Законы роста пленок на поверхности металлов

Законы роста пленок на поверхности металлов [c.29]

Законы роста оксидных пленок на поверхности металлов. Процессы газовой коррозии — это многостадийные гетерогенные процессы, протекающие на границе раздела фаз металл — газовая среда. В процессе взаимодействия металла, с газообразными веществами, который сопровождается образованием пористой оксидной пленки на поверхности металла, можно выделить следующие последовательно протекающие стадии [c.78]

Растрескивание при сдвиге (рис. 49, д) характерно для пленок, обладающих большой адгезией к металлу и сравнительно малой прочностью. Этот вид разрушения, не ведущий к удалению пленки на большом участке поверхности, обычно не вызывает резкого увеличения скорости окисления металла, но способствует переходу от чисто диффузионного контроля процесса (параболический закон роста окисной пленки) к диффузионно-кинетическому контролю (сложно-параболический закон роста пленки). [c.79]

Окисная пленка АЬОз растет при 35 —600 °С по параболическому закону, рост сопровождается диффузией ионов металла на поверхиость окисла, а с 500—550 °С — по линейному закону, путем диффузии иоиов кислорода к поверхности алюминия. [c.93]

Прп образовании на поверхности металла или полупровод ника плотной окисной пленки, пространственно разделяющей реагирующие компоненты, дальнейшее протекание реакции окисления возможно только в условиях диффузии одного или обоих компонентов через слой продуктов реакции. При повышенных температурах кинетика роста окисной пленки обычно описывается параболическим законом [1, 2]. Теоретическое обоснование этого закона, учитывающего контролирующую роль диффузионных процессов, было дано Вагнером [3—5]. [c.19]

Изучение кинетики приведенных выше реакций показывает, что скорость их существенно зависит от образования на поверхности стали защитного слоя из окислов железа. Окисление железа перегретым паром детально исследовано при его протекании целесообразно различать первичное и постоянное образование защитного слоя. Первичное образование защитных окисных пленок охватывает все процессы, которые проходят на гладкой металлической поверхности до образования сплошного слоя магнетита. На основе измерений содержания водорода в паре установлено, что эти первичные процессы заканчиваются примерно после двух дней работы котла. В течение этого периода защитные пленки продолжают постоянно расти. Процесс контролируется диффузией ион-атомов железа через слой магнетита от металла к коррозионной среде. На внешней стороне слоя магнетита эти ионы окисляются паром с образованием окислов. Поэтому слой магнетита продолжает расти со стороны пара, а не со стороны поверхности раздела железо-магнетит. Очевидно, что описанный процесс со временем должен замедляться, так как утолщение слоя окисла железа затрудняет процесс диффузии. В этот период рост толщины слоя окиси железа d пропорционален корню квадратному из времени контакта железа с паром т, т. е. подчиняется параболическому закону [c.28]

Жаростойкость металлов, а также закон роста толщины пленок на металлах h во времени т, т.е. h = f(r), в значительной степени зависят от защитных свойств образующихся пленок. Защитные свойства пленки оценивают по. значению скорости окисления металла, которая устанавливается при возникновении пленки, и характеру изменения этой скорости во времени. В некоторых слу- чаях относительные защитные свойства пленки можно определить по времени проникновения через пленку до металла какого-либо подходящего для этих целей реагента, нанесенного на поверхность пленки. [c.24]

Если значение k относительно мало (что справедливо для большинства металлов, когда температура не очень высока), материал, рост пленки которого соответствует параболическому закону, на практике часто считается умеренно стойким. Несмотря на это, в работе он может оказаться неудовлетворительным. Например, предположим, что через час окисление какой-то металлической поверхности происходит со скоростью, в 10 раз превышающей ту. которая считается практически максимально допустимой. Со временем скорость, конечно, понизится, но удовлетворительное значение может быть получено только через 100 час. При этом пленка будет в 10 раз толще, чем при медленном окислении сначала, и опасность отслаивания и растрескивания увеличится если произойдет такое разрушение пленки, то снова наступит быстрое окисление. В случае применимости логарифмической [c.35]

В тех случаях, когда это соответствие не соблюдается точно, в окисле должна появиться небольшая деформация. В случае поликристаллического металла деформация будет изменяться от кристалла к кристаллу. Таким образом, расстояние между ионами (в направлении параллельном к поверхности) в окисле, покрывающем одно зерно, и в окисле, покрывающем соседнее зерно, будет различно, и энергия, необходимая для иона, чтобы пройти свой путь от одной стороны к другой, будет также различна. Можно ожидать, что это повлияет на скорость движения через пленку, даже если окисел кристаллизуется в кубической решетке Если рост пленки подчиняется параболическому закону, то значение k будет изменяться с направлением кристалла, что объясняет очень красивое явление, наблюдаемое многими экспериментаторами. Когда разрез поликристаллического металла нагревается в кислороде с целью получить пленки, соответствующие цветам побежалости, то зерна окрашиваются неодинаково. Это указывает на то, что толщина пленки на каждом зерне различна. [c.50]

Линейный закон применим к реакции на поверхности твердого тела, приводящей к образованию пленки, слабо связанной с поверхностью такая пленка легко отслаивается от металла, и поэтому возле металла всегда имеется избыток газа, а скорость реакции не зависит от времени. Подобным образом протекает окисление щелочных и щелочноземельных металлов. В более общем случае этот закон применим к системам, в которых скорость реакции определяется реакциями на границе между металлом и пленкой. Параболический закон описывает процесс роста, лимитируемый диффузией через пленку, прочно связанную с поверхностью (продукт реакции). Отклонения от линейного и параболического законов роста могут быть следствием побочных явлений, таких, как повторяющиеся процессы растрескивания и залечивания пленок. Рост тонких пленок описывается иными законами, и мы рассмотрим их в следующем разделе. [c.164]

На рис. 14 приведены различные типы разрушений окисных пленок при их росте на металлах. Образование пузырей (см. рис. 14, а) имеет место в тех случаях, когда прочность пленки на разрыв велика, а адгезия к поверхности металла мала. При недостаточной прочности пленки образуются пузыри с разрывом (рис. 14,6), что делает пленку газопроницаемой, незащитной, и под пузырем образуется новая окисная пленка. Такой вид разрушения заметно снижает защитные свойства окисной пленки, о чем свидетельствуют резкие изломы кривой окисления (см. рис. 13) это может привести также к изменению закона роста пленки переходу от па аболиче- [c.40]

Суммируя все ранее изложенное, известные закономерности роста пленок на металлах во времени можно объединить обобщающей кривой, представленной на рис. 28. В начальный момент окисления чистой поверхности металла процесс роста пленки в основном определяется величиной константы скорости химической реакции. На этом участке АВ) кривая окисления близка к прямой АМ, тангенс угла наклона которой пропорционален константе скорости химической реакции. Далее, на участке ВС ход кривой определяется сложным уравнением (17), включающим член у в первой и второй степени. С дальнейшим утолщением пленки, например после точки С, ее рост все ближе подходит к чисто параболическому закону роста. Участок ED соответствует часто наблюдаемой параболической зависимости роста пленок от времени. Таким образом, линия AB ED представляет основную кривую окисления металла, получаемую при допущении диффузионного торможения окисления и без каких-либо осложняющих обстоятельств. [c.53]

Механизм данного явления, вероятно, заключается в диффузии кислорода внутрь сплава и реакции его с легирующими компонентами, обладающими большим сродством к кислороду, чем основной металл, прежде чем эти компоненты смогут мигрировать к поверхности сплава. При концентрациях легирующего компонента выше критической на поверхности идет образование плотного защитного слоя, состоящего из оксида этого компонента, который препятствует внутреннему окислению. Рост толщины внутреннего слоя окалины подчиняется параболическому закону, так как процесс контролируется диффузией кислорода сквозь наружную пленку. Более подробно это явление рассмотрено Реппом [48]. [c.203]

Исследование кинетики процесса пароводяной коррозии показало, что наиболее совершенными защитными свойствами обладает слой магнетита. Коэффициенты линейного расширения данного окисла и стали различны и составляет соответственно 8,46- 10 °С и 12-10 ° S что является одной из причин непрочного сцепления Рез04 со сталью. При наличии на поверхности стали даже сплошного слоя магнетита процесс окисления при высоких температурах может продолжаться. Рост окисла в этом случае происходит преимущественно с внешней стороны, за счет диффузии ион-атомов металла к ионизированным атомам кислорода в паре, а не наоборот. При этом необходимое количество ионов кислорода поставляется молекулами водяного пара по различным промежуточным ступеням. Наиболее медленной (контролирующей) стадией процесса окисления стали паром является диффузия ион-атомов железа через окисный слой. Рост толщины подобной пленки подчиняется параболическому закону (см. 1-5) [c.254]

При нагревании до 300° на поверхности стали возникает окисная пленка гематита ГегОз, твердость которой в 4—5 раз выше твердости основного металла [19]. Если пленка плотная, то диффузия окислителя мала, и скорость ее роста подчиняется логарифмическому закону. Пленка в этом случае получается тонкая и пластичная, коэффициенты ее линейного и объемного расширения мало отличаются от таковых для стали. Поэтому на ней отсутствуют микротрехцины. [c.27]

При нагревании стали до 600° скорость роста окисной пленки подчиняется степенному закону с показателем степени больше двух. При этой температуре на поверхности стали образуются все три окисла ГегОз, Гез04 и FeO. Толстые многослойные пленки имеют много дефектов в етроении, вызванных различием в линейных и объемных коэффициентах теплового расширения. Наличие на поверхности надрывов и трещин облегчает процесс диффузии и способствует повышению скорости роста пленки. Разные окислы слабо сцеплены между собой, поэтому иногда наблюдается откалывание окалины даже без воздействия абразива. Этот процесс особенно заметен на углеродистых сталях при температуре выше 575°, когда на границе металл — пленка начинает образовываться закись железа, имеющая плохое сцепление с основным металлом [20]. Кроме того, толстые пленки очень хрупки, что приводит к возрастанию роли ударного износа, так как даже малоабразивные и мелкие частицы будут пробивать окалину, тогда как при ее отсутствии они практически не влияют на износ. Образованию рыхлых пленок спо- [c.27]

Образующаяся при окислении титана кислородом окалина состоит преимущественно из двуокиси Т10г (окисел с недостатком кислорода) со структурой рутила и обладает слабыми защитными свойствами. Рост окисной пленки во времени описывается различными законами (логарифмическим, кубическим, параболическим, линейным) в зависимости от температуры (см. табл. 2). При высоких температурах (выше 650° С) окалина на поверхности титана пориста и склонна к отслаиванию. При температурах выше 500° С титан растворяет в большом количестве кислород, в результате чего резко повышаются твердость и хрупкость металла. [c.68]

При 60 °С практически сразу после погружеи пя з воду на повер.хиости металла образуется пленка байерита п вес образца увеличивается. Через 5 ч после погружения начинает образовываться бемит. Толщина слоя бемита достигает нескольких сотен ангстрем и кристаллографическая плоскость его (001) предпочтительно ориентируется параллельно поверхности алюминия. В пленке байерита параллельно плоскости металла расположена плоско сть (010). При этом наблюдается межкристал-литная коррозия. Аморфная пленка образуется в течение нескольких секунд. Насыщение воды кислородом интенсифицирует образование окисной пленки. При 80 °С присутствие кислорода в воде не влияет на скорость образования окисла. Рост пленки бемита при 40—60°С происходит по параболическому закону. Немногочисленные язвы, образовавшиеся при 20—40 °С, заполнены поликристаллическим байеритом. Наблюдается предпочтительная ориентировка в бемите. [c.23]

Благородные металлы. На одном металле рост окисной пленки в зависимости от температуры и времени выдержки в кислороде следует различным законам, однако, разные металлы, подвергнутыедействию кислорода при сравнимых температурах, ведут себя совершенно различно. В случае неблагородных металлов поведение определяется больше природой образующейся окисной пленки, чем сродством металла к кислороду. Очевидно, если металл не имеет сродства к кислороду (т. е. когда окисел не устойчив и разлагается на металл и кислород при рассматриваемой температуре), никакого окисления ожидать нельзя. Таким свойством обладают только благородные металлы неблагородные металлы окисляются при нагреве даже при весьма низких давлениях кислорода. Поверхность может остаться чистой и блестящей, если окисел летуч, что может случиться, например, у молибдена (детально об окислении молибдена см. литературу [38], [39]). [c.42]

На первый взгляд, кажется, что измерения различных исследователей находятся в противоречии и состояние поверхности может играть важную роль. Как было замечено в ранней работе Хора, количество хрома, несомненно, зависит от того, какое время образец предварительно подвергался действию воздуха, причем количество хрома было наименьшим при длительном пребывании образца на воздухе. Недавнее исследование в Теддинг-тонской химической лаборатории показало, что это количество растет с увеличением времени погружения металла в раствор хромата. Исследователи в Теддингтоне считают, что рост пленки, начавшийся на воздухе, продолжается при погружении металла в раствор хромата, причем рост происходит по тому же закону, но с другой постоянной скоростью. Они обнаружили, что содержание хрома в пленке больше, если в растворе имеется кислород, чем в его отсутствие. Объяснение дается на стр. 136 [30]. [c.145]

ИЛИ сокращаются вследствие этого). Если они накапливаются у промежуточной поверхности, то они могут образовать полости, что показано работами Пфейля (стр. 40) и, Даннингтона, Бека и Фонтана (стр. 51) на железе. Такие полости могут уменьшить площадь соприкосновения между металлом и окислом и усложнить этим закон роста. В конечном счете окисление станет ненормально медленАым (стр. 758). В другом случае пленка над полостью неожиданно может разрушиться, и внезапно снова начнется быстрое окисление эти внезапные переломы на кривых отмечены на стр. 50. Возможно также, что полости закрываются при сжатии окисла, как показано Муром [2]. [c.810]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...