Лабораторная работа № 2

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение теоретических основ коррозионных процессов, ознакомление с основными методами защиты металлов от коррозии.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Коррозией называется самопроизвольный процесс разрушения металла под воздействием окружающей среды. Частным случаем коррозии является окисление металла кислородом, а более общим случаем – окисление металла окислителями, которые содержатся в составе контактирующей с металлом внешней среды.

Характером разрушения поверхности металла определяются равномерная (или общая) и местная (или локальная) коррозия. Равномерная коррозия распределяется по всей поверхности металла, а местная коррозия протекает на отдельных ее участках.

В зависимости от механизма коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия протекает в средах, которые не проводят электрический ток. В процессе химической коррозии происходит прямое взаимодействие металла с окислителем.

Электрохимическая коррозия возникает в средах, обладающих ионной проводимостью. В этом случае процесс коррозии сопровождается анодным растворением металла и катодным восстановлением окислителя. Наиболее распространенными окислителями в коррозионном процессе являются ионы водорода и молекулы кислорода. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода или коррозией с водородной деполяризацией. В этом случае электродные процессы могут быть представлены уравнениями реакции на аноде (анодной)

М – nе → Мⁿ⁺ (1) и на катоде (катодной)

2Н⁺ + 2е → Н₂. (2)

14

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с погло-щением кислорода или коррозией с кислородной деполяризацией. Уравнения электродных процессов в этом случае имеют вид:

М - nē → Mⁿ⁺ (на аноде), (1 а)

O₂ + 2 H₂O + 4ē → 4 OH^- (на катоде). (1 б)

В тех случаях, когда потенциал водородного электрода положи-тельнее потенциала металла (область I на рис. 1), протекание коррозии возможно как с выделением водорода, так и с поглощением кислорода. При малом содержании и быстром расходовании кислорода в процессе коррозии или его отсутствии в электрохимической системе коррозия сопровождается только водородной деполяризацией. В ряде случаев даже при наличии кислорода в системе скорость поглощения кислорода настолько мала по сравнению со скоростью выделения водорода, что ею можно пренебречь, и определяющей будет коррозия с водородной деполяризацией. При этом лимитирующей стадией процесса коррозии является реакция восстановления ионов водорода (электрохимическая стадия) или реакция ассоциации адсорбированных атомов водорода с образованием молекулы (химическая стадия). Скорость коррозии зависит также от рН среды и температуры раствора.

Е, В

+1,2 1 III +1,2

+0,8 +0,8

+0,4 II +0,4

0 2 0

-0,4 -0,4

-0,8 I -0,8

0 2 4 6 8 10 12 14

рН

Рис.1. Зависимости электродных потенциалов кислородного (1)

и водородного (2) электродов от величины рН среды

15

Если потенциал металла превышает потенциал водородного электрода и меньше потенциала кислородного электрода (область II на рис. 1), коррозия протекает только с поглощением кислорода. Лимити-рующей стадией является диффузия кислорода, скорость которой растет при увеличении концентрации растворенного кислорода и перемешивании раствора.

В некоторых случаях скорость коррозии лимитируется анодными реакциями. Это характерно для металлов, которые склонны к пассивации, например алюминий, тантал, титан, никель, хром. Пассивация характеризуется образованием на поверхности металла защитных пленок, в основном оксидных, что приводит к повышенной коррозионной устойчивости металла, обусловленной замедлением анодного процесса.

На использовании явления пассивации основан метод легирова-ния, основанный на введении в состав сплава компонента, например никеля, хрома, вольфрама, существенно снижающего скорость коррозии.

Скорость коррозии выражают через уменьшение толщины металла в единицу времени или через потерю массы образца в единицу времени на единицу площади поверхности.

Эффективным способом снижения скорости коррозии металла является нанесение на металл защитных покрытий, способствующих изолированию поверхности металла от окислителя. В качестве защит-ных используются металлические и неметаллические покрытия: оксид-ные, силикатные, фосфатные, лакокрасочные (лаки и краски - эмали), покрытия полимерами, пластмассами, резиной и смолами. Металли-ческие защитные покрытия получают электрохимическими и химиче-скими способами, а также с помощью металлизации, термодиффузии и погружения в расплав металла.

Характер поведения металлических покрытий при коррозии оп-ределяет их принадлежность к катодным и анодным металлическим покрытиям. У анодного покрытия потенцил должен быть отрица-тельнее потенциала защищаемого металла. В этом случае при коррозии растворяется металл покрытия, а основной металл не разрушается (например цинк на поверхности железа).

Металл катодного покрытия должен иметь более положитель-ный потенциал в сравнении с основным металлом (например, никель на поверхности стали) и покрывать защищаемый металл сплошным

16

беспористым слоем. При нарушении сплошности покрытия образуется коррозионный элемент, в котором открытая часть поверхности защи-щаемого металла является анодом, подвержена анодному растворению, а металл защитной пленки служит катодом, на котором поглощается кислород или выделяется водород.

Электрохимический способ защиты металла от коррозии осно-ван на замедлении анодных или катодных реакций за счет изменения их потенциала. Используются методы протекторной, катодной и анод-ной защиты. Протекторная защита основана на присоединении к защи-щаемой металлической конструкции металла - протектора, имеющего более отрицательный потенциал, который корродирует, предотвращая коррозию защищаемого металла. В катодном методе защиты защищае-мая металлическая конструкция подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока. В этом случае на защищаемом изде-лии, служащем катодом, выделяется водород, а вспомогательный электрод (обычно стальной), который является анодом, растворяется. Анодный метод защиты используется для защиты металлов и сплавов, способных к пассивации. В этом случае изделие подключают к положительному полюсу внешнего источника тока.

Замедлению процесса коррозии способствуют также уменьше-ние концентрации окислителя или введение специальных ингибиторов.

Для объяснения коррозии защитных покрытий составляют схему коррозионной пары металлов, в которой поверхность раздела металла с электролитом (средой коррозии) обозначают вертикальной чертой. Кислая среда обозначается формулой любой кислоты, нейтральная сре-да представляет собой влажный воздух, содержащий О₂, Н₂О. Анодный и катодный процессы представляют собой окисление более активного из контактирующих металлов на аноде и восстановление на катоде водорода из кислой среды или кислорода с водой из нейтральной среды. Например, процесс коррозии луженого железа в кислой среде записывается следующим образом

Fe│H₂SO₄│Sn

A: Fe⁰ – 2ē = Fe²⁺

K: 2H⁺ + 2ē = 2H⁰, а в нейтральной среде может быть предсталена в следующем виде

Fe│О₂, H₂O│Sn

A: Fe⁰ – 2ē = Fe²⁺

К: О₂ + 2Н₂О + 4ē = 4ОН^.

17