Коррозии и защите металла

      Так,  например, к группе сталей с  особыми химическими свойствами  относят коррозионно-стойкие стали.  Их получают путем введения в  углеродистые и низколегированные стали значительных добавок хрома или  хрома и никеля. При  содержании хрома 13, 17 и 25% хромистые стали являются не только коррозионно-,  но и жаростойкими. Хромоникелевые стали обладают большей коррозионной стойкостью, чем хромистые, и находят широкое применение в химической промышленности.

      Механизм  защиты сталей от коррозии  их легированием различен и  связан  либо с повышением коррозионной  стойкости всего объема металла,  либо с образованием на поверхности  изделия защитных пленок.

      Металлические  покрытия наносят на поверхность  изделия тонким слоемметалла, обладающего достаточной стойкостью в данной среде. Металлические покрытия придают также поверхностным слоям металлоизделий требуемую твердость, износостойкость. Различают два типа металлических покрытий- анодное и катодное. Для железоуглеродистых сплавов таким анодным покрытием может служить покрытие из цинка и кадмия. В воде и во  влажном воздухе цинк покрывается слоем основной углекислой соли белого  цвета, защищающим его от дальнейшего разрушения. Широкое применениеполучили цинковые покрытия для защиты арматуры, труб и резервуаров от  действия воды и горячих жидкостей.  Металлические покрытия наносят различными способами. Наиболее часто применяется горячий метод, гальванизация и металлизация.

      При  горячем методе изделие погружают  в расплавленный металл, который   смачивает его поверхность и  покрывает тонким слоем. Затем  изделие  вынимают из ванны  и охлаждают. Таким методом   изделие покрывают слоем  олова  или цинка. Лужение применяют  при изготовлении белой жести,  при устройстве покрытий на  внутренних поверхностях пищевых  котлов и других изделий. Цинкованием предохраняют от коррозии, например, кровельное  железо, водопроводные трубы.

      При  гальваническом способе металлические  изделия помещают в  гальваническую  ванну. Под действием электрического  тока на поверхности изделия  происходит катодное осаждение  пленки защитного металла. Толщину  гальванического покрытия можно  регулировать в широких пределах.

             Покрытия получают также распылением  расплавленного металла с помощью   специальных металлизационных пистолетов и напылением на его поверхность защищаемого металла. Этот вид защиты используют для крупногабаритных конструкций: ж./д мостов и т. д. В качестве защитного металла используют алюминий, цинк, хром, коррозионно-стойкие стали.                             

       Неметаллические покрытия выполняются  из лаков, красок, эмалей и др. веществ и изолируют изделие  от воздействия внешней среды.  Эти покрытия имеют преимущество  перед металлическими. Они легко наносятся на изделие, хорошо закрывают поры, не изменяют свойств металла и являются относительно дешевыми. При хранении и перевозке изделий металлические изделия покрывают специальными смазочными материалами, минеральными  маслами и жирами. Для защиты изделий,  работающих в высокоагрессивных  средах, применяют пластмассовые покрытия из винипласта, поливинилхлорида.

        Химические покрытия- защитные оксидные иные пленки- создаются при воздействии на металл сильных химических реагентов. Широко применяются также оксидирование и фосфатирование металлоизделий.

         Оксидирование заключается в  создании на поверхности изделия  оксидной  пленки, обладающей большой  коррозийной стойкостью. Наиболее  широко применяют оксидирование  для защиты от коррозии изделий  из алюминия и его сплавов.

       Фосфатирование стальных изделий заключается в создании поверхностного слоя из фосфатов марганца и железа. Фосфатные покрытия используются в дальнейшем в качестве подслоя. Фосфатные покрытия часто применяются в сочетании со смазочными материалами для уменьшения трения при обработке металлов давлением, волочением, для хорошей приработке трущихся деталей машин.

      В  отдельных случаях прибегают  к защите металлов от коррозии  при  помощи протекторов. Сущность  протекторной защиты заключается  в том, что к  поверхности  защищаемого изделия прикрепляют  протекторы- куски металла.  Образуется гальваническая пара , в которой анод- протектор, катод-

  изделие. В результате  протектор разрушается, защищая  изделие. Таким

  образом  защищают, например, подводные металлические  части кораблей,

  прикрепляя к  ним пластины цинка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электрохимическая коррозия.  

электрохимическая коррозия является наиболее распространенным типом  коррозии металлов. По электрохимическому механизму корродируют металлы в контакте с растворами электролитов (морская вода, растворы кислот, щелочей, солей) . В обычных атмосферных условиях и в земле металлы корродируют также по электрохимическому механизму , т.к. на их поверхности имеются капли влаги с растворенными компонентами воздуха и земли.

Электрохимическая коррозия является гетерогенным и многостадийным процессом. Ее причиной является термодинамическая  неустойчивость металлов в данной коррозионной среде.

Учение о электрохимической коррозии ставит главный вопрос - вопрос о скорости коррозии и тех факторов, которые влияют на нее. С электрохимической точки зрения коррозия металла это не просто процесс окисления металла, т.к. этот переход должен сопровождаться сопряженно идущим восстановительным процессом. В результате ионизации освобождаются электроны и роль второго восстановительного процесса состоит в их ассимиляции подходящим окислителем (Д), образующим устойчивое соединение Ионизация и процесс ассимиляции электронов каким либо элементом среды (обычно Н ионы или О )представляет собой электрохимический процесс. 

Термодинамика электрохимической  коррозии

Причиной электрохимической  коррозии является термодинамическая  неустойчивость металлов в среде  электролита.

Величина равновесного потенциала зависит от температуры  и активности реагирующих веществ  и может быть рассчитана по уравнению  Нернста: 

 

• — число электронов, участвующих в реакции. Если представить все константы при температуре 298 К и выразить зависимость в десятичных логарифмах, то

 

 

Если активность ионов  металла в растворе равна единице, то второй член уравнения Нернста  превращается в нуль. Электродный  потенциал при этом становится равным стандартному потенциалу. Таким образом стандартный электродный потенциал представляет собой частный случай равновесного потенциала. Значение стандартных потенциалов для некоторых металлов приведены в табл. 4.1. 
 

 

В реальных условиях коррозии металла в реакциях обмена участвуют не только ионы металла, но и другие компоненты раствора. 

В этих случаях устанавливаются  стационарные или необратимые значения потенциалов. Необратимые потенциалы не могут быть отнесены к прямой и обратной реакциям одного и того же процесса и их нельзя вычислить по уравнению Нернста.

Измерить абсолютное значение потенциала в настоящее  время технически невозможно, он может  быть замерен только по отношению  к какому-то электроду сравнения. В качестве основного электрода  сравнения принят стандартный водородный электрод. Наиболее часто в качестве электрода сравнения применяют  каломельный и хлор-серебряный электроды.

Существуют и другие виды электродов сравнения, с которыми можно более подробно познакомиться  в учебниках по физической химии  и электрохимии.

В настоящей книге  в таблицах и на графиках потенциалы приведены по отношению к стандартному водородному электроду (с. в. э.).

Процесс электрохимической  коррозии представляет собой совокупность двух сопряженно протекающих реакций.

Металл является донором  электронов и на его поверхности  протекает анодная реакция:

Катодная реакция, которую называют катодной деполяризующей реакцией, протекает с участием компонентов  электропроводящей среды. В качестве последней чаще всего выступают водные растворы кислот, щелочей или солей.

(водородная деполяризация):

(кислородная деполяризация):

рН влияет на величину равновесного потенциала.

Запишем уравнение  Нернста для водородной деполяризации

Если учесть, что  стандартный потенциал водородного  электрода принят равным нулю, а  десятичный логарифм активности водородных ионов есть величина рН, взятая с обратным знаком, то получим:

Это означает, что  при изменении рН на единицу потенциал водородного электрода уменьшается на 59 мВ.

Потенциал кислородного электрода положительнее водородного  электрода на 1,23 В, т.е.

В . В нейтральной среде при рН = 7 и при

электрохимических реакций  свободная энергия Гиббса рассчитывается по уравнению

        
 
 
 
 
 
 

Коррозионные диаграммы

Отдельно полученные анодные и катодные поляризационные  кривые еще не описывают скорость коррозионного процесса. Последняя определяется скоростью протекания самой медленной, лимитирующей стадии. Эту стадию называют контролирующим фактором. Для его определения наибольшее распространение получил графический метод.

По этому методу анализ коррозионных систем принято  проводить с помощью диаграмм, на которых графически отражена кинетика анодной и катодной реакций. Наиболее удобную форму диаграмм предложил  английский коррозионист Эванс. На этих диаграммах значение потенциала откладывается по ординате, а по оси абсцисс откладывают величины и анодного, и катодного токов, вне зависимости от того, что они имеют противоположенное направление (рис. 4.12).

• При

Коррозионные диаграммы  позволяют определить тормозящий (контролирующий) фактор процесса коррозии. Это очень  важно при выборе метода защиты от коррозии, так как, как правило, наиболее эффективно воздействовать на лимитирующую стадию процесса.

• до прохождения тока.

, то коррозия протекает с анодным  торможением,

то коррозия протекает с катодным контролем. Если

  — имеет место смешанный контроль.

Н.Д. Томашов определил, что в практических условиях встречаются  шесть основных случаев контроля коррозии, которые представлены на рис. 4.12.

•  Встречается  в нейтральных растворах при  хорошем перемешивании.

Б. Тормозящий фактор — диффузия кислорода. Диаграмма  характерна для коррозии в неперемешиваемых нейтральных растворах. Так корродируют железо, цинк и некоторые другие металлы.

В. Лимитирующий фактор — трудность реакции разряда  ионов водорода. Характерна для процесса коррозии железа и цинка в кислых растворах.

.

 Диаграмма характерна  для коррозии железа, сталей, алюминия  и других металлов в пассивном  состоянии.

 Коррозия протекает в среде  с низкой электропроводностью.  Например, коррозия подземных трубопроводов.

 Наблюдается этот вид контроля  у металлов, склонных к пассивации  при большом омическом сопротивлении  электролита, например, при атмосферной  коррозии сталей.

Конструкционные материалы  на основе цветных металлов

В промышленности наряду с легированными сталями и  чугунами широко используются другие металлы и сплавы на их основе. 

Алюминий и его  сплавы

Алюминий и его  сплавы по масштабам производства и  применения в промышленности занимают одно из первых мест.

Плотность алюминия равна 2,7, температура плавления 658°С, хорошо поддается сварке, прокатке, ковке и другим механическим операциям. Механические свойства алюминия невысоки и в значительной степени зависят от характера термической обработки. ПДК в воде 0,04 мг/л.

  равен —1,66 В, т.е. он является достаточно активным металлом. Однако алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах благодаря склонности к пассивированию.