§ 10.3. Захист металів від корозії

Втрати від корозії у світовій економіці величезні.Близько 1/3 металу, що вводиться в експлуатацію, піддається корозії, при цьому приблизно 10% губиться безповоротно.

Боротьба з корозією здійснюється різними методами. Найбільш раціональний і надійний шлях – виготовлення апаратів і машин з корозійно-стійких металевих чи неметалевих матеріалів, але через велику ціну таких матеріалів частіше використовують дешеві і доступні метали з наступним захистом їх від корозії. Цілком уникнути корозії неможливо, але, застосувавши певні методи захисту, можна знизити її вплив.

Можна умовно виділити такі групи методи захисту металів від корозії:

1. Створення раціональних конструкцій, тобто таких, котрі не мають застійних зон та інших місць скупчення вологи, бруду й інших корозійно-агресивних середовищ, допускають швидке очищення й аерацію.

2. Легування металів. Це ефективний, хоча звичайно дорогий метод підвищення корозійної стійкості металів. При легуванні до складу сплаву вводять компоненти (Cr, Ni, W, Si, V, Mo й інші), що викликають пасування металу. Механізм захисту (наприклад, у нержавіючих сталях) полягає в утворенні на поверхні щільних оксидних шарів, типу шпінелей складуNiО ^.Cr₂O₃, FeО ^. Cr₂O₃, що виявляються більш стійкими, ніж просто оксиди хрому чи нікелю.

3. Створення аморфних структур металів. Шлях до цього способу захисту відкрило надшвидке загартування. Розплавлений метал з тигля подають у найтонший зазор між двома масивними валками і піддають формуванню та різкому охолодженню. За цих умов атоми не встигають вибудовуватися у кристалічні ґратки, властиві металам, фіксується «хаос атомів», властивий розплавленому металу. У результаті виходить аморфна структура, подібна до скла, різко зростає корозійна стійкість металів.

4. Захисне покриття – найпоширеніший метод захисту металів від корозії. Зміст їх нанесення – ізоляція від агресивного середовища. Розрізняють неметалеві та металеві покриття:

а) неметалеві покриттяодержують нанесенням на поверхню металу лаку, фарби, смоли, оліфи, емалі чи склоемалі. Поверхню металу покривають також гумою, ебонітом, полімерними матеріалами, цементом, бетоном, оксидними плівками:ZnО, Al₂O₃(оксидування) і нітридними плівками:Fe₄N, Fe₂N(азотування). Покрити поверхню металу можна осадженням нерозчинних фосфатів цього металу:

Fe(H₂PO₄)₂ + 2 Fe²⁺  Fe₃(PO₄)₂ + 4H⁺ (фосфатування) чи насиченням поверхні металу карбоном (цементація);

б) захисне покриття металами. Для цього використовують корозійностійкі метали (Sn, Zn, Al, Au, Ag, Ni, Crта ін.). Розрізняютьанодні та катодні металеві покриття.Якщо метал, що захищають, покривають більш активним металом, то таке покриття називають анодним.При порушенні покриття руйнується метал покриття. Розглянемо це на прикладі оцинкованого заліза у вологому повітрі. Складемо схему корозійного руйнування.

(А) Zn │ H₂O, O₂ │ Fe (K⁺)

A: Zn⁰ - 2ē → Zn²⁺ 2

K: 2H₂O + O₂ + 4ē → 4OH 1

2Zn + 2H₂O + O₂ → 2Zn(OH)_2.

Якщо метал, що захищається, покритий менш активним металом, наприклад, залізо покрите оловом,то такий вид покриття називається катодним.При порушенні покриття руйнується основний метал. Розглянемо цей випадок корозії у кислому середовищі.

(А) Fe │ 2H⁺ │ Sn (K⁺)

A: Fe⁰ - 2ē → Fe²⁺ 1

K: 2H⁺ + 2ē → H₂↑ 1

Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂

5. Електрохімічні методи захисту:

а) захист зовнішнім потенціалом;

б) анодний (протекторний).

Захист зовнішнім потенціалом(частіше катодний захист) здійснюється підключенням конструкції, що захищається, до негативного полюса (катода) зовнішнього джерела струму з дуже малою напругою (0,1 В). До позитивного полюса приєднується брухт, що і руйнується. Цей вид захисту використовують для металевих споруджень: трубопроводів, резервуарів тощо.

Протекторний захист полягає в тім, що до виробу, який піддається електрохімічній корозії, підключають деталь – протектор, виготовлений з більш активного металу, ніж метал виробу. Протектор буде руйнуватися, а виріб залишиться незмінним. Протекторний захист застосовують у парових казанах, для захисту корпусів морських і річкових судів, трубопроводів, рейок тощо.

Задача. Наведіть приклад протекторного захисту в електроліті, що містить розчинений кисень. Складіть рівняння анодного і катодного процесів і обчислитьЕРСреакції.

Розв’язок.Протекторний захист здійснюється шляхом приєднання до заліза більш активного металу, звичайно Цинку, Магнію чи їх сплавів. Таким чином, створюється штучний мікрогальванічний елемент. Найчастіше використовують протекторний захист у розчинах електролітів (парові казани, хімічні апарати), у морській воді і у ґрунті (захист трубопроводів). Розглянемо протекторний захист від ґрунтової корозії:

(протектор) (А) Zn │ CaCl₂, Ca(HCO₃)₂-солі твердості,H₂O,O₂ │ Fe (K⁺)

.

Середовище нейтральне чи слаболужне, тому що концентрація солей незначна. У цьому, створеному нами, корозійному елементі анодом служить протектор (Цинк), він розчиняється.

А: Zn⁰ – 2  Zn²⁺ .

Електрони передаються на Ферум. Деполяризатором у цьому випадку є кисень.

К: O₂ + 2H₂O + 4 4OH; E⁰ = 0,40 B.

Сумарна реакція: 2Zn⁰ + O₂ + 2H₂O = 2Zn(OH)₂.

ЕРС реакції визначаємо: Е = Е_катода – Е_анода = 0,40 – (-0,76) = 1,16 В.

Відповідь: протектор Zn, він окислюється і захищає залізо;Е=1,16В.

6. Вплив на агресивне середовище. Для уповільнення корозії в агресивне середовище вводять речовини, котрі називаються інгібіторами (сповільнювачами). Це найчастіше органічні речовини, що пасивують поверхню металу: тіосечовина C(NH₂)₂S, діетиламінC₂H₅— NH — C₂H₅, уротропін(CH₂)₆N₄, неорганічні речовиниSiО₃², NO₂, Cr₂O₇². Використовують також звільнення води від розчиненого в ній кисню (воду фільтрують через шар залізних ошурок), або видаляють активатори корозії, наприклад, йониCl, Br^-, F^-, SO₄², NO₃.

7. Виготовлення раціональних металевих конструкцій.

Питання для самоконтролю

1.Як можна визначити поняття «корозія металів»?

2. Класифікація корозійних процесів.

2.1. За виглядом зміни поверхні металу.

2.2. За механізмом.

2.3. За характером додаткових впливів.

3. Що таке хімічна корозія, її види?

4.Як виникає електрохімічна корозія, її види і хімізм?

5. Які фактори впливають на швидкість корозії?

6. Які існують способи захисту металів від корозії?

Р о з д і л 11

ЕЛЕКТРОЛІЗ