Коррозия металлов и способы защиты от нее
| Коррозия – это процесс разрушения металлов и металлических конструкций под воздействием различных факторов окружающей среды – кислорода, влаги, вредных примесей в воздухе. |
Коррозионная стойкость металла зависит от его природы, характера среды и температуры.
- Благородные металлы не подвергаются коррозии из-за химической инертности.
- Металлы Al, Ti, Zn, Cr, Ni имеют плотные газонепроницаемые оксидные плёнки, которые препятствуют коррозии.
- Металлы с рыхлой оксидной плёнкой – Fe, Cu и другие – коррозионно неустойчивы. Особенно сильно ржавеет железо.
Различают химическую и электрохимическую коррозию.
| Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Как правило, химическая коррозия металлов происходит при действии на металл сухих газов, её также называют газовой. |
При химической коррозии также возможны процессы:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
Как правило, такие процессы протекают в аппаратах химических производств.
| Электрохимическая коррозия – это процесс разрушения металла, который сопровождается электрохимическими процессами. Как правило, электрохимическая коррозия протекает в присутствии воды и кислорода, либо в растворах электролитов. |
В таких растворах на поверхности металла возникают процессы переноса электронов от металла к окислителю, которым является либо кислород, либо кислота, содержащаяся в растворе.
При этом электродами являются сам металл (например, железо) и содержащиеся в нем примеси (обычно менее активные металлы, например, олово).
В таком загрязнённом металле идёт перенос электронов от железа к олову, при этом железо (анод) растворяется, т.е. подвергается коррозии:
Fe –2e = Fe 2+
На поверхности олова (катод) идёт процесс восстановления водорода из воды или растворённого кислорода:
2H + + 2e → H2
O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
| Например, при контакте железа с оловом в растворе соляной кислоты происходят процессы: |
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: 2H + + 2e → H2
Суммарная реакция: Fe + 2H + → H2 + Fe 2+
Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, в ней участвует кислород и происходят процессы:
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
Суммарная реакция:
Fe 2+ + 2OH – → Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2+ 2H2O → 4Fe(OH)3
При этом образуется ржавчина.
Методы защиты от коррозии
Защитные покрытия
Защитные покрытия предотвращают контакт поверхности металла с окислителями.
- Катодное покрытие – покрытие менее активным металлом (защищает металл только неповреждённое покрытие).
- Покрытие краской, лаками, смазками.
- Создание на поверхности некоторых металлов прочной оксидной плёнки химическим путём (анодирование алюминия, кипячение железа в фосфорной кислоте).
Создание сплавов, стойких к коррозии
Физические свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств чистых металлов. Добавление некоторых металлов может приводить к повышению коррозионной стойкости сплава. Например, нержавеющая сталь, новые сплавы с большой коррозионной устойчивостью.
Изменение состава среды
Коррозия замедляется при добавлении в среду, окружающую металлическую конструкцию, ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии — это вещества, подавляющие процессы коррозии.
Электрохимические методы защиты
Протекторная защита: при присоединении к металлической конструкции пластинок из более активного металла – протектора. В результате идёт разрушение протектора, а металлическая конструкция при этом не разрушается.
Источник
Коррозия металлов и способы её предотвращения
3.10.1 Виды коррозии. Коррозия — разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия внешней среды. Участки металла, подвергшиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои механические свойства.
Вследствие коррозии теряется большое количество сплавов на основе железа. Каждая пятая тонна из выплавленных черных металлов расходуется на восполнение потерь от коррозии.
Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия возникает в результате воздействия на металл сухих газов при повышенной температуре (газовая коррозия) и агрессивных жидкостей неэлектролитов (топливо, масло). При химической коррозии происходит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем, находящимся в окружающей среде. Примером химической коррозии может служить окисление клапанов двигателя внутреннего сгорания, топливных баков, трубопроводов и деталей системы питания автомобильных двигателей.
В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется пленка оксида. У алюминия, хрома, никеля, свинца, олова эта пленка очень прочна и предохраняет металл от дальнейшей коррозии. Такие металлы называют пассивирующимися. Пленка оксида железа непрочна и не препятствует развитию коррозии вглубь. Образование окалины на деталях выпускной системы автомобиля наглядно демонстрирует распространение химической коррозии в глубь изделий. В неэлектролитах коррозия происходит вследствие наличия в них агрессивных соединений, разрушающих металл.
Электрохимическая коррозия является результатом воздействия таких электролитов, как водные растворы кислот, щелочей, различных солей, проводящих электрический ток. Электролитической коррозией является также атмосферная коррозия, при которой влага из воздуха, содержащая оксиды азота, серы и другие примеси, конденсируется на поверхности металла. Пыль и другие загрязнения на поверхности металла усиливают адсорбцию влаги и газов, образуется влажная пленка, являющаяся электролитом.
При наличии электролита на поверхности металлы и сплавы, обладающие разными потенциалами, образуют гальванические пары. Поскольку металлы и сплавы практически всегда физически и химически неоднородны (разные структурные и химические составляющие сплава, оксидные пленки), то при наличии на их поверхности электролита образуется множество микроскопических гальванических пар. При этом металл с более высоким потенциалом становится катодом, а с менее высоким — анодом. Это приводит к тому, что участки металла, представляющие
аноды гальванических пар, начинают разрушаться, их атомы переходят в электролит
в форме ионов, оставляя эквивалентное число электронов в аноде. Чем выше разность потенциалов металлов, образующих гальванические пары, степень неоднородности структур, температура и внутренние напряжения, тем интенсивнее коррозия. В гальванической паре разрушается тот металл, который выделяет большее число положительно зараженных ионов, и, следовательно, сам получает высокий отрицательный заряд.
Если металлы расположить в ряд: магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, кадмий, кобальт, никель, олово, свинец, сурьма, висмут, медь, ртуть, серебро, золото, то каждый металл в паре с другим в электролитах образует гальванический элемент с разрушением металла, расположенного слева. Так, в паре железо-цинк будет разрушаться цинк, а в паре железо-никель разрушается железо. Разрушение будет происходить тем сильнее, чем дальше эти металлы находятся друг от друга в представленном ряду.
Чистые металлы коррозируют в меньшей степени, чем сплавы; однофазные сплавы сопротивляются коррозии сильнее, а многофазные слабее. Меньше коррозируют металлы, имеющие чистую поверхность изделий. Снижает интенсивность коррозии отсутствие внутренних напряжений. Повышение температуры ускоряет коррозию в 1,5—2 раза на каждые 10 °С.
3.10.2 В зависимости от характера разрушения коррозия может быть сплошной, местной, межкристаллитной (по границам зерен). При этом сплошная коррозия может быть равномерной и неравномерной, а местная — пятнами, язвенной, точечной, сквозной, ножевой, трещинами (рисунок 3.5).
Сплошная и местная коррозия может быть подповерхностной и послойной. Оба вида обусловливаются химическим взаимодействием, а межкристаллитная коррозия имеет электрохимическую природу. Она наиболее опасна, так как сопровождается заметным снижением прочности сплава, а обнаружить ее по внешним признакам очень трудно.
Многие детали автомобилей подвергаются коррозионному изнашиванию, которое возникает под действием знакопеременной нагрузки и коррозионного воздействия окружающей среды.
3.10.3 Способы защиты металлических деталей от коррозии можно разделить на следующие группы:
· нанесение неметаллических веществ или металлических покрытий;
· диффузионное насыщение поверхностного слоя;
· покрытие стойкими пленками оксидов или солей (химические покрытия);
· использование коррозионно-стойких сплавов;
· применение ингибиторов коррозии;
а – равномерное; б – неравномерное; в – избирательное; г – пятнами;
д – язвенное; е – точечное; ж – сквозное; з – ножевое; и– трещины;
к – межкристаллитное; л – подповерхностное; м– послойное
Рисунок 3.5 Виды коррозионных разрушений
Покрытие неметаллическими веществами — нанесение на поверхность металла красок, лаков, противокоррозионных паст, защитных смазок, пластмасс, резины или эбонита. Покрытие резиной и эбонитом называется гуммированием, применяют для защиты цистерн для перевозки кислот, щелочей, растворов солей.
Металлическое покрытие – нанесение металла на поверхность стального изделия горячим и гальваническим способами. При горячем способе нанесения покрытия (оцинкование, лужение оловом, свинцевание) изделие погружают в ванну с расплавленным металлом. На автомобилях используют оцинкованные кузовные и крепежные детали, покрытые оловом ленты для трубок радиатора, освинцованные наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки и т. Д
Лужение применяют при производстве белой жести и медной посуды;
оцинкование — для проволоки, кровельного железа, труб; свинцевание — для химической аппаратуры и труб. Гальванический способ был рассмотрен выше. Например, на автомобилях устанавливают хромированные декоративные детали (бамперы, ободки фар и др.).
Диффузионный способ состоит в насыщении поверхностных слоев стальной детали различными химическими элементами, вступающими с ним в химическое соединение. К нему относятся цементация, цианирование, алитирование.
Покрытие пленками окислов имеет две разновидности — оксидирование и фосфатирование. Оксидирование (воронение) применяют для защиты черных металлов путем создания на поверхности окисной пленки погружением деталей в кипящий водный раствор едкого натрия, селитры и перекиси марганца.
Полученная пленка стойкая в сухом воздухе, менее стойка во влажном, особенно в воде.
Фосфатирование позволяет получить на поверхности металла пленку нерастворимых фосфатов, изолирующих изделие от окружающей среды.
Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется введением в сталь легирующих добавок: хрома, никеля, алюминия, кремния, вольфрама и других химических элементов, повышающих коррозионную стойкость и улучшающих другие свойства металла.
Ингибиторы коррозии — вещества, при добавлении которых в агрессивную среду происходит затормаживание коррозии. Этим методом можно защищать практически любые металлы и почти в любых средах, включая охлаждающие жидкости, масла, жидкое топливо.
Защищают металлы от коррозии и с помощью органосиликатов, которые в исходном состоянии представляют собой суспензии. Их наносят на поверхность кистью, валиком, пульверизатором и т. п. При нагревании они превращаются в керамику и приобретают повышенные защитные свойства, становясь термо- и даже жаростойкими. Их удобно использовать для выхлопных систем с наружной стороны деталей. Они затвердевают от собственной температуры детали. Они легко обрабатываются, что позволяет в случае необходимости оперативно восстанавливать поврежденные участки.
Для получения органосиликатных покрытий используют кремнийорганические полимеры (лаки), пигменты, оксиды, слюду, тальк, асбест.
Протекторная защита заключается в создании гальванической пары из вышеприведенного ряда металлов с целью заведомого разрушения одного из них при гарантированном сохранении ответственной детали, выполненной из другого металла.
1. Что такое коррозия, её влияние на качество и срок службы деталей?
2. Какие виды коррозии вам известны, причины их возникновения?
3. Что такое ржавление, отчего оно происходит?
4. Какие материалы быстрее коррозируют: чистые металлы или сплавы, и от чего это зависит?
5. Назовите основные способы защиты металлов от коррозии.
Литература
1. Стуканов В.А. Материаловедение: учебное пособие – М.: ИД «ФОРУМ»; ИНФРА-М, 2008
2. Черепахин А.А. Материаловедение: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А.А. Черепахин. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008
3. Чумаченко Ю.Т., Чумаченко Г.В., Герасименко А.И. Материаловедение для автомехаников. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2002
4. Онищенко В.И. Технология металлов и конструкционные материалы. – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1991
5. Ржевская С.В. Материаловедение: практикум. – М.: Логос, 2004
6. Макиенко Н.И. Слесарное дело с основами материаловедения – учбн. Для подготовки рабочих на производстве.- М. «Высш. школа», 1987
7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для машинострои-тельных ВУЗов – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.:Машиностроение,1980
8. Затравкина С.А. Материаловедение, Курс лекций. Псковский индустриальный техникум. – Псков, 2005
Источник
