9.4.3. Пассивность металла

Пассивность – состояние повышенной коррозионной устойчивости металлов, которое не соответствует их термодинамической устойчивости. Так металлы Fe, Cr, Al устойчивы в концентрированной HNO₃, Fe, Ni – в растворе NaOH, Al – на воздухе. Причина – формирование хемосорбированного слоя атомов кислорода на активных центрах поверхности металла с возможной его трансформацией в фазовый оксид.

Для многих металлов с незавершенным d-слоем при смещении потенциала положительнее потенциала коррозии характерно резкое торможение процесса ионизации металла – переход в пассивное состояние. На этом свойстве металлов основан способ защиты от коррозии – анодная защита.

9.4.4. Защита металлов от коррозии

Для защиты металлов от коррозии применяют различные методы и их комбинации:

1. Создание рациональных форм конструкций машин и механизмов, в которых не должно быть мест скопления грязи и влаги – очагов коррозии.

2. Легирование металлов – введение в сплавы добавок повышающих коррозионную стойкость. Например, нержавеющие стали содержат 12-20% хрома и добавки других металлов (Ni, Mn, Ti, Co, Nb, Mo), которые позволяют создавать сплавы, устойчивые в различных коррозионных средах. На поверхности таких сплавов формируется защитная пленка, обладающая высокой адгезией к металлу, коэффициентом объемного расширения таким же, как у металла, высокой химической стойкостью.

Другим примером коррозионностойкого сплава является латунь - двойной или многокомпонентный сплав на основе меди с легирующим компонентом - цинком. В латуни различных марок вводят добавки - Sn, Ni, Pb, Mn, Fe. Из латуней изготовляют очень ответственные детали морских судов, электромашин, вкладыши подшипников, детали часовых механизмов, теплотехническую и химическую аппаратура.

3. Изоляция поверхности металла от агрессивной среды достигается нанесением на нее различных покрытий.

Покрытия бывают металлические и неметаллические, которые в свою очередь подразделяются на химические и лакокрасочные.

Металлические покрытия получают в результате лужения (нанесения слоя олова) никелирования, хромирования, оцинкования. Металлические покрытия подразделяют на катодные и анодные.

Катодные покрытия – это покрытия менее активным металлом, нарушение которого приводит к анодному растворению основного металла. Так луженое железо при нарушении защитного оловянного покрытия подвергается анодному растворению, поскольку железо является более активным металлом.

Анодные покрытия – покрытия более активным металлом, нарушение которого ведет к его постепенному растворению. Например, оцинкованное железо в нейтральной среде:

А(–): Zn –2ē = Zn²⁺

К(+): O₂ + H₂O + 4ē = 4OH^–

Zn + O₂ + 2OH^– = Zn(OH)₂

Неметаллические химические покрытия наносятся методом фосфатирования и оксидирования.

• Фосфатирование – формирование на поверхности чугуна, углеродистой стали, кадмия, цинка, меди, алюминия слоя малорастворимых фосфатов железа, цинка или марганца действием препарата МАЖЕФ (сокращение от - марганец, железо, фосфор).

• Оксидирование – формирование оксидных пленок на поверхности металлических изделий. Это покрытие может использоваться и как декоративное. Наносится химическим и электрохимическим путем. Поверхность железа подвергается обработке в щелочных растворах, при этом постепенно формируется защитная оксидная пленка: Fe → Na₂FeO₂ → Na₂Fe₂O₄ → Fe₃O₄.

Лакокрасочные покрытия (ЛКП). К лакокрасочным материалам относятся эмали, лаки, краски, шпаклевки, грунтовки. Их наносят на металл слоями. Например, на кузов автомобиля, который предварительно обработан фосфатирующим составом наносят грунтовку, которая обеспечивает высокую адгезию (сцепление) покрытия с подложкой и защиту металла от электрохимической коррозии. Затем грунтованную поверхность шпаклюют. Шпаклевкой выравнивают поверхность, удаляют дефекты, трещины, царапины, поры. После высыхания слоя шпаклевки наносят слои эмали, лака. Это несколько упрощенная схема дает представление о составе и строении ЛКП.

4. Электрохимическая защита основана на том, что можно изменить скорость коррозии металла, сдвигая его потенциал пропусканием внешнего тока. Рассмотрим катодную и анодную защиту.

Катодная защита может осуществляться двумя способами:

1) Наложение катодного тока, т.е. подключение защищаемого изделия в качестве катода к внешнему источнику тока. При этом анодом служат инертные вспомогательные электроды. Таким способом защищают буровые платформы, подземные трубопроводы.

2) Протекторная защита – защита изделия посредством контакта с более активным металлом (более электроотрицательным), который является анодом. Электрохимическое растворение протектора обеспечивает протекание катодного тока через защищаемый металл. Металл-протектор (магний, цинк, алюминий и их сплавы) постепенно полностью растворяется. Такой вид защиты очень эффективен. Его используют для защиты днищ морских судов, трубопроводов и др.

Анодная защита эффективна для металлов с незавершенными d-электронными слоями (Fе, Ni, Cr, Mo, Ti, Zr) которые при смещении их потенциала от потенциала коррозии в анодную сторону переходят в пассивное состояние. При этом ток растворения металла падает в десятки раз. Перевод металла в пассивное состояние осуществляется током большой плотности. Поддержание металла в пассивном состоянии требует наложения незначительного по величине тока. Например, пассивация нержавеющей стали в 66%-ном растворе H₂SO₄ при t = 24°С осуществляется током 6 А/м², а поддержание этого состояния – 10^–3А/м². Токи анодной защиты обычно меньше токов катодной защиты. Это делает анодную защиту весьма эффективной.

5. Изменение свойств коррозионной среды. Скорость разрушения металла можно уменьшить путем удаления или снижения концентрации веществ, вызывающих коррозию, или внедрения в среду замедлителей коррозии – ингибиторов.

Ингибиторная защита – введение в агрессивную среду ингибиторов (органических или неорганических веществ, небольшие количества которых резко снижают скорость коррозии металла, предотвращая его разрушение).

Этот метод отличается высокой экономичностью, легким внедрением в производство, не требует дополнительно специального оборудования.

Ингибиторы используются для защиты металлов в водно-солевых, кислотных, щелочных, в водно-органических и органических средах, при коррозии в атмосферных условиях, почве и т.д.

Введение ингибитора в агрессивную среду вызывает изменение кинетики электродных реакций. Эффективность и механизм действия ингибитора, зависит от природы металла, строения ингибитора, свойств агрессивной среды, условий протекания процесса коррозии (температура, гидродинамика).

Выбор способа защиты определяется условиями работы металла и экономикой.