
- •Бийский технологический институт (филиал)
- •Химическая (газовая) коррозия металлов
- •1 Теоретическая часть
- •1.1 Основные понятия о химической (газовой) коррозии
- •1.2 Термодинамика высокотемпературной коррозии металлов
- •1.3 Механизм высокотемпературного окисления
- •1.4 Плёнки на металлах
- •1.5 Кинетика газовой коррозии
- •1.6 Факторы, влияющие на химическую коррозию
- •1.7 Защита от газовой коррозии
- •1.8 Химическая коррозия некоторых металлов и сплавов на
- •1.9 Показатели коррозии
- •2 Экспериментальная часть
- •2.1 Экспериментальная установка
- •2.2 Порядок выполнения работы
- •2.3 Обработка результатов опытов
- •2.4 Требования к отчету о работе
- •2.5 Техника безопасности и правила поведения в лаборатории
- •3 Контрольные вопросы по работе
- •4 Оборудование, приборы и материалы для
- •Литература
- •Химическая (газовая) коррозия металлов
1.6 Факторы, влияющие на химическую коррозию
На скорость химической (газовой) коррозии металлов и сплавов влияют внешние и внутренние факторы.
К внешним факторам относятся состав и давление газовой среды, скорость её движения, температура, режим нагрева.
Состав газовой среды. При высоких температурах металлы взаимодействуют с кислородом, парами воды, оксидом углерода (lV), оксидом серы (lV) по схеме
2М + О2 = 2МО,
М + СО2 = МО + СО,
М + Н2О = МО + Н2,
3М + SО2 = 2МО + МS.
Скорости этих химических реакций и защитные свойства образующихся плёнок различны, следовательно, скорости коррозии металлов в указанных средах также различны.
Из экспериментальных данных известно, что при 900 0 С ско-рость окисления Fe, Co, Ni возрастает в ряду
Н2О(П) СО2 О2 SО2
В отличие от этих металлов Cu практически не корродирует в атмосфере SO2.
В приведенных выше газах скорость газовой коррозии металлов увеличивается в ряду
Cr Ni Co Fe
Вольфрам при 900 0С наибольшую скорость коррозии имеет в атмосфере О2, а наименьшую ─ в СО2.
Загрязнение воздуха СО2, SО2, парами Н2О вызывает повышение скорости коррозии малоуглеродистой стали. Это связывают с увеличением несовершенств в оксидной плёнке.
При нагревании стали в атмосфере, содержащей О2, СО2, Н2О, помимо окисления, может происходить обезуглероживание (декарбонизация)
Fe3C + 1/2O2 = 3Fe + CO,
Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO,
Fe3C + H2O = 3Fe + CO + H2.
Наводороживание стали происходит при высоких температурах адсорбированными на её поверхности атомами водорода. При комнатной температуре молекулы Н2 не диссоциируют, поэтому наводороживания стали не происходит. Наводороживание вызывает резкое уменьшение пластичности, понижает длительную прочность металлов. Склонен к наводороживанию титан.
Температура. Повышение температуры вызывает увеличение константы скорости химической реакции, а также рост скорости диффузии реагентов в плёнке продуктов коррозии. Это приводит к увеличению скорости газовой коррозии металлов и сплавов ─ Fe, Cu, и др.
Температура может оказывать влияние на состав образующихся плёнок и закон их роста (таблица 1).
Большое влияние на скорость окисления оказывает режим нагрева. Колебания температуры при нагреве и особенно попеременный нагрев и охлаждение вызывают разрушение плёнки вследствие возникновения больших внутренних напряжений, в результате чего скорость окисления металлов увеличивается.
Таблица 1 ─ Влияние температуры на состав и закон роста оксид-
ных плёнок
Металл |
Температура, 0 С |
Состав плёнки |
Закон роста |
|
400 |
Fe2O3 |
Логарифмический |
Fe |
400575 |
Fe3O4, Fe2O3 |
Cтепенной, n 2 |
|
575730 |
FeO, Fe3O4, Fe2O3 |
То же |
Cu |
100 |
CuO |
Логарифмический |
|
3001025 |
СuO, Cu2O |
Параболический |
|
1025 |
Cu2O |
|
Давление газа. С повышением парциального давления кислорода скорость коррозии металлов возрастает.
Для некоторых металлов и сплавов при постоянной достаточно высокой температуре с увеличением парциального давления кислорода скорость окисления сначала растёт, а затем при достижении некоторого критического значения Ро2 ─ резко уменьшается (рисунок 7 ) и в широком диапазоне давлений остаётся достаточно низкой.
h
РОКР РО
Рисунок 7 Влияние парциального давления кислорода на
скорость газовой коррозии
Явление уменьшения скорости газовой коррозии при повышении парциального давления кислорода называют высокотемпературной пассивацией. Пассивное состояние металла связывают с образованием на его поверхности совершенной плёнки.
Высокотемпературную пассивацию имеют хромистые стали, медь, титан, цинк и другие металлы и сплавы.
При значительном увеличении парциального давления кислорода выше критического, у целого ряда нержавеющих сталей, например, 08Х13 (Х13), 30Х13 (Х13), 12Х17 (Х17), 08Х18Н10Т (Х18Н10Т) происходит нарушение пассивного состояния («перепассивация»), что приводит к увеличению скорости окисления.
Увеличение скорости коррозии при высоких температурах может вызвать повышение скорости движения газовой среды.
К внутренним факторам, влияющим на скорость химической коррозии металлов относятся: природа, химический и фазовый состав сплава, механические напряжения и деформация, характер обработки поверхности.
Состав и структура сплава. Скорость окисления сталей при высоких температурах с повышением содержания углерода понижается. Уменьшается обезуглероживание сталей. Это связано с интенсификацией процесса образования оксида углерода (II). Сера и фосфор практически не влияют на скорость окисления стали.
На скорость коррозии стали, в кислородсодержащей среде влияют легирующие элементы. Хром (Cr), алюминий (Al) и кремний (Si) сильно замедляют процесс окисления стали. Это связано с обра-зованием плёнок с высокими защитными свойствами. При содержании приблизительно 30 % Cr, до 10 % Al, до 5 % Si, стали имеют высокую жаростойкость. Меньшее повышение жаростойкости дает легирование стали титаном (Ti), медью (Cu), кобальтом (Со) и бериллием (Be).
Элементы, образующие легкоплавкие или летучие оксиды, например, ванадий (V), молибден (Мо), вольфрам (W) ускоряют оки-сление стали.
Высокой жаростойкостью обладают сплавы никеля (Ni) c хромом (Сr) нихромы. Типичные нихромы содержат 80 % Ni и 20 % Cr или 65 % Ni, 20 % Cr и 15 % Fe.
Скорость окисления меди (Cu) понижается при её легировании Al, Be, оловом (Sn) и цинком (Zn).
На скорость коррозии влияет также структура сплава. Установлено, что наиболее жаростойкой является сталь с аустенитной (однофазной) структурой. Хромоникелевые стали с двухфазной аустенитно-ферритной структурой менее устойчивы к окислению. С увеличением содержания ферритной составляющей скорость окисления стали повышается. Например, хромоникелевая аустенитная сталь 12Х18Н9Т (Х18Н9Т) имеет более высокую жаростойкость, чем двухфазная сталь Х12Н5Т с более высоким содержанием хрома. Это связывают с тем, что на двухфазных сталях образуются менее совершенные плёнки, чем на однофазных.
Жаростойкость чугуна зависит от формы графитовых выделений. При шаровидной форме графита жаростойкость чугуна выше.
Деформация металлов в процессе нагрева может вызвать нарушение сплошности плёнок и связанное с этим увеличение скорости окисления. Повышенная шероховатость поверхности металла способствует образованию защитных плёнок с дефектами, что ведет к увеличению скорости коррозии.