 °С (рис.1.4, а, д) являются температурами их затвердевания.
Рис. 1.4. Кривые охлаждения и микроструктуры свинца, сурьмы и их
сплавов
Для сплава 87 % Pb и 13 % Sb (рис.1.4, в) горизонтальная
площадка при 246 °С является температурой затвердевания данного
сплава с образованием механической смеси кристаллов свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектикой; температура,
при которой она образуется,— эвтектической, а соответствующий состав сплава — эвтектическим составом. Для двух других сплавов свинец — сурьма (рис.1.4, б, г) имеются две критические точки, указывающие на то, что затвердевать эти сплавы будут в интервале температур. В таких сплавах добавка одного компонента к другому понижает
температуру начала затвердевания сплава. Температура конца затвердевания не зависит от состава сплава, одинакова для всех сплавов, состоящих из данных компонентов, и соответствует эвтектической. На
основании кривых охлаждения можно построить диаграмму состояния
Pb-Sb.
7
Описание установки для снятия кривых нагрева и охлаждения
Рис.1.5. Установка для снятия кривых нагрева и охлаждения
Снятие кривых нагрева и охлаждения и определение критических точек представлено на установке рис. 1.5 .Установка состоит из
кварцевого тигля 2 с помещенным в него исследуемым сплавом. Для
регистрации температуры в сплав помещена термопара 3. В зависимости от температуры нагрева применяют различные термопары
(табл.1.1).
Характеристика термопар
Таблица 1.1
Условное обозначеНаименование термопар
Пределы измение градуировки
рения °С
ТПП
Платино-платинородиевые
0-1000
ТХА
Хромель-алюмелевые
0-1300
ТХК
Хромель-копелевые
0-800
Напряжение с термопары в зависимости от температуры сплава подается на зажимы потенциометра 4 типа КСУ-2. Прибор позволяет получить диаграмму в координатах «температура — время», т.е.
пишет кривую нагревания - охлаждения сплава.
8
Порядок выполнения работы
1. Включить в сеть нагревательный элемент и дождаться, когда температура на термометре поднимется до 150 °C.
2. Записывать изменения температуры через каждую минуту,
пока температура не достигнет 200 °C.
3. Выключить нагревательный элемент.
4 .Включить вентилятор для ускорения охлаждения жидкого
сплава.
5. Продолжить запись поминутного изменения температуры, и
закончить измерения при охлаждении сплава до 150 °C.
6.Учитывая, температуру плавления чистых свинца 327 °C, а
олова 232 °C, построить кривые нагрева и охлаждения.
7. Рассчитать интервал температур переохлаждения , т.е. разность между площадками на графиках нагрева и охлаждения .
8. Сделать выводы по проделанной работе и оформить отчет.
Содержание отчета
1. Краткие теоретические сведения о работе.
2. Схема установки для снятия кривых охлаждения.
3. Экспериментальная часть, в которой приводятся кривые
нагрева и охлаждения исследуемых сплавов и диаграмма состояния
сплава.
4. Характеристика линий и эскизы, поясняющие микроструктуру сплава в различных областях диаграммы.
Контрольные вопросы
1. Цель работы.
2. Кристаллизация и процессы, её сопровождающие.
3. Что называется полиморфизмом? Приведите примеры.
4. С какой целью снимаются и изучаются кривые охлаждения
материалов?
5. Что называется степенью переохлаждения и каково ее влияние на кристаллическую структуру материала?
6. С какой целью и каким образом строятся диаграммы состояния сплавов?
7. Что называется эвтектикой, эвтектической температурой,
эвтектическим составом?
8. Устройство установки для снятия кривых нагрева и охлаждения.
9. Объясните результаты эксперимента и дайте характеристику линиям и зонам диаграммы состояния Pb-Sb.
9
Лабораторная работа № 2
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ
ОТ КОРРОЗИИ
Цель работы: изучение теоретических основ коррозионных
процессов, ознакомление с основными методами защиты металлов от
коррозии.
Краткие теоретические сведения
Коррозией называется самопроизвольный процесс разрушения
металла под воздействием окружающей среды. Частным случаем коррозии является окисление металла кислородом, а более общим случаем
– окисление металла окислителями, которые содержатся в составе контактирующей с металлом внешней среды.
Характером разрушения поверхности металла определяются
равномерная (или общая) и местная (или локальная) коррозия. Равномерная коррозия распределяется по всей поверхности металла, а местная коррозия протекает на отдельных ее участках.
В зависимости от механизма коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия протекает в средах, которые не проводят электрический ток. В
процессе химической коррозии происходит прямое взаимодействие
металла с окислителем.
Электрохимическая коррозия возникает в средах, обладающих
ионной проводимостью. В этом случае процесс коррозии сопровождается анодным растворением металла и катодным восстановлением
окислителя. Наиболее распространенными окислителями в коррозионном процессе являются ионы водорода и молекулы кислорода. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением
водорода или коррозией с водородной деполяризацией. В этом случае
электродные процессы могут быть представлены уравнениями реакции:
Ме – nе → Меn+
2Н+ + 2е → Н2.
на аноде (анодной);
и на катоде (катодной) .
(1)
(2)
Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением
кислорода или коррозией с кислородной деполяризацией. Уравнения
электродных процессов в этом случае имеют вид:
Ме - nē → Mеn+
(на аноде);
(1, а)
O2 + 2 H2O + 4ē → 4 OH(на катоде).
(1, б)
10
В тех случаях, когда потенциал водородного электрода положительнее потенциала металла (область I на рис.2.1), протекание коррозии возможно как с выделением водорода, так и с поглощением кислорода. При малом содержании и быстром расходовании кислорода в
процессе коррозии или его отсутствии в электрохимической системе
коррозия сопровождается только водородной деполяризацией. В ряде
случаев даже при наличии кислорода в системе скорость поглощения
кислорода настолько мала по сравнению со скоростью выделения водорода, что ею можно пренебречь, и определяющей будет коррозия с
водородной деполяризацией. При этом лимитирующей стадией процесса коррозии является реакция восстановления ионов водорода
(электрохимическая стадия) или реакция ассоциации адсорбированных
атомов водорода с образованием молекулы (химическая стадия). Скорость коррозии зависит также от рН среды и температуры раствора.
Рис.2.1. Зависимости электродных потенциалов кислородного (1)
и водородного (2) электродов от величины рН среды
Если потенциал металла превышает потенциал водородного
электрода и меньше потенциала кислородного электрода (область II на
рис. 1), коррозия протекает только с поглощением кислорода. Лимитирующей стадией является диффузия кислорода, скорость которой растет при увеличении концентрации растворенного кислорода и перемешивании раствора.
В некоторых случаях скорость коррозии лимитируется анодны-
11
ми реакциями. Это характерно для металлов, которые склонны к пассивации, например алюминий, тантал, титан, никель, хром. Пассивация характеризуется образованием на поверхности металла защитных
пленок, в основном оксидных, что приводит к повышенной коррозионной устойчивости металла, обусловленной замедлением анодного
процесса.
На использовании явления пассивации основан метод легирования, заключающийся во введении новых компонентов в состав сплава,
например никеля, хрома, вольфрама, существенно снижающего скорость коррозии.
Скорость коррозии выражают через уменьшение толщины металла в единицу времени или через потерю массы образца в единицу
времени на единицу площади поверхности.
Эффективным способом снижения скорости коррозии металла
является нанесение на металл защитных покрытий, способствующих
изолированию поверхности металла от окислителя. В качестве защитных используются металлические и неметаллические покрытия: оксидные, силикатные, фосфатные, лакокрасочные (лаки и краски - эмали),
покрытия полимерами, пластмассами, резиной и смолами. Металлические защитные покрытия получают электрохимическими и химическими способами, а также с помощью металлизации, термодиффузии и
погружения в расплав металла.
Характер поведения металлических покрытий при коррозии
определяет их принадлежность к катодным и анодным металлическим
покрытиям. У анодного покрытия потенциал должен быть отрицательнее потенциала защищаемого металла. В этом случае при коррозии
растворяется металл покрытия, а основной металл не разрушается
(например, цинк на поверхности железа).
Металл катодного покрытия должен иметь более положительный потенциал в сравнении с основным металлом (например, никель
на поверхности стали) и покрывать защищаемый металл сплошным
беспористым слоем. При нарушении сплошного покрытия образуется
коррозионный элемент, в котором открытая часть поверхности защищаемого металла является анодом, подвержена анодному растворению, а металл защитной пленки служит катодом, на котором поглощается кислород или выделяется водород.
Электрохимический способ защиты металла от коррозии основан на замедлении анодных или катодных реакций за счет изменения их потенциала. Используются методы протекторной, катодной и
анодной защиты. Протекторная защита основана на присоединении к
защищаемой металлической конструкции металла - протектора, име-
12
ющего более отрицательный потенциал, который корродирует,
предотвращая коррозию защищаемого металла. В катодном методе
защиты защищаемая металлическая конструкция подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока. В этом случае на защищаемом изделии, служащем катодом, выделяется водород, а вспомогательный электрод (обычно стальной), который является анодом,
растворяется. Анодный метод защиты используется для защиты металлов и сплавов, способных к пассивации. В этом случае изделие
подключают к положительному полюсу внешнего источника тока.
Замедлению процесса коррозии способствуют также уменьшение концентрации окислителя или введение специальных ингибиторов.
Для объяснения коррозии защитных покрытий составляют схему коррозионной пары металлов, в которой поверхность раздела металла с электролитом (средой коррозии) обозначают вертикальной
чертой. Кислая среда обозначается формулой любой кислоты,
нейтральная среда представляет собой влажный воздух, содержащий
О2, Н2О. Анодный и катодный процессы представляют собой окисление более активного из контактирующих металлов на аноде и восстановление на катоде водорода из кислой среды или кислорода с водой
из нейтральной среды. Например, процесс коррозии луженого железа в
кислой среде записывается следующим образом:
Fe│H2SO4│Sn
A: Fe0 – 2ē = Fe2+
K: 2H+ + 2ē = H2,
а в нейтральной среде может быть представлена в следующем виде
Fe│О2, H2O│Sn
A: Fe0 – 2ē = Fe2+
К: О2 + 2Н2О + 4ē = 4ОН.
Порядок выполнения работы
Опыт 1. Влияние природы контактирующих металлов
на скорость коррозии железа
В данном опыте изучается процесс коррозии стали в паре с различными металлами. В первой части опыта железо находится в паре с
никелем или медью, во второй части опыта — в паре со свинцом.
В U-образную трубку залить на 1/2 – 3/4 ее объема 0,1 М раствор H2SО4. Металлические пластины тщательно зачистить наждачной
бумагой и промыть проточной водой. В одно колено трубки поместить
стальную пластинку, во второе — никелевую (или медную). С помо-
13
щью милливольтметра определить напряжение элемента. Повторить
опыт со свинцовой пластиной.
При оформлении результатов опыта записать уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение реакции.
Привести схему коррозионного элемента.
Рассчитать потенциал катодной реакции и объяснить влияние
природы использованных металлов на скорость коррозии и напряжение коррозионного элемента.
Опыт 2. Активирующее действие ионов хлора
В две пробирки налить по 2 мл раствора сульфата меди и по
0,5 мл раствора серной кислоты. В одну из пробирок добавить 1 мл
воды, в другую – 1 мл раствора хлорида натрия. Затем в обе пробирки
поместить алюминиевую проволоку. Установить, в какой из пробирок
интенсивнее выделяется газ.
Записать уравнения анодного, катодного и суммарного процессов, привести схему коррозионного элемента. Объяснить механизм
влияния ионов хлора на скорость реакции.
Опыт 3. Легирование металла
В качестве легирующих добавок к железу применяют никель и
хром (никель и хром входят в состав нержавеющей стали).
В две пробирки налить по 3 – 5 капель воды, добавить по 2 капли раствора H2SО4 и по 2 – 4 капли раствора K3[Fe(CN)6]. В одну пробирку поместить зачищенную наждачной бумагой и промытую проточной водой стальную пластинку. Во вторую пробирку поместить
незачищенную пластинку из нержавеющей стали. Отметить изменение
цвета раствора через 5 мин и количество выделяющихся пузырьков
газа в единицу времени.
Объяснить наблюдения, записать уравнения анодных и катодных процессов, предварительно рассчитав их потенциалы (рН раствора
1, активность ионов железа 10-3 моль/л). Привести схему коррозионного процесса. Объяснить причину различного поведения пластинок в
растворе кислоты.
Опыт 4. Анодные и катодные защитные покрытия
В две пробирки налить по 3 – 5 капель воды и добавить по 1
капле H2SО4 и по 2 - 4 капли раствора K3[Fe(CN)6]. В одну пробирку
поместить полоску оцинкованного, а в другую — луженого железа.
Через 5 мин отметить изменение цвета раствора в пробирках.
Объяснить наблюдения, записать уравнения анодных и катодных процессов и привести схемы работы коррозионных элементов.
Указать, какое покрытие является катодным, и какое – анодным.
Вылить растворы из пробирок; полоски оцинкованного и луже-
14
ного железа хорошо промыть проточной водой под краном и повторить опыт с раствором щелочи. Наблюдения записать и объяснить
также, как в случае с кислым раствором.
Опыт 5. Протекторная защита стали
В две пробирки налить по 3 – 5 капель 0,1 М раствора серной
кислоты и по 2 – 4 капли К3[Fе(СN)6]. В одну пробирку поместить
стальную полоску, в другую — такую же полоску стали, но в контакте
с цинком.
Записать наблюдения и объяснить их, написав уравнения анодного и катодного процессов. Привести схемы коррозионных элементов
в обоих случаях.
Опыт 6. Исследование активности металлов
В пять пробирок внести по 5 – 10 капель растворов следующих
солей: в первую - сульфата цинка, во вторую - сульфата двухвалентного железа, в третью - хлорида двухвалентного олова, в четвертую нитрата или ацетата свинца, в пятую - сульфата меди. Во все растворы
(за исключением соли цинка) опустить металлический цинк. Что происходит на поверхности цинка во всех пробирках? Написать уравнения
реакции взаимодействия цинка с растворами взятых солей. Какова
роль цинка в этих реакциях? Какова его восстановительная активность?
Вынуть цинк из пробирок и опустить в них (за исключением
пробирки с раствором соли железа) железные пластинки. Какие металлы вытесняются из растворов своих солей железом? Написать уравнения реакций. Провести аналогичные опыты с полосками олова, свинца
и меди. Наблюдать, в каких случаях происходит вытеснение металлов
из их солей. Написать уравнения реакций. На основании сделанных
наблюдений составить таблицу и заполнить ее своими данными, поставив знак (+) под ионами металлов в тех случаях, когда эти металлы
вытеснялись из их солей в свободном состоянии при действии тем или
другим чистым металлом, и знак (-) в случаях, когда вытеснение не
происходило.
Расположить исследованные металлы в ряд по убыванию их
восстановительной активности. Выписать их нормальные электродные
потенциалы. Соответствует ли экспериментально составленный вытеснительный ряд металлов их положению в ряду напряжений? Принимая нормальный электродный потенциал водорода равным нулю,
поместить водород в полученный ряд активностей. Какие из исследованных металлов могут вытеснять водород из разбавленных кислот?
15
Опыт 7. Коррозия, возникающая при контакте двух
различных металлов
В пробирку налейте раствор серной кислоты, опустите в нее кусочек цинка и наблюдайте медленное выделение водорода. Затем опустите в раствор медную проволоку, не доводя ее до соприкосновения с
цинком. Наблюдается ли выделение водорода на меди? Погрузите
медную проволоку глубже, так, чтобы она контактировала с цинком.
Объясните выделение водорода на меди в этом случае. Составьте схему действия образовавшейся гальванопары. Как повлиял контакт с
медью на коррозию цинка?
Опыт 8. Образование микрогальванопар
Поместите кусочек гранулированного цинка в пробирку и прилейте 5 - 10 капель раствора серной кислоты. Обратите внимание на
медленное выделение водорода.
Прилейте в пробирку несколько капель раствора сульфата меди.
Что наблюдается? Объясните результат опыта.
Опыт 9. Действие замедлителя коррозии (ингибитора)
В три пробирки налить по 5 - 10 капель 0,2н раствора серной
кислоты. В первую добавить 1 - 2 капли раствора красной кровяной
соли и опустить предварительно протравленную (обработанную соляной кислотой) железную пластинку. Во вторую добавить 2 капли раствора красной кровяной соли и замедлитель коррозии. Опустить протравленную железную пластинку. В третью пробирку поместить то же,
что и во вторую, только вместо протравленной железной пластинки
взять пластинку с ржавчиной. Отметить время появления и интенсивность синей окраски в каждой пробирке. Написать уравнения происходящих реакций. Дать объяснение.
Опыт10. Действие ингибитора на коррозию цинка
В две пробирки внесите по 5 - 7 капель 2н раствора соляной
кислоты и по кусочку цинка по возможности равного размера. Когда
выделение водорода станет достаточно интенсивным, прибавьте в одну из пробирок ингибитор. Как изменилась интенсивность выделения
водорода?
Опыт 11. Нанесение гальванических покрытий. Меднение
Проведите нанесение медного покрытия из электролита следующего состава: CuSO4 -200г/л, H2SO4-50г/л. Режим работы: температура электролиза 18-20оС, рН -1,1-1,5, плотность тока 1-2 а/дм2. Серная
кислота вводится в состав электролита для создания необходимого рН
раствора и увеличения электропроводности. Растворимым анодом будет служить медная пластинка, катодом – пластинка из стали, подвер-
16
гаемая меднению. Покрываемую пластинку обезжирьте, затем промойте ее в холодной проточной воде. Погрузите электроды в ванночку
с электролитом и ведите электролиз 15 - 20 мин. После окончания
электролиза покрытую медью деталь промойте проточной водой, высушите фильтровальной бумагой. Отметьте характер полученного покрытия. Составьте схему процессов, происходящих при электрохимическом меднении.
Контрольные вопросы и задания
1. Что понимают под коррозией металлов?
2. К какому виду относится газовая коррозия?
3. Какие существуют виды коррозии?
4. В чем заключается отличие электрохимической коррозии от
химической?
5. К какому виду коррозии следует отнести образование оксида на поверхности меди при нагреве на воздухе?
6. В связи с чем такой активный металл, как алюминий, не
корродирует на воздухе?
7. Как характеризуется скорость электрохимической коррозии?
8. Чем обусловлена электрохимическая неоднородность поверхности металла?
9. Каковы причины возникновения коррозионных микрогальванических элементов?
10. Каким образом можно определить возможность протекания коррозии с выделением водорода (с водородной деполяризацией)
и с поглощением кислорода (с кислородной деполяризацией)?
11. Какие факторы влияют на скорость коррозии с выделением
водорода?
12. Как можно замедлить скорость коррозии с кислородной
деполяризацией?
13. Чем характеризуется пассивация и к чему она приводит?
14. Каким образом рН среды влияет на процесс коррозии?
15. По какой причине железо слабо корродирует в растворах с
рН > 10?
16. Что используют для предотвращения коррозии или снижения ее скорости?
17. Какие существуют способы защиты металлов от коррозии?
18. Что представляет собой легирование и какова его роль в
защите от коррозии?
17
Лабораторная работа № 3
ТЕХНОЛОГИЯ ЛУЖЕНИЯ И ПАЙКИ
Цель работы: ознакомление с техническим процессом и приобретение практических навыков лужения и пайки.
Приборы и принадлежности: паяльник, припой, флюс (СКБ),
паяльная кислота, печатная плата, провода для спайки, наждачная бумага.
Элементы теории и метод эксперимента
Паяльник — это электрический прибор, состоящий из нагревательного элемента, стержня, изоляционной ручки, электрического
шнура и сетевой вилки. Под действием электрического тока нагревательный элемент разогревается и тепло передается стержню (жалу).
Стержень, как правило, делают из меди. Температура жала паяльника
держится в районе 180 – 300 0С.
Припой — легкоплавкий сплав, которым производят пайку.
Основным припоем при радиомонтаже является сплав свинца и олова.
Можно, конечно, использовать и чистое олово, но оно дорогое, поэтому применяют оловянно-свинцовые сплавы. По прочности пайки оловянно-свинцовые припои не уступают чистому олову.
Наиболее распространены припои ПОС-61 ПОС-40. Цифры 61
и 40 обозначают процентное содержание олова в сплаве. ПОС-61 содержит 61 % олова. В ПОС-40 соответственно 40 %. Чем больше в
припое свинца, тем он темнее. Естественно, кроме стандартных припоев, есть и улучшенные, обладающие тем или иным свойством (легкоплавкостью, прочностью, стойкостью к агрессивным средам).
Флюс — вещество, облегчающее пайку и предотвращающее
окисление спаиваемых поверхностей. Если не применять флюс, то
припой не будет ровно покрывать спаиваемые поверхности проводников. Флюсы нейтрализуют пленку окисла на поверхности металла. Самым распространенным флюсом является канифоль. Канифоль — это
очищенная смола. В качестве флюса можно использовать даже обычную сосновую смолу, которую можно найти в любом сосновом лесу.
Правда, при пайке таким флюсом жало паяльника быстро покроется
окалиной, что будет затруднять пайку. Кроме того, неочищенная смола
18
выделяет едкий сосновый запах. Обычно используется кусковая канифоль.
Выглядит она, как янтарь, — прозрачная, с желтоватым оттенком. Применяются также растворы канифоли.
Для пайки алюминия, нержавеющей стали, никеля используют
раствор канифоли и кислоты. Поверхность после пайки таким флюсом
лучше промыть или стереть остатки флюса тканью. Если этого не сделать, то паяная поверхность со временем покроется окислом, что недопустимо. Чтобы избежать такого эффекта, можно использовать
нейтральный флюс на основе спирта. Для пайки окисленных деталей
из черных и цветных металлов также подходит паяльный жир. В отличие от растворов он густой.
Паяльная кислота применяется для спайки низколегированных и углеродных сталей, а также меди, никеля со всеми их сплавами
при температуре в пределах 290 — 350 градусов. Механизм работы
флюса базируется на том, что окисные пенки припоя и металла растворяются или же разрыхляются, в результате чего всплывают на поверхность. Получается, что вокруг очищенного металла создается тонкий защитный слой флюса, который в дальнейшем будет препятствовать возникновению любых окисных пленок. После пайки остатки
флюса нужно смыть водой.
Чистота спаиваемых поверхностей
Первое правило качественной пайки — это чистота спаиваемых
поверхностей. Даже у новых радиодеталей, купленных в магазине,
выводы покрываются окислами и загрязнениями. Но с этими незначительными загрязнениями, как правило, справляется флюс, который
применяют в процессе пайки. Если же видно, что выводы радиодеталей или медные проводники сильно загрязнены или покрыты окислом
(зеленоватого или темно-серого цвета), как показано на рисунке, то
перед пайкой их нужно очистить либо перочинным ножом, либо
наждачной бумагой. Особенно это актуально, если при сборке электронного устройства применяются радиодетали, бывшие в употреблении. На их выводах обычно образуется темный налет. Это окисел, который будет препятствовать пайке.
19
Лужение
Перед пайкой поверхность выводов необходимо залудить —
покрыть тонким и ровным слоем припоя. Если обратить внимание на
выводы новых радиодеталей, то в большинстве случаев можно заметить, что их выводы и контакты залужены. Пайка луженых выводов
происходит быстрее и качественнее, так как отпадает необходимость в
предварительной подготовке выводов к пайке.
Чтобы залудить медный проводник, для начала удаляют с его
поверхности изоляцию и очищают от загрязнений, если таковые имеются. Затем нужно обработать поверхность пайки флюсом. Если в качестве флюса применяется кусковая канифоль, то медный провод
можно положить на кусок канифоли и коснуться провода хорошо прогретым жалом паяльника. Предварительно на жало паяльника необходимо взять немного припоя. Далее движением вдоль провода распределяем расплавленный припой по поверхности проводника, стараясь
как можно лучше и равномернее прогреть сам проводник. При этом
кусковая канифоль плавится и начинает испаряться под действием
температуры. На поверхности проводника должно образоваться ровное покрытие оловянно-свинцовым припоем без комочков и катышков.
Пайка
Перед началом пайки необходимо включить электрический
паяльник и подождать, пока его жало хорошо прогреется и температура его достигнет значения 180 - 240 градусов. Так как у обычного паяльника нет индикации температуры жала, то судить о достаточном
нагреве жала можно по вскипанию канифоли.
Для проверки нужно кратковременно коснуться кусочка канифоли нагретым жалом. Если канифоль плохо плавится и медленно растекается по жалу паяльника, то он еще недогрет.
Если же происходит вскипание канифоли и обильное выделение пара, то паяльник готов к работе. Виды пайки указаны на рис. 3,1,
3.2.
В случае пайки недогретым паяльником припой будет иметь
вид кашицы, будет быстро застывать, а поверхность паяного контакта
будет иметь шероховатый вид с темно-серым оттенком. Такая пайка
является некачественной и быстро разрушается.
20
a
б
Рис. 3.1
a - хорошая паяемость отверстий, б - плохая паяемость отверстий
Рис 3.2. Виды монтажа:
1- плата; 2- проволока; 3- контактная площадка (металлизированное
отверстие)
Качественный паянный контакт имеет характерный металлический глянец, а его поверхность ровная и блестит на солнце.
21
При запаивании либо выпаивании радиодетали с печатной
платы желательно следить за временем пайки и ни в коем случае не
перегревать печатную плату и медные дорожки на ее поверхности
свыше 280 градусов. Если произойдет перегрев платы, то она может
деформироваться в месте нагрева, произойдет расслоение или вздутие,
отслоятся печатные дорожки в месте нагрева. Температура свыше 240
- 280 градусов является критической для большинства радиоэлементов. Перегрев радиодеталей во время пайки может вызвать их порчу.
Меры безопасности при пайке
В процессе пайки довольно легко получить ожог, пусть и небольшой. Чаще всего ожогам подвергаются пальцы и кисти рук. Причинами ожогов, как правило, являются спешка и плохая организация
рабочего места.
Нужно помнить, что в процессе пайки не стоит прикладывать
больших усилий к паяльнику. Нет смысла давить им на печатную плату в надежде на быстрое расплавление паяного контакта. Нужно дождаться, когда температура в месте пайки достигнет необходимой величины. В противном случае возможно соскальзывание жала паяльника с платы и случайное касание раскаленным металлом пальцев рук
или ладони.
Также стоит держать глаза подальше от места пайки. Нередки
случаи, что при перегреве печатная дорожка на плате отслаивается с
характерным вспучиванием, что ведет к разбрызгиванию мельчайших
капелек расплавленного припоя. Производить пайку желательно в хорошо проветриваемом помещении. Пары свинца и канифоли вредны
для здоровья. Если нет возможности проветривать помещение, то стоит делать перерыв во время работы.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовить к работе паяльник (зачистить жало паяльника
наждачной бумагой).
2. Получить у преподавателя провод.
3. Зачистить провод от изоляции и возможных окислов.
4. Облудить провод.
5. Обработать место пайки на плате пропиловым спиртом.
6. Включить паяльник в розетку 220 В, подождать пока он
нагреется (3 - 5мин).
7. Провести пайку на подготовленных местах в соответствии
с эскизом.
22
8. Провести отпайку и запайку радиодеталей.
9. Проверить качество пайки на разрыв.
10. Оформить отчет о лабораторной работе. Ответить на
контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Как определить, что паяльник недостаточно нагрет?
Когда применяется паяльная кислота?
Какова критическая температура для радиоэлементов?
Как происходит пайка свободных проводов?
Что такое пайка?
Что такое флюс?
Библиографический список
1. Кац Н.Г., Стариков В.П., Парфенов С.Н. Химическое
сопротивление
материалов
и
защита
оборудования
нефтегазопереработки от коррозии. М.: Машиностроение, 2011.
2. Арзамасов Б.И., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов В.И.,
Силаева В.И. Материаловедение. М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 2008.
3.. «Электролиз. Коррозия и защита металлов от коррозии»:
метод. указания к лаб. работам /РГРТА/; сост.:В.Р.Трегулов, А.В.
Царева, Л.П. Ермакова . Рязань,2005.
4. Коровин Н.В., Мингулина ЭИ., Рыжова Н.Г. Лабораторные
работы по химии:учеб.пособие для технич. направ. и спец вузов. М.:
Высш.школа, 2001.
5.. Термообработка и испытание на твердость сталей: метод. указ.
к лаб. работе /РГРТА /; сост. Ю.Д.Лазутин,А.Ф. Зюзев. Рязань,1998.
6. Микроструктурный анализ материалов ЭС, Метод. указ. к лаб.
работе/ РГРТА/; сост. Горин В.С., Лазутин Ю.Д., Фомина Е.С.Рязань,
2004.
7.Лазутин Ю.Д., Корячко В.П., Сускин В.В. Технология
электронных средств. М: Изд. МГТУ им. , Баумана,2013.
