Лабораторная работа 12. Коррозия и защита металлов Теоретическое введение

Коррозия – это разрушение металлов под воздействием окружающей среды. Коррозию можно разделить на следующие виды по характеру среды: газовая, атмосферная, в расплавах и растворах, почвенная, в морской воде.

Разрушение металлов происходит в результате их окисления окислителями внешней среды. Таким образом, коррозия представляет собой гетерогенный окислительно-восстановительный процесс. По механизму протекания процесса различают химическую и электрохимическую коррозии.

Химическую коррозию в средах, не проводящих электрический ток (сухие газы, бензин), на практике мы наблюдаем в двигателях внутреннего сгорания, турбореактивных двигателях, при термической обработке металлов.

Во всех этих случаях на поверхности металла образуется плёнка продуктов коррозии. Дальнейшее протекание коррозионного процесса зависит от плотности и прочности плёнки, а также от её сцепления с металлом. Скорость роста плёнки подчиняется логарифмическому и экспоненциальному закону. Чем плотнее и прочнее плёнка, тем меньше скорость роста толщины плёнки. Если плёнка продуктов коррозии рыхлая и плохо сцеплена с металлом, то дальнейшее разрушение металла протекает с постоянной скоростью.

Чаще встречается электрохимическая коррозия, которая возможна в электропроводных средах, протекающая за счёт образования и работы короткозамкнутых микрогальванопар, причинами её могут быть самые различные обстоятельства. Гальванопары образуются:

а) при контакте металлов различной активности;

б) при контакте металлов с растворами различной концентрации;

в) при наличии различных примесей в металле (графит в чугуне,

карбид в стали и т.д.)

В таких микрогальванопарах на анодных участках, xapaктepизующихся меньшим значением потенциала, идёт окисление, а на катодных – восстановление окислителя. Процесс приобретения электронов на катодных участках называется деполяризацией. Наиболее часто электрохнмическая коррозия сопровождается:

а) водородной деполяризацией:

2Н⁺ + 2ē → Н₂;

б) кислородной деполяризацией:

2Н₂О + О₂ + 4ē → 4 ОН^–.

Первая реакция встречается в кислых растворах, а вторая – в нейтральных.

Таким образом, между протеканием химической и электрохимической коррозии существует принципиальное отличие. Оно заключается в том, что при электрохимической коррозии элементарные акты окисления и восстановления пространственно разделены, а при химической коррозии осуществляется непосредственный контакт восстановителя с окислителем.

Средой же, проводящей электрический ток, может служить даже

влага, адсорбированная на поверхности металла из атмосферы воздуха.

Рассмотрим работу гальванопары Zn – Fe, погруженной в кислую среду (см. рисунок 12.1). Участок с меньшим потенциалом (Zn) является анодом. На нём идёт окисление:

Zn – 2ē → Zn²⁺.

Участок с большим потенциалом (Fе) – катод. Катодный процесс представляет собой водородную деполяризацию:

2Н⁺ + 2ē → Н₂.

В нутри металлов возникают микротоки за счёт переноса электронов от анода к катоду.

Металл Электролит

Zn⁰ → Zn²⁺(р-р)

2ē

А(Zn)

2ē + 2H⁺ → H₂↑

К(Fe)

Рисунок 12.1 – Работа гальванопары Zn – Fe

Особенно широко распространен процесс коррозии с кислородной деполяризацией. Он наблюдается в случае коррозии металлов в воде, почве.

Примером может служить ржавление железа во влажном воздухе, при котором образуется гидроксид железа (II), окисляющийся постепенно до гидроксида железа (III).

На аноде: 2 Fe – 4ē → 2 Fe²⁺ окисление

На катоде: 2Н₂О + О₂ + 4ē → 4 ОН^– восстановление

2 Fe + 2 Н₂О + О₂ = 2 Fе(ОН)₂,

4 Fе(ОН)₂ + О₂ + 2 Н₂О = 4 Fе(ОН)₃

Такому растворению подвергаются черные металлы. Причин, вызывающих коррозии, известно очень много. Разнообразны и способы защиты металлов от коррозии: защитные покрытия, электрохимическая защита, изменение коррозионных свойств среды создание коррозионноустойчивых специальных сплавов.

Защитные покрытия предотвращают коррозию металлов за счёт их изоляции от внешней среды. К ним относятся: лаки, краски, различные пластмассы, металлические покрытия.

Последние делятся на катодные и анодные. Катодные покрытия изготавливаются из менее активного металла (лужение, хромирование) и в случае нарушения целостности покрытия разрушается защищаемое изделие. Анодные покрытия – из более активного металла (оцинковывание), они являются более эффективными. Изменение коррозионных свойств среды заключается в максимальном удалении окислителей или в применении специальных замедлителей коррозии – ингибиторов.

Электрохимическая защита – предусматривает создание высокого потенциала на защищаемом металлическом изделии. Достигается это соединением защищаемого изделия проводником с более активным металлом или подсоединением к нему отрицательного полюса источника тока (катодная поляризация).

Специальные коррозионно-устойчивые стали и сплавы создаются путем введения различных легирующих добавок, к которым относят: Сr, Al, Si, Ti, Ni.