Коррозия металлов. Защита металлов от коррозии

7.5. Коррозия металлов. Защита металлов от коррозии

Коррозия - это самопроизвольный процесс разрушения ме­таллов под влиянием внешней среды.

Причиной коррозии является более низкая термодинамиче­ская стабильность металлов, чем их соединений (оксидов, гид-роксидов, солей). Как и все самопроизвольные процессы, кор­розия протекает с уменьшением энергии Гиббса системы. Хи­мическая энергия реакции коррозийного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и бесполезно рассеивается в про­странстве.

По механизму протекания коррозийного процесса различа­ют химическую коррозию и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. По условиям протекания коррозийного про­цесса различают:

а)         газовую коррозию - в газах, парах без конденсации влаги
на поверхности металла (обычно при высоких температурах);

б)        жидкостную коррозию - в растворах неэлектролитов (аг­
рессивных органических жидкостях).

Разрушение металлов при соприкосновении с электролитом с возникновением в системе электрического тока называется электрохимической коррозией.

Электрохимическая коррозия в основном характерна для сред, имеющих ионную проводимость:

Рекомендуемые материалы

а) в водных растворах солей, кислот, щелочей, морской воде;

б) в атмосфере любого влажного газа;

в) в почве.

Радиоэлектронная аппаратура чаще всего подвержена воз­действию атмосферы, содержащей влагу, следовательно, элек­трохимической коррозии. Роль электролита в таких условиях играет водная пленка на поверхности металла, в которой часто растворены электропроводящие примеси.

Как и в гальванических элементах, при электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем (ки­слород атмосферы, ионы Н⁺, Fe³⁺, NО₂^-, NO₃^-) включает анодное растворение металла, катодное восстановление окислителя, дви­жение электронов в металле и ионов в растворе.

При контакте металла с другим менее активным металлом в кислой среде, например, железа с медью в соляной кислоте, воз­никает гальванический элемент:

(-) Fe | HCl | Сu (+).

Железо окисляется, отдавая электроны атомам меди, а на атомах меди восстанавливаются ионы водорода:

K:Fe - 2e = Fe²⁺,

A: 2Н⁺ + 2е = Н₂.

2Н₃О⁺ + 2е = Н₂ + Н₂О.

Затем ионы ОН^- соединяются с перешедшими в раствор ио­нами Fe²⁺:

Fe²⁺ + 2OH^- = Fe(OH)₂,

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃.

Гидроксид железа (III) частично отщепляет воду и образует соединение, отвечающее по составу бурой ржавчине.

При соприкосновении металла с электролитом на его по­верхности возникает множество микрогальванических элемен­тов. Причиной их образования является наличие примесей у металлов и пленок на поверхности, неоднородность по химиче­скому и фазовому составу сплавов. В таких микрогальванопа-рах анодами являются частицы металла, а катодами - загрязне­ния, примеси и вообще металлы, имеющие положительный по­тенциал.

В микрогальваническом элементе на аноде протекает про­цесс окисления металлов, а на катоде может наблюдаться иони­зация кислорода или восстановление водорода.

Если коррозия протекает в кислой среде, то на катоде вос станавливается водород. Этот процесс называется коррозией с водородной деполяризацией. В наиболее простом случае она мо­жет быть представлена уравнениями:

A: Me - 2е = Ме²⁺,

К: 2H⁺ + 2е = Н₂.

2Н₃О⁺ + 2е = Н₂ + Н₂О.

Если окислителем является кислород, то коррозия протекает с поглощением кислорода или с кислородной деполяризацией и выражается уравнением:

A: Me - 2е = Me²⁺,

К: О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^- при рН > 7 или О₂ + 4H⁺ + 4е = 2Н₂О при рН < 7.

Коррозия как самостоятельный процесс протекает, если энергия Гиббса реакции AG имеет отрицательное значение. А так как «свободная» энергия реакции непосредственно связана с ЭДС элемента зависимостью:

,                                                                                        (7.10)

то возможность протекания коррозии можно установить по зна­ку ЭДС элемента.

Коррозия возможна, если Е > 0. А так как ЭДС определяется как разность потенциалов окислителя и восстановителя (форму­ла (7.3)), то это возможно, когда j_k > j_a.

На скорость и характер коррозийных процессов оказывает влияние как природа металла, так и характер коррозийной среды.

Окислители играют двойную роль в коррозийных процес­сах. С одной стороны, они могут восстанавливаться и этим ус­корять коррозию металлов, а с другой стороны - вызывать пас­сивирование металлов с образованием оксидных или других за­щитных слоев, которые тормозят процесс коррозии.

Выбор способов защиты от коррозии определяется характе­ром коррозии и условиями ее протекания. Все методы защиты делятся на группы:

1) изменение природы металла (легирование);

2) защитные покрытия;

3) электрохимическая защита;

4) изменение свойств коррозийной среды.

Способы защиты металлов от коррозии. Легирование - эффективный метод повышения коррозийной стойкости метал­лов. При легировании вводят компоненты, вызывающие наряду с пассивированием металла, повышение его жаростойкости и жаропрочности. Это такие добавки, как хром, никель, вольф­рам и т. п.

Защитные покрытия бывают металлические и неметалли­ческие. Металлические покрытия, в свою очередь, разделяются на анодные (металл-покрытие более активен, чем защищае­мый) и катодные (металл-покрытие менее активен, чем защи­щаемый).

Люди также интересуются этой лекцией: 47 Гормональные и антигормональные препараты.

Более эффективными являются анодные покрытия, так как при нарушении их целостности будет корродировать покрытие, а не защищаемый металл. Например, для железа анодным по­крытием будут Zn, Сr и др. Примером катодного покрытия могут служить Sn, Ag, Ni.

Лакокрасочные покрытия, эмали относятся к неметалличе­ским покрытиям. Они должны быть стойкими к высоким темпе­ратурам, кислотам, щелочам, бензину и другим агрессивным факторам.

К электрохимическому способу защиты металлов от корро­зии относят протекторную и катодную защиту.

Протекторная защита наиболее часто используется для предохранения конструкций (подземных трубопроводов, кабе­лей, корпусов судов), находящихся в среде электролита (мор­ской воде, почве). Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала, который, выполняя роль анода, разрушается.

Сущность катодной защиты заключается в том, что защи­щаемые изделия подключают к отрицательному полюсу внеш­него источника тока. В электродной среде изделие становится катодом, что и предотвращает его разрушение, а анодом служит вспомогательный электрод.

Изменение свойств коррозийной среды. Снизить агрессив­ность коррозийной среды можно дезаэрацией (удалением) ки­слорода, изменением рН среды, введением ингибиторов. Инги­биторы, адсорбируясь на коррозийной поверхности, тормозят процессы, тем самым уменьшая скорость коррозии.