Коррозия металлов

Коррозия металлов

Коррозия – самопроизвольное разрушение металлов, вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой.

            По характеру разрушения коррозионные процессы можно разделить на сплошную коррозию и локальную (местную) коррозию. В первом случае поверхность металла окисляется с одинаковой скоростью на всех участках поверхности. Во втором случае на поверхности металла появляются участки с большей скоростью коррозии, там появляются пятна, трещины и другие повреждения.

            Один из видов локальной коррозии – селективная, или избирательная, она происходит в сплавах, где разрушаются кристаллы наиболее активного металла.

Другой вид локальной коррозии – межкристаллитная коррозия, она происходит по границам кристаллитов.

По механизму действия коррозия бывает химической и электрохимической:

Химическая коррозия возникает, когда металл эксплуатируется в среде_, не проводящей электрический ток: растворы неэлектролитов и сухая атмосфера воздуха (влажность менее 65%, температура менее 100°С или влажность более 65%, температура более 100°С). В сухой атмосфере воздуха происходит взаимодействие металлов с газами, такими как: O₂ и Cl₂:

            4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

            2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

Рекомендуемые материалы

            При химической коррозии окисление металла и восстановление газа происходит одновременно, на одном участке поверхности, т. е. они пространственно не разделены.

Электрохимическая коррозия протекает в электропроводных средах: растворах кислот, щелочей, солей, во влажной атмосфере воздуха (влажность более 65%, температура менее 100°С). В этих условиях возможна конденсация паров воды на поверхности металлов. Электрохимическая коррозия проявляется в следующих случаях:

1. Два металла, взятые в виде кусков, пластин, проволоки контактируют друг с другом и раствором электролита, при этом более активный металл будет анодом, он будет окисляться, а менее активный металл будет катодом, на нём будет происходить восстановление частиц электролита.

2. Если поверхность металла окислена, то тоже возможна электрохимическая коррозия, при этом окисленные участки будут катодом, а не окисленные – анодом.

3. Причиной электрохимической коррозии могут быть и примеси других металлов, более или менее активных, чем основной.

4. Коррозионная гальванопара может возникнуть и за счёт разной концентрации растворов, касающихся металлической поверхности на разных участках.

5. Электрохимическая коррозия может протекать и тогда, когда разные части металлического изделия находятся в разных условиях, неодинаково нагреты, освещены и т. д.

Рассмотрим образование коррозионной гальванопары на примере латуни: Zn – Cu

A   Zn |  HCl | Cu   K

анодный процесс: Zn – 2e = Zn²⁺ - окисление

катодный процесс: 2H⁺ + 2e = H₂ - восстановление

            Перетекание электронов с анодных участков на катодные называется катодной поляризацией. Снятие электронов с катодных участков ионами водорода называется водородной деполяризацией, а ионы водорода – деполяризаторами. В кислых средах, не содержащих растворённого кислорода, коррозия протекает только с водородной деполяризацией.

            Данное уравнение будет выглядеть так:

Zn + 2H⁺ = Zn₂₊ + H₂↑

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

            Продукты коррозии: ZnCl₂ и H₂↑. Хлорид цинка -  растворимая в воде соль, значит, поверхность металла она не защищает, и растворение цинка идёт до конца.

            Вывод: латунные изделия нельзя эксплуатировать в кислой среде.

Рассмотрим коррозию латуни во влажной атмосфере воздуха.

A   Zn | Н₂O, O₂ | Cu   K

анодный процесс:       2       Zn – 2e = Zn²⁺

катодный процесс:      1       2H₂O + O₂ + 4e = 4OH^–

                                                2Zn + 2H₂O + O₂ = 2Zn²⁺ + 4OH^–

                                                2Zn + 2H₂O + O₂ = 2Zn(OH)₂↓

            Вывод: латунные изделия можно эксплуатировать во влажной атмосфере воздуха, так как  образуется нерастворимое соединение, защищающее поверхность от дальнейшей коррозии. Процесс идёт с кислородной деполяризацией.

            Рассмотрим пример контакта двух  металлов Al – Cu:

 A   Al |  Н₂O  | Cu   K

анодный процесс:       2       Al – 3e = Al³⁺

катодный процесс:      3       2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–

                                              2Al + 6H₂O = 2Al³⁺ + 3H₂ + 6OH^–

                                             2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂

            Процесс идёт с водородной деполяризацией.

Термодинамическая вероятность электрохимической коррозии.

            Основной причиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металла в данной среде. Т. к. коррозия – процесс самопроизвольный, то ΔG < 0,   ΔG = – A_max,   A_max = nFΔE, где ΔE = E_K – E_A Þ если ΔE > 0, то E_K > E_A. Т. е., чтобы процесс не шёл самопроизвольно, мы должны выбрать такой металл, для которого E_K < E_A.

Классификация металлов по их термодинамической неустойчивости в наиболее распространённых коррозионных средах.

1. Кислая среда (без кислорода).

Катодный процесс: 2H⁺ + 2e = H₂, E_K = 0, ΔE > 0, E_A < 0, т. е. в кислой среде по ряду напряженияй металлов будут подвергаться коррозии Li – W.

2. Нейтральная среда (без кислорода).

Катодный процесс: H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–, = – 0,41 B. Т. е. во влажной атмосфере подвергаются коррозии металлы от Li – Fe по ряду напряжений металлов.

3. Нейтральная среда (с растворённым кислородом).

Катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4e = 4OH^–, = 0,815 B. Т. е. в нейтральной среде будут корродировать металлы: Li – Ag по ряду напряжений металлов.

4. Кислая среда (с растворенным кислородом).

Катодный процесс: 4H⁺ + O₂ + 4e = 2H₂O, = 1,23 B. Металлы, имеющие меньший электродный потенциал Li – Hg будут корродировать в кислой среде в присутствии кислорода.

Методы защиты от коррозии

            Существует 4 основных метода защиты от коррозии:

1. Легирование

2. Защитные покрытия (металлические и неметаллические)

3. Антикоррозионная обработка среды (деаэрация, ингибиторы)

4. Электрохимическая защита.

1. Легирование.

Легирование – создание коррозионно-стойких сплавов. Если в состав углеродной стали ввести легирующие добавки (Cr, Ni, Ti, Al, и т. д.), которые образуют прочные оксидные плёнки на поверхности металла, то, несмотря на небольшое количество добавок,  на поверхности металла образуется прочная защитная пленка оксидов. Но недостатком легирования является то, что основной металл устойчив только во влажной атмосфере воздуха и в воде.

2.   Защитные покрытия.

Защитные покрытия бывают металлические и неметаллические. Металлические – лужение, покрытие оловом, никелирование, хромирование, цинкование и др.

Покрытие наносят погружением детали в расплавленный металл, а так же напылением и электролизом. Метод электролиза с растворимым анодом называется гольваностегия.

Рассмотрим пример хромирования:

В электролизёр заливают электролит Cr₂(SO₄)₃, хром делают анодом, он будет окисляться, посылая в раствор ионы хрома, а катодом делают деталь, на которую нужно нанести металлическое покрытие, на ней будут восстанавливаться ионы хрома, покрывая деталь ровным слоем хрома:

анодный процесс: Cr⁰ – 3e = Cr³⁺

катодный процесс: Cr³⁺ + 3e = Cr⁰

Механизм защитного действия металлического покрытия.

Пока металлическое покрытие не повреждено, оно защищает металл от коррозии. Существует 2 вида покрытия: анодное и катодное. Анодным называется покрытие более активным металлом, чем основной, катодным называют покрытие менее активным металлом, чем основной.

            Пример: железная пластина покрыта цинковым покрытием. При повреждении покрытия возникает коррозионная гальванопара:

A   Zn  |   H₂SO₄  |  Fe     К

анодный процесс:    Zn – 2e = Zn²⁺

катодный процесс:   2H⁺ + 2e = H₂↑

                           

                             Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑

            Вывод: анодное покрытие защищает металл как механически, так и электрохимически, так как при повреждении покрытия разрушается металл покрытия, а не основной металл.

            Рассмотрим пример с лужёным железом:

          

A   Fe  |   H₂SO₄  |  Sn        K

анодный процесс:    Fe – 2e = Fe²⁺

катодный процесс:   2H⁺ + 2e = H₂↑

                                   Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂↑

            Вывод: катодное покрытие только механически защищает основной металл, так как при повреждении покрытия разрушается основной металл.

Неметаллические покрытия.

Химические покрытия.

Оксидирование - покрытие изделия оксидной плёнкой. Например: железо можно поместить в раствор NaOH  – 40%,нагретый до 140°С, KNO₃ или K₂CrO₄.

    3      Fe + 2OH^– – 2e = FeO + H₂O

    1      2Fe + 6OH^– –6e = Fe₂O₃ + H₂O

         3Fe + 2Fe + 8OH^- = 3FeO + Fe₂O₃ + 4H₂O

          FeO + Fe₂O₃ à Fe₃O_4(чёрн.)

Фосфатирование. Создание на поверхности изделия защитной плёнки из трудно растворимых фосфатов и гидрофосфатов марганца железа.

            Лакокрасочное покрытие. Краска, содержащая олифу и красящий пигмент, препятствует процессу коррозии.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 2 Основные принципы организации медицинской помощи женщинам.

3.   Антикоррозионная обработка среды.

Антикоррозионная обработка среды применяется для замкнутых объёмов. Например деаэрация – удаление кислорода из раствора, используется для паровых котлов.

Ингибиторы – замедлители коррозии, это поверхностноактивные вещества, которые адсорбируются на поверхности  металлов, т. е. они покрывают изделие адсорбционной плёнкой и таким образом защищают его от коррозии. Ингибиторы бывают летучие и контактные.

4. Электрохимические методы защиты от коррозии.

Протекторная защита. К основному металлу присоединяется кусок из более активного металла и при образовании гальванопары, этот кусок будет растворяться, а основной металл останется неповреждённым.

Катодная защита. К защищаемому изделию присоединяют кусок металла и подают небольшое напряжение, так, чтобы  основной металл являлся катодом, а вспомогательный – анодом, тогда будет происходить электролиз с растворимым анодом и основной металл будет защищён.