Mgr Zofia Wolarek

Mgr Zofia Wolarek
Wnikanie, transport i absorpcja wodoru przez azotowane żelazo
Azotowanie metali i stopów wydaje się być szczególnie obiecującą modyfikacją
powierzchni metali, bowiem warstwy azotowane nie tylko posiadają korzystne własności
mechaniczne, ale mogą wpływać na wnikanie i transport wodoru. Jeśli te procesy są
hamowane, mniejsza jest absorpcja wodoru przez metal podłoża i tym samym maleje ryzyko
wystąpienia korozji wodorowej.
Przedmiotem pracy doktorskiej było zbadanie oddziaływania wodoru z azotowanym
jarzeniowo żelazem Armco. Azotowane próbki składały się z zewnętrznej warstwy azotków
Fe2-3N i Fe4N, wewnętrznej strefy dyfuzyjnej zawierającej wydzielenia azotku Fe4N, oraz
niezmodyfikowanego podłoża żelaza. Zbadano przebieg procesów wnikania, transportu i
pułapkowania wodoru w odniesieniu do każdej z tych warstw.
W tym celu, stosując elektrochemiczną detekcję wodoru, zbadano szybkość
przenikania wodoru przez jednostronnie ładowane wodorem membrany o różnych
grubościach i obejmujące różne części azotowanej próbki. Membrany ładowano wodorem
wydzielanym elektrolitycznie z 0.1M roztworu NaOH. Następnie, po przerwaniu ładowania,
zmierzono szybkości desorpcji wodoru z obydwu stron membrany.
Analiza krzywych tzw. częściowego wzrostu i spadku szybkości przenikania
pozwoliła określić rzeczywiste wartości współczynnika dyfuzji wodoru oraz rzeczywiste
długości dróg dyfuzji wodoru w każdej z warstw azotowanego żelaza. Potwierdzono, że w
nieazotowanym żelazie, transport wodoru charakteryzuje się stałym współczynnikiem dyfuzji
oraz drogami dyfuzji o jednakowej długości, równej grubości membrany. Wykazano, że w
zewnętrznej warstwie azotków wodór porusza się około 4000 razy wolniej niż w
nieazotowanym żelazie. Wykazano również, że w azotowanej strefie dyfuzyjnej transport
wodoru zachodzi głównie przez osnowę ferrytu, niemal z taką samą szybkością jak w
nieazotowanym żelazie, jednak przeszkodą na drodze dyfundującego wodoru są wydzielenia
azotków, które musi omijać. Dlatego w strefie dyfuzyjnej rzeczywiste drogi dyfuzji są różnej
długości i są dłuższe od grubości membrany.
Z kolei analiza szybkości desorpcji wodoru nie tylko pozwoliła określić całkowitą
ilości zaabsorbowanego wodoru, ale również pozwoliła rozróżnić tzw. wodór dyfuzyjny
(rozpuszczony w sieci metalu) od wodoru pułapkowanego (związanego z defektami
struktury). Wykazano, że w azotowanej strefie dyfuzyjnej, granice wydzieleń azotków z
osnową ferrytu są dodatkowymi (obok dyslokacji i granic ziaren) pułapkami wodoru. Ponadto
wykazano, że pomimo dużej skłonności zewnętrznej warstwy azotków do pułapkowania
wodoru, wnikanie wodoru do tej warstwy jest utrudnione i w efekcie stężenie wodoru
dyfuzyjnego jest stosunkowo małe. Dlatego azotowanie żelaza, prowadzone w warunkach
umożliwiających tworzenie zewnętrznej warstwy azotków, może być skutecznym sposobem
zapobiegania korozji wodorowej.