«Коррозия металлов и защита от нее» Книга «Технология металлов и материаловедение»

«Коррозия металлов и защита от нее»
Книга «Технология металлов и материаловедение»
под редакцией Усовой Л.В. стр. 219-239
I Общие сведения
Разрушения металлов и сплавов и других материалов в результате
химического или электромеханического воздействия на их поверхность
коррозийной средой (вода, щелочи, кислоты, соли, нефть, газы и т.д.)
называется коррозией.
Различают прямые и косвенные потери от коррозии. Прямые - это стоимость
потерянного металла, оборудования, строительных сооружений, машин,
уменьшения их срока службы, стоимость противокоррозионных
мероприятий.
Косвенные потери - это простой оборудования, его ремонт, получение
некачественной продукции, ущерб окружающей среде и т.п.
Потери увеличиваются с увеличением производства, температуры, давления,
скоростей, агрессивности среды, повышением агрессивности воздуха, газов,
почвы, воды и т.п., развитием сельского хозяйства.
Коррозия может быть чисто химическая и электрохимическая.
Коррозионные потери- это потери массы изделия к площади (г/м2 час),
(г/м2 в год).
Скорость коррозии зависит от свойств коррозируемого материала (металл,
сплав, бетон, керамика, полимер и т.п.) и окружающей среды (ее активности,
т.е. от содержания воды, пара, SO2, CO, CO2, H2S, NH3, Cl, F и т.д.).
В странах, в т.ч. в Республике Казахстан, разработан комплекс мероприятий
по изучению процесса коррозии и защите от нее, что позволяет до 2 раз
снизить коррозионные потери и увеличить срок службы изделий,
оборудования, сооружений.
2 Химическая коррозия.
Это взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором
происходит окисление металла. Это разного рода газы, воздух, пары,
жидкости (вода, нефть, бензин, аммиак, кислоты, щелочи, соли и т.д.).
При этом образуются оксиды, хлориды, сульфиды, фосфиды и другие соли в
виде плёнок разной толщины в зависимости от температуры, давления,,
свойств металла (материала), свойств среды коррозии.
Оксидные плёнки могут быть сплошными и пятнами, отслаивающимися и
нет, прочными и вязкими, пористыми и непористыми, защищаемыми от
коррозии и нет.
С увеличением toC, изменением концентрации среды коррозионной
увеличивается коррозия.
Для защиты от газовой коррозии используют жаропрочные, термостойкие
сплавы. Можно использовать также вакуум, нейтральные газы,
химикотермическую обработку, полимеры, краски, смазки, нержавеющие
стали.
3 Электрохимическая коррозия - ЭХК - это разрушение материалов и
сплавов при воздействии на них электролитов. При этом происходит
ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты
коррозионной среды, протекающие не в одном акте, а скорости зависят от
электродного потенциала.
«ЭКХ» наиболее распространенная коррозия. Электролиты- это растворы
кислот, щелочей, солей в воде (речной, грунтовой, морской, атмосферной и
т.д.). Различные металлические конструкции (строительные, дорожные,
подземные, надземные т.д.) подвергаются «ЭКХ». Электролиты обладают
ионной проводимостью и проводят электрический ток. В растворах
происходит диссоциация солей, кислот, щелочей и т.д.
NaCl→Na+ +ClHNO3→H++NO3NaOH→Na++OHПри пропускании постоянного тока + ионы направляются к отрицательному
электроду и называются катионами, а – ионы к плюсовому электроду и
называются анионами. Вода также является слабым электролитом
диссоциируя Н2О→Н+ + ОН-.
В результате взаимодействия зарядов растворителя и растворяемого
вещества образуются гидратированные ионы с выделением тепла. Поэтому
между металлом и электролитом неизбежно возникают электрохимические
взаимодействия («ЭХК»). У металлов свободная энергия больше, чем у
оксидов, солей и др. соединений. Поэтому металлы стремятся перейти в
устойчивое ионное состояние с помощью Fe→Fe+2 +2e коррозионной среды.
Если энергия гидратации будет больше энергии связи ионатома в решетке
металла, то он перейдет в раствор в виде гидратированного катиона. В
результате + ион-атом металла переходит в раствор и заряжается
отрицательно в результате избыточных электронов. Перешедшие в раствор
положительно заряженные ионы металла будут удерживаться силами
электрического притяжения у поверхности металла и на границе металлраствор образуется двойной электрический слой и возникает разность
электрических потенциалов и металл заряжается отрицательно.
Если потенциал металла отрицательный, то он термодинамически
неустойчив и коррозирует тем больше, чем меньше величина потенциала.
Металл, получивший положительный потенциал в среде не коррозирует, т.е.
термодинамически устойчив.
При «ЭХК» устойчивость металла можно оценивать по величине и знаку
потенциала.
При взаимодействии металла с электролитом возникают коррозионные
элементы аналогично гальваническим. Пример пластины Fe и Zn погружены
в 10% раствор Н2SO4. После замыкания внешней цепи равновесие
нарушается на обоих электродах.
Анодный процесс: На Zn электроны находятся в избытке по сравнению с Fe и
будут протекать от Zn к Fe. Катионы Zn++ в двойном слое могут уходить от
поверхности металла, взаимодействуя с анионами SO4 -- , образуя ZnSO4. В
раствор будут переходить новые катионы Zn, т.е. металл (Zn) будут
коррозировать и он называется анодом.
Анодный процесс: 2 - →2 - Zn+2 + Н2О→Zn2+ + n Н2О.
Катодный процесс: На электрод Fe в двойном слое равновесие будет
нарушено. Вследствие протекания электронов от Zn они окажутся в избытке
и начнут притягивать из раствора катионы Fe++ и Н+.
Катодный процесс: Н+ + - →Н; Н+Н→Н2 и готовые пузыри Н2 удаляются с
поверхности металла (Fe). Fe коррозировать не будет.
В коррозионной паре (Zn-Fe) металл, имеющий более отрицательный заряд,
является анодом и коррозирует, отдавая в раствор катионы. Железо имеет
более положительный заряд, делается катодом и не коррозирует. На нем
происходит лишь разрядка катионов раствора. От анода (Zn) к катоду (Fe)
протекает ток.
4. Коррозия железа в воде
В технических металлах и
сплавах микроструктура
состоит из зерен разных фаз,
неметаллических включений,
графита, Fe3 Cu и т.п. Эти
составляющие, имеющие
разный химический состав,
физико-химические свойства
приобретают разные по
величине и знаку электродные
потенциалы и одни становятся анодами, другие катодами, то есть множество
микроскопических коррозионных гальванических пар. Ликвация снижает
стойкость против «ЭХК».
Кроме ликвации имеются и другие причины для «ЭХК»:
1) Наличие ржавчин, окислов
2) Неоднородность напряжений (наклеп), разрыв и т.д. является анодными
3) Образование необходимых конструкционных пар сталь-латунь, бронза;
сталь-цинк; сварной шов и т.д.
Если уменьшить разность потенциалов, замкнуть так металл
поляризуется и меньше коррозирует. Но может металл и
деполяризовываться.
 Анодная поляризуется: М + Н2О –>М + Н2О + Ө
 Катодная поляризация: Ө + Д –>[ ӨД ], где Д – деполяризатор
(окислитель)
 Водородная деполяризация ионом Н+
 Кислородная деполяризация [О2]: О2 + 2 Н2О - 4 Ө –> 4ОНс ней связана ЭХК стали в воде, почве, атмосфере.
Пассивность металлов
Это состояние повышенной стойкости от «ЭХК». Экспериментальные
данные показывают, что переход металла из основного в пассивное
состояние связан с повышением его потенциалов. Так у железа обычно
потенциал –0,4В, а в пассивном может повышаться до +1,0В. И коррозия
замедляется. Есть пленочная и адсорбционная теория пассивации. Хром,
алюминии, титан окисляются и пленки защищают от коррозии.
При адсорбции на поверхности металла О2 и других ионов ЭХК
уменьшается (оксидирование, азотирование и т.д.). При легировании Cr, Al,
Si ЭХК также уменьшается.
Основные внешние факторы коррозии связаны с составом раствора,
концентрацией, водородным показателем (РН, РОН и т.д.), температурой,
давлением, перемешиванием.
От РН зависит кислотность (РН <7)
нейтральность (РН=7)
щелочность (РН>7)
4) Основные виды коррозии по ГОСТ 5272-68 коррозия всегда начинается с
поверхности, распространяясь вглубь:
1. Атмосферная
2. Подземная
3. Блуждающим током от трамваев, кабелей, заземления
4. Контактная с ЭХК вызывается катодам металлов с разными
потенциалами
5. Биокоррозия
6. Коррозия при полном и неполном погружении
7. Щелевая коррозия
8.Коррозия с одновременным приложением растягивающих, циклических и
других нагрузок
9. Коррозия при высоких температурах
10. Морская коррозия
11. Сухая коррозия (оксиды, сернистые соединения и т.д.)
12. Влажная коррозия
13. Мокрая коррозия
14. Подземная коррозия (блуждающие токи, биокоррозия)
15. Структурная (у металлов) коррозия
5) Виды коррозии по характеру разрушения
1. Сплошная
2. Местная
3. Межкристаллическая коррозия (МКК) по границам зерен металла
4. Коррозия под механическим воздействием
5. Ножевая коррозия в зоне сплавления, сварке
6. Избирательная коррозия серого чугуна с разрушением феррита и перлита
7. Обесцинкование латуни и образование на поверхности губчатого осадка
8. Точечная, язвенная коррозия (питтинговая) особенно опасна для труб,
емкостей. Она обычно до 0,5мм в год.
9. Щелевая коррозия в трещинах, щелях, шайбах, прокладках.
10. Контактная коррозия между металлами с разными потенциалами.
11. Коррозия под напряжением электрическим и механическим.
Коррозионное растрескивание.
По ГОСТ 13819-68 «Шкала коррозионной стойкости»
Группа стойкости
Скорость коррозии
Балл
мм/год
1. Совершенно стойкие
< 0.001
1
2. Весьма стойкие
0.001 – 0.005; 0.005 –
2; 3
0.01
3. Стойкие
0.01 – 0.05; 0.05 – 0.1
4; 5
4. Пониженной
0.1 – 0.5; 0.5 – 1.0
6; 7
стойкости
5. Малостойкие
1.0 – 5.0; 5 - 10
8; 9
6. Нестойкие
>10
10
5. Защита от коррозии
Имеются различные способы для борьбы с коррозией в зависимости от
свойств металла, коррозионной
среды, условий эксплуатации.
а) Защита покрытиями
Цинкование, хромирование, никелирование, алитирование, омеднение,
кадмирование и тому подобное электролитическим методом, окунанием,
напылением, плакированием и др.
По способу защитного действия покрытия делятся на катодные и анодные.
Так Cu, Ni, Ag, Au, Pt, Cr, Sn являются катодными покрытиями, а Zn, Cd –
анодными для железа, стали. Катодные покрытия должны быть
беспористыми, чтобы не попадала вода, соли.
Анодные покрытия защищают металл механически, но и
электрохимический.
Применяются так же оксидирование (воронение), фосфотирование.
Лакокрасочные покрытия применяют в 80% случаях. Их более 1000
разновидностей (алкидные, хлорвинильные, алифные, оксольные т.д.).
Применяются смолы эпоксидные, фенолформальдегидные, фурановые и
другие смолы.
Процесс состоит из стадий:
Подготовка поверхности, грунтовка, лакокрасочные покрытия, сушка.
Эффективны пленки из полимерных смол (полиэтилен, полистирол,
фторопласты и т.д.)
Гуммирование резиной, эбонитом, полимерами, битумными мостиками и т.д.
силикатами, ситалами, керметами. Легирование, хто, стекло, смазки,
металлизация, полимеры, фаянс, фарфор, цемент, гальванирование
б) Электрохимическая защита
Она может быть замедлена путем применения электродного потенциала
металла (металлов). Уменьшение коррозии достигается путем катодной
поляризации металла; при анодной защите пассивируют металл, отводят от
конструкций блуждающих токов.
Катодная защита с помощью постоянного тока коррозию сводят к нулю в
течение неограниченного времени. Здесь нужен источник постоянного тока и
электрод (анод). + соединен с электродом, - с сооружением. Процесс
постоянный, относительно дорог.
Анодная защита основана в переводе активного состояния в пассивное
состояние.
+ присоединяется к защищаемому изделию, катоды – размещают вблизи
эксплуатируемых конструкций. Анодная защита опасна, так как при
отсутствии тока идет активная коррозия.
Электродная защита применятся от блуждающих токов, подключением
лучше всего к контуру блуждающего тока.
Ингибиторная защита – с помощью веществ, подавляющих коррозионные
процессы.
Это кислород, нитраты, хромоты, фосфаты, карбонаты