ChSTU repository

ЗМІСТ 
 
ВСТУП  
1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ  
1.1 Підбір травителів та умов термообробки для сталей різних марок  
1.2 СХР корозії на основі наночастинок металів та їхніх сполук  
1.3 СХР корозії на основі полімерних покриттів і наномодифікаторів  
1.4 СХР корозії сталей на основі органічних сполук  
1.5 СХР корозії сталей на основі неорганічних сполук  
Висновки до розділу 1 
2 МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ СТУПЕНЯ КОРОЗІЇ 
ПОШКОДЖЕНОГО ШАРУ СТАЛЕЙ 
Висновки до розділу 2 
3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА  
3.1 Об'єкти дослідження та використовуване обладнання  
3.2 Методика підготовки зразків та СХР  
3.3 Методи дослідження  
3.4 Методика експерименту 
Висновки до розділу 3 
 
ВИСНОВКИ 
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ  
 
1 
 
ВСТУП 
 
Метали широко використовуються в нашому повсякденному житті, вони 
необхідні в усіх сферах життєдіяльності. Однак, поверхня металевих матеріалів 
і навколишнє середовище вступають у хімічні або електрохімічні взаємодії [1], 
спричиняючи деградацію або пошкодження матеріалу (корозію). Глобальні 
щорічні втрати металу від корозії становлять близько 700 мільярдів доларів. 
Статистика показує, що в Україні щорічно виробляється близько 47 млн. 
тон металопрокату, а кородований метал становить 10% від загального обсягу 
виробництва, що завдає величезної економічної шкоди та завдає прямої або 
потенційної шкоди навколишньому середовищу. 
Корозія вуглецевої сталі - неминучий, але контрольований процес. Тому 
для уповільнення процесу корозії використовуються спеціальні речовини – 
сповільнювачі хімічних реакцій (СХР). 
СХР корозії можуть бути попередньо нанесені на метал або введені 
безпосередньо в агресивне середовище. Через різноманітність агресивних 
середовищ перший вид антикорозійного покриття легше реалізувати на 
практиці. Захист від корозії за допомогою покриттів привабливий тим, що це 
одна з найефективніших, найгнучкіших, найекономічніших і найпростіших 
стратегій. Згідно з дослідженням, проведеним в Україні, серед усіх 
антикорозійних методів промисловість витрачає 66,5 % вартості на 
антикорозійні покриття. 
З багатьох методів, які використовують для захисту металів, 
найефективнішими та найекономічнішими є органічні та полімерні покриття [2]. 
Останні вважаються найефективнішим та найекономічнішим методом 
уповільнення корозії металів [3]. 
На характеристики полімерних покриттів часто впливає притаманна їм 
пористість, дефекти, які створюють шляхи для агресивних речовин, що 
призводить до механічних і корозійних пошкоджень. Один зі способів 
2 
 
розв'язання цієї проблеми використання добавок наноматеріалів до полімерних 
матриць. 
Мета роботи - оцінка захисних властивостей сповільнювачів хімічних 
реакцій на основі наночастинок оксиду цинку, отриманих розпилювальним 
сушінням, і акрилового лаку на прикладі сталі У10А і Fe37-3FN. 
Завдання: 
1. Оцінити стійкість сповільнювачів хімічних реакцій на основі 
наночастинок оксиду цинку - методом гравіметрії в суміші концентрованих 
азотної та соляної кислот. 
2. Вивчити морфологію сталей зі сповільнювачами хімічних реакцій до 
і після корозії методами оптичної мікроскопії. 
3. Оцінити фазовий склад поверхні сталей з сповільнювач хімічних 
реакційами до і після корозії. 
4. Побудувати математичні моделі ступеня корозії пошкодженого 
шару сталей. 
3 
 
1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД 
 
Сповільнювачі хімічної реакції (СХР) корозії - це хімічні речовини або 
сполуки, здатні запобігати або сповільнювати корозію матеріалів за наявності їх 
у навколишньому середовищі. Їх можна розділити на органічні, неорганічні та 
полімерні залежно від їхнього хімічного складу. 
СХР корозії можуть наносити на метал заздалегідь, перед експлуатацією 
або вводити відразу в корозійне середовище. Використання різних покриттів, 
керамічних або полімерних, як правило, більш ефективне для захисту металу. 
Однак такий підхід часто значно змінює властивості металу і призводить до 
подорожчання виробу. Також одним із напрямів для поліпшення ефективності 
СХР є введення до їхнього складу наномодифікаторів, їх використовують 
індивідуально або в складі покриттів [5, 6, 7, 8]. 
На корозійну стійкість металів впливають безліч чинників: природа 
металу, морфологія поверхні, умови експлуатації. Тому важливо крім підбору 
сповільнювачів хімічних реакцій в кожному конкретному випадку, правильно 
підбирати спосіб підготовки поверхні металу. Відповідно до поставленої мети 
роботи в літературному огляді виділено такі напрямки для аналізу: 
- підбір травників і умов термообробки для сталей різних марок; 
- СХР корозії на основі наночастинок металів та їх сполук; 
- СХР корозії на основі полімерних покриттів і наномодифікаторів; 
- СХР корозії сталей на основі органічних сполук; 
- СХР корозії сталей на основі неорганічних сполук. 
 
1.1. Підбір травників і умов термообробки для сталей різних марок 
У кваліфікаційній роботі магістра були використані сталі марок У10А і 
Fe37-3FN. Це високовуглецева і низьковуглецева сталь, відповідно. 
Використання в промисловості сталі У10А: інструмент, що працює в умовах, які 
не спричиняють розігріву ріжучої кромки: мітчики ручні, рашпілі, надфілі, пили 
для обробки деревини, матриці для холодного штампування, гладкі калібри, 
4 
 
сокири. Сталь Fe37-3FN використовується для виготовлення несучих елементів 
зварних і незварних конструкцій і комплектуючих. 
Травлення металу можна проводити трьома способами: електролітичним; 
хімічним; плазмовим. Через зручність і швидкість хімічні методи 
використовуються в лабораторії частіше. У таблиці 1.1 наведено травники для 
сталей, температури фазових переходів, а в таблиці 1.2 наведено методики 
травлення сталей. 
 
Таблиця 1.1 - Склад, основні травники та температури обробки сталей [9, 
10]. 
Марка сталі Склад, % Травник Основні 
та її аналог температури 
(фазових 
переходів, 
рекристалізація) 
Fe  С  Si  Mn Ni  S  P  Cr  Cu  
У10А 10-20% Ac1 = 730 ℃,  
соляна Ac3 = 765 ℃,  
кислота, Ar1 = 700 ℃, 
8-20% Температура 
сірчана загартування 780 
кислота °С - 800 °С 
Температура 
відпуску 400 °С 
5 
 
97 
0,14-0,22 
0,15-0,17 
0,4-0,65 
0,3 
0,05 
0,04 
0,3 
0,3 
Fe37-3FN 10-20% Температура 
соляна кування 750°С - 
кислота, 1300 °С 
8-20% Температура 
сірчана загартування 900 
кислота °С - 920 °С 
Температура 
відпуску 180 °С - 
250 °С 
 
Таблиця 1.2 - Методика травлення металів 
№ Травник Методика травлення Застосування 
1 Нітал: Тривалість травлення від Може бути 
1-5 мл азотна кислота + 100 мл  декількох с до 1 хв. і ще застосований для 
етиловий спирт або  довше для легованих сталей травлення заліза, 
метанол. сірих чавунів і 
низьколегованих 
сталей 
2 10 мл азотна кислота, 20 мл Наноситься тампоном Для травлення 
оцтовий ангідрид нержавіючих сталей 
і сталей, що містять 
велику кількість 
нікелю або кобальту. 
3 50 мл соляна кислота (10 % -20 - Придатний для 
%), 50 мл етиловий спирт травлення 
хромистих, 
нікелевих і 
нержавіючих сталей. 
4 10 г хлорид заліза (III), 30 мл Тривалість травлення не Для травлення 
соляної кислоти, 120 мл більше 30 с. Розчин наносять нержавіючих сталей. 
дистильованої води. тампоном 
6 
 
97 
0.14-0.22 
0.15-0.17 
0.4-0.65 
0.3 
0.05 
0.04 
0.3 
0.3 
5 10 мл азотна кислота, 20 мл Для травлення 
плавикова кислота (40 % - ної), висококремнистих 
- 
від 20 до 40 мл гліцерин залізних сплавів 
типу "Дурирон" 
6 100 мл сірчана кислота (8 – 20 Феритна 
- 
%), 10 мл хромова кислота 
7 12 % соляна кислота, 12 % Нержавіюча сталь 
сірчана кислота, 1 % азотна  - або жароміцна сталь 
кислота. 
 
Реактиви, які зазвичай використовують для травлення металів у 
лабораторії - це здебільшого різні кислоти: соляна, сірчана та азотна кислоти за 
кімнатної температури. Плавикову кислоту зазвичай використовують за високих 
температур. 
 
1.2. СХР корозії на основі наночастинок металів та їхніх сполук 
У роботі [12] захищений метал - вуглецева сталь, а сповільнювач хімічних 
реакцій - нанокомпозит поліанілін / діоксид церію. 
 
 
Рисунок 1.1 - Схема зображення механізму захисту від корозії 
нанокомпозитних покриттів поліанілін/діоксид церію вуглецевої сталі в 3,5% 
хлориді натрію 
 
Середовище розчину для цього експерименту: водний розчин 3,5 %-й 
хлорид натрію. Захисні характеристики цього СХР можна віднести до 
синергетичних ефектів. 
7 
 
В роботі [ 13 ] використовували метод втрати ваги для порівняння ефекту 
сповільнення хімічних реакцій корозії нанооксидом церію у двох кислих 
середовищах. 
Наночастинки діоксид церію показали хорошу ефективність як 
сповільнювач хімічних реакцій корозії в соляній і сірчаній кислотах. 
Максимальна ефективність сповільнення хімічних реакцій оксидом церію 
становила 83,6 % в 1 M соляної і 99,8 % в 1 M сірчаної кислот відповідно при 
кімнатній температурі протягом 24 год занурення. Ефективність сповільнення 
хімічних реакцій збільшувалася за концентрації сповільнювача хімічних реакцій 
від 0,05 % протягом 24 год за кімнатної температури. З порівняльних досліджень 
зроблено висновок, що ефективність сповільнювач хімічних реакцій вища в 
сірчаній, ніж у соляній, оскільки сірчана кислота є двохосновною кислотою і, 
таким чином, стимулює швидкість корозії м'якої сталі. 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.2 - РЕМ-зображення наночастинок оксиду церію 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.3- Сповільнення хімічних реакцій корозії оксиду церію 1 M 
соляна кислота та 1 M сірчана кислота і 0,1 % розчином сповільнювача хімічних 
реакцій корозії за кімнатної температури протягом 24 годин. 
8 
 
В роботі [ 14 ] вимірювали сповільнення хімічних реакцій корозії м'якої 
сталі наночастинками срібла як сповільнювач хімічних реакцій корозії в 
градирнях. 
 
 
Рисунок 1.4 - Поляризаційні криві Тафеля низьковуглецевої сталі, 
підданої впливу різних систем корозії. 
 
Наночастинки срібла були ідентифіковані як ефективні СХР на 
поверхнях м'якої сталі, що призводить до підвищення корозійної стійкості з 
ефективністю 77%. Це може бути пов'язано із синергетичним ефектом 
антибактеріального потенціалу НЧ Срібло та бар'єрними властивостями, 
індукованими НЧ. 
У роботі [15] вивчали корозію м'якої сталі в середовищі 1,0 М соляної 
кислоти, а вплив СХР корозії за 300 К протягом 4, 8 і 16 год методом втрати 
маси. 
Згідно з даними вимірювання втрати ваги, на рис. 1.4 показано залежність 
між швидкістю корозії та концентрацією за різного часу занурення в присутності 
наночастинок оксиду цинку відповідно. Рисунок 1.5, з одного боку, підтверджує, 
що швидкість корозії випробуваних СХР зменшується зі збільшенням 
концентрації сповільнювача хімічних реакцій. 
З іншого боку, було підтверджено, що швидкість корозії тестованих СХР 
знижувалася зі збільшенням концентрації СХР в присутності 1×10–3 г оксиду 
9 
 
цинку. Додавання 1×10–3 г наночастинок оксиду цинку чинить синергетичну дію 
зі сповільнювачем хімічних реакцій і знижує швидкість корозії. 
 
 
Рисунок 1.5-Зміна швидкості корозії за різних концентрацій СХР та 1×10–
3 г наночастинок оксиду цинку для низьковуглецевої сталі в 1М соляної кислоти 
за 300 K для часу занурення 4, 8 і 16 годин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.6-Зміна IE % за різних концентрацій СХР для м'якої сталі в 1 
N соляної кислоти за 300 K для часу занурення 4, 8 і 16 годин 
 
На рисунку 1.6 показано, що ефективність тестованих СХР збільшується 
зі збільшенням концентрації досліджуваних СХР. За найнижчої з вивчених 
концентрацій СХР ефективність поступово зростала й досягла майже повного 
насичення за концентрації 1.0×10-3 М. 
10 
 
В роботі [16] використовували полівінілпіролідон як матрицю, а як 
добавку - наночастинки магнетиту. Було вивчено дію СХР корозії на вуглецеву 
сталь у середовищі 1M соляної кислоти за 30 ℃. 
Дані, представлені в таблиці 1.3, показують, що не відбулося суттєвої 
зміни значень Ecorr в СХР розчині порівняно з неСХР розчином, що свідчить 
про те, що ці сполуки діють як СХР змішаного типу. Збільшення концентрації 
наночастинок магнетиту призводить до подальшого зниження значення icorr, що 
збільшує ефективність сповільнення хімічних реакцій. Це можна пояснити з 
точки зору збільшення середнього розміру агрегатів зі збільшенням концентрації 
магнетиту, таким чином, можна спостерігати збільшення покриття поверхні і, 
отже, підвищення ефективності сповільнення хімічних реакцій. Вимірювання 
поляризації також показали невеликі зміни значень βa та βc, вказуючи на те, що 
сповільнювач хімічних реакцій блокує катодні та анодні ділянки без зміни 
механізму корозії. 
 
Таблиця 1.3.-Потенціодинамічні електрохімічні параметри корозії сталі в 
1М Соляна кислота за відсутності та в присутності різних конц. наночастинок 
магнетиту за 30 °C. 
Контент 
Iкорр, 
наночасти -Eкорр, мВ βa, мВ/дес -βc, мВ/дес η,% 
мА/см2 
нок 
- 558,2 1,31 128,5 144,1 - 
Р 535,1 0,19 143,1 155,2 85,49 
0,05% 548,7 0,09 118,3 130,4 93,12 
0,1% 588,6 0,021 103,7 122,7 98,39 
 
У роботі [ 17 ] як СХР корозії використовували вуглецеві наночастинки 
MnS/MnO/Mn, леговані N і S, а ефективність сповільнення хімічних реакцій 
корозії вуглецевої сталі вимірювали з використанням потенціодинамічної 
поляризації. 
11 
 
Результати показали, що ефект сповільнення хімічних реакцій корозії 
посилювався зі збільшенням концентрації наночастинок і найкращий, за 
концентрації 200 мг/л, становить 93,7%.  
 
Таблиця 1.4 - Параметри поляризації вуглецевої сталі, виміряні з різними 
концентраціями MnS/MnO/Mn за 25 °C. 
С (мг/л) -Eкорр, мВ Iкорр, А/см2 βa, мВ/дес -βc, мВ/дес η,% 
0 703 2.218 92 284 - 
80 698 2.942 127 165 86.7 
160 677 1.940 126 178 91.3 
200 664 1.403 120 187 93.7 
 
Таблиця 1.5 - Порівняння СХР корозії з додаванням наночастинок для 
захисту сталі. 
Тип Захист -Eкорр, Iкорр, Середовище η,% 
частинки мВ А/см2 
НЧ Оксид Вуглецева - - 3,5мас.% - 
церію сталь Хлорид 
натрію 
НЧ Оксид Низьковуглецева - - 1 М Соляна 83,55 
церію сталь кислота 99,73 
1 M 
сірчана 
кислота 
НЧ Срібло Низьковуглецева - - 3,5мас.% 77 
сталь Хлорид 
натрію 
НЧ Оксид Низьковуглецева - - 1M Соляна 92 
цинку сталь кислота 
12 
 
НЧ Вуглецева -588,6 0,021 98.39 
магнетиту сталь 
Mn Вуглецева -664 1,403 3,5мас.% 93.7 
сталь Хлорид 
натрію 
 
1.3 СХР корозії на основі полімерних покриттів і наномодифікаторів 
В роботі [18] для захисту використовується сталь Q235 (Китай), аналог   
сталі Fe37-3FN. У цій роботі було приготовлено модифіковані 
додецилтриметоксисиланом цеолітові імідазолатні каркасні наночастинки та 
додано в епоксидну (Епофом) матрицю для виготовлення композитного 
покриття. 
 
 
Рисунок 1.7 - ЕІС сталевого зразка з епоксидно-модифікованим 
покриттям із наночастинок, підданого впливу 3,5 мас. % Хлорид натрію 
 
Порівняли еквіваленти електричного опору епоксидного покриття з 
епоксидним покриттям, модифікованим наночастинками протягом 38 днів. 
Каркас наночастинок як нанонаповнювачів дає змогу значно поліпшити 
антикорозійні характеристики та адгезію протизадирного покриття. 
Випробування ЕІС показують, що цілітний каркас кращий за силановий. 
13 
 
В роботі [19] основним матеріалом є сталь Q235. Покриття, що 
використовується, являє собою поліуретанове покриття з додаванням нано-CeO 
.2 
 
 
 
Рисунок. 1.8 - Схема приготування Рисунок 1.9 - Поляризаційні криві 
композиту поліуретан/НЧ Оксид церію покриття зі сталі, поліуретану та 
НЧ поліуретану/Оксид церію, 
занурених у 3,5% Хлорид натрію 
 
За результатами вимірювань ЕІС і поляризації Тафеля показано, що 
додавання НЧ Оксид церію поліпшило довгострокову корозійну стійкість 
поліуретанового покриття; за вмістом НЧ Оксид церію 5 % вивільняльний ефект 
оксиду церію був очевидний, а гібридне покриття могло захищати сталь понад 
140 днів в агресивному середовищі. 
У роботі [20] як антикорозійне покриття використовували наночастинки 
Діоксид кремнію і епоксидну смолу. 
Оцінка корозії вуглецевої сталі з покриттям у 3,5-м % хлорид натрію і 0,5 
об. % сірчана кислота за допомогою потенціалу електрода за розімкненого кола 
(ПРЦ) і поляризації Тафеля показала, що епоксидне/нано-Діоксид кремнію 
покриття має більш високі антикорозійні характеристики, які зростають зі 
збільшенням концентрації діоксиду кремнію від (0,1% мас., 0,3% мас. і 0,5% 
мас.). Швидкість корозії знижується в 63 рази в солоному середовищі, а в 
14 
 
кислому - в 436 разів. Ефективність захисту від корозії збільшується зі 
збільшенням концентрації нанокремнезему, це означає, що покриття 
епоксидною смолою / 0,5 % НЧ Діоксид кремнію на підкладці з вуглецевої сталі 
може досягати 98,4 % та 99,7 % у сольових та кислих розчинах відповідно. 
 
Таблиця 1.6 - Коррозійні характеристики зразків, випробуваних у 
середовищі з 3,5 мас. % Хлорид натрію 
bкатод , bанод , Зкорр Iкорр 
мВ мВ ,мм/год .Амп/см2 Eкорр ,В ПРЦ,В Група 
153 165 1.59×10-2 1.410×10-6 -0.616 -1.216 - 
0,1мас.% 
Діоксид 
69 74 8.45×10-3 7.500×10-7 -0.550 -1.176 кремнію 
0.3 мас.% 
Діоксид 
10 130 9.68×10-4 8.620×10-8 -0.490 -0.977 кремнію 
0,5 мас.% 
Діоксид 
118 121 2.51×10-4 2.240×10-8 -0.587 -0.666 кремнію 
 
Відсоток пористості зменшився зі збільшенням концентрації 
наносилікату і становив 1,4% і 0,45% відповідно в Хлорид натрію і сірчана 
кислота. Можна зробити висновок, що наночастинки Діоксид кремнію з 
епоксидною смолою покращують хімічні властивості та підвищують корозійну 
стійкість в агресивних середовищах. 
У роботі [21] як антикорозійне покриття використовували наночастинки 
Діоксид кремнію і Епофом-20. 
Показано, що наночастинки діоксиду кремнію, функціоналізовані 
органічним сповільнювач хімічних реакційом, прискорили утворення більш 
надійного бар'єрного компонента і, таким чином, забезпечили кращі 
характеристики пом'якшення корозії, ніж у вихідного СХР корозії і тільки з 
15 
 
наночастинками, впровадженими в епоксидну підкладку, що в основному 
пояснюється синергетичним внеском наночастинок. 
 
Таблиця 1.7 - Електричні параметри, отримані для різних покриттів після 
48-годинного занурення в 3,5 мас. % хлорид натрію за 25 °C. 
Rкорр,(О βc,мВ/ βb, 
Зразок Екорр,В Iкорр,А/см2 ηP,% 
м/см2) дес мВ/дес 
М'яка сталь -0.746 1.158×10-6 3.80×104 4.417 5.446 - 
Епоксидна -0.559 3.999×10-8 1.10×106 5.009 4.908 96.6 
смола 
Епоксидна -0.528 4.990×10-8 8.81×105 4.879 5.00 95.7 
смола + 0.5% 
Діоксид 
кремнію 
Епоксидна -0.279 7.079×10-10 6.23×107 4.729 5.123 99.9 
смола+1.25%
Діоксид 
кремнію 
Епоксидна -0.239 1.570×10-10 2.73×108 4.867 5.274 99.9 
смола+0.25% 
Діоксид 
кремнію 
 
 
У роботі [22] основний матеріал був захищений нано-α-Fe та епоксидним 
покриттям. Rpo відображає непроникність покриття, що свідчить про іонне 
перенесення дефектів внутрішньої частини покриття, а Rpo часто знижувалося 
при проникненні електроліту в агресивне середовище через руйнування матриці 
покриття. 
16 
 
CPEc являє собою водопоглинаючу здатність покриття, а збільшення 
значення CPEc означає збагачення водою внутрішнього шару покриття 
(рисунок. 1.10, б) протягом усього періоду занурення. Зразок 0,7%-TAFe має 
найнижче значення CPEc, порівняно з іншими покриттями після 70-денного 
занурення, що вказує на те, що покриття 0,7%-TAFe має стійку внутрішню 
структуру і характерну компактність матриці. Це свідчить про те, що 
концентрація електроліту в матриці плівки була близька до насичення, і 
покриття втратило властивість бар'єру. 
 
 
Рисунок. 1.10 - Зміна параметрів ЕІС різних покриттів у 3,5 мас. % 
розчині Хлорид натрію, Rpo (а), Rct (б), CPEc (в) і CPEdl (г). 
 
Rct часто використовується для оцінки активності переносу електронів 
між межею розділу покриття та металевою підкладкою. Більш високе значення 
Rct означає більш низьку швидкість корозії. На рис. 1.10, в показано зміни 
значення Rct різних покриттів протягом 70-добового занурення. Як видно з 
рисунка, значення Rct має тенденцію до зниження протягом усього часу 
17 
 
занурення, відображаючи прискорення активності перенесення електронів на 
межі розділу покриття/метал. 
Значення CPEdl часто використовується для представлення 
розшарування і стабілізації межі розділу покриття/метал, тобто захисна 
здатність покриття залежить від стаціонарності лінії тренду і значення CPEdl. Як 
видно з рис. 1.10, г, порівняно з іншими покриттями, покриття 0,7%-TAFe має 
найменше значення CPEdl та відносно стаціонарний тренд графіків CPEdl, що 
свідчить про добру сумісність між покриттям 0,7%-TAFe та металевою 
поверхнею та наявність частинок TAFe, що стримує розшарування границі 
розділу покриття/метал. 
В роботі [ 23 ] захисне покриття сталі Q235 являє собою змішане покриття 
з наноцирконію та акрилової смоли. 
 
 
Рисунок.1.11 -Криві Найквіста для модифікованих діоксидом цирконію 
акрилових нанокомпозитних смол, вкритих і непокритих сталевих підкладок за 
різної тривалості впливу після першого (a, б) і сьомого (в, г) днів впливу 
сольового корозійного агента. 
18 
 
Наповнювачі НЧ Оксид цирконію створюють антикорозійне покриття з 
акрилової нанокомпозитної смоли з ефективними бар'єрними властивостями; 1 
мг синтезованого НЧ Оксид цирконію в 10 г акрилової смоли. 
За надлишкового вмісту НЧ Оксид цирконію внутрішня структура 
покриття насичується наповнювачами Оксид цирконію, що, своєю чергою, 
створює більше поперечних каналів для міграції іонів. Згодом це призводить до 
появи мікротріщин і відшарування покриття. 
В роботі [ 24 ] захисне покриття сталі Q235 являє собою змішане покриття 
з нанооксиду титану та акрилової смоли. 
Результати експериментів показують, що найкращий ефект сповільнення 
хімічних реакцій корозії досягається за вмісту нанооксиду титану 10 %, 
швидкість корозії знижується в 13,27 раза, а струм корозії знижується в 4,56 раза. 
Це показує, що покриття з акрилової смоли з нанооксидом титану має кращий 
ефект сповільнення хімічних реакцій корозії. 
 
 
Рисунок.1.12 - Поляризаційні криві Q235 і різних покриттів Діоксид 
титану/акрилової смоли на сталі Q235. 
 
В роботі [25] використовували змішане покриття з наногібридного 
подвійного гідроксиду CaFe-толіл-триазолу з епоксидною смолою. 
19 
 
 
Рисунок.1.13 - Графіки Боде для епоксидної смоли/CaFe-толіл-триазолу з 
подвійним покриттям із гідроксиду та графітового нітриду вуглецю 
 
Випробування на адгезію під час відриву показує, що епоксидна смола і 
нанонаповнювач мають більше зчеплення один з одним, що означає, що 
епоксидна смола і нанонаповнювач мають хорошу адгезію до підкладки. 
Результати показали, що нанокомпозитні покриття одночасно 
забезпечують чудові характеристики бар'єру/активного сповільнення хімічних 
реакцій, а також продемонстрували лабіринтовий ефект завдяки 
нанонаповнювачам. 
У роботі [26] сталь Q235 захистили композитним покриттям із 
наночастинок металоорганічного каркаса, перфтороктилтріетоксісісілану та 
епоксидної смоли. 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок.1.14 - Графіки Найквіста приготованого композиційного 
покриття на сталі Q235 різним часом занурення в 3,5 мас.% водний розчин 
Хлорид натрію, вставка: відповідна часткова збільшена деталь. 
20 
 
Приготоване супергідрофобне покриття демонструє прекрасні 
водовідштовхувальні властивості з крайовим кутом змочування водою до 168,2°. 
Крім того, композитне покриття має чудову міцність і довговічність, що зберігає 
його супергідрофобність щодо води з діапазоном pH 1,0-13,0 або занурення в 
3,5% Хлорид натрію протягом 60 днів. 
Приголомшлива корозійна стійкість: модуль імпедансу (за 0,01 Гц) 
композитного покриття після занурення в 3,5% Хлорид натрію протягом 7 днів 
був приблизно на 7 порядків більшим, ніж у сталі Q235. 
У роботі [ 27 ] методом електростатичного напилення було приготовано 
модифікований наноцирконій, який було додано в епоксидну смолу для 
формування композиційного покриття для захисту металу. 
 
 
 
 
 
Рисунок.1.15 - Механізм захисту покриттів від корозії: (а) епоксидна 
смола, (б) 3-4 % НЧ  
 
У цьому дослідженні нано-Оксид цирконію був модифікований 3-
амінопропілтріетоксісісиланом і використаний як нанонаповнювач для 
підвищення корозійної стійкості епоксидного покриття. Результати показують, 
що морфологія поверхні покриття з 1-2 мас. % модифікованих наночастинок 
Оксид цирконію щільна. Результати електрохімічних випробувань показують, 
що бар'єрна дія наночастинок дозволяє підвищити захисні властивості 
епоксидного покриття. Однак через збільшення кількості наночастинок Оксид 
цирконію між наночастинками може відбутися сильна агломерація, що знизить 
корозійну стійкість покриття. 
 
 
21 
 
Таблиця 1.8 -Параметри поляризації різних зразків у 3,5 мас. % Хлорид 
натрію 
Зразок Eкорр ,В Iкорр,А/см2 
Q235 -1.0587 2.0695× 10−4 
Епоксидна смола -0.69154 1.9105× 10−5 
Епоксидна смола+1% мас Оксид 
цирконію -0.61533 6.0130× 10−6 
Епоксидна смола+4% мас Оксид 
цирконію -0371485 2.8199× 10−5 
 
Таблиця 1.9 -Порівняння результатів експериментів із захисту сталі Fe37-
3FN полімерами з добавками наночастинок та їхніми аналогами 
Покриття Iкор, мкА Екор, Скор dН Товщи η,
мВ р,  Ч, на  % 
мм/( нм покрит
м2 тя 
-г) мкм 
НЧ цеолітовий  - - - 25 100±10 81.
імідазолатний  0 69 
каркас+Епоксидна  
матриця 
НЧ Оксид церію +  7.63×10-3 -0.35 0.059 30- 80±0.5 83.
Поліуретан 3 50 97 
НЧ Діоксид 1.410×10- -0.616 0.015 55- 50 98.
кремнію +  6 9 75 4 
Епоксидна смола 
НЧ Діоксид 1.570×10- -0.239 0.007 20 80 ± 5 99.
кремнію +  10 74 0 9 
Епоксидна смола 
22 
 
НЧ α-Fe - - - - 40 ± 3 97 
+Епоксидним  
покриттям 
НЧ Оксид - - - ＜ - 99.
цирконію+  10 7 
Акрилова смола 0 
НЧ Діоксид титану+  7.90 ×10- - 0.009 - - 78 
Акрилова смола 7 0.3184 3 
Наногібрид CaFe-  - - 70 65±5 75 
толіл-триазол,   
шаруватий - 
подвійний  
гідроксид+Епоксид 
ная смола 
НЧ  - - - 10 80±10 5
металоорганічно 0 9.
го каркаса +  2 
Перфтороктилтріет  
оксисилан +   
Епоксидна смола 
НЧ Оксид 6.229 - 4.84×10 - 110 8
цирконію +  ×10-7 0.609 -6 6.
Епоксидна смола 7 4 
 
1.4 СХР корозії сталей на основі органічних сполук 
У роботі [ 28 ] використовували наночастинки Срібло/Діоксид кремнію з 
концентрацією 1 мас. %, додані до акрилової смоли. 
Результати показали, що срібло повністю покрите діоксидом кремнію, а 
його кристалічна форма не змінилася після покриття. Приготований 
23 
 
сповільнювач хімічних реакцій корозії використовували для захисту від корозії 
вуглецевої сталі в середовищі морської води. 
Вплив наночастинок Срібло/Діоксид кремнію на мікробну корозію сталі 
з акриловим покриттям було досліджено за допомогою аналізу електрохімічного 
шуму. Результати електрохімічного шумового аналізу показали, що 
наночастинки Срібло/Діоксид кремнію у концентрації 1 мас. % виявляють кращі 
антимікробні та корозійні властивості, ніж звичайні біоциди в концентрації 40 
мас. % Двоокис міді. 
Цей матеріал має потенційно широке застосування під час розроблення 
антимікробних фарб і покриттів, а також для довготривалого захисту в океані та 
в індустрії екологічно чистих покриттів. 
 
 
Рисунок 1.16 -Криві електрохімічного шуму залежно від часу занурення 
покриттів у водне середовище 
 
У роботі [29] акрилову смолу модифікували частинками нано-Оксид 
церію у кількості 0,5-3,0 мас.%. Експеримент проводили за допомогою 
спектроскопії електрохімічного імпедансу в сольовому тумані. Сповільнювач 
хімічних реакцій корозії з додаванням нанооксиду церію використовується для 
захисту вуглецевої сталі. 
24 
 
На малюнку 1.17 представлено спектри ЕІС систем забарвлення на 
початку аналізу та після 24 і 192 год впливу 0, 1 М Хлорид натрію. Спочатку 
спектри ЕІС для всіх систем забарвлення були відносно схожими. Відмінність 
значень повного імпедансу на частоті 10–2 Гц (Z=0,01 Гц) становила менше 
одного порядку. Значення були знайдені між 108 і 109 Ом-см2 . 
 
 
Рисунок 1.17 -ЕІС-діаграма Боде неушкоджених покриттів на початку, 
через 24 і 192 год витримки в розчині хлориду натрію. (Вміст наночастинок 
Оксид церію W_ACR-0-W_ACR-3 становить 0%, 0,5%, 1%, 2%, 3%.) 
 
Підвищена антикорозійна ефективність отримана завдяки включенню 
наноцерію до ґрунтувального шару акрилових фарб, які розбавляються водою. 
Інгібуючий або фізичний внесок у підвищення ефективності захисту від 
корозії залежить від масової концентрації синтезованих частинок нано-Оксид 
церію у покритті (1,0% - оптимальна). При додаванні у вищій концентрації 
відбувається перехід від інгібуючого покриття до покриття з вищим фізичним 
бар'єрним ефектом. 
25 
 
У роботі [ 30 ] використовували три покриття: покриття з кераміки, що 
містить Cr1.3Fe0.7O3, гібридне полімерно-нанокомпозитне покриття Оксид 
цинку і гібридне покриття, що містить наночастинки Діоксид кремнію у зв'язці 
з акрилатними мономерами. СХР корозії використовуються для захисту 
вуглецевої сталі. 
 
 
Рисунок 1.18 - Різниця у вазі між сталлю без покриття і сталлю з іншим 
покриттям в атмосфері: із вмістом хлору (а); в океані (б); специфічних 
забруднювальних речовин (в). 
 
Три атмосферні середовища (хлорвмісне, морське і з конкретними 
забруднювачами) були обрані в якості корозійних середовищ, де протягом 3 і 9 
місяців проводилися експерименти з корозії для порівняння ефектів 
сповільнення хімічних реакцій корозії з використанням гравіметричного методу. 
Результати, представлені на рисунку 1.18, показують, що покриття Оксид 
цинку і Діоксид кремнію володіють гарним антикорозійним ефектом у 
хлорвмісних атмосферах і атмосферах із характерними забруднювальними 
речовинами. Однак, покриття Діоксид кремнію демонструють низький 
антикорозійний ефект у морському атмосферному середовищі. Через один 
26 
 
місяць покриття, що містять наночастинки Діоксид кремнію, повністю 
відокремлювалися від поверхні сталі без подальшого впливу. 
У роботі [31] наноаркуші оксиду алюмінію та модифікованого оксиду 
графену були додані до епоксидної смоли для отримання антикорозійних 
покриттів. 
 
СХР корозії використовуються для захисту вуглецевої сталі. 
У цьому дослідженні корозія в сольовому тумані та потенціодинамічні 
поляризаційні криві використовували для аналізу ефекту сповільнення хімічних 
реакцій корозії епоксидною смолою з додаванням наночастинок. СХР корозії 
використовуються для захисту вуглецевої сталі. 
 
 
Рисунок 1.19 - потенціодинамічні поляризаційні криві покриттів. (b) m-
Оксид алюмінію/епоксидне покриття, (d) mGO/епоксидне покриття, (f) m-Оксид 
алюмінію@GO/епоксидне покриття. 
27 
 
Як правило, покриття з високим корозійним потенціалом, низькою 
густиною струму корозії та великим імпедансом виявляли хороші антикорозійні 
властивості. Тому в цій роботі корозійна стійкість композиційного покриття 
була підвищена за рахунок збільшення додаткової кількості m-Оксид алюмінію. 
Однак надмірне введення нанонаповнювачів призводило до поганого 
диспергування та зниження корозійної стійкості покриттів. Серед цих покриттів 
покриття 1,5 мас.% m-Оксид алюмінію/епоксидна смола показало хорошу 
корозійну стійкість. 
У роботі [ 32 ] для модифікації акрилової смоли використовували нано-
Діоксид кремнію-Діоксид титану, а наночастинки Діоксид титану і Діоксид 
кремнію додавали до складів покриттів у кількості 0, 1, 3, 5 і 7 мас. % від 
загальної кількості смоли, які позначали абревіатурою SAR0, SAR1, SAR3, SAR5 
і SAR7 відповідно, та диспергували в смолі за допомогою покривних добавок за 
допомогою ультразвуку. 
Результати вимірювань ЕІС показують, що композитне покриття з 
додаванням наночастинок має кращі антикорозійні характеристики на 
вуглецевій сталі. 
 
Таблиця 1.10 - Параметри з досліджень ЕІС усіх систем покриттів після 6 
годин, 600 годин, 1800 годин занурення в 3,5% Хлорид натрію 
CPE Площа 
6ч Rc(Ом-см )2 Y0(Ом1 -см2 -c) n Чи Модель 
SAR1 6.89e10 2.79e-10 0.90 0.58e-3 a 
SAR7 6.94e10 2.61e-10 0.82 0.66e-3 a 
CPE Площа 
600ч Rc(Ом-см )2 Y0(Ом1 -см2 -c) n Чи Модель 
SAR1 7.68e9 1.89e-10 0.94 0.32e-3 a 
SAR7 8.31e9 16.5e-10 0.94 0.47e-3 a 
CPE  Площа 
1800ч Rc(Ом-см )2 Y0(Ом1 -см2 -c) n Чи Модель 
28 
 
SAR1 8.316e8 1.68e-10 0.96 0.12e-3 b 
SAR7 1.020e8 1.985e-10 0.96 0.94e-3 b 
 
В роботі [13] наночастинки Оксид цирконію були додані в акрилову 
смолу як композитне покриття для захисту від корозії. Суспензії з 1, 2, 5 і 10 мг 
наночастинок Оксид цирконію в 10, 8, 6 і 4 г акрилової смоли були позначені 
AR1, AR2, AR3 і AR4 відповідно. Корозійну стійкість покриттів з акрилової 
смоли, модифікованої діоксидом цирконію, на сталевих Q235 підкладках 
оцінювали з використанням електрохімічних методів. 
Для обох періодів впливу в корозійній речовині Хлорид натрію з 
тенденції даних імпедансу можна зробити висновок, що корозійна стійкість 
знижується зі збільшенням вмісту частинок наноцирконію. Ця аномалія може 
бути пов'язана з перенасиченням сітки покриття і зменшенням кількості 
основної смоли. Цей процес ще більше розширив власні дифузійні шляхи для 
просочування іонних струмів корозійно-активних іонів до поверхні металу. 
 
 
Рисунок 1.20 - Криві Найквіста для модифікованих діоксидом цирконію 
акрилових нанокомпозитних смол, вкритих і непокритих сталевих підкладок за 
різної тривалості впливу після першого (a, c) та сьомого (b, d) днів впливу 
сольового корозійного агента 
29 
 
За оптимальних концентрацій ці частинки модифікованого діоксиду 
цирконію мали б діяти як наповнювачі, зміцнюючи внутрішню мережу 
покриття, тим самим блокуючи шлях проникнення іонів хлориду, що 
спричиняють корозію. Однак за вмісту понад 1 мг НЧ Оксид цирконію в 
акриловій смолі присутність надлишкових наповнювачів давала змогу 
молекулам нейтрального електроліту проникати через покриття, що повільно 
призводило до локальної корозії. 
В роботі [34] частинки нано-Діоксид кремнію змішували з акриловою 
смолою для формування композитного покриття. Електрохімічні корозійні 
дослідження зразків сталі з покриттями проводили в 1% Соляна кислота і 3,5% 
Хлорид натрію на електрохімічному аналізаторі CHI650C. 
За допомогою вимірювання електрохімічного імпедансу і вимірювання 
поляризації отримано дані, показані в таблицях 1.18 і 1.19. 
За результатами СЕІ видно, що ефективність захисту для Діоксид 
кремнію/акрил становить 45,38 % в 1 % Соляна кислота і 77,75 % в 3,5 % Хлорид 
натрію. Поляризаційні криві показують, що ефективність сповільнення хімічних 
реакцій наночастинками оксиду кремнію становить 44,28% в 1% Соляна кислота 
і 76,82% у 3,5% Хлорид натрію. Антикорозійна поведінка, вивчена в обраних 
двох агресивних середовищах, 1 % Соляна кислота та 3,5 % Хлорид натрію, 
показала, що покриття Діоксид кремнію/акрил показало погані захисні 
властивості в середовищі 1 % Соляна кислота та хорошу поведінку в 3,5 % 
Хлорид натрію на електроді з м'якої сталі. 
 
Таблиця 1.11-Дані електрохімічного імпедансу для наночастинок 
кремнезему в 1% Соляна кислота і 3,5% Хлорид натрію. 
Зразки  1% Соляна кислота 3,5%Хлорид натрію 
покрит RКТ( Сдл( То Покритт RКТ( Сдл( То Покриття  
и Ω  м бт я  Ω  мФ) бт поверхні  
й ∙см2 Ф) о.  ∙см2 о.  (θ) 
30 
 
) % поверхн ) % 
евість 
ти (θ) 
Чистий  16,70 0.16 - - 12,97 0,11 - - 
акрил 48 73 
Діоксид 36.22 0.09 45. 0.53 35.61 0.02 77. 0.63 
кремні 00 3 61 7 
ю/акри 8 5 
ловчий 
 
Таблиця 1.12 - Вимірювання поляризації наночастинок кремнезему в 1% 
Соляна кислота і 3,5% Хлорид натрію. 
1% Соляна кислота 3,5%Хлорид натрію 
Зразки Тобто % 
покриттів ЕКорр IКорр Тобто % ЕКорр IКорр  
-0.6744 
Чистий акрил -0.6515 0.1637 -  0.1014 - 
Діоксид 
кремнію/акрил
овий -0.5902 0.0912 44.28 -0.5696 0.0235 76.82 
В роботі [ 35 ] частинки нано-Діоксид кремнію і змішували з 
акриловою смолою для формування композитного покриття. СХР корозії 
використовуються для захисту вуглецевої сталі. 
Результати ЕІС показали, що додавання 1% нано-Діоксид титану/Діоксид 
кремнію значно поліпшило корозійну стійкість епоксидного лаку. На відміну від 
лаку, значення модулів спектрів імпедансу залитого нано-Діоксид титану лаку 
були приблизно на порядок вищими, ніж у лаку. 
 
31 
 
 
Рисунок 1.21 - Графік Боде епоксидного лаку: (а) з нано-Діоксид титану і 
(б) нано-Діоксид кремнію, зануреного в 3,5% Хлорид натрію на різний час. 
Механізм поліпшення корозійної стійкості та механічних характеристик нано-
SiO смоли можна пояснити утворенням шаруватого каркаса. 
 
Мультигідроксили на частці нано-Діоксид кремнію сприяють створенню 
зшивальної структури, чому сприяє силанове сполучне. Структура зшитих 
частинок нано-Діоксид кремнію в мікромасштабі сприяла формуванню 
компактних нанокомпозитних покриттів, які ускладнювали транспортування 
води та іонів хлориду і знижували тенденцію до утворення бульбашок і 
розшаровування, що покращувало корозійну стійкість. Ефект від цього 
поліпшення був кращим, а також за твердістю порівняно з частинками нано-
Діоксид титану. 
В роботі [36] оброблені силаном наночастинки Оксид цинку 
використовували як наповнювачі в акрилових смолах. 
Покриття, що містили 0, 0,3, 1, 5 і 15 % модифікованих наночастинок 
Оксид цинку у 27 г акрилової смоли, 12,5 г меламінової смоли та 30 г 
розчинника, було позначено як NCZn0, NCZn0,3, NCZn.1, NCZn.5 і NCZn.15. 
32 
 
 
 
Рисунок 1.22 - Боде (а), Найквіста (b) і фазова (c) діаграми зразків після 
одноденного занурення в 3,5% Хлорид натрію. 
 
На рисунок 1.22 показано діаграму Боде, Найквіста та фазову діаграму 
зразків після одноденного занурення в 3,5% Хлорид натрію. Значення імпедансу 
на низьких частотах |Z|0,01 є одним із параметрів, який використовується для 
порівняння захисних характеристик покриттів. На рисунку видно, що на низьких 
частотах усі зразки мають значення імпедансу близько 1010 Ом-см2 після доби 
занурення, що свідчить про високі початкові захисні властивості покриттів. 
Наночастинки оксиду цинку були синтезовані та модифіковані 
силановим сполучним агентом. Результати СЕІ показали, що присутність 
модифікованого силаном нанооксиду цинку в акрилових покриттях до 1% мас. 
підвищує захисні характеристики покриттів. Це може бути пов'язано з якістю 
диспергування модифікованого нано Оксид цинку в акриловій матриці. 
В роботі [37] використання наночастинок α-Fe2O3, легованих церієм, як 
наповнювача для акрилових смол, серед яких нанооксид заліза складає 35% 
покриття, акрилова смола складає 33% покриття, вода складає 29%, а інші 
речовини складають 3%. 
 
33 
 
Таблиця 1.13 - Параметри ЕІС для п'яти покриттів з акрилової смоли на 
водній основі на основі оксиду заліза під час занурення в 3,5 мас.%. Хлорид 
натрію 
Зразок ЕКорр/мВ ЯКорр/мкА∙см−2 ЕБреа/мВ 
pH = 4 - 42,235 0.010 - 
pH = 6 - 48,611 0.003 217.421 
pH = 8 - 64,205 0.143 166.176 
Неутоплений α- 
Fe2O3 - 155,121 0.116 29.370 
Байєр α- Fe2O33 - 46,46 0.030 - 
 
Результати показали, що нанорозмірні частинки, приготовані за трьох 
умов (pH = 4, 6 і 8), були відносно гладкими і сферично диспергованими. 
Наночастинки, приготовані в умовах pH = 4 і pH = 6, в основному являють собою 
α-Fe2O3 з поверхневою дефектною структурою. 
Іони Ce добре легуються в структуру решітки α-Fe2O3, підвищуючи 
стабільність хімічних зв'язків, тим самим покращуючи ефект сповільнення 
хімічних реакцій корозії α-Fe2O3. Наночастинки, приготовані за pH=8, 
здебільшого являють собою зв'язану структуру α-Fe2O3 і Оксид церію. Отже, 
електрохімічна стабільність цієї структури гірша, ніж у структури з 
поверхневими дефектами, що призводить до гіршої корозійної стійкості. 
Крім того, складні оксиди заліза з поверхневими дефектами можуть 
краще поєднуватися з акриловою смолою на водній основі, а приготоване 
покриття з акриловою смолою на водній основі має хорошу корозійну стійкість. 
 
Таблиця 1.14-Порівняння результатів застосування СХР корозії сталі з 
добавками наночастинок органічних сполук 
34 
 
Методи 
Полімерна Розмір випробувань на 
я матриця Вид НЧ , нм корозію Середа Захисний метал 
Срібло/Ді Аналіз Морська 
оксид електрохімічного вода 
кремнію 60 шуму  
0,1 М 
Хлорид 
Оксид ЕІС, Випробування натрію 
церію 2 соляним туманом  
Атмосфера 
(багата 
хлоридами, 
морська, 
Оксид деякі 
Акрилови цинку, забруднюва
й Діоксид Гравіметричний чі 
лак кремнію × метод ) 
Оксид Випробування 
 алюмінію  соляним  
 ,   
 туманом,  
Епоксидна Нанолист   
Потенціометрія,  
смола и оксиду × 3,5% 
Хлорид 
  Потенціодинамічно натрію 
 графену   Вуглецева 
   е випробування  сталь 
35 
 
Діоксид 
кремнію-
Діоксид 
 титану ×  
Оксид ЕІС  
Акрилови цирконію <100   Сталь Q235 
й     
  ЕІС, 1% Соляна Низьковуглецев
лак Діоксид кислота і а 
 кремнію × Потенціодинамічно 3,5% 
Хлорид 
   натрію я сталь 
   е випробування   
  20-40    
Діоксид Діокси
кремнію- д 
Епоксидна Діоксид титану ЕІС, Випробування   
титану   
смола  20 соляним туманом   
Діокси
д 
кремні
  ю  3,5%Хлори Вуглецева 
Оксид д натрію 
Акрилови цинку × ЕІС  сталь 
й   ЕІС,   
лак α-Fe2O3 83 Потенціодинамічно   
   е випробування   
 
36 
 
1.5 СХР корозії сталей на основі неорганічних сполук 
В роботі [ 38 ] захищений метал - сталь N80, а сповільнювач хімічних 
реакцій - сталь N80, а сповільнювач хімічних реакцій - функціоналізовані 
вуглецеві точки (N-CDS). Середовище розчину для цього експерименту: 1 М 
Соляна кислота і насичений СО2 3,5 мас.% Хлорид натрію. 
 
Таблиця 1.15 -Параметри потенційної поляризаційної кривої для сталі 
N80 1 М Соляна кислота і насичених СО2 3,5 мас.% Хлорид натрію. 
Нановуглецеві Екорр,м Iкорр, βc, βb, 
Зразки точки В мА/см2 мВ/дес мВ/дес η,% 
- -438 302.30 143.45 -208.47 - 
1М Соляна 50 -476 74.67 77.84 -185.18 75.3 
кислота 200 -451 20.56 75.71 -146.70 93.2 
- -697 278.72 172.43 -159.77 - 
3.5мас.%Хло 50 -694 45.99 134.15 -110.39 83.5 
рид натрію 200 -671 12.82 82.95 -63.78 95.4 
 
З таблиці 1.15 видно, що у двох розчинах корозійного середовища зі 
збільшенням кількості N-CDS густина струму корозії має тенденцію до 
зниження, що вказує на те, що N-CDS можна використовувати як ефективне 
корозійне середовище. Анодна реакція в основному пригнічується в Хлорид 
натрію. Катодна реакція інгібувалася в основному збільшенням концентрації N-
CDS в 1 М Соляна кислота. Крім того, значення нахилу βa і βb значно змінилися 
при додаванні N-CDS порівняно з неодруженим розчином. Це пов'язано з тим, 
що молекули СХР корозії адсорбуються на активних центрах поверхні металу, 
перешкоджаючи його впливу на механізм розчинення вуглецевої сталі. Ці 
результати можна пояснити адсорбцією N-CDS на поверхні вуглецевої сталі 
N80, що ускладнює контакт розчин/метал. Коли дозування становило 200 мг/л, 
воно досягало 93,2% і 95,4% в 1 М Соляна кислота і сольовому розчині 
37 
 
відповідно, що вказує на корозійну стійкість N-CDS в обох агресивних 
середовищах. 
У роботі [39] захищений метал - холоднокатана сталь, а сповільнювач 
хімічних реакцій - Ce(SO4)2. Ce(SO4)2 являє собою сповільнювач хімічних 
реакцій змішаного типу, в основному сповільнюючи катодну реакцію. 
Середовище розчину для цього експерименту: розчин лимонної кислоти. 
 
 
Рисунок 1.23 -Потенціодинамічні поляризаційні криві для 
холоднокатаної сталі （CRS） у 0,50 М розчинах лимонної кислоти без і з 
різними концентраціями Ce(SO4)2 за 20 °C (час занурення 2 години). 
 
Результати показали, що Ce(SO4)2 поводиться як ефективний 
сповільнювач хімічних реакцій, і максимальна ефективність сповільнення 
хімічних реакцій досягає приємного значення 97,2% за 20 °C з невеликою 
концентрацією 0,25 мМ. 
Цей вид сповільнювач хімічних реакційа корозії може використовуватися 
тільки в певних середовищах, оскільки Ce4+ безпосередньо адсорбується на 
поверхні холоднокатаної сталі, а потім проявляє інгібуючі властивості, тим 
самим пригнічуючи корозію металів у розчині лимонної кислоти. Його навряд 
чи можна використовувати в інших середовищах. 
38 
 
В роботі [40] використовували апатит, легований магнієм і натрієм як 
сповільнювач хімічних реакцій корозії для оцінки ефекту сповільнення хімічних 
реакцій корозії низьковуглецевої сталі в середовищі фосфорної кислоти. 
З таблиці 1.16 видно, що значення Icorr значно зменшуються зі 
зменшенням концентрації апатиту. Відповідно значення η(%) збільшуються зі 
зменшенням концентрації СХР, досягаючи максимального значення 89,3% за 
100 ppm апатиту. 
 
Таблиця 1.16 -Данні поляризації м'якої сталі в 2,0 М H3PO4 без апатиту і 
з апатитом при 298 K 
Концентрації 
ррм (частин 
Середови на Iкорр. -βc, βb, 
ще мільйон) -Екорр,В мА/см2 мВ/дес мВ/дес ηP,% 
- 417 1519 177 130 - 
100 502 163 154 143 89,3 
2,0 М 200 509 184 163 146 87,8 
H3PO4 300 500 214 153 137 85,9 
 
У роботі [ 15 ] використовували оксид вісмуту як сповільнювач хімічних 
реакцій корозії для захисту низьковуглецевої сталі від корозії в кислих 
середовищах, 
Таблиця 1.17-Електрохімічні параметри та ефективність сповільнення 
хімічних реакцій низьковуглецевої сталі в 1,0 М Соляна кислота за відсутності 
та у присутності різних концентрацій СХР за 298 К (за 150 ррм). 
Середовище -Екорр,В Iкорр. мА/см2 η,% 
1 М Соляна 
кислота 498 983 - 
39 
 
5 М Соляна 
кислота 572 127,3 87,0 
7 М Соляна 
кислота 601 62 93,7 
9 М Соляна 
кислота 565 168 82,9 
 
Сповільнення хімічних реакцій корозії м'якої сталі в 1,0 М Соляна 
кислота цими неорганічними сполуками вивчали за допомогою електрохімічних 
вимірювань. Досліджено вплив концентрації сповільнювач хімічних реакційа та 
температури кислого середовища на корозійну поведінку. Ефективність 
сповільнення хімічних реакцій знаходили в ряду: 7 М > 5 М > 9 М, причому 
ефективності сповільнення хімічних реакцій, визначені методами 
потенціодинамічної поляризації та ЕІС, добре узгоджуються одна з одною. 
Екстракт листя Morinda citrifolia використовували як сповільнювач 
хімічних реакцій корозії в роботі [17] для захисту РЦ у солоному середовищі. 
На рисунок 1.24 показано швидкість корозії сталевої арматури. 
Контрольний зразок C0 являв собою сталь, що піддавалася безпосередньому 
впливу 3% Хлорид натрію протягом 90 днів, тоді як контрольний зразок 1 (C1) 
був залитий бетоном без екстракту листя. Швидкість корозії кожного зразка 
розраховували за формулою. 
 
Рисунок 1.24 -Швидкість корозії сталевої арматури 
 
40 
 
Різні літери над стовпцями вказують на значні відмінності (P < 0,05). 
Результати показують, що ефективність сповільнення хімічних реакцій корозії 
становила 0,6 % у Т1 (0,08 %), 58 % у Т2 (0,17 %), 46 % у Т3 (0,25 %), 57 % у Т4 
(0,33 %) і 59 % у Т5 (0,42 %). Це означає, що застосування екстракту листя 
Morinda citrifolia як сповільнювач хімічних реакційа корозії в 
сталезалізобетонних конструкціях, що піддаються впливу солоного середовища, 
ефективне за концентрацій, вищих за 0,17 %. 
У роботі [43] використовували три солі фосфату натрію: гідрофосфат 
динатрію, монофторфосфат натрію і фосфат тринатрію як СХР корозії для RC. 
На рисунок 1.25 представлено репрезентативні діаграми РФА для зразків 
цементного тіста з домішкою СХР корозії, затверділих за відносної вологості 100 
% протягом 30 днів. 
Три випробувані СХР корозії демонструють хороші інгібуючі 
властивості. Порядок ефективності фосфатів, що діють як мігруючі СХР корозії, 
був таким: монофторфосфат натрію > гідрофосфат динатрію > фосфат 
тринатрію. Результати показують, що динатрійгідрофосфат і тринатрійфосфат є 
хорошою альтернативою дорогому монофторфосфату натрію. Для зразків з 
домішкою сповільнювач хімічних реакційа корозії найкращу поведінку 
сповільнювач хімічних реакційа корозії показала сполука динатрію 
гідрофосфату, яка демонструвала значення Icorr у пасивному стані протягом 
більшої частини випробувального часу. 
 
Рисунок 1.25 - Графіки РФА для зразків із добавками СХР корозії. 
41 
 
 
Таблиця 1.18 - Порівняльні результати СХР корозії чавуну та сталі на 
основі неорганічних сполук 
Сповільнювач хімічних 
реакцій Захисний метал Середовище η,% 
1 М Соляна кислота 
3,5 93.2 
Функціоналізовані мас.%Хлорид и 
вуглецеві точки Сталь N80 натрію 95.4 
Розчин 
лимонної 
Ce(SO4)2 Сталевий прокат кислоти 97,2 
2,0 М 
Апатит H3PO4 89,3 
Низьковуглецева 
Bi2O3 сталь 1,5,7,9 М 
Соляна кислота 93.7 
Екстракт листя 0.1 M 
моринди СІРЧАНА 
лимоннолистої Залізобетон(RC) КИСЛОТА 59 
Na3PO4  RC - 
Висновки до розділу 1 
Проведений аналіз складу травників та умов термообробки для сталей 
різних марок. 
Проаналізовані сповільнювачі хімічних реакцій на основі наночастинок 
металів та їхніх сполук.  
Проаналізовані сповільнювачі хімічних реакцій корозії на основі 
полімерних покриттів і наномодифікаторів. 
42 
 
Проаналізовані сповільнювачі хімічних реакцій корозії сталей на основі 
органічних сполук. 
Проаналізовані сповільнювачі хімічних реакцій корозії сталей на основі 
неорганічних сполук. 
  
43 
 
2 МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ СТУПЕНЯ 
КОРОЗІЇ ПОШКОДЖЕНОГО ШАРУ СТАЛЕЙ 
 
Для виготовлення деталей і елементів сталевих виробів широко 
використовують конструкційні сталі (сталі марок 30ХН2МФА, 30ХРА, 30ХГСА, 
30ХН2МФАШ). Корозійні властивості сталей істотно залежать від величини 
їхніх електродних потенціалів у різних середовищах і від здатності пасивуватися 
або активуватися. З підвищенням вмісту вуглецю в сталі її корозійна стійкість 
знижується. Наприклад, підвищення вмісту вуглецю з 0,2 до 0,9% знижує її 
корозійну стійкість у 23 рази. Корозійна стійкість сталей у кислих і деяких інших 
середовищах залежить і від їхньої структури, тобто термообробки. Встановлено, 
що корозія конструкційних вуглецевих сталей залежить насамперед від 
корозійного середовища: концентрації водневих іонів, pH і деполяризуючої дії 
кисню [3,4]. 
Нині накопичено систематизовані дослідні дані щодо протікання 
корозійних процесів у конструкційних сталях, що створює серйозну базу для 
математичного моделювання корозійних процесів. Істотна увага приділяється 
впливу вологої атмосферної корозії, що призводить до корозійного 
розтріскування структури матеріалу під дією напружень. Істотний вплив чинить 
також мікробіологічна пошкоджуваність конструкційних матеріалів [9], що 
спричиняє протікання процесів біокорозії. 
Відомі методи оцінки механічної міцності матеріалів в елементах 
конструкцій ґрунтуються значною мірою на визначенні допустимих розмірів 
тріщиноподібних дефектів і руйнівної напруги елементів конструкцій. В основі 
методів лежить аналітична модель лінійної механіки руйнування матеріалів 
[10,11]. Ця модель визначає залежність коефіцієнта інтенсивності напружень K1, 
Па/м, від окружного напруження σθ, Па, що діють у конструкції, і геометричних 
параметрів ( a, Q ) поверхневої тріщини за формулою 
 
44 
 
 
де K1 - коефіцієнт інтенсивності напруження, Па/м; 
σθ -окружне напруження, що діє на ствол за максимального тиску 
порохових газів у конструкції, Па; 
a, Q - геометричні параметри поверхневої тріщини. 
Коефіцієнт K1  змінюється в діапазоні значень від порогового (зокрема 
умовного) при корозійному розтріскуванні до критичного за відсутності 
корозійного середовища. 
Для оцінки працездатності та надійності окремих вузлів і складальних 
одиниць сталевих виробів з урахуванням корозійних процесів доцільним є їх 
прогнозування на основі математичного моделювання. Найбільший інтерес для 
прогнозування корозійних процесів у металах представляє детермінована 
модель. Детермінована модель являє собою систему диференціальних рівнянь з 
параметрами, що визначаються експериментально. 
Деталі та вузли сталевих виробів під час функціонування зазнають 
інтенсивних силових навантажень, що призводять до внутрішніх напружень, 
розподілених за об'ємом цих деталей. Розподіл напружень є нерівномірним. 
Мірою напруженого стану в кожній точці деформованого матеріалу є 
симетричний тензор другого рангу T (σ ) . Відомі в механіці умови міцності 
формулюються через інваріанти тензора напружень I (1 , I2 , I3 ) та включають 
механічні параметри матеріалу, які описують що визначають його граничний 
стан. Наприклад, широко використовувана енергетична умова міцності має 
такий вигляд 
 
 
 
де σ1, σ2 , σ3 - головні нормальні напруження, Па; σпр - характеристика 
граничного стану матеріалу (що відповідає його макроруйнуванню), Па. 
45 
 
Згідно із залежністю (2) руйнування настає тоді, коли питома енергія 
формозміни досягає деякого граничного значення (гіпотеза Губера-Мізеса-Генкі 
[10]). Гранична поверхня, що відповідає критерію енергії формозміни, має 
вигляд циліндра (рис. 2.1). 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.1 - Круговий циліндр, що відповідає критерію питомої енергії 
формозміни, у просторі головних напружень 
 
В механіці деформованого твердого тіла приймається гіпотеза про 
суцільність матеріалу [10,12]. Таким чином, тензор напружень Tσ описує ває 
напружений стан у суцільному матеріалі (без порушення його суцільності). 
Корозійні процеси, що протікають у структурі матеріалу, призводять до 
порушення його суцільності на мезорівні. У зв'язку з цим механіка 
пошкоджуваності вводить у розгляд ефективні напруження , Па, що діють у 
макрооб'ємі з репрезентативним розподілом єм мезодефектів (пор, мікротріщин, 
дисклінацій) за формулою 
 
 
 
де  - напруження в суцільному матеріалі, Па; 
ω - ефективний параметр пошкоджуваності матеріалу (внаслідок 
протікання в ньому корозійних процесів); 
46 
 
a, n - модульний і степеневий коефіцієнти, які визначаються дослідним 
шляхом. 
Параметр ω нормований таким чином:  . Значення ω = 0 відповідає 
вихідному стану матеріалу, до протікання в ньому корозійних процесів, а 
значення ω = 1 відповідає граничному стану матеріалу, за якого деталі або вузли 
сталевих виробів повністю втрачають необхідну експлуатаційну властивість 
[1,2,13,20,21]. Поточне значення ефективного параметраω описує ступінь 
деструкції матеріалу у зв'язку з протіканням у ньому корозійних процесів. У 
зв'язку з цим, при моделюванні корозійних процесів виникає завдання 
математичного формулювання кінетичного рівняння для параметра 
пошкоджуваностіω. Для розв'язання цього завдання використовуватимемо 
детерміновану модель, що задається диференціальними рівняннями. Будемо 
вважати, що кінетика корозійних процесів описується швидкістю корозії v 
залежно від визначальних факторів k ii ( = 1, 2, ...) за формулою 
 
 
 
У літературі швидкість корозії оцінюють за втратою маси металу з 
одиниці площі його поверхні за певний час, [г/мм2 /рік], або за глибиною 
проникнення руйнування в метал, [мм/рік]. Для масивних деталей сталевих 
виробів доцільно швидкість корозії оцінювати за глибиною проникнення 
руйнування за формулою:  
 
 
де h - поточна глибина корозії, мм; 
t - час корозії, рік. 
Для подальшого аналізу приймемо допущення про те, що процес корозії 
починається з поверхні, і вектор s спрямований по внутрішній нормалі n до 
внутрішньої поверхні деталі. Згідно з дослідними даними, зростанням глибини 
47 
 
пошкодженого шару швидкість корозії збільшується і з плином часу 
асимптотично наближається до деякого граничного значення (рис. 2). 
Ця обставина дає змогу залежність швидкості корозії від часу описати 
функцією такого вигляду [10]. 
 
 
 
де vh0 - початкова швидкість корозії, мм/рік; 
A - коефіцієнт наростання ня швидкості корозії; 
k - масштабний часовий коефіцієнт. 
Підставляючи часову залежність швидкості (6) у диференціальний ное 
рівняння (5) та інтегруючи його в межах від початкового моменту (t = 0) до 
поточного, знаходимо глибину пошкодженого шару металу за формулою: 
 
 
 
Результати розрахунків подано на рис. 3. 
 
Рисунок 2.2 - Зміна швидкості корозії в часі: 1 v0 = 0, 25 мм  рік, А = 2, k 
= 1,1; 2 - v0 = 0, 2 мм  рік, А = 2, k = 1; 3 v0 = 0,2 мм  рік, А = 2, k = 1,1; 4 - v0 = 
0,15 мм  рік, А = 2, k = 1 
 
48 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.3 - Зміна глибини пошкодженого шару металу в часі: 1 v0 = 0, 
25 мм  рік, А = 2, k = 1,1; 2 - v0 = 0, 2 мм  рік, А = 2, k = 1; 3 v0 = 0,2 мм  рік, А = 
2, k = 1,1; 4 - v0 = 0,15 мм  рік, А = 2, k = 1 
 
Уведемо параметр пошкоджуваності ω таким диференціальним 
рівнянням 
 
 
 
де ω t( ) - швидкість пошкоджуваності, рік1 ; 
hпр - гранична глибина пошкодження  шару металу, за якого деталі або 
вузли сталевих виробів повністю втрачають необхідні експлуатаційні 
властивості, мм. Параметр ω знаходить інтегруванням рівняння (8) 
 
 
 
На рис. 2.4 наведено графіки зміни параметра пошкоджуваності в часі за 
розглянутих значень коефіцієнтів A і k. Граничне значення параметра ω = 1 
відповідає прогнозованому моменту втрати виробом експлуатаційних 
властивостей. 
49 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.4 - Зміна параметра пошкоджуваності ω у часі: 1 - v0 = 0, 
25 мм год, А = 2, k = 1,1; 2 -v0= 0, 2 мм рік, А = 2, k = 1; 3 -v0 = 0, 2 мм год, А = 2, 
k = 1,1; 4 - v0 = 0,15 мм год, А = 2, k = 1 
 
Наведені результати моделювання дають змогу зробити такі висновки. 
Визначальні співвідношення (4)-(9) створюють основу для математичної моделі 
корозійних процесів у конструкційних сталях. Достовірність результатів 
математичного моделювання істотно залежить від точності визначення 
матеріальних функцій, що входять до модельних співвідношень. У зв'язку з цим 
виникає актуальне завдання створення масиву експериментальних даних для 
визначення матеріальних функцій конструкційних сталей, з урахуванням 
корозійних процесів, що в них протікають [5 - 9]. 
Розглянемо детальніше конструкційні сталі, які використовуються для 
виготовлення сучасних зразків сталевих виробів. До них належать хромисті сталі 
(40Х, 30ХРА), високоякісні хромонікельмолібденованадієві сталі (30ХН2МФА, 
30ХН2МФАШ), хромокремнемарганцеві сталі (30ХГСА). Механічні властивості 
деяких цих сталей наведено в табл. 1. Ці сталі використовують для виготовлення 
найбільш навантажених і відповідальних деталей і вузлів [15]. 
Відомо [2], що кінетика корозійних процесів описується швидкістю 
корозії v залежно від визначальних факторів k ii ( = 1, 2,...) і часу t за формулою: 
 
v = f k (i , t . ) 
50 
 
Швидкість корозії оцінюється за втратою маси металу m , г, з одиниці 
площі його поверхні  м2
,  , за певний час за формулою 
 
 
 
або за глибиною проникнення руйнування в метал h , мм, за формулою 
 
 
 
Таблиця 2.1 - Механічні властивості сталей 
Відносно 
Відносн Міцність 
тілесне 
Межа Межа Ударна о 
подовжит
№ текучо міцно в'язкість тілесне 
Сталь и 
п/п сті σs , ст\і σ ,В aд , звуженн
 HRC HB 
МПа МПа кДж/м2 я, 
ня, 
ψ , % 
δ, % 
1 30ХРА 1275 1569 490 9 40 43...47 2360 
2 30ХН2МФА 784 883 883 10 40 41...51 2639 
30ХН2МФА
3 Ш 947 1062 719 9 38 48...53 2639 
 
Якщо приріст глибини корозії dh у межах одиничної площі ΔS =1 
прийняти усередненим, то між обома показниками швидкості корозії існує такий 
зв'язок 
 
 
51 
 
де p - коефіцієнт піттінгоутворення, що враховує нерівномірнірність 
корозії; 
ρ - густина матеріалу, г/мм3. 
В насправді, елементарна маса корозійного шару dh на одиничній 
поверхні Δs, dm = ρ ⋅ Δs ⋅ dh або dm = dm / Δs = ρ ⋅ dh, звідки,  з урахуванням 
розмірності величин випливає справедливість зв'язку (13). Систематизовані 
дослідні дані показують, що протікання корозійних процесів у конструкційних 
сталях визначається комплексом зовнішніх чинників, що впливають на них, які 
залежно від природи їхнього впливу підрозділяють на шість груп: чинники 
механічні, кліматичні, біологічні, електричні та електромагнітні, теплові та 
радіаційні і чинники спеціальних середовищ [2,7,18]. Із цих груп найбільший 
науково-практичний інтерес становлять кліматичні та біологічні чинники, як 
найбільш довготривалі, що за своїм впливом призводять до значних економічних 
витрат. 
До кліматичних чинників слід зарахувати температуру і вологість 
повітря, корозійні агенти, а також сонячне випромінювання й атмосферний тиск. 
До біологічним факторам - нафтосинтезуючі організми (бактерії, актино 
і міксоміцети, дріжджі та гриби), фотосинтезуючі організми (водорості, 
лишайники, вищі рослини) і деякі представники безхребетних тварин 
(найпростіші, поліпи, черви) та хребетних тварин. 
В табл. 2 наведено дослідні дані щодо швидкості корозії досліджуваних 
конструкційних сталей. 
 
Таблиця 2.2 - Корозійні втрати конструкційних сталей 
Конструкційні Захисні Робочо- Швидкість корозії, 
сталі покриття консерваційні 
мастила 
 
Контрольн Зразки, 
і заражені 
52 
 
зразки сумішш
ю МО 
 
30ХРА Хімічне ГОІ-54п 14,5 35,8 
фосфатування, 
прискорене 
хромування, 
просочення 
клеєм, 
просочення 
клеєм 
БФ-4 
з нігрозином 
марки 
"А" 
30ХН2МФА Хімічне Літа 39,8 119 
фосфатування. 
тірованіе, 
прискорене- 
ное 
хроматирова- 
ня, просочення 
клеєм 
БФ-4 
з нігрозином 
марки 
"А" 
30ХН2МФА- Хімічне МС-70 14,6 18 
Ш фосфатування. 
53 
 
тірованіе, 
прискорене- 
ное 
хроматирова- 
ня, просочення 
клеєм 
БФ-4 
з нігрозином 
 
Для забезпечення стабільної антикорозійної стійкості сталей 
застосовували захисні покриття і робочеконсерваційні мастила. Встановлено 
істотний вплив фактора зараженості мікроорганізмами на підвищення швидкості 
корозії (табл. 23). 
 
Таблиця 2.3 Дані по швидкості корозії 
Конструкц
ійні 
сталі Швидкість корозії,  
У початковий У період У заключний 
період порушення за- період 
 щитного покриття  
 
Контрол Заражен Контрол Заражен Контрол Заражен
ьні і зразки ьні і зразки ьні і зразки 
зразки зразки зразки 
30ХРА 14,5 35,8 25,4 51,9 22,4 43,6 
30ХН2МФ 39,8 119 64,7 154,7 56,1 131,5 
А 
54 
 
30ХН2МФ 14,6 18 30,7 34,2 26,1 29,8 
А-Ш 
 
Систематизовані дослідні дані (табл. 3) свідчать, що залежність 
швидкості корозії від часу, за фіксованих параметрів, можна описати 
аналітичною функцією, у розумінні безперервності та диференційованості 
[9,19]. Властивість аналітичності функції v tm() (або функціїv th ( ) ) означає, що 
вона може бути розкладена в многочлен пй ступеня за формулою 
 
 
 
де ai - експериментально визначувані параметри (індекс m при сім волі 
швидкості, для простоти подальших позначень, не братимемо до уваги). 
Поліноміальну залежність (14) успішно використовують для опису 
багатьох закономірностей у механіці [12]. Для побудови залежності (14) 
використовуватимемо відомі умови з експериментальних, зокрема, 
опублікованих даних. Згідно з досвідченими даними, зі зростанням глибини 
пошкодженого шару швидкість корозії збільшується і з плином часу 
наближається до деякого граничного значення. Однак після досягнення більш 
значної глибини пошкодженого шару (h = hmах ) може спостерігатися подальше 
зниження швидкості корозії (рис. 4). Це явище пов'язане з утворенням 
важкорозчинних продуктів корозії, що гальмують подальший її розвиток. Для 
побудови залежності використовуватимемо такі відомі умови (з 
експериментальних, зокрема, опублікованих даних): 
 
у початковий момент t ( = t0 ) за формулою в  
у момент досягнення максимальної швидкості t ( = tmax ) за формулою 
 
55 
 
У заключній стадії t ( = t tk 〉max ) за формулою 
 
Ці умови визначають ступінь полінома (13) n = 3 за формулою 
 
 
 
Вносячи відомі умови (15)-(17) у залежність (18), отримуємо систему 4 
лінійних рівнянь для визначення параметрів ai за формулою 
 
 
 
Вносячи відоме з першого рівняння (18) значення параметра a0 = v0 в інші 
рівняння, отримуємо систему 3 лінійних рівнянь із трьома шуканими 
параметрами a1 , a2 , a :3 
 
 
 
яка вирішується детермінантним методом Крамера за формулами 
 
 
 
56 
 
де  
 
 
 
Усі розрахунки виконувалися в програмному пакеті MathCAD. 
Результати розрахунку параметрів a1 , a2 , a :3наведено в табл. 2.4. 
 
Таблиця 2.4 - Параметри матеріалів 
Конструкц Параметри матеріалів 
ійні 
    
сталі Конт Зараж Конт Зараж Конт Зараж Конт Зара
роль. . роль. . роль. . роль. ж. 
зразк зразк зразк зразк зразк зразк зразк зразк
и  и и  и и  и и  и 
30ХРА 14.50 35.80 2.57 1.691 -0.07 0.50 -0.01 -0.06 
30ХН2МФ 39.80 119 5.39 1.139 -0.20 1.86 -0.02 -
А 0.019 
30ХН2МФ 14.60 18 3.71 3.85 -0.07 -0.11 -0.02 -0.02 
А-Ш 
 
На рис. 2.4 представлено залежності швидкості втрати маси від часу 
протікання корозії, побудовані за залежністю (18) для наведених даних (табл. 
2.4).  Тимчасова залежність втрати маси m до поточного моменту часу t 
знаходиться інтегруванням диференціального рівняння (5). Представляючи в 
диференціальному рівнянні швидкість втрати маси поліномом (18), знаходимо 
57 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.4 - Зміна швидкості корозії в часі: а - контрольні зразки; б - 
заражені зразки 
 
Слід зауважити, що момент часу  не обов'язково дорівнює нулю, тобто 
відрізок інтегрування  може охоплювати будь-який заданий період 
розглядуваного процесу корозії конструкційного матеріалу. 
На рис. 6 показано часові залежності втрати маси досліджуваних сталей 
за різних умов їхнього захисту від корозії. 
 
 
Рис. 2.6 Залежність втрати маси металу від часу: а - контрольні зразки; б 
- заражені зразки 
 
58 
 
Уведемо параметр пошкоджуваності таким диференціальним рівнянням 
 
 
 
Де  - швидкість пошкоджуваності, рік-1; 
 - гранична втрата маси металу, за якої деталі або вузли сталевих 
виробів повністю втрачають необхідні експлуатаційні властивості, г/мм2. 
Параметр ω знаходиться інтегруванням рівняння 
 
 
 
На рис. 2.7 наведено графіки зміни параметра пошкоджуваності в часі для 
контрольних і заражених зразків із розглянутих сталей.  Граничне значення 
параметра ω = 1 відповідає прогнозованому моменту втрати виробом 
експлуатаційних властивостей. 
 
 
Рис. 2.7 Зміна глибини пошкодженого шару металу h у часі:  а - 
контрольні зразки; б - заражені зразки 
 
 
59 
 
Висновки до розділу 2 
Результати моделювання показують зручність використання двох заходів 
корозії: за глибиною пошкодження конструкційного матеріалу ( h ) і за втратою 
його питомої маси (m) . Величина m є мірою корозії питомої площі поверхневого 
шару виробу, а величина h - локальною характеристикою глибини пошкодження. 
Ці міри дають об'єктивну оцінку корозійної пошкодженості виробу, засновану 
на моделюванні з використанням систематизованих дослідних даних. 
Матеріальні функції, що входять до модельних співвідношень і визначені на 
основі систематизованих дослідних даних, дали змогу одержати достовірні 
результати з оцінки пошкоджуваності сталевих виробів. 
60 
 
3  ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА 
 
3.1 Об'єкти дослідження та використовуване обладнання 
 
Як зразки дослідження корозійної стійкості було обрано сталі марок 
Fe37-3FN і У10А. Fe37-3FN є конструкційною сталлю з низьким вмістом 
вуглецю, У10А - інструментальна високовуглецева сталь (таблиця 3.1). 
Таблиця 3.1 – Хімічний склад сталей 
 С Si Mn Ni S P Cr Cu 
Fe37- 0,14- 0,05- 0,4- ≤0,3 ≤0,05 ≤0,04 ≤0,3 ≤0,3 
3FN 0,22 0,17 0,65 
У10А 0,75- 0,17- 0,17- ≤0,25 ≤0,018 ≤0,025 ≤0,2 ≤0,25 
0,84 0,33 0,28 
В роботі були використані прилади та реактиви, склад яких 
представлений у таблиці 3.2. 
Таблиця 3.2 - Обладнання та реактиви 
Обладнання Реактиви 
Mini Spray Dryer B-290 хлорид цинку 
Ваги електронні лабораторні Acculab нітрат цинку 
ALC-1100d2 
Мультиметр VC9808 Аміак 
Сушильна шафа ГП-20 Наночастинки Оксид цинку (хч) 
Потенціостат CS2150M Кислота азотна (хч) 
Рентгенівський дифрактометр LabX Кислота соляна (хч) 
XRD-6100 
61 
 
Універсальний твердомір AlphaDUR Гідроксид натрію (хч) 
II 
Ванна ультразвукова Ultrasonic Гідроксид калію (хч) 
cleaner Skymen JP-008 
Змішувач INTLLAB Lab Vortex Mixer Акриловий поліуретановий 
Mini Adjustable Speed Ink Shaker зносостійкий лак для гіпсу 
Orbital Pigment Bottle Shaking Agitator акрилового композиту дерева для 
Samples Mixer 2800rpm творчості на водній основі 
напівматовий 
Морська сіль 
 
3.2 Методика підготовки зразків та СХР 
Підготовка наночастинок. У роботі ми використовували НЧ оксиду 
цинку отримані методом нанорозпилювального сушіння. Розпилювальне 
сушіння - це метод отримання сухого порошку з рідини або суспензії шляхом 
швидкого сушіння гарячим газом Mini Spray Dryer B-290 була розроблена для 
отримання часток розміром від 300 нм до 10 мкм з розчинів або суспензій, 
шляхом висушування або інкапсулювання з виходом до 90 %. Розмір частинок 
на виході залежить в основному від обраного розпилювального сопла [24]. 
Процес сушіння відбувається всередині розпилювального циліндра 
(рисунок 3.1). Після встановлення стабільного газового потоку, через 
розпилювальну головку в циліндр надходять найдрібніші краплі робочого 
розчину. Краплі зразка висихають в атмосфері гарячого повітря [25]. 
Осушувальний газ проходить через нагрівач і надходить на вертикально (або 
під кутом) закріплену розпилювальну головку. Краплі зразка висихають у 
потоці нагрітого повітря в міру руху по розпилювальному циліндру. Електричне 
поле генерується завдяки високій напрузі між електродом-колектором і 
електродом високої напруги. 
 
62 
 
 
 
Рисунок 3.1 - Схема роботи установки Mini Spray Dryer B-290 
63 
 
У той час як високовольтний електрод змінює траєкторію частинок 
(зсуває в бік стінок), електрод-колектор притягує їх. Таким чином, частинки 
збираються на внутрішній стороні електрода-колектора частинок. По 
завершенні роботи установки частинки знімають зі стінки колби за допомогою 
спеціальної лопатки, отримуючи порошок [26]. На рисунку 3.2 представлено 
схему процесу отримання наночастинок Оксид цинку за допомогою 
розпилювального сушіння. Суспензію для розпилювального сушіння готували 
таким чином: 100 мл розчину нітрату цинку (0,5 моль/л) повільно і рівномірно 
додають до 60 мл розчину гідроксиду натрію (1 моль/л), щоб отримати 
суспензію гідроксиду цинку. Потім виділення гідроксидів із суспензій на 
установці Mini Spray Dryer B-290. 
  
Рисунок 3.2 - Процес отримання наночастинок Оксид цинку за 
допомогою розпилювального сушіння 
 
64 
 
Під час експерименту використовували такі параметри розпилювального 
сушіння: швидкість газового потоку 103-105 л/хв, відносна інтенсивність 
розпилення 45-59 %, Т = 80 °C, P = 31 Па. Нанопорошки збирали з циліндра і 
відпалювали за температури 250 ˚C протягом 1 год. 
Отримані наночастинки оксиду цинку являють собою агломерати 
розмірами приблизно 1 мікрона, які складаються з кристалітів нанометрового 
діапазону (рис. 3.3). 
 
 
Рисунок 3.3- Порошок оксиду цинку отриманий методом 
нанорозпилювального сушіння на установці Mini Spray Dryer B-290: а - РЕМ 
зображення, б - розподіл частинок за розміром 
 
Підготовка сповільнювачів хімічних реакційа. Як полімерну 
матрицю для наночастинок оксиду цинку було обрано комерційну дисперсію 
65 
 
акрилового лаку. До складу акрилового лаку здебільшого входять: (1) рідкий 
полімер, акрилова дисперсія (полімери проп-2-енової та 2 метилпроп-2-енової| 
кислот та їхніх похідних); 
Сповільнювач хімічних реакцій готували і наносили на поверхню сталі 
двома способами. Перший - змішували акриловий лак з оксидом цинку (10 мл 
акрилового лаку + 0,015 г НЧ Оксид цинку (0.15 мас. %)), потім наносили на 
поверхню сталі. 
Другий - спочатку наносили наночастинки оксиду цинку (25 мл води + 
0,0375 г НЧ Оксид цинку (0,15 мас. %)) з водної суспензії, сушили за кімнатної 
температури протягом 15 хвилин, а потім наносили акриловий лак. 
Для отримання рівномірної дисперсії нанооксиду цинку суспензію 
обробляли 15 хвилин за допомогою УЗ-ванни ODA-LQ40 і потім 2 хвилини 
перемішували за допомогою вихрової мішалки вортекс XH-D. Однорідно 
змішаний сповільнювач хімічних реакцій корозії показаний на рисунку 3.4 (в). 
 
 
Рисунок 3.4 - Ванна ультразвукова ODA-LQ40 (а); вортекс XH-D (б); 
суміш акрилового лаку і НЧ Оксид цинку (в). 
 
3.3 Методи дослідження 
Поверхню зразка полірували шліфувальним папером різної зернистості 
(Р60, Р100, Р320). Після чого очищали етанолом. Після чого очищали етанолом. 
Сталеві зразки являли собою пластини розміром 1×1 см. 
Вимірювання втрати маси сталевих зразків у середовищі суміші кислот 
і соляної кислоти (HNO3:Соляна кислота:H2O=3:2:5) проводили 
66 
 
гравіметричним методом. Під час вимірювань використовували електронні 
лабораторні ваги ALC-110d4. 
Підготовлені зразки занурювали в середовище суміші азотної та соляної 
кислот. Масу зразка вимірюють один раз кожні п'ять хвилин, загальною 
тривалістю 30 хвилин. Зразки закріплювали на фторопластовому тримачі по 3 
одночасно. Перед зважуванням зразки промакували паперовими серветками для 
видалення вологи з поверхні. 
 
 
Рисунок 3.5-Електронні лабораторні ваги (а); Зразок у корозійних 
умовах (б); 
 
Потенціометрія - заснована на вимірах рівноважного потенціалу (ЕРС), 
цей метод використовували як електрохімічну оцінку ефективності 
сповільнювач хімічних реакцій. 
 
 
Рисунок 3.6 -мультиметр (а); Робоча електрохімічна комірка (б); 
ізольовані електроди сталі У10А і Fe37-3FN (в). 
 
67 
 
Дослідження проводили в трьох середовищах: кислому, лужному та 
нейтральному. Як електрод порівняння було використано насичений 
хлоридсрібний електрод. Як електроліти використовувалися: 0,1М Соляна 
кислота, 0,1М NaOH, 3,5% Хлорид натрію. Для заміру потенціалу 
використовували мультиметр (рисунок 3.6, а). Вимірювання проводили 
протягом 30 хв. 
Сталеві електроди являли собою пластини розмірами 5×5 мм з 
припаяними контактами на одній зі сторін. Пластини були поміщені в скляні 
трубки. Контакти були ізольовані парафіном. Корозійні діаграми реєстрували 
за допомогою трьохелектродної комірки на потенціостаті (рисунок 3.7). Як 
фонові електроліти використовували 0,1М Соляна кислота, 3,5% Хлорид 
натрію, приготовані з використанням дистильованої води, об'єм електроліту в 
комірці - 60 мл. Програмне забезпечення "CS Studio5" використовували для 
отримання та часткового опрацювання результатів. 
В як допоміжний електрод порівняння використовували насичені 
хлоридсрібні електроди. Реєстрацію корозійних кривих проводили в 
середовищах 0,1М Соляна кислота і 3,5% Хлорид натрію. Діапазон сканування 
становив від -0,3 до 0,3 В vs OCP, швидкість сканування становить 10 мВ/сек. 
 
 
Рисунок 3.8- Потенціостат CorrTest CS310 
 
У цьому дослідженні він використовується для спостереження за 
структурою поверхні сталі після нанесення СХР корозії. Ефективність 
сповільнювач хімічних реакційа корозії визначали шляхом порівняння 
структури до та після корозії. Сталі Fe37-3FN та У10А піддавали корозії в 
68 
 
суміші кислоти та соляної кислоти (HNO3:Соляна кислота:H2O = 3:2:5) 
протягом 30 хв з сповільнювач хімічних реакційами корозії та без них, зразки 
очищували деіонізованою водою та сушили. Зразки до та після корозії 
спостерігали за допомогою універсального твердоміра DuraVision-30 (рисунок 
3.9). Збільшення, що використовується для спостереження за зразками, 
становило 20 крат. 
 
 
Рисунок 3.9 - Універсальний твердомір DuraVision-30 
 
Рентгенофазовий аналіз (РФА) - це метод кількісного та якісного 
визначення фазового складу кристалічних зразків, що ґрунтується на вивченні 
дифракції рентгенівських променів. 
 
 
Рисунок 3.10 -Дифрактометр рентгенівський Shimadzu XRD-7000S 
 
У цьому дослідженні ми використовуємо Рентгенівський дифрактометр 
Shimadzu XRD 7000 для фазового аналізу (рисунок 3.10). 
69 
 
 Сталі Fe37-3FN і У10А шліфували шліфувальним папером Р100 до 
гладкої поверхні без слідів корозії. На поверхню сталі наносили суміш 
акрилової фарби і НЧ Оксид цинку як відмінний сповільнювач хімічних реакцій 
корозії. Розділили на 6 контрольних груп, як показано в таблиці 3.3. Корозію 
зразків проводили в суміші кислот (HNO3:Соляна кислота:H2O=3:2:5) 10 
хвилин. Потім сталеві зразки промивали дистильованою водою і сушили. Після 
висихання запакуйте в пакет, відзначте інформацію та підготуйте зразок для 
рентгенофазового аналізу. 
 
Таблиця 3.3 - Підготовлені зразки сталі Fe37-3FN/У10А. 
1 -Fe37-3FN/У10А 1´-Fe37-3FN/У10А після травлення 
2 -Fe37-3FN/У10А-АЛ 2´ -Fe37-3FN/У10А-АЛ після травлення 
3 -Fe37-3FN/У10А-(АЛ+НЧ) 3´ -Fe37-3FN/У10А-(АЛ+НЧ) після 
травлення 
 
Оцінка фазового складу в процесі травлення була виконана за 
допомогою отримання рентгенофазових дифрактограм сталі до і після 
травлення (Дифрактометр рентгенівський Shimadzy XRD-7000S). Рентгенівська 
трубка: Cu, напруга 40 (кВ), струм 30 (мА). Реєстрацію дифракції проводили в 
діапазоні від 20 до 90 градусів (2θ) зі швидкістю 1о /хв, крок 0,03 .о 
 
3.4 Методика експерименту 
Для дослідження були відібрані зразки з вмістом Si=0,10% та P=0,04%. 
Хімічний склад зразків визначався за допомогою емісійного рентгенівського 
аналізатора Foundry-Master XPR. Зразки пройшли попередню хімічну обробку 
поверхні за стандартною заводською технологією: знежирення, промивання, 
травлення, промивання, флюсування та сушіння. Оцинкування проводилося в 
експериментальній цинкувальній ванні. Для дослідження було обрано два 
температурних діапазони: стандартна температура 450-470 оС і висока 
70 
 
температура 535-555 оС. Час витримки становив 40, 80 і 160 секунд. Цинковий 
розплав містив 0,002-0,005% добавки алюмінію. 
Були досліджені поперечні перерізи ниток зразків. Товщину вимірювали 
за допомогою оптичного мікроскопа. Для кожного зразка було зроблено десять 
вимірювань: одне у верхній частині нитки, одне в кінці і одне в заглибленні. 
Елементний склад покриття визначали за товщиною за допомогою 
растрового електронного мікроскопа TESCAN Vega SB, оснащеного 
енергодисперсійним детектором INCAx-act. 
Оптична мікроскопія при 200-кратному збільшенні показала, що 
товщина і мікроструктура оцинкованих покриттів суттєво відрізнялися залежно 
від процесу цинкування. Дефектні покриття характеризуються випуклостями 
країв, порожнинами і великими варіаціями товщини. Високоякісні покриття 
рівномірні за товщиною. У заглибленнях різьблення немає ділянок провисання 
(рис. 3.10). 
Дослідження показують, що в стандартному температурному діапазоні 
450-470°C товщина покриття на поверхні та верхівці нитки є постійною, в той 
час як товщина покриття в порожнині зменшується з підвищенням температури. 
Час витримки в розплаві не впливає на товщину покриття на кінчику нитки і 
поверхні нитки, яка не перевищує 100 мкм. Товщина покриття в порожнині 
збільшується зі збільшенням часу витримки. У зв'язку з цим оптимальні 
технічні параметри вибирали, виходячи з мінімальної товщини покриття в 
порожнині нитки. 
Результати експерименту проілюстровані на графіку залежності 
товщини покриття в порожнині нитки від часу витримки та температури 
плавлення (рис. 3.11). З аналізу результатів видно, що мінімальна товщина 
покриття (275 мкм) спостерігається при температурі 470 °C і часі витримки 80 
с. 
 
71 
 
 
Рис. 3.10  а- дефектне покриття; б- якісне покриття 
 
 
Рис. 3.11 - Діаграма залежності товщини покриття в западинах 
різьблення від часу витримки і температури розплаву в інтервалі стандартних 
температур 450-470 оС 
 
Можна припустити, що ці параметри процесу дозволяють досягти 
оптимальних значень рідини розплаву і добре видалити надлишок цинку з 
різьби під час операції вібраційного струшування. Аналіз мікроструктури 
цинкового покриття на вершинах, кінцях і заглибленнях ниток показав, що при 
температурі 470°C і часі 80 с покриття було щільним, однорідним, без пор і 
тріщин. Плівка покриття містить всі основні фази, характерні для даної 
температури цинкування. Фази мають стовпчасту кристалічну морфологію, а 
фази мають дендритну структуру. На поверхні покриття з'являються окремі 
72 
 
кристаліти фаз (рис. 3.12). Така структура характерна для сталей з вмістом 
кремнію 0,1%. Однак отримана в цій області мінімальна товщина покриття 275 
мкм у заглибленні різьби не забезпечує задовільного нарізування різьби 
кріпильних виробів: у високотемпературному діапазоні 535-555 °C товщина 
покриття на кінці і вершині різьби є постійною, тоді як товщина покриття в 
порожнині різьби з підвищенням температури збільшується, а в заглибленні 
зменшується. Це пов'язано зі зміною фазового складу покриття, і при 
температурі вище 530°C фаза зникає з покриття.  
Зі збільшенням часу витримки збільшується товщина покриття на 
вершині, кромці та в заглибленнях різьби. У цьому температурному діапазоні 
мінімальна товщина покриття в заглибленнях ниток досягається при 
температурі 555°С і часі витримки 40 с, при цьому мінімальний перепад 
товщини становить 120 мкм (рис. 3.13). Вивчення мікроструктури покриття, 
отриманого при температурі 555°С і часу витримки 40 с, показує, що покриття 
є щільним і однорідним. У покритті спостерігається А-фаза, за якою слідує 
змішана зона дрібнодисперсних фаз. Відколів або розшарування покриття не 
спостерігалося (рис. 3.14). Таким чином, аналіз мікроструктури покриття на 
різьбі кріплення свідчить про те, що найбільш якісне цинкове покриття 
мінімальної товщини формується на сталі Ст3пс при температурі цинкування 
555°С і часу витримки 40 секунд. Ці технічні параметри можуть бути 
рекомендовані для коригування технологічного режиму гарячого цинкування 
метизів. 
 
73 
 
 
Рисунок 3.12 Мікроструктура цинкових покриттів при 470°C, час 
витримки 80 с. 
 
 
Рис. 4. Діаграма залежності товщини покриття в западинах різьблення 
від часу витримки і температури розплаву в інтервалі підвищених температур 
530-560 оС 
 
 
Рис. 5. Мікроструктура цинкового покриття за температури 555 оС, час 
витримки 40 сек. 
74 
 
Висновки до розділу 3 
Температура гарячого цинкування і час витримки є основними 
параметрами процесу, що впливають на товщину і мікроструктуру покриття. 
Основною вимогою до цинкових покриттів на кріпильних різьбах є їх 
мінімальна товщина. Це дослідження дозволило визначити залежність товщини 
покриття від температури розплаву і часу витримки на торцях, вершинах і 
заглибленнях різьби і розробити рекомендації щодо вибору технічних 
параметрів для цинкування цього виду виробів. Ключові слова: гаряче 
цинкування, цинкові покриття, кремнійвмісні сталі, фазовий склад покриттів, 
мікролегування цинкових розплавів. 
 
75