Лекція 11 Корозія металів. Методи захисту від корозії

План

1. Види корозії металів

2. Захист металів від корозії

 

Корозія – це окисно-відновний процес руйнування металів у результаті їх фізико-хімічної взаємодії з навколишнім середовищем, який протікає самодовільно. Залежно від природи хімічних процесів, які лежать в основі руйнування металу, розрізняють такі типи корозії: хімічну, електрохімічну та електричну.

Хімічна корозія проходить у відсутності електроліту під дією навколишнього середовища, температури. Вона поділяється на газову, високотемпературну і корозію в неводних середовищах. Швидкість окиснення металу залежить як від швидкості власне хімічної реакції, так і від швидкості дифузії окисника через плівку сполук металів (оксидів, гідроксидів). Тому захисна дія плівки тим вища, чим краща її суцільність, і нижча дифузійна здатність. Суцільність та щільність плівки, що утворюється на металі, можна оцінити за співвідношенням об’єму оксиду чи іншої сполуки, що утворюється , до об’єму, витраченого на утворення цих сполук металу . Це співвідношення називають фактором Піллінга-Бедвордса і позначають літерою :

.

для різних металів наведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Значення фактора Піллінга-Бедвордса для деяких металів

Метал	Оксид		Метал	Оксид
Mg	MgO	0,79	Zn	ZnO	1,58
Pb	PbO	1,15	Zr	ZrO2	1,60
Cd	CdO	1,27	Be	BeO	1,67
Al	Al2O3	1,31	Cu	Cu2O	1,67
Sn	SnO2	1,33	Cu	CuO	1,74
Nі	NiO	1,52	Ti	Ti2O3	1,76
Nb	NbO	1,57	Cr	Cr2O3	2,02

Метали, що характеризуються значеннями  < 1, не можуть створювати суцільні та щільні оксидні плівки і, одже кисень, проникає через такі несуцільні шари (тріщини) до поверхні металу. Суцільні, щільні та стійки оксидні плівки утворюються за умови, коли = 1,2-1,6. Однак і за більших значень плівки іноді утворюються несуцільними та такими, що легко відділяються від поверхні металу, наприклад залізна окалина.

Якщо утворення оксидного шару за високою температурою супроводжується інтенсивною дифузією кисню в середину металу, то це призводить до зміни його складу внаслідок окиснення легуючих компонентів. Особливо це характерно для конструкційних сталей, у поверхневих шарах яких відбувається окиснення карбону й утворення феритної смуги, що супроводжується втратою міцності. Взаємодію сталей з окисними середовищами можна записати таким чином.

1. Під дією кисню повітря: 2Fe + O₂ → 2 FeO,

FeO → [FeO],

[FeO] + [Fe₃C] → 4 Fe + CO↑.

2) Під дією карбон (IV) оксиду: Fe + CO₂ → FeO + CO,

FeO → [FeO],

Fe₃C + CO₂ → 3 Fe + 2CO↑.

3) Під дією пари води: Fe + H₂O → FeO + H₂,

FeO → [FeO], H₂ → 2[H],

Fe₃C + H₂O → 3Fe + CO↑ + H₂↑.

Третій випадок – найнебезпечніший, оскільки водень, розчиняючись у сталі створює підвищену крихкість металу.

Електрохімічна корозія – окисно-відновні процеси, які проходять у присутності електроліту і виникають внаслідок різниці електродних потенціалів між різними за активністю металами за рахунок виникнення великої кількості мікроскопічних гальванічних пар. Процес корозії супроводжується переміщенням електронів від більш активного металу (анод) до менш активного (катод) і призводить до руйнування більш активного металу. Електрохімічна корозія спостерігається також, коли на поверхні одного і того самого металу є ділянки, які відрізняються за своїми хімічними і фізичними властивостями. Залежно від середовища, в якому відбувається електрохімічна корозія, розрізняють атмосферну корозію, корозію в електролітах і ґрунтову корозію.

Розглянемо електрохімічну корозію на прикладі корозії заліза, якщо корозія відбувається в розчині кислоти (рН7), то відбуваються такі реакції:

Анодний процес Fe⁰ = Fe²⁺ + 2ē

Катодний процес 2Н⁺ + 2ē = Н₂

Fe⁰ + 2Н⁺ = Fe²⁺ + Н₂.

Корозія заліза в нейтральному середовищі:

Анодний процес Fe⁰ = Fe²⁺ + 2ē

Катодний процес 2H₂O + 2ē = Н₂ + 2OH^–

Fe + 2 H₂O = Fe(OH)₂ + Н₂.

Атмосферна корозія заліза:

Анодний процес Fe⁰ = Fe²⁺ + 2ē

Катодний процес O₂ + 2H₂O + 4ē = 4OH^–

2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂.

Ферум (ІІ) гідроксид, що утворюється, легко окиснюється киснем повітря: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃.

Остання сполука частково відщеплює воду, при цьому утворюється речовина, яка за складом відповідає бурій іржі:

Fe(OH)₃ → FeOOH + H₂O.

Швидкість електрохімічної корозії ( )– найважливіша характеристика корозії, яка вимірюється одиницями маси ( ) втраченого металу з одиниці площі ( ) за одиницю часу ( ):

[мг/(м²·рік], [мг/(м²·год].

На швидкість корозії істотно впливають склад електроліту корозійного середовища і його температура. Зміна поверхні металу внаслідок корозійних процесів залежить від властивостей металу та умов їх перебігу.

Види корозійних пошкоджень визначають характером руйнування:

а) суцільна (рівномірна та нерівномірна), коли корозією пошкоджена приблизно в однаковій мірі вся поверхня металу чи сплаву;

б) місцева – пошкодження локальні – можуть бути у вигляді плям або глибоких поразок, які називають виразками або крапками. Місцева корозія пошкоджує лише незначну частину поверхні, процес корозії поширюється головним чином у глибину металу;

в) піттінг – пошкодження проникає всередину металу;

г) селективна корозія пошкоджує не чистий метал, а металічний сплав. У хімічну взаємодію у першу чергу вступає більш активний компонент такого сплаву;

д) інтеркристалітна (міжкристалітна) корозія характеризується руйнуванням металу за межами зерен і залежить від природи металу. Їй піддаються мідні сплави – латунь, бронза, а також деякі сталі. 

є) транскристалітна корозія розсікає метал тріщиною крізь зерна.

Корозія металів завдає великої шкоди народному господарству. Це визначає важливість заходів, спрямованих на захист металів від корозії.