From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 82519 10.52957/27821900_2021_04_50 Научные статьи Scientific articles Научные статьи The effect of the sol-gel pH on the properties of Al2O3- and SiO2-coatings on low-alloyed 08kp steel Влияние рH золь-гель системы на свойства Al2O3- и SiO2–покрытий на низколегированной стали 08кп Кудрякова Н О Kudryakova N O

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Гришина Е П Grishina E P

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Раменская Л М Ramenskaya L M

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук Institute of Solution Chemistry of G.A. Krestov of the Russian Academy of Sciences Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России Иваново Россия Ivanovo Fire and Rescue Academy of the Russian Ministry for Emergency Situations Ivanovo Russian Federation 23 12 2021 23 12 2021 2 4 50 60 01 12 2021 09 12 2021 https://chemintech.ru/en/nauka/article/82519/view

Изучены возможность получения и свойства тонкослойных антикоррозионных керамических покрытий на низколегированной стали 08кп - двуслойных оксидно-алюминиевых, оксидно-кремниевых и двухкомпонентных Al2О3-SiO2–покрытий. Для получения соответствующих покрытий путем гидролитической поликонденсации изопропоксида алюминия и тетраэтоксисилана приготовили соответственно золи/гели бемита с рН, равном 5 и 9, и гидратированного оксида кремния с рН = 9. Для получения двухкомпонентных покрытий были приготовлены смеси алюмогеля и кремнегеля (рН = 9) при соотношении компонентов 1:4 и 4:1. Приготовленные коллоидные системы охарактеризованы методами рН-метрии, анализа размера частиц и дзета-потенциала. Морфология покрытий изучена методом сканирующей электронной микроскопии. Показано, что только оксидно-алюминиевые покрытия имеют однородную структуру, в то время как SiO2- и Al2O3-SiO2–покрытия после термической обработки имеют дефекты в виде сетки микротрещин. Оценка защитных свойств покрытий была проведена в 3.5%-ном растворе хлорида натрия при температуре (231)С с применением электрохимических методов исследования. На основании коррозионных диаграмм рассчитаны плотности тока коррозии и показано, что только однокомпонентные Al2O3–пленки и двухкомпонентные пленки с высоким содержанием оксида алюминия обладают защитным эффектом. Данные электрохимической импедансной спектроскопии использованы для моделирования границы раздела фаз металл-пленка-электролит с помощью эквивалентной электрической цепи. Рассчитаны значения параметров цепи и их изменение в зависимости от времени экспозиции образца. Лучшие результаты показали оксидно-алюминиевые пленки, полученные из алюмогеля с рН = 5, и двухкомпонентные Al2O3-SiO2–пленки состава 4:1.

The article concerns with the possibility and properties of thin-layer anticorrosive ceramic coatings on low-alloyed 08kp steel - two-layer oxide-aluminium, oxide-silicon and two-component Al2O3-SiO2-coatings. In order to obtain the coatings by hydrolytic polycondensation of aluminium isopropoxide and tetraethoxysilane we prepared boehmite sols/gels with pH = 5 and 9 and hydrated silicon oxide with pH = 9 respectively. We made the mixtures of alumina gel and siliceous gel (pH = 9) in 1:4 and 4:1 ratios to obtain bicomponent coatings. These colloidal systems are characterised by pH-metry, particle size analysis and zeta-potential analysis. The morphology of the coatings includes the scanning electron microscopy. The results show that only the oxide-aluminium coatings have a homogeneous structure, while the SiO2- and Al2O3-SiO2-coatings after heat treatment have defects in the form of micro-crack meshes. The assessment of protective properties of the coatings was in a 3.5% sodium chloride solution at (231)C using electrochemical methods. Study contains the corrosion current densities calculations based on corrosion diagrams. Only single-component Al2O3-films and two-component films with high aluminium oxide content have a protective effect. Electrochemical impedance spectroscopy data modeled the metal-film-electrolyte interface using an equivalent electrical circuit. The work contains the calculations of the values of the circuit parameters and their variation as a function of sample exposure time. The oxide-aluminium films made from aluminogel with pH = 5 and two-component Al2O3-SiO2 films of 4:1 composition show the best results.

 золь-гель оксидное покрытие противокоррозионное покрытие конструкционная сталь оксид алюминия оксид кремния потенциометрия электрохимическая импедансная спектроскопия sol-gel oxide coating corrosion protection coating structural steel aluminium oxide silicon oxide potentiometry electrochemical impedance spectroscopy Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Администрации Ивановской области в рамках научного проекта № 18-43-370030_р_а. The study was under financial support of the Russian Foundation for Basic Research and the Ivanovo Region Administration as part of Scientific Project No. 18-43-370030_r_a.

Коррозия: Справочник / под ред. Л.Л. Шрайера. М.: Металлургия, 1981. 632 с. Korroziya: Spravochnik / pod red. L.L. Shrayera. M.: Metallurgiya, 1981. 632 s. Bahuguna G., Kumar Mishra N., Chaudhary P., Kumar A., Singh R. Thin Film Coating through Sol-Gel Technique. Research Journal of Chemical Sciences. 2016. V. 6(7). P. 65-72. Bahuguna G., Kumar Mishra N., Chaudhary P., Kumar A., Singh R. Thin Film Coating through Sol-Gel Technique. Research Journal of Chemical Sciences. 2016. V. 6(7). P. 65-72. Durán A., Castro Y., Conde A., Damborenea J.J. Sol-Gel Protective Coatings for Metals. Handbook of Sol-Gel Science and Technology. Sol-Gel Protective Coatings for Metals. Berlin: Springer, 2018. P. 2369–2433. DOI: 10.1007/978-3-319-32101-1_70. Durán A., Castro Y., Conde A., Damborenea J.J. Sol-Gel Protective Coatings for Metals. Handbook of Sol-Gel Science and Technology. Sol-Gel Protective Coatings for Metals. Berlin: Springer, 2018. P. 2369–2433. DOI: 10.1007/978-3-319-32101-1_70. Zheludkevich M.L., Miranda Salvado I., Ferreira M.G.S. Sol–gel coatings for corrosion protection of metals. Journal of Materials Chemistry. 2005. V. 15. P. 5099-5111. DOI: 10.1039/b419153f. Zheludkevich M.L., Miranda Salvado I., Ferreira M.G.S. Sol–gel coatings for corrosion protection of metals. Journal of Materials Chemistry. 2005. V. 15. P. 5099-5111. DOI: 10.1039/b419153f. Wang D., Bierwagen G.P. Sol–gel coatings on metals for corrosion protection. Progress in Organic Coatings. 2009. V. 64. P. 327-338. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2008.08.010. Wang D., Bierwagen G.P. Sol–gel coatings on metals for corrosion protection. Progress in Organic Coatings. 2009. V. 64. P. 327-338. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2008.08.010. Yoldas B.E. Alumina sol preparation from alkoxides. Ceramic Society Bull. 1975. V. 54. P. 289-290. Yoldas B.E. Alumina sol preparation from alkoxides. Ceramic Society Bull. 1975. V. 54. P. 289-290. Yoldas B.E. Patent US №: 3,944,658. 1976. Yoldas B.E. Patent US №: 3,944,658. 1976. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. СПб.: ООО «Техномедиа», Изд-во «Элмор», 2008. 255 с. Maksimov A.I., Moshnikov V.A., Tairov Yu.M., Shilova O.A. Osnovy zol'-gel' tehnologii nanokompozitov. SPb.: OOO «Tehnomedia», Izd-vo «Elmor», 2008. 255 s. Doodman P., Faghihi-Sani M.A., Barati N., Afshar A. Alumina nanostructured coating for corrosion protection of 316L stainless steel. International Journal Nano Dimens. 2014. V. 5(1). P. 27-33. DOI: 10.7508/ijnd.2014.01.004. Doodman P., Faghihi-Sani M.A., Barati N., Afshar A. Alumina nanostructured coating for corrosion protection of 316L stainless steel. International Journal Nano Dimens. 2014. V. 5(1). P. 27-33. DOI: 10.7508/ijnd.2014.01.004. Tiwari S.K., Sahu R.K., Pramanick A.K., Singh R. Development of conversion coating on mild steel prior to sol gel nanostructured Al2O3 coating for enhancement of corrosion resistance. Surface and Coatings Technology. 2011. V. 205. P. 4960-4967. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.04.087. Tiwari S.K., Sahu R.K., Pramanick A.K., Singh R. Development of conversion coating on mild steel prior to sol gel nanostructured Al2O3 coating for enhancement of corrosion resistance. Surface and Coatings Technology. 2011. V. 205. P. 4960-4967. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.04.087. Alan G., Sajin G., Tinu T., Vibhath K., Sreejith M. Corrosion Behavior of Sol-Gel Derived Nano-Alumina Film. International Journal of Scientific & Engineering Research. 2016. V. 7. N 3. P. 130-139. Alan G., Sajin G., Tinu T., Vibhath K., Sreejith M. Corrosion Behavior of Sol-Gel Derived Nano-Alumina Film. International Journal of Scientific & Engineering Research. 2016. V. 7. N 3. P. 130-139. Ruhi G., Modi O.P., Singh I.B. Corrosion behaviour of nano structured sol-gel alumina coated 9Cr–1Mo ferritic steel in chloride bearing environments. Surface and Coatings Technology. 2009. V. 204. P. 359-365. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.07.044. Ruhi G., Modi O.P., Singh I.B. Corrosion behaviour of nano structured sol-gel alumina coated 9Cr–1Mo ferritic steel in chloride bearing environments. Surface and Coatings Technology. 2009. V. 204. P. 359-365. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.07.044. Grishina E.P., Kudryakova N.O., Ramenskaya L.M. Characterization of the properties of thin Al2O3 films formed on structural steel by the sol-gel method. Condensed Matter and Interphases. 2020. V. 22. N 1. P. 39 47. DOI: 10.17308/kcmf.2020.22/2527. Grishina E.P., Kudryakova N.O., Ramenskaya L.M. Characterization of the properties of thin Al2O3 films formed on structural steel by the sol-gel method. Condensed Matter and Interphases. 2020. V. 22. N 1. P. 39 47. DOI: 10.17308/kcmf.2020.22/2527. Гришина Е.П., Кудрякова Н.О., Раменская Л.М. Применение золь-гель метода для нанесения оксидно-алюминиевого покрытия на низколегированную сталь. Гальванотехника и обработка поверхности. 2019. Т. 27. № 2. С. 59-68. DOI: 10.47188/0869-5326_2019_27_2_59. Grishina E.P., Kudryakova N.O., Ramenskaya L.M. Primenenie zol'-gel' metoda dlya naneseniya oksidno-alyuminievogo pokrytiya na nizkolegirovannuyu stal'. Gal'vanotehnika i obrabotka poverhnosti. 2019. T. 27. № 2. S. 59-68. DOI: 10.47188/0869-5326_2019_27_2_59. Mora L.V., Naik S., Paul S., Dawson R., Neville A., Barker R. Influence of silica nanoparticles on corrosion resistance of sol-gel based coatings on mild steel. Surface and Coatings Technology. 2017. V. 324. P. 368-375. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.05.063. Mora L.V., Naik S., Paul S., Dawson R., Neville A., Barker R. Influence of silica nanoparticles on corrosion resistance of sol-gel based coatings on mild steel. Surface and Coatings Technology. 2017. V. 324. P. 368-375. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.05.063. Mora L.V., Taylor A., Paul S., Dawson R., Wang C., Taleb W., Owen J., Neville A., Barkerd R. Impact of silica nanoparticles on the morphology and mechanical properties of sol-gel derived coatings. Surface and Coatings Technology. 2018. V. 342. P. 48-56. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.080. Mora L.V., Taylor A., Paul S., Dawson R., Wang C., Taleb W., Owen J., Neville A., Barkerd R. Impact of silica nanoparticles on the morphology and mechanical properties of sol-gel derived coatings. Surface and Coatings Technology. 2018. V. 342. P. 48-56. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.080. Gasiorek J., Szczurek A., Babiarczuk B., Kaleta J., Jones W., Krzak J. Functionalizable Sol-Gel Silica Coatings for Corrosion Mitigation. Materials. 2018. V. 11. P. 197. DOI:10.3390/ma11020197. Gasiorek J., Szczurek A., Babiarczuk B., Kaleta J., Jones W., Krzak J. Functionalizable Sol-Gel Silica Coatings for Corrosion Mitigation. Materials. 2018. V. 11. P. 197. DOI:10.3390/ma11020197. Phanasgaonkar A., Raja V.S. Influence of curing temperature, silica nanoparticles and cerium on surface morphology and corrosion behaviour of hybrid silane coatings on mild steel. Surface and Coatings Technology. 2009. V. 203. P. 2260-2271. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.02.020. Phanasgaonkar A., Raja V.S. Influence of curing temperature, silica nanoparticles and cerium on surface morphology and corrosion behaviour of hybrid silane coatings on mild steel. Surface and Coatings Technology. 2009. V. 203. P. 2260-2271. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2009.02.020. Singh I.B., Modi O.P., Ruhi G. Development of sol-gel alumina coating on 9Cr-1Mo ferritic steel and their oxidation behavior at high temperature. Journal Sol-Gel Science and Technology. 2015. V. 74. P. 685-691. DOI:10.1007/s10971-015-3649-9. Singh I.B., Modi O.P., Ruhi G. Development of sol-gel alumina coating on 9Cr-1Mo ferritic steel and their oxidation behavior at high temperature. Journal Sol-Gel Science and Technology. 2015. V. 74. P. 685-691. DOI:10.1007/s10971-015-3649-9.