Задание 6

Предложит обосновать способы защиты металла в заданной коррозионной среде.

Решение задачи

Рассмотрим существующие методы защиты металлов при водородной деполяризации и оценим их эффективность в заданных условиях.

1. Протекторная защита. Для защиты хрома в указанной в задании 4 среде из диаграммы Пурбе видно, что хром в равновесии будет находиться в области потенциала ниже -1. Для осуществления протекторной защиты металла необходимо чтобы потенциал протектора был отрицательнее потенциала хрома.

Рисунок 6.1.

Из таблицы стандартных электродных потенциалов видно, что этому условию удовлетворяют следующие металлы: Mn, Al, Mg, Na, Ca, K, Rb, Li. Оксиды большинства из перечисленных металлов преимущественно щелочные. Поэтому с кислотами данные металлы взаимодействуют активно. Вследствие чего защита от коррозии с помощью перечисленных металлов не целесообразна. Оксид алюминия амфотерен. Но алюминий образует на своей поверхности достаточно устойчивую оксидную пленку, следовательно, окисляться не будет. Возможна защита Mn.

2. Защиту хрома от коррозии в кислых средах также можно обеспечить нанесением кислотостойких защитных покрытии. Известно, что оксид хрома III может растворяться в кислотах, поскольку амфотерен. Следовательно, покрытие хрома оксидной пленкой Cr₂O₃ не принесет пользы в серной кислоте. Для защиты от коррозии изделий из хрома в серной кислоте возможно использование эмали либо покрытия, которые образуют на своей поверхности нерастворимые в разбавленных кислотах пленки. Также возможна защита хрома от коррозии покрытием благородными металлами, которые будут препятствовать коррозии вследствие более положительного потенциала благородного металла по сравнению с окислителем. Покрытие благородными металлами возможно в случае, если изделие имеет большую ценность. Если изделие не имеет большой ценности и не вступает в механическое взаимодействие с другими твердыми материалами, которые могут разрушить покрытие, возможна защита более мягкими материалами или эмалями, которые устойчивы к действию серной кислоты. К таким материалам можно отнести, например, Al, который образует на своей поверхности устойчивую оксидную пленку.

3. Защита материалов от коррозии при водородной деполяризации возможна также введением в раствор специальных добавок, уменьшающих скорость коррозии в результате уменьшения перенапряжения водорода (ингибиторов).

4. Для защиты от коррозии в электролите можно также воспользоваться смещением потенциала металла подключением его к положительной (отрицательной) клемме источника тока. Таким образом, можно добиться смещения потенциала в положительном (отрицательном) направлении. Из коррозионной диаграммы видно, что, смещая равновесный потенциал в положительном направлении, происходит увеличение анодного тока и, как следствие, увеличение скорости коррозии. Это эффект будет происходить только в том случае если металл не пассивируется в данной среде. Пассивация хрома возможна в некоторых сильных кислотах, то, возможно, что хром будет подвергаться пассивации, и скорость коррозии при анодной защите будет снижаться. При анодной защите металла от коррозии происходит смещение равновесного потенциала в сторону отрицательных потенциалов. При таком смещении анодный ток будет снижаться, следовательно, будет снижаться и скорость коррозии. Но при этом будет увеличиваться ток катодного процесса, что будет в кислых средах сопровождаться обильным выделением водорода. Это явление может привести к водородному охрупчиванию металла.

Для защиты от химической коррозии необходимо торможение диффузии окислителя к металлу и снижение электропроводности оксидной пленки. Это достигается при образовании на металле сплошной оксидной пленки с наименьшей концентрацией вакансии. Механизм защиты металла от коррозии при заданных условиях описывается теориями Вагнера-Хауффе и Смирнова. Согласно первой теории снижение скорости коррозии происходит за счет снижения электропроводности пленки. Этого можно добиться, легируя металл элементами с большей или меньшей валентностью. Если вакансии образованны избытком металла в узлах кристаллической решетки, то, легирую металл элементом с большей валентностью, можно добиться снижения числа вакансии и, как следствие, снижение электропроводности металла. В случае если вакансии образованы недостатком металла в кристаллической решетке, то, легирую металл элементом с меньшей валентностью, достигается эффект снижения вакансии в оксидной пленке. Также если известно, что оксидная пленка образуется с недостатком анионов, то можно предложить термообработку металла в окислительной атмосфере. Если же оксидная пленка имеет недостаток катионов, то термообработку следует проводить в восстановительной атмосфере. При увеличении концентрации легирующего элемента, обладающего большой диффузионной способностью и сродстов к кислороду по сравнению с основным металлом, происходит эффект выхода легирующего элемента на поверхность металла с образованием им собственной оксидной пленки. Этот эффект объясняется теорией Смирного.

Относительно кобальта из [10. 820 c.] известно, что при комнатной температуре кобальт устойчив. При температуре выше 300˚С покрывается оксидной пленкой. Кобальт пассивируется в конц. азотной кислоте. Оксид кобальта CoO имеет температуру плавления 1810˚C. Следовательно, оксид при повышении температуры до температуры плавления металла плавится не будет и не будет стекать с поверхности металла, также диффузия кислорода не увеличится. При температуре 985˚С оксид кобальта перейдет в β модификацию с той же кристаллической решеткой, но с меньшей плотностью. Вследствие этого объем оксидной пленки увеличится, что может привести к растрескиванию и отслаиванию оксидной пленки кобальта от металла. Обладает проводимостью p-типа. Следовательно, оксид кобальта имеет избыток катионов металла. Учитывая тип проводимости можно предложить способы легирования кобальты и среду для термообработки. По теории Вагнера-Хауффе проводник с избытком катионов следует легировать элементом с меньшей валентностью. Среда термообработки необходима восстановительная или инертная с небольшим количеством кислорода. Поскольку Al и Cr обладают большим сродством к кислороду, то их избыток в металле Co приведет к образованию оксидной пленки Al₂O₃ или Cr₂O₃ на поверхности металла, которая способна защищать металл от коррозии в агрессивных средах. Возможно образование структуры типа шпинель с трехвалентными катионами Cr, Al, Fe в оксидной пленки металла, что также будет препятствовать коррозии.