Лекция 4.
Электрохимическая коррозия представляет собой самопроизвольное разрушение металлов в результате электрохимического взаимодействия с жидкими электролитами, обладающими электропроводностью. Такими электролитами могут быть вода, водные растворы кислот, щелочей, расплавленные соли. Электрохимическая коррозия широко распространена и имеет много разновидностей. Причина электрохимической коррозии-пониженная термодинамическая устойчивость большинства металлов и их стремление переходить в ионное состояние.
При электрохимической коррозии взаимодействие металла с окружающей средой характеризуется анодным и катодным процессами, протекающими на различных участках поверхности металла. Продукты коррозии образуются только на анодных участках.
Электрохимическая коррозия - результат работы коррозионных гальванических элементов. Она происходит следующим образом: на анодных участках протекает реакция окисления с образованием ионов металла Fe 2+ , а на катодных участках под влиянием кислорода образуется гидроокись (как результат протекания реакции кислородной деполяризации). Ионы Fe 2+ и ОН - направляются друг к другу и образуют нерастворимый осадок Fe(OH)2 , который может разлагаться на окись железа и воду. (Fe(OH) 2 ->Fe 2 О 3 +H 2 О). Высвобождающиеся при реакции окисления электроны от анодного участка по металлу изделия перетекают к катодному участку и участвуют в реакции восстановления.
Модель коррозионного микроэлемента представлена на рисунке 4.
С электрохимическим механизмом протекают следующие виды коррозионных процессов:
Коррозия в электролитах – коррозия металлов в жидких средах, проводящих электрический ток. В зависимости от вида электролита различают коррозию в растворах кислот, щелочей и солей (кислотная, щелочная, солевая), в морской, речной воде.
Состав электролита определяет механизм процесса коррозии, влияет на его кинетику и скорость. Например скорость коррозии уменьшается, если электролит содержит анионы или окислители, в результате взаимодействия с которыми на поверхности металла образуется пленка труднорастворимых солей.
Растворенный в электролите кислород оказывает тормозящее или ускоряющее воздействие на процесс коррозии металлов.
На процесс коррозии влияет и концентрация электролита. Практически во всех природных средах с ростом концентрации солей в электролите скорость коррозии сначала возрастает до некоторого максимума, а затем уменьшается в результате снижения растворимости кислорода и затруднения катодного процесса.
Температура электролита также оказывает влияние на скорость коррозии. Это обусловлено тем, что с повышением температуры возрастает электропроводность электролита. С ростом температуры электролита скорость коррозии иногда может возрасти в десятки и сотни раз.
Почвенная коррозия – коррозия подземных металлических сооружений под воздействием почвенного электролита. На поверхности металлических изделий, находящихся в контакте с почвенным электролитом, вследствие местных неоднородностей металла или электролита возникает большое количество коррозионных элементов, природа которых аналогично природе гальванических элементов.
Почвенная коррозия является наиболее распространенным видом электрохимической коррозии, оказывающей воздействие на подземные металлические сооружения. Почвы и грунты чрезвычайно разнообразны не только в пределах больших регионов, но даже и в пределах одного небольшого участка. Между почвой, самым поверхностным слоем земли, и грунтом четкой границы нет.
Биокоррозия – частный случай почвенной коррозии, протекающая под воздействием микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых образуются вещества, ускоряющие коррозионные процессы. В природе наиболее широко распространены сульфатвосстанавливающие анаэробные бактерии, в результате действия которых образуется сероводород, который, соединяясь с железом, дает сернистое железо. Сульфатвосстанавливающие анаэробные бактерии, обычно обитают в воде, грязи, сточных водах, нефтяных скважинах, донных осадках, почве, цементе. Наиболее благоприятной средой для развития этих бактерий являются почвы с (оптимально 6-7,5) при 25-30 0 С. Жизнедеятельность железных аэробных бактерий сопровождается выделением в качестве продуктов коррозии нерастворимой пленки гидроокиси железа.
Биокоррозия (обрастание подводных сооружений морскими растительными и животными организмами - мшанками, балянусами, диатомеями, кораллами) разрушает защитные покрытия и ускоряет разрушение металлов. Некоторые живые организмы (например, мидии) замедляют коррозионный процесс, так как потребляют много кислорода.
Атмосферная коррозия – коррозия металлов в атмосфере воздуха или в среде любого влажного газа. При отсутствии влаги в воздухе железо корродирует с незначительной скоростью.
Она зависит от степени увлажненности поверхности металлов и по этому признаку подразделяется на три типа:
1) мокрая атмосферная коррозия (при относительной влажности воздуха ~ 100 %) при наличии видимой пленки влаги на поверхности металла;
2) влажная атмосферная коррозия при наличии на поверхности металла невидимой пленки влаги, которая образуется при капиллярной адсорбционной или химической конденсации;
3) сухая атмосферная коррозия при полном отсутствии влаги на поверхности металла.
Атмосферы существенно различаются по влажности, температуре и загрязнению, поэтому скорость атмосферной коррозии в различных районах неодинакова, чем ближе к морскому побережью, тем больше воздух насыщен морской солью, в особенности NaCl. В промышленных областях в воздухе появляются значительные количества SO 2 , который превращается в серную кислоту. При работе двигателей внутреннего сгорания в большом количестве образуется NO, который выделяется в атмосферу. В городах и индустриальных центрах в атмосферу выделяется большое количество H 2 S.
По агрессивности атмосферы можно разделить на следующие основные типы: морскую, промышленную, городскую, сельскую, арктическую.
Специфическими факторами, влияющими, на агрессивность атмосферы являются (кроме газов) пыль и влага.
Пленки ржавчины, образующиеся в атмосферных условиях, могут иметь защитные свойства, поэтому скорость коррозии со временем снижается.
В реальных условиях все эти типы коррозии взаимно переходят друг в друга. Характер изменения скорости атмосферной коррозии в зависимости от толщины пленки влаги показан на рисунке. Эта скорость изменяется от нуля для сухой атмосферной коррозии, достигает максимума для влажной атмосферной коррозии и снижается до некоторого постоянного значения, характеризующего скорость коррозии данного металла в электролите.
На скорость атмосферной коррозии металлов влияет большое число факторов:
1) влажность воздуха (создание электролита);
2) примеси воздуха (газы SO 2 , SO 3 , K 2 S, NH 3 , СЬ- НС1 и др. в контакте с водой действуют как депассиваторы, комплексообразователи или катодные деполяризаторы; твердые частицы увеличивают электропроводность пленки электролита и облегчают адсорбцию газов и влаги из воздуха);
3) характер атмосферы (чистая, грязная, сухая, влажная);
4) географическая зона (тропики, субтропики, средняя полоса, пустым, полюс);
5) состояние поверхности корродирующего материала (наличие продуктов коррозии);
6) наличие инородных включений в металле (одни из них защищают от коррозии - катодные включения, например Си, Pb, Pd, а другие способствуют разрушению металла);
7) температура (с повышением температуры скорость коррозии влажность снижаются).
Методы защиты металлов от атмосферной коррозии сводятся следующему:
а) нанесению защитных покрытий (смазки, лаки, пленки, цинкование, никелирование, хромирование, фосфотирование, окисные пленки); б) воздействию на контролирующие процессы (пассивация анода Сг, Al, Ti, Ni, катодные включения Си, Pd); в) уменьшению слоя электролита на поверхности корродирующего металла (осушка и очистка воздуха); г) применению замедлителей коррозии (NaNО 2 , нитриты, карбонаты, бензоаты дициклогексиламина и моноэтаноламина) в основном при хранении металлов и транспортировании их в контейнерах или упаковке из оберточных материалов.
Электрокоррозия – коррозия подземных металлических сооружений, вызванная проникновением на сооружения токов утечки с рельсов электрифицированного транспорта или других промышленных электроустановок и сооружений (электрифицированные железные дороги, метрополитены, линии передачи постоянного тока, установки катодной защиты подземных металлических сооружений).
Эти токи получили название блуждающих, величина и направление их могут изменяться во времени.
Основной величиной, характеризующей интенсивность процесса электрокоррозии, являются сила тока, стекающего с подземного сооружения в грунт, отнесенная к единице поверхности.
Величина тока утечки с подземного сооружения зависит от многих факторов, в частности:
Удельное сопротивление земли;
Величина блуждающих токов в земле;
Взаимное расположение источников блуждающих токов и подземного сооружения;
Состояние внешнего изолирующего покрытия на подземном сооружении;
Продольное сопротивление подземного сооружения.
Контактная коррозия – коррозия, вызванная электрическим контактом двух металлов имеющих различный электрохимический потенциал.
Коррозия под напряжением возникает при одновременном воздействий коррозионной среды и механических напряжений в металле.
Щелевая коррозия – ускорение коррозионного разрушения металла электролитом в узких зазорах и щелях (в резьбовых и фланцевых соединениях).
Коррозионная эрозия – при одновременном воздействии коррозионной среды и трения.
Коррозионная кавитация возникает при одновременном коррозионным и ударном воздействии окружающей среды (коррозия лопаток рабочих колес центробежных насосов, разрушение лопаток гребных винтов на судах).
Фреттинг – коррозия представляет собой локальное коррозионное разрушение металлов при воздействии агрессивной среды в условиях колебательного перемещения двух трущихся поверхностей относительно друг друга.
Структурная коррозия обусловлена структурной неоднородностью сплава. При этом происходит ускоренный процесс коррозионного разрушения вследствие повышенной активности какого–либо компонента сплава.
Термоконтактная коррозия возникает за счет температурного градиента, обусловленна неравномерным нагреванием поверхности металла.
Тема №7: «КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»
Вопросы лекции :
Классификация коррозионных сред, разрушений и процессов. Показатели скорости коррозии.
Химическая коррозия: виды и разновидности.
Электрохимическая коррозия: причины и механизм возникновения.
Термодинамика и кинетика газовой и электрохимической коррозии.
Классификация коррозионных сред, разрушений и процессов. Показатели скорости коррозии.
Одним из весьма ощутимых проявлений окислительно–восстановительных процессов является коррозия - процесс окисления металлов под влиянием внешней среды.
Абсолютно коррозионно–стойких металлов нет. Золото - стойкое в обычных условиях - растворяется в растворах цианидов калия или натрия вследствие образования устойчивых комплексных ионов. В результате коррозии металлические изделия теряют свои ценные технические свойства, поэтому важное значение имеет антикоррозионная защита металлов и сплавов.
Коррозия (от латинского corrodo) - это разрушение конструкций и изделий из металлических материалов (металлов и сплавов), происходящее вследствие их физико–химического взаимодействия с окружающей средой, которую называют коррозионной (или агрессивной) , а образовавшиеся химические соединения - продуктами коррозии.
Коррозия сопровождается выделением энергии (процессы коррозии протекают самопроизвольно и сопровождаются убылью энергии Гиббса (∆ G < 0 ) и рассеиваем продуктов коррозии в окружающей среде. Процесс коррозии железа и его сплавов называют ржавлением .
Коррозионные среды бывают жидкими и газообразными, токопроводящими и неэлектролитами, естественными и искусственно созданными.
К газообразным относятся природная атмосфера и газы, образующиеся при сгорании топлива или выделяющиеся в различных химических производствах.
Жидкие - это жидкости-электролиты (водные растворы солей, кислот, щелочей, морская вода) и жидкости неэлектролиты (сернистая нефть, бензин, керосин и др.).
Естественными, кроме атмосферы, являются вода и почва, искусственными - многие химические вещества.
По характеру разрушения поверхности различают коррозию :
а) сплошную (общую) , при которой поражается вся поверхность изделия. Она бывает равномерной и неравномерной ;
б) локальную (местьную), при котрой поражаются лишь отдельные участки поверхности. Она проявляется в виде пятен, язв и питтинга (точечного разрушения на большую глубину).
Существуют и другие виды разрушений:
1. эрозия - механическое истирание, износ (т.е. разрушения, происходящие только вследствие физических причин);
2. кавитационная коррозия - разрушение при одновременном ударном (механическое воздействие) и коррозионном воздействиях среды (коррозия лопастей гребных винтов),
3. коррозионная эрозия (разрушение при одновременном воздействии сил трения и коррозионной среды - коррозия насосов, двигателей, турбин) и др.
Коррозия металлов всегда представляет собой процесс окисления:
Ме – ne → Ме n +
По механизму процесса коррозию подразделяют на химическую и электрохимическую. Причина коррозии металлов и сплавов состоит в их термодинамической неустойчивости, поэтому коррозионные процессы протекают самопроизвольно и сопровождаются убылью энергии Гиббса ((∆ G < 0) . Чем меньше (более отрицательно значение ∆ G коррозионного процесса, тем выше термодинамическая возможность (вероятность) его протекания. Для химической коррозии изменение стандартной энергии Гиббса ∆ G связано с константой равновесия соотношением ∆ G 0 = – RT ln Kp. В случае электрохимической коррозии ∆ G 0 связана со стандартной ЭДС (Е 0) уравнением ∆ G 0 = nF·Е 0 .
Химическая и электрохимическая коррозия относятся к гетерогенным окислительно–восстановительным процессам, протекающим на поверхности металлов и сплавов (на границе раздела фаз материал - коррозионная среда).
Гетерогенный процесс состоит из последовательно протекающих стадий:
Диффузии частиц окислителя к поверхности металла,
Их адсорбции на ней,
Поверхностной химической реакции (в результате которой происходит окисление металла),
Десорбции продуктов с поверхности, их переноса в объем коррозионной среды.
Скорость коррозии определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) в данных условиях стадии, которая может иметь как химическую (окисление металла), так и физическую (диффузия электролита или газа) природу.
Наиболее часто для характеристики скорости коррозии используют показатель убыли массы и глубинный показатель .
Показатель убыли массы r масс. указывает потерю массы в единицу времени τ с единицы поверхности S испытуемого образца:
r масс. = ∆m / τ·S
Глубинный показатель r глуб. определяется отношением средней глубины h разрушения металла в единицу времени τ:
r глуб. = h / τ
В справочной литературе r глуб. обычно приводится в мм/год.
Химическая коррозия: виды и разновидности.
Химическая коррозия характерна для сред, преимущественно не проводящих электрический ток (иключение: опыт №1 из лабораторной работы - там химическая коррозия протекает в растворе HCl). В зависимости от вида этих сред различают:
Химическую коррозию в жидкостях-неэлектролитах - неэлектропроводных жидких средах, обычно органического происхождения (сернистая нефть, керосин, бензол);
Химическую газовую коррозию (в дальнейшем газовую), протекающую обычно при высоких температурах.
Эти два вида химической коррозии не сопровождаются возникновением электрического тока, т.е. представляют собой обычное окислительно-восстановительное (химическое) взаимодействие металла с окружающей средой.
Газовая коррозия является наиболее часто встречающимся видом химической коррозии и обычно протекает при высоких температурах в газах и парах агрессивных веществ, когда исключена возможность их конденсации на поверхности металла, поэтому ее называют высокотемпературной коррозией . Это коррозия сопел ракетных двигателей, лопаток газовых турбин, элементов электронагревателей и др . К газовым коррозионным агентам относятся О 2 , СО 2 , SO 2 , H 2 O , H 2 S , Cl 2 . Их агрессивность по отношению к различным металлам не является одинаковой, следовательно, и скорость коррозии различается.
Рассмотрим пример наиболее часто встречающейся на практике газовой коррозии:- коррозия железа, чугуна и сталей в атмосфере О 2 , СО 2 , и H 2 O :
При нагревании этих материалов происходит их окисление :
Fe + H 2 O → FeO + H 2
Fe + CO 2 → FeO + CO
2Fe + O 2 → 2FeO
Состав продуктов окисления определяется главным образом температурой газовой коррозионной среды.
Наряду с окислением, в сталях и чугуне протекает процесс обезуглероживания - обеднения поверхностного слоя углеродом вследствие взаимодействия карбида железа, содержащегося в них, с кислородом и кислородсодержащими реагентами:
Fe 3 C + O 2 → 3Fe + CO 2
Fe 3 C + CO 2 → 3Fe + 2CO
Fe 3 C + H 2 O → 3Fe + CO + H 2
При этом ухудшаются их механические и антикоррозионные свойства.
Обезуглероживание может происходить и в атмосфере водорода:
Fe 3 C + 2H 2 → 3Fe + CН 4
Этот вид газовой коррозии называют водородной . Наряду с обезуглероживанием одновременно осуществляется и наводороживание - проникновение атомарного водорода в материал и последующее его растворение в нем, что ведет к резкому снижению пластичности металла.
Электрохимическая коррозия: причины и механизм возникновения .
На практике чаще всего приходится иметь дело с электрохимической коррозией. Она, в отличие от химической, сопровождается возникновением электрического тока и протекает, как правило, в средах с хорошей ионной проводимостью.
По условиям осуществления различают:
Коррозию в электролитах;
Атмосферную коррозию;
Электрокоррозию;
Коррозию под напряжением и др.
Причинами возникновения электрохимической коррозии служат различные виды неоднородностей как самой поверхности металла или сплава, так и коррозионной среды. В результате вся поверхность, соприкасающаяся с токопроводящей коррозионной средой, разделяется на катодные и анодные участки, которые имеют очень малые размеры и чередуются друг с другом. В такой среде они представляют собой совокупность огромного числа короткозамкнутых коррозионных гальванических элементов , вследствие чего электрохимическую коррозию часто называют гальванической коррозией .
В СИСТЕМАХ ВОЗМОЖНО ВОЗНИКНОВЕНИЕ КОРРОЗИОННЫХ НЕ ТОЛЬКО МИКРО-, НО И МАКРОЭЛЕМЕНТОВ, НАПРИМЕР, ПРИ КОНТАКТЕ С ЭЛЕКТРОЛИТОМ ДВУХ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ МЕТАЛЛОВ РАЗЛИЧНОЙ АКТИВНОСТИ (ТАК НАЗЫВАЕТАЯ КОНТАКТНАЯ КОРРОЗИЯ ).
Механизм электрохимической коррозии сводится к возникновению и функционированию коррозионных гальванических макро- и микро-элементов., поэтому ее процессы аналогичны процессам, протекающим в химических источниках тока: гальванических и топливных элементах, аккумуляторах. Основное отличие коррозионных процессов - отсутствие внешней цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят из корродирующего металла, а перемещаются внутри него от анодных участков к катодным.
Процесс электрохимической коррозии представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полуреакций., одновременно протекающих на поверхности металла:
а) анодной , сопровождающейся окислением атомов металла на анодных участках поверхности:
(–) А: Ме – ne → Ме n +
б) катодной, сопровождающейся восстановлением окислителя (окисленной формы компонента Оф) коррозионной среды (электролита) на катодных участках поверхности:
(+) К: Оф + ne → Вф
Окислители электрохимической коррозии называют деполяризаторами . К наиболее часто встречающимся деполяризаторам относятся молекулы О 2 , Н 2 О и ионы водорода Н + . Основными катодными реакциями с их участием при электрохимической коррозии являются:
в аэрированных (насыщенных кислородом) коррозионных средах:
(+) К: О 2 + 2Н 2 О + 4е → 4ОН – (φ 0 = 0,401 В);
в кислотных (рН < 7)
(+) К: О 2 + 4Н + + 4е→ 2Н 2 О (φ 0 = 1,229 В);
в деарированных (несодержащих растворенный кислород) коррозионных средах:
нейтральных и щелочных (рН ≥ 7)
(+) К: 2Н 2 О + 2е → Н 2 + 2ОН – (φ 0 = –0,828 В);
в кислотных (рН < 7)
(+) К: 2Н + + 2е→ Н 2 (φ 0 = 0 В);
Коррозию, сопровождающуюся восстановлением молекул кислорода (в аэрированных средах) называют коррозией с поглощением кислорода или коррозией с кислородной деполяризацией .
C кислородной деполяризацией протекают следующие виды электрохимической коррозии: атмосферная, подземная, в воде (пресной и морской), растворах солей. Коррозию, сопровождающуюся восстановлением молекул воды и ионов водорода называют коррозией с выделением водорода, или коррозией с водородной деполяризацией. В некоторых условиях электрохимическая коррозия может протекать одновременно и с водородной, и с кислородной деполяризацией - так называемый смешанный вид деполяризации .
Процессы, описываемые записанными выше уравнениями, называют первичными процессами, а их продукты - первичными продуктами коррозии . Кроме первичных при электрохимической коррозии протекают еще и вторичные процессы - химические взаимодействия первичных продуктов друг с другом, с компонентами электролитной коррозионной среды, с растворенными в ней газами и др. При этом образуются пленки малорастворимых вторичных продуктов , например, гидроксидов, фосфатов металлов, которые затрудняют доступ электролита к поверхности металла. В результате снижается скорость электрохимической коррозии, а иногда коррозия и совсем прекращается.
Рассмотрим наиболее характерные и часто встречающиеся на практике случаи электрохимической коррозии.
- Коррозионное разрушение сплава обусловлено его неоднородностью по химическому составу (пример из лабораторной работы, либо из контрольной работы).
Рис. 1 Схема контактной коррозии
-Контактная коррозия связана с конструктивными особенностями изделий и машин и имеет место при их эксплуатации в реальных условиях. Часто в одном узле контактируют детали из разных металлов. В возникающем в электролитной среде коррозионном гальваническом макро гальваноэлементе катодом является деталь, металл которой имеет больший потенциал, анодом - деталь, изготовленная из металла с меньшим потенциалом. На рис.1 показана схема контактной коррозии двух листов железа, соединенных медными заклепками. Функционирует коррозионный гальванический макроэлемент.Скорость этой разновидности электрохимической коррозии в целом тем больше, чем дальше отстоят друг от друга в ряду напряжений металлы, из которых изготовлены детали, образующие макрогальваноэлемент.
- Коррозия под напряжением - разрушение деталей, находящихся в электролитной среде в механически напряженном состоянии. Механические напряжения изменяют потенциал металла: потенциал металла растянутой поверхности будет меньше потенциала металла без напряжения, а потенциал металла сжатой, наоборот, больше потенциала металла без напряжения. В связи с этим растянутая поверхность будет являться анодной, сжатая - катодной. Поэтому если пластину из стали, дюраля или титанового сплава согнуть и в таком состоянии поместить, например, в коррозионную среду с рН < 7, то растянутая поверхность начнет корродировать и на ней через короткое время появятся трещины, а сжатая будет оставаться без изменений (рис.2).
Рис.2 Коррозионное разрушение детали,
находящейся в механически напряженном
состоянии: 1– стальная пластина; 2– тефлоновая
подставка; 3 – кислотная коррозионная
среда.
- Коррозия под действием блуждающих токов (электрокоррозия) . Блуждающими называют токи, ответвляющиеся от своего основного пути. Это токи утечки из электрических цепей или любые токи, попадающие в землю от внешних источников (пути электропоездов, заземления линий тока, электрические кабели и т.п.).
Блуждающие токи вызывают коррозию газо– и нефтепроводов, электрокабелей, различных металлических подземных сооружений. Радиус их действия исчисляется десятками километров. Обычно коррозионные разрушения бывают локального типа и располагаются в местах выхода токов в землю или воду. Для подземных трубопроводов и путей электропоездов это, как правило, места изолированных сочленений и плохого контакта рельсов на стыках соответственно, а также места с недостаточной изоляцией от земли. Они являются анодными зонами и подвергаются усиленной коррозии (рис. 3).
Рассмотренные случаи не исчерпывают всего многообразия электрохимических коррозионных процессов, но дают представления об основных видах неоднородностей, характере взаимодействия изделий с коррозионной средой и причинах возникновения потенциалов в коррозионных средах.
Рис. 3. Схема возникновения блуждающих
токов от трамвайной линии и механизм
коррозионного разрушения ими рельсов
и трубопровода.
3. Термодинамика и кинетика газовой и электрохимической коррозии
Термодинамика и кинетика газовой коррозии.
На практике газовая коррозия чаще всего проявляется как коррозия металлических материалов при высокой температуре в атмосфере кислородсодержащих газов, поэтому ее помимо высокотемпературной коррозии нередко называют высокотемпературным окислением .
На поверхности изделий из металлов и сплавов в результате их взаимодействия с такой коррозионной средой образуется пленка продуктов, представляющих собой различные оксиды металлов . Процесс может быть описан следующим уравнением:
х Ме (т) + у О 2 (г) ↔ Ме х О у (т)
Реакция окисления обратима и ее константа равновесия:
К р = 1/ Р у/2 равн О2 (Р равн О2 – равновесное парциальное давление О 2)
Термодинамическую возможность протекания процесса окисления в конкретных условиях можно оценить с помощью уравнения:
∆G T = ∆G 0 T + RT ln 1/ Р у/2 равн О2
Если образовавшаяся на поверхности металла оксидная пленка препятствует дальнейшему проникновению коррозионной среды к поверхности металла, то ее называют защитной . Металл с защитной пленкой на поверхности становится химически неактивным, т.е. пассивным . Начальная стадия образования защитной оксидной пленки - исключительно химический процесс. Дальнейшее протекание процесса определяется скоростью встречной диффузии ионов металла и кислорода внутри оксидной пленки.
В оксидных пленках определенной толщины и совершенной структуры (без трещин, пор) процессы встречной диффузии прекращаются. Такие пленки и являются защитными. Чтобы обладать защитными свойствами, оксидная пленка должна удовлетворять следующим требованиям: быть сплошной, беспористой, химически инертной к агрессивной среде, иметь высокие твердость, износостойкость, адгезию (прилипаемость к металлу) и близкий к металлу коэффициент термического расширения. Главным требованием является условие сплошности Пиллинга –Бедвордса, согласно которому объем образовавшегося оксида должен быть больше израсходованного на окисление объема металла -
V МехОу > V Me
Отношение этих объемов называют фактором сплошности Пиллинга–Бедвордса α, который рассчитывают, используя молярную массу атомов М ме и плотность ρ ме металла, а также молярную массу М МехОу и плотность ρ МехОу его оксида:
а = V МехОу / V Me = М МехОу · ρ ме / ρ МехОу · m М ме
где m - число атомов металла в молекуле оксида. Величину α для многих металлов и их оксидов можно найти также в справочной литературе . Если а > 1, то формирование и рост толщины пленки при окислении происходит в условиях сжатия, поэтому она является сплошной . Если а < 1, то пленка в процессе своего формирования и роста испытывает растяжения, которые способствуют ее разрушению и появлению трещин, различных дефектов, вследствие чего кислород свободно проникает к поверхности металла.
По фактору сплошности Пиллинга–Бедвордса можно лишь приблизительно оценить защитные свойства оксидных пленок. В реальных условиях у сплошных пленок (а > 1) может и не быть защитных свойств, как, например, у FeO, MoO 3 , WO 3 . Поэтому очень ориентировочно считают, что если 1,0 < а < 2,5, то пленка сплошная и может обладать защитными свойствами. Причинами плохих защитных свойств у пленок с а > 2,5 могут быть летучесть оксида, напряжения разрушающие оксидную пленку, ее недостаточная пластичность и др.
Выполнение условия сплошности всегда является необходимым, но недостаточным требованием.
При формировании и росте защитной оксидной пленки важным является также и условие ее ориентационного соответствия металлу , т.е. максимального сходства кристаллическитх решеток металла и образующегося оксида.
Законы роста толщины оксидных пленок
Обычно скорость газовой коррозии, т.е. процесса окисления, выражают через скорость роста толщины δ оксидной пленки во времени τ:
Рост толщины, т.е. окисление поверхности металла, может проходить в соответствии с различными кинетическими зависимостями, или законами: линейным, параболическим, логарифмическим (рис. 4.)
Согласно линейному закону, скорость процесса окисления постоянна во времени. Этот закон выполняется как при полном отсутствии оксидной пленки на поверхности, так и при наличии тонкой или незащитной (пористой, несплошной) оксидной пленки, у которой а < 1. Во всех этих случаях доступ к поверхности свободен. По линейному закону происходит окисление щелочных и щелочноземельных металлов, а также ванадия, вольфрама и молибдена при высоких температурах. У первых оно обусловлено их разогревом из-за плохого отвода теплоты, вызванного образованием на поверхности рыхлых оксидных пленок, препятствующих ее оттоку, у вторых - летучестью их оксидов при высоких температурах.
В соответствии с параболическим законом скорость процесса окисления обратно пропорциональна толщине оксидной пленки. Этот закон соблюдается, когда на поверхности металла при его окислении образуется пленка, обладающая защитными свойствами, т.е. сплошная и непористая, для которой а > 1 Согласно параболическому закону, окисляются вольфрам, кобальт, никель (за исключением начальных участков), а также медь в интервале температур 300….1000°С и железо - 500…1000°С.
Логарифмический закон имеет место, когда происходит либо уплотнение защитной оксидной пленки, либо появление в ней дефектов в виде пузырей или расслоений, тормозящих процессы встречной диффузии ионов кислорода и металла. При этом наблюдается сильное затухание процесса окисления, и рост толщины оксидной пленки осуществляется медленнее, чем по параболическому закону. В соответствии с логарифмическим законом, окисляются медь при температуре ниже 100°С, тантал - ниже 400°С, а также алюминий, цинк и никель - ниже 3000°С. Скорость процесса окисления в этом случае обратно пропорционально времени его протекания.
Процесс окисления большинства металлов с изменением условий (температуры, состава газовой корроозионной среды, времени контакта) протекает по различным законам. Например, для титана:
Температура, °С < 350 630–830 > 850
Закон роста толщины
оксидной пленки… логарифмический параболический линейный
Помимо внутренних факторов (состояние оксидной пленки) на скорость газовой коррозии значительно большее влияние оказывают внешние факторы, такие как: состав, давление, температура и скорость движения газовой среды, время ее контакта, режим нагрева. При повышении температуры, с одной стороны, понижается термодинамическая возможность газовой коррозии, с другой, - увеличиваются константа скорости химической реакции и коэффициент диффузии, а также изменяются защитные свойства оксидной пленки. В целом с ростом температуры скорость коррозии увеличивается в соответствии с зависимостью, близкой к экспотенциальной. Колебания температуры, особенно попеременный нагрев и охлаждение, вызывают быстрое разрушение защитной пленки из-за возникновения больших внутренних напряжений.
Термодинамика и кинетика электрохимической коррозии.
Возможность электрохимической коррозии, как и любого химического процесса, определяют по изменению энергии Гиббса. Поскольку коррозия является самопроизвольно протекающим процессом, то сопровождается ее убылью, т.е. ∆G т < 0. Так как электрохимическая коррозия связана с функционированием коррозионного Г.Э., то возможность ее протекания можно оценить и по знаку ЭДС. Последняя связана с энергией Гиббса соотношением:
nFE 0 = – ∆G 0
Отрицательному значению ∆G т соответствует положительное значение ЭДС.
Общая скорость электрохимической коррозии определяется скоростью лимитирующей реакции (либо катодной, либо анодной). Но поскольку катодная и анодная реакции протекают взаимосвязано, то замедление одной тормозит другую.
Изменение температуры может ускорять или замедлять процесс электрохимической коррозии. Так, например с увеличением температуры уменьшается концентрация газообразных растворенных веществ (О 2 , Сl 2), участвующих в электродных процессах, но снижаются защитные свойства пленок из вторичных продуктов (малорастворимых солей, гидроксидов), может измениться и полярность (катодные или анодные) металлических защитных покрытий.
По влиянию кислотности раствора (рН среды) на скорость электрохимической коррозии все металлы подразделяются на пят групп, каждая из которых имеет свой вид зависимости (рис. 5):
металлы с высокой коррозионной стойкостью в кислотных, нейтральных и щелочных растворах, такие как Ag, Au, Pt и др. Скорость их коррозии не зависит от рН раствора (рис. 5, а);
металлы, устойчивые в кислотных растворах, но нестойкие в щелочных - Mo, Ta, W и др. (рис.5, б);
металлы, малостойкие в кислотных растворах, но устойчивые в щелочных - Ni, Cd и др. (рис. 5, в);
металлы, устойчивые в растворах, близких к нейтральным, но разрушающиеся в щелочных и кислотных из-за амфотерности - Zn, Al, Sn, Pb (рис. 5, г). Каждый их них имеет свое определенное значение рН, при котором скорость коррозии минимальна: 7(Al). 5(Pb). 9 (Sn), 10(Zn), 14(Fe);
металлы, малостойкие в кислотных растворах, в интервале значений рН 4…8,5 имеют постоянную скорость коррозии, которая при рН > 10 резко уменьшается вследствие образования на их поверхности малорастворимых гидроксидов - Fe, Mg, Cu, Mn и др. (рис.5,д).
Лекция 9. Коррозия металлов.
План лекции
1. Коррозия металлов.
2. Химическая и электрохимическая коррозия. Механизм коррозии. Факторы, определяющие интенсивность коррозии.
3. Виды электрохимической коррозии.
4. Методы защиты металлов от коррозии - покрытия.
5. Электрохимические методы защиты. Ингибиторы коррозии.
Задачи изучения темы:
В процессе освоения темы студенты получают представление о процессе коррозии, его механизме, факторах, влияющих на коррозионный процесс. Способы защиты металлов от коррозии.
Студент должен знать:
Природу коррозионных процессов. Основные способы защиты металлов от коррозии, их классификация и механизм действия.
Основная и дополнительная литература
Основная
1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.И. Ермакова. – изд. 28-е, перераб. и доп. – М.: Интеграл-Пресс, 2000. – С. 27-36.
2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М: Высш.шк., 2005. 743 с.
3. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. М: Высш.шк, 2004. 527 с.
4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов / под ред. В.А. Рабиновича и др. М.: Интеграл-Пресс, 1997. – 240 с.
Дополнительная
5. Некрасов Б.В. Основы общей химии. СПб-М: Высш.шк, 2003 Т. 1, 2.
6. Коровин Н.В. Общая химия. М: Высш.шк., 2005. 557 с.
7. Практикум по общей и неорганической химии: Пособие для студентов вузов. / В.И. Фионов, Т.М. Курохтина, З.Н. Дымова и др.; Под ред. Н.Н. Павлова, В.И. Фролова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2002. – С. 33-47.
Методические разработки кафедры
8. Гаркушин И.К., Лисов Н.И., Немков А.В. Общая химия для технических вузов. Учебное пособие. Самарск. гос. техн. ун-т, Самара. – 2003. – С. 144-166.
9. Жиляева И.И., Громаковская А.Г. Коррозия металлов. Метод. указания к лабораторной работе.
1. КОРРОЗИЯ Corrodere (лат.) – разъедать.
Коррозия это разрушение металла и изделий из-за химического взаимодействия с окружающей средой.
Коррозия - окислительно-восстановительный гетерогенный процесс, протекающий на поверхности раздела фаз – металл/жидкость, металл/газ. Это самопроизвольный процесс, приводящий к получению термодинамически более устойчивых соединений.
Ежегодные потери металла из-за коррозии составляют 10 – 12% производственных мировых запасов.
Основные виды коррозии разделяют :
По механизму протекания коррозии:
Химическая – протекает в неэлектролитах – гетерогенное взаимодействие металла с окислителем окружающей среды (газовая, неэлектролитная);
Электрохимическая – протекает в электролитах – взаимодействие металла с окислителем включает анодное растворение металла и катодное восстановление окислителя (электролитная, влажно-атмосферная, почвенная)
По характеру разрушения поверхности металла :
Равномерная (общая) – распределяется более или менее равномерно по всей поверхности металла;
Местная – пятнами (язвами);
Точечная (на поверхности) или питтинг (на большой глубине);
Межкристаллитная – по границам зерен (самая опасная – ослабевают связи между зернами структуры сплава);
Подповерхностная – незаметная (под поверхностью металла);
Избирательная – растворение одного из компонентов сплава;
Растрескивание – при одновременном воздействии химических реагентов и высоких механических напряжений;
Селективная – избирательная.
Рассмотрим более подробно химическую и электрохимическую коррозии:
2. ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Сущность химической коррозии – в окислении металла в результате химического взаимодействия его с окружающей средой.
Среды вызывающие химическое разрушение металла называются агрессивными.
Химическая коррозия осуществляется путем непосредственной передачи электрона от атома металла к атому окислителя.
Химическую коррозию подразделяют на газовую и неэлектролитную (жидкостная неэлектролитная коррозия).
Жидкостная неэлектролитная коррозия развивается при эксплуатации химического оборудования, соприкосновения с нефтью и ее продуктами, жидким бромом, бензином, керосином и др. органикой, т.е. веществами, не проводящими электрический ток.
Коррозия в газах (газовая коррозия наиболее распространенная) происходит при повышенных температурах, когда конденсация влаги на поверхности металла невозможна. Газовой коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин и т.п. Газовую коррозию претерпевает также металл, подвергаемый термической обработке. В результате газовой коррозии на поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сульфиды и др. (так например диоксид серы присутствующий в заводских помещениях под действием температуры окисляется образую триоксид серы, который вступает а реакцию с металлом, тем самым разрушая ее)
С повышением температуры скорость газовой коррозии возрастает.
Частный случай газовой коррозии – водородная коррозия (водород связывает углерод находящийся в стали в непредельные углеводороды – метан и т.д.)
Fe 3 C (цементит) + 2H 2 3Fe + CH 4
Карбонильная – Me + nCO Me(CO)n
Чистые металлы в большинстве случаев почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, как железо, в совершенно чистом виде не ржавеет. Но обыкновенные металлы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.
На ряде металлов образуется тонкий слой оксида.
В качестве примера на рисунке показано образование оксидов на поверхности металла:
Если пленка прочно связана с поверхностью металла и не имеет механических повреждений, то она защищает металл от дальнейшего окисления. Такие защитные пленки имеются у алюминия, хрома, цинка, марганца, титана, ванадия, никеля и кобальта. Для того чтобы оксидная пленка защищала металл, она должна быть сплошной, обладать высокой адгезией, быть устойчивой к агрессивным средам, обладать коэффициентом термического расширения близким к этому показателю металла.
У железа она пористая, легко отделяется от поверхности и поэтому не способна защитить металл от разрушения.
Для изготовления аппаратуры, подвергающейся действию коррозионно-активных газов, применяют жаростойкие сплавы. Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, никель, алюминий; применяются также сплавы на основе никеля или кобальта.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Электрохимическая коррозия возникает при контакте двух разнородных металлов (или примеси неметаллов) в среде электролита.
В отличие от химической коррозии, передача электронов идет через токопроводящую среду – электролит. Коррозия протекает в местах контактов металлов, имеющих разные электродные потенциалы, которые выполняют роль электродов.
Во всех случаях различной неоднородности на поверхности металла самопроизвольно возникают локальные микрогальванические элементы – гальванопары.
При гальванокоррозии поток электронов направлен от более активного металла к менее и более активный металл разрушается. При возникновении гальвано пары появляется ток тем большей силы, чем дальше отстоят металлы в ряду напряжений.
Скорость электрохимической коррозии зависит от природы металла, природы электролита и температуры.
Скорость коррозии металла повышается также при включении в него неметаллических примесей, потенциал которых выше потенциала основного металла. Так, включения оксидов или шлаков, в стали сильно снижают ее коррозионную стойкость.
Примеси, находящиеся в окружающей среде, могут адсорбироваться на поверхности металла и также каталитически влиять на коррозию, ускоряя или замедляя ее. Например, большинство сплавов железа корродирует в морской воде гораздо быстрее, чем в воде с такой же концентрацией кислорода, не содержащей хлоридов. Это обусловлено тем, что хлорид-ионы, адсорбируясь на поверхности железа, препятствует образованию на ней защитных слоев.
Виды электрохимической коррозии
Наиболее характерные виды электрохимической коррозии:
Атмосферная – протекает во влажном воздухе при обычной температуре. Поверхность металла покрывается пленкой влаги, содержащей растворенный кислород. Интенсивность коррозии возрастает с увеличением влажности воздуха, содержания в нем газообразных СО 2 и SO 2 , пыли, копоти, а также при наличии на поверхности металла шероховатостей и трещин, облегчающих конденсацию влаги.
Различают: сухую атмосферную коррозию, протекающую при относительной влажности 60%, под действием кислорода, и мокрую атм. коррозию – разрушение металлических конструкций под действием дождя, снега и туманов.
Почвенная – металлы соприкасаются с влагой почвы, содержащей растворенный кислород. Анодному разрушению подвергаются участки с большей увлажненностью и меньшим доступом воздуха. Особенно коррозионно-активны почвы с высокой влажностью, кислотностью и электрической проводимостью. Поэтому на скорость газовой коррозии влияют следующие характеристики – пористость, рН, электропроводность, наличие растворенных солей.
В таких условиях трубопроводы разрушаются в течение полугода после их укладки, если не принимаются специальные меры для из защиты.
Морская коррозия – это коррозия в морской воде, агрессивность которой обусловлена содержанием кислорода и наличием в ней хлоридов металлов, препятствующих образованию эффективных защитных пленок. Наиболее сильно она протекает на границы воды и атмосферы.
Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов, возникающих от посторонних источников (линии электропередач, электрические железные дороги, различные электроустановки, работающие на постоянном электрическом токе) от которых через недостаточную электроизоляцию ток может истекать в грунт. Блуждающий ток, попав на находящийся в земле металлический предмет, в некотором месте выходит в грунт, вызывая разрушение места выхода – которое называется анодным выходом, где наблюдается очень интенсивная коррозия. Блуждающие токи вызывают коррозию газопроводов, нефтепроводов, электрокабелей, различных подземных металлических сооружений.
4. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С КОРРОЗИЕЙ
Изоляция металлов от агрессивной среды (ПОКРЫТИЯ) :
Металлические покрытия – покрытие защищаемого металла слоем другого металла, практически не корродирующего в тех же условиях.
При покрытии изделия различными металлами надо помнить, что покрытие и защищаемый металл могут образовывать гальваническую пару. Ее работа в определенных условиях может либо усиливать защитное действие, либо наоборот усиливать коррозию защищаемого металла.
Анодное покрытие . Например при локальном нарушении цинкого покрытия в гальвано паре цинк–железо анодом будет цинк, который и будет разрушаться, защищая железо.
Катодное покрытие . А в паре олово–железо при нарушении оловянного покрытия разрушению будет подвергаться железо, т.к. в этой паре именно оно является анодом.
Различия коррозиционной стойкости покрытий в тех или иных агрессивных средах и свойства конечных продуктов коррозии определяют специфические области применения этих покрытий.
Неметаллические покрытия – пленки высокополимерных веществ (каучуки, пластмассы), лаки, олифа, композиции из высокополимерных и неорганических красящих веществ.
Покрытие резиной называется – гуммирование, а бетоном – торкретирование
90% всех металлических изделий защищают подобным образом. Дешевы, их просто наносить, но они не прочны.
Химические покрытия(более надежны):
пленки из оксидов металлов (толщиной 0,3 микрона), получаемые при действии кислорода или подходящих окислителей (HNO 3 , K 2 Cr 2 O 7 и др.) на поверхность металлов. Часто такие оксидные пленки образуются на поверхности металлов просто при соприкосновении с воздухом, что делает химически сравнительно активные металлы (Zn, Al) практически коррозионно-стойкими;
подобную же роль могут играть защитные нитридные пленки, образующиеся при действии азота или аммиака на поверхность некоторых металлов;
искусственное оксидирование (толщиной до 30 микрон), азотирование и фосфатирование, причем лакокрасочные покрытия наносятся на оксидированный, азотированный и фосфатированный металл.
Так оксидирование железа (выроненная сталь) проводят в смеси гидроксида натрия (800г/л) с нитратом (50г/л) и нитритом (200г/л) натрия при температуре 140 о С.
Оксидирование железа приводит к формированию на его поверхности пленок Fe 3 O 4 – черного цвета или Fe 2 O 3 – коричневого цвета.
А для фосфатирования применяют фосфаты марганца и железа, которые приводят к формированию трудно растворимых пленок трехвалентного железа.
Фосфатные и оксидные пленки нередко используют как электроизоляционные покрытия, например на трансформаторных пластинах (пробивное напряжение таких пленок может достигать 600 В).
5. Электрохимические методы защиты – основаны на изменении потенциала защищаемого металла и не связаны с изоляцией металла от коррозионной среды.
катодная (электрозащита) – защищаемая конструкция, находящаяся в среде электролита (например, в почвенной воде), присоединяется к катоду внешнего источника электричества (к отрицательному полюсу). В ту же агрессивную среду помещают кусок старого металла (рельс или балка), присоединенный к аноду внешнего источника электричества. Фактически он служит источником электронов, поставляемых на катод. В процессе коррозии этот кусок старого металла разрушается.
| Катодная защита |
 |
протекторная (анодная) – используется специальный анод – протектор, в качестве которого применяют металл более активный, чем металл защищаемой конструкции (Zn, Mg). Протектор соединяют с защищаемой конструкцией проводником электрического тока. В процессе коррозии разрушается протектор.
Этот метод применяется для защиты от коррозии лопастей турбин подводных частей кораблей, для защиты холодильного оборудования, работающего с солевыми продуктами.
Воздействие на агрессивную среду
Для замедления коррозии металлических изделий в агрессивную среду вводят вещества (чаще всего органические), называемые ингибиторами коррозии, которые пассивируют поверхность металла и препятствуют развитию коррозионных процессов. Это имеет большое значение в тех случаях, когда металл необходимо защищать от разъедания кислотами. Ингибиторы коррозии широко применяют при химической очистке паровых котлов от накипи, для снятия окалины с отработанных изделий, а также при хранении и перевозке HCl в стальной таре. В качестве органических ингибиторов коррозии применяют тиомочевину (сульфид-диамид углерода C(NH 2) 2 S), диэтиламин, уротропин (гексаметилентетрамин (CH 2) 6 N 4) и другие производные аминов, а в качестве неорганических – силикаты, нитриты, дихроматы щелочных металлов и др.
К этой же группе методов защиты металлов от коррозии относится также освобождение воды, идущей на питание паровых котлов, от растворенного в ней кислорода, что достигается, например, при фильтровании воды через слой железных стружек.
Коррозией называют процесс самопроизвольного разрушения поверхности материалов вследствие взаимодействия с окружающей средой. Ее причиной является термодинамическая неустойчивость химических элементов к определенным веществам. Формально коррозии подвержены полимеры, дерево, керамика, резина, но к ним чаще применяют термин «старение». Наиболее серьезный ущерб наносит ржавление металлов, для защиты которых разрабатываются высокотехнологичные контрмеры. Но об этом мы поговорим позже. Учеными различается коррозия металлов химическая и электрохимическая.
Химическая коррозия
Она возникает обычно при воздействии на металлическую структуру сухих газов, жидкостей или растворов, не проводящих электрический ток. Суть этого типа коррозии - прямое взаимодействие металла с агрессивной средой. Элементы химически корродируют во время термической обработки или в результате длительной эксплуатации при достаточно высоких температурах. Это касается лопаток газовых турбин, арматуры плавильных печей, деталей двигателей внутреннего сгорания и так далее. В результате на поверхности образуются определенные соединения: оксиды, нитриды, сульфиды.
Она является следствием контакта металла с жидкой средой, способной проводить электрический ток. Вследствие окисления материал претерпевает структурные изменения, приводящие к образованию ржавчины (нерастворимого продукта), либо частицы металла переходят в раствор ионов.
Электрохимическая коррозия: примеры
Ее разделяют на:
- Атмосферную, которая возникает при наличии на поверхности металла жидкостной пленки, в которой газы, содержащиеся в атмосфере (например, О 2 , СО 2 , SO 2), способны растворяться с образованием электролитных систем.
- Жидкостную, которая протекает в токопроводящей жидкой среде.
- Грунтовую, что протекает под воздействием грунтовых вод.
Причины
Поскольку обычно любой металл, который используется для промышленных нужд, не является идеально чистым и содержит включения различного характера, то электрохимическая коррозия металлов возникает вследствие образования на поверхности железа большого количества короткозамкнутых локальных гальванических элементов.
Появление их может быть связано не только с наличием различных (особенно металлических) примесей (контактная коррозия), но и с неоднородностью поверхности, дефектами кристаллической решетки, механическими повреждениями и тому подобное.
Механизм взаимодействия
Процесс электрохимической коррозии зависит от химического состава материалов и особенностей внешней среды. Если так называемый технический металл покрыт влажной пленкой, то в каждом из указанных гальванических микроэлементов, которые образуются на поверхности, протекают две независимые реакции. Более активный компонент коррозионной пары отдает электроны (к примеру, цинк в паре Zn-Fe) и переходит в жидкую среду в качестве гидратированных ионов (то есть корродирует) по следующей реакции (анодный процесс):
М + nH 2 O = M z + * nH 2 O + ze.
Эта часть поверхности является отрицательным полюсом локального микроэлемента, где металл электрохимически растворяется.
На менее активном участке поверхности, которая является положительным полюсом микроэлемента (железо в паре Zn-Fe), электроны связываются за счет протекания реакции восстановления (катодный процесс) по схеме:
Таким образом, наличие окислителей в водяной пленке, которые способны связывать электроны, обеспечивает возможность дальнейшего хода анодного процесса. Соответственно, электрохимическая коррозия может развиваться только при условии одновременного протекания как анодного, так и катодного процессов. Вследствие торможения одного из них скорость окисления уменьшается.
Процесс поляризации
Оба вышеуказанных процесса вызывают поляризацию соответствующих полюсов (электродов) микроэлемента. Какие здесь есть особенности? Обычно электрохимическая коррозия металлов более существенно замедляется поляризацией катода. Поэтому она будет усиливаться под влиянием факторов, которые предотвращают эту реакцию и сопровождаются так называемой деполяризацией положительного электрода.
Во многих коррозионных процессах катодная деполяризация осуществляется разрядом ионов водорода либо восстановлением молекул воды и соответствует формулам:
- В кислой среде: 2Н + + 2е = Н 2 .
- В щелочной: 2Н 2 О + 2е = Н 2 + 2ОН - .
Диапазон потенциалов
Потенциал, который соответствует этим процессам, в зависимости от природы агрессивной среды, может изменяться от -0,83 до 0 В. Для нейтрального водного раствора при температурах, близких к стандартной, он равен примерно -0,41 В. Следовательно, ионы водорода, содержащиеся в воде и в нейтральных водных системах, могут окислять только металлы с потенциалом, меньшим, чем -0,41 В (расположенные в ряду напряжений до кадмия). Учитывая то, что некоторые из элементов защищены оксидной пленкой, число металлов, подверженных окислению в нейтральных средах ионами водорода, незначительное.
Если влажная пленка содержит растворенный кислород воздуха, то он способен, в зависимости от характера среды, связывать электроны эффектом кислородной деполяризации. В этом случае схема электрохимической коррозии выглядит следующим образом:
- О 2 + 4е + 2Н 2 О = 4ОН - или
- О 2 + 4е + 4Н + = 2Н 2 О.
Потенциалы указанных электродных реакций при температурах, близких к стандартной, изменяются от 0,4 В (щелочная среда) до 1,23 В (кислая среда). В нейтральных средах потенциал процесса восстановления кислорода при указанных условиях соответствует значению 0,8 В. Значит, растворенный кислород способен окислять металлы с потенциалом меньше 0,8 В (расположенные в ряду напряжений до серебра).
Важнейшие окислители
Виды электрохимической коррозии характеризуются окислительными элементами, важнейшими из которых являются ионы водорода и кислород. При этом пленка, содержащая растворенный кислород, в коррозионном отношении значительно опаснее, чем влага, где кислорода нет, и которая способна окислять металлы исключительно ионами водорода, так как в последнем случае количество видов материалов, способных корродировать, значительно меньше.
Например, в стали и в чугуне присутствуют примеси углерода преимущественно в виде карбида железа Fe 3 C. В этом случае механизм электрохимической коррозии с водородной деполяризацией для указанных металлов выглядит следующим образом:
- (-) Fe - 2e + nH 2 O = Fe 2+ · nH 2 O (может образовываться ржавчина);
- (+) 2Н + + 2е = Н 2 (в подкисленной среде);
- (+) 2Н 2 О + 2е = Н 2 + 2ОН - (в нейтральной и щелочной среде).
Механизм коррозии железа, в котором содержатся примеси меди, в случае кислородной деполяризации катода описывается уравнениями:
- (-) Fe - 2e + nH 2 O = Fe 2+ ·nH 2 O;
- (+) 0,5О 2 + Н 2 О + 2е = 2ОН - (в подкисленной среде);
- (+) 0,5О 2 + 2Н + + 2е = Н 2 О (в нейтральной и щелочной среде).
Электрохимическая коррозия протекает с разной скоростью. Этот показатель зависит от:
- разности потенциалов между полюсами гальванического микроэлемента;
- состава и свойств электролитной среды (рН, наличие ингибиторов и стимуляторов коррозии);
- концентрации (интенсивности подачи) окислителя;
- температуры.
Методы защиты
Электрохимическая защита металлов от коррозии достигается следующими способами:
- Созданием антикоррозионных сплавов (легированием).
- Увеличением чистоты индивидуального металла.
- Нанесением на поверхность различных защитных покрытий.
Эти покрытия в свою очередь бывают:
- Неметаллическими (краски, лаки, смазочные материалы, эмали).
- Металлическими (анодные и катодные покрытия).
- Образованными специальной обработкой поверхностей (пассивация железа в концентрированных серной или азотной кислотах; железа, никеля, кобальта, магния в растворах щелочей; образование оксидной пленки, например, на алюминии).
Металлическое защитное покрытие
Наиболее интересной и перспективной является электрохимическая защита от коррозии другим видом металла. По характеру защитного воздействия металлизированные покрытия подразделяют на анодные и катодные. Остановимся на этом моменте более подробно.
Анодным называется покрытие, образованное более активным (менее благородным) металлом, чем тот, что защищают. То есть осуществляется защита элементом, который стоит в ряду напряжений до основного материала (например, покрытие железа цинком или кадмием). При местных разрушениях защитного слоя корродировать будет менее благородный металл-покрытие. В зоне царапин и трещин образовывается локальный гальванический элемент, катодом в котором является ограждаемый металл, а анодом - покрытие, которое окисляется. Целостность такой защитной пленки значения не имеет. Однако чем она толще, тем медленнее будет развиваться электрохимическая коррозия, дольше будет длиться полезный эффект.
Катодным называется покрытие металлом с большим потенциалом, который в ряду напряжений стоит после защищаемого материала (например, напыление низколегированных сталей медью, оловом, никелем, серебром). Покрытие должно быть сплошным, так как при его повреждении образовываются локальные гальванические элементы, в которых основной металл будет анодом, а защитный слой - катодом.
Как уберечь металл от окисления
Электрохимическая защита от коррозии подразделяется на два типа: протекторную и катодную. Протекторная аналогична анодному покрытию. К материалу, который нужно защитить, присоединяют большую пластину более активного сплава. Образуется гальванический элемент, основной металл в котором служит катодом, а протектор - анодом (он корродирует). Обычно для этого типа защиты применяют цинк, алюминий или сплавы на основе магния. Протектор постепенно растворяется, поэтому его нужно периодически заменять.
Много неприятностей в коммунальном хозяйстве и в промышленности в целом доставляет электрохимическая коррозия трубопроводов. В борьбе с ней наиболее подходит метод катодной поляризации. Для этого металлическая конструкция, которая защищается от разрушительных процессов окисления, подключается к отрицательному полюсу какого-либо внешнего источника постоянного тока (она после этого становится катодом, при этом возрастает скорость выделения водорода, а скорость коррозии снижается), а к положительному полюсу присоединяют малоценный металл.
Электрохимические методы защиты эффективны в токопроводящей среде (яркий пример - морская вода). Поэтому протекторы часто используют, чтобы защитить подводные части морских судов.
Обработка агрессивной среды
Этот метод является эффективным, когда электрохимическая коррозия железа протекает в небольшом объеме токопроводящей жидкости. Справиться с разрушительными процессами в этом случае можно двумя способами:
- Удалением из жидкости кислорода (деаэрация) в результате продувки инертным газом.
- Введением в среду ингибиторов - так называемых замедлителей коррозии. Например, в случае если поверхность разрушается в результате окисления кислородом, добавляют органические вещества, молекулы которых содержат определенные аминокислоты (имино-, тио- и другие группы). Они хорошо адсорбируются на поверхности металла и существенно снижают скорость электрохимических реакций, приводящих к разрушениям поверхностного контактного слоя.
Вывод
Безусловно, коррозия химическая и электрохимическая приносит значительный ущерб и в промышленности, и в быту. Если бы металл не корродировал, срок службы многих предметов, деталей, агрегатов, механизмов значительно увеличился бы. Сейчас ученые активно разрабатывают альтернативные материалы, способные заменить металл, не уступающие по эксплуатационным характеристикам, однако полностью отказаться от его применения в ближайшей перспективе, наверное, невозможно. В этом случае на передний план выходят передовые методы защиты металлических поверхностей от коррозии.
На скорость химической (газовой) коррозии металлов и сплавов влияют внешние и внутренние факторы.
К внешним факторам относятся состав и давление газовой среды, скорость её движения, температура, режим нагрева.
Состав газовой среды . При высоких температурах металлы взаимодействуют с кислородом, парами воды, оксидом углерода (lV), оксидом серы (lV) по схеме
2М + О 2 = 2МО,
М + СО 2 = МО + СО,
М + Н 2 О = МО + Н 2 ,
3М + SО 2 = 2МО + МS.
Скорости этих химических реакций и защитные свойства образующихся плёнок различны, следовательно, скорости коррозии металлов в указанных средах также различны.
Из экспериментальных данных известно, что при 900 0 С ско-рость окисления Fe, Co, Ni возрастает в ряду
Н 2 О (П) ® СО 2 ® О 2 ® SО 2
В отличие от этих металлов Cu практически не корродирует в атмосфере SO 2 .
В приведенных выше газах скорость газовой коррозии металлов увеличивается в ряду
Cr ® Ni ® Co ® Fe
Вольфрам при 900 0 С наибольшую скорость коррозии имеет в атмосфере О 2 , а наименьшую ─ в СО 2 .
Загрязнение воздуха СО 2 , SО 2 , парами Н 2 О вызывает повышение скорости коррозии малоуглеродистой стали. Это связывают с увеличением несовершенств в оксидной плёнке.
При нагревании стали в атмосфере, содержащей О 2 , СО 2 , Н 2 О, помимо окисления, может происходить обезуглероживание (декарбонизация)
Fe 3 C + 1/2O 2 = 3Fe + CO,
Fe 3 C + CO 2 = 3Fe + 2CO,
Fe 3 C + H 2 O = 3Fe + CO + H 2 .
Наводороживание стали происходит при высоких температурах адсорбированными на её поверхности атомами водорода. При комнатной температуре молекулы Н 2 не диссоциируют, поэтому наводороживания стали не происходит. Наводороживание вызывает резкое уменьшение пластичности, понижает длительную прочность металлов. Склонен к наводороживанию титан.
Температура . Повышение температуры вызывает увеличение константы скорости химической реакции, а также рост скорости диффузии реагентов в плёнке продуктов коррозии. Это приводит к увеличению скорости газовой коррозии металлов и сплавов ─ Fe, Cu, и др.
Температура может оказывать влияние на состав образующихся плёнок и закон их роста (таблица 1).
Большое влияние на скорость окисления оказывает режим нагрева. Колебания температуры при нагреве и особенно попеременный нагрев и охлаждение вызывают разрушение плёнки вследствие возникновения больших внутренних напряжений, в результате чего скорость окисления металлов увеличивается.
Таблица 1 ─ Влияние температуры на состав и закон роста оксид-
ных плёнок
Давление газа . С повышением парциального давления кислорода скорость коррозии металлов возрастает.
Для некоторых металлов и сплавов при постоянной достаточно высокой температуре с увеличением парциального давления кислорода скорость окисления сначала растёт, а затем при достижении некоторого критического значения Ро 2 ─ резко уменьшается (рисунок 7) и в широком диапазоне давлений остаётся достаточно низкой.
Р О 2 КР Р О 2
Рисунок 7 - Влияние парциального давления кислорода на
скорость газовой коррозии
Явление уменьшения скорости газовой коррозии при повышении парциального давления кислорода называют высокотемпературной пассивацией. Пассивное состояние металла связывают с образованием на его поверхности совершенной плёнки.
Высокотемпературную пассивацию имеют хромистые стали, медь, титан, цинк и другие металлы и сплавы.
При значительном увеличении парциального давления кислорода выше критического, у целого ряда нержавеющих сталей, например, 08Х13 (Х13), 30Х13 (Х13), 12Х17 (Х17), 08Х18Н10Т (Х18Н10Т) происходит нарушение пассивного состояния («перепассивация»), что приводит к увеличению скорости окисления.
Увеличение скорости коррозии при высоких температурах может вызвать повышение скорости движения газовой среды.
К внутренним факторам, влияющим на скорость химической коррозии металлов относятся: природа, химический и фазовый состав сплава, механические напряжения и деформация, характер обработки поверхности.
Состав и структура сплава . Скорость окисления сталей при высоких температурах с повышением содержания углерода понижается. Уменьшается обезуглероживание сталей. Это связано с интенсификацией процесса образования оксида углерода (II). Сера и фосфор практически не влияют на скорость окисления стали.
На скорость коррозии стали, в кислородсодержащей среде влияют легирующие элементы. Хром (Cr), алюминий (Al) и кремний (Si) сильно замедляют процесс окисления стали. Это связано с обра-зованием плёнок с высокими защитными свойствами. При содержании приблизительно 30 % Cr, до 10 % Al, до 5 % Si, стали имеют высокую жаростойкость. Меньшее повышение жаростойкости дает легирование стали титаном (Ti), медью (Cu), кобальтом (Со) и бериллием (Be).
Элементы, образующие легкоплавкие или летучие оксиды, например, ванадий (V), молибден (Мо), вольфрам (W) ускоряют оки-сление стали.
Высокой жаростойкостью обладают сплавы никеля (Ni) c хромом (Сr) - нихромы. Типичные нихромы содержат 80 % Ni и 20 % Cr или 65 % Ni, 20 % Cr и 15 % Fe.
Скорость окисления меди (Cu) понижается при её легировании Al, Be, оловом (Sn) и цинком (Zn).
На скорость коррозии влияет также структура сплава . Установлено, что наиболее жаростойкой является сталь с аустенитной (однофазной) структурой. Хромоникелевые стали с двухфазной аустенитно-ферритной структурой менее устойчивы к окислению. С увеличением содержания ферритной составляющей скорость окисления стали повышается. Например, хромоникелевая аустенитная сталь 12Х18Н9Т (Х18Н9Т) имеет более высокую жаростойкость, чем двухфазная сталь Х12Н5Т с более высоким содержанием хрома. Это связывают с тем, что на двухфазных сталях образуются менее совершенные плёнки, чем на однофазных.
Жаростойкость чугуна зависит от формы графитовых выделений. При шаровидной форме графита жаростойкость чугуна выше.
Деформация металлов в процессе нагрева может вызвать нарушение сплошности плёнок и связанное с этим увеличение скорости окисления. Повышенная шероховатость поверхности металла способствует образованию защитных плёнок с дефектами, что ведет к увеличению скорости коррозии.