7. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

7.1. Понятие о коррозии и её виды

Коррозия – самопроизвольный процесс разрушения металла в результате окислительно-восстановительной реакции с агрессивными компонентами окружающей среды. В этой реакции восстановителем является металл, в ходе реакции он окисляется. Этот процесс отража-

ет следующая полуреакция:

Ме0 – n e → Men+.

Окислителем являются компоненты среды, например кислород, оксиды серы и азоты, ионы водорода и т.п. Эти компоненты в ходе

а в нейтральной среде образуются гидроксид-ионы: 2Н2О + О20 + 4 e → 4ОН-.

Коррозия – самопроизвольный процесс, поэтому в ходе этой реакции энергия Гиббса уменьшается ( G 0 ). Химическая энергия реакции разрушения металла выделяется в виде тепла и рассеивается в окружающем пространстве. Она не может быть превращена в по-

где w – скорость коррозии;

∆m – убыль массы металла в результате его окисления, г;

τ – время, в течение которого металл разрушался, месяц, год; S – площадь поверхности металла, м2, см2,

или через толщину слоя разрушенного металла:

w ,

где w – скорость коррозии;

δ – толщина слоя разрушенного металла, мм; τ – время, в течение которого металл разрушался, месяц, год.

Существует 10-балльная шкала коррозионной стойкости металлов

(табл. 12).

66

По характеру разрушения поверхности металла различают:

1)общую (или равномерную) коррозию – металл разрушается равномерно по всей поверхности на незначительную глубину. Такой вид коррозии заметен сразу, он менее опасен, так как не приводит к значительному снижению прочности металлического изделия;

2)местную – точечную, пятнами, язвеннуюИ, избирательную (когда разрушается один из компонентов сплава), межкристалличе-

скую (разрушение идет по границам зерен металла на всю толщину металлического изделия) и транскристаллическуюД (происходит коррозионное растрескивание зерен металла). Самыми опасными видами коррозии считаются межкристаллическаяА и транскристаллическая, так как они часто не видны на поверхности, но значительно снижают прочность металлическогоБизделия.

По механизму коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую Икоррозии.С

трический ток. Это может быть сухой газ (кислород, оксиды серы и азота, хлор и т.п.), органические жидкости (нефть, нефтепродукты, растворители). При химической коррозии происходит гетерогенная реакция металла с компонентом окружающей среды на одном участке металла.

В зависимости от природы компонентов окружающей среды различают: 1. Газовую коррозию – происходит в среде сухого газа без возможности конденсации паров, обычно при высоких температурах. Примером газовой коррозии может быть разрушение выхлопной трубы автомобиля под действием отработавших газов, разрушение труб,

через которые происходит выброс газов на предприятии.

К газовой коррозии при невысоких температурах относится образование оксидных пленок. В основе механизма этого вида коррозии

67

лежит хемосорбция атмосферного кислорода. (Хемосорбция – самопроизвольный процесс концентрирования молекул газа на поверхности с последующим взаимодействием между компонентами.) В результате на поверхности металла образуется тонкая пленка оксида. Если кристаллическая решетка оксида металла совпадает с кристаллической решеткой самого металла, то пленка будет плотная и непроницаемая для газов. Такая пленка хорошо защищает металл от дальнейшего разрушения. Примером может служить образование плотных пленок на поверхности никеля, хрома, меди, алюминия, цинка и т.п.

Если кристаллическая решетка образующегося оксида металла не совпадает с кристаллической решеткой самого металла, то оксидная пленка будет рыхлая, легко проницаемая для газов. Такая оксидная пленка не может защитить металл от дальнейшего разрушения. Именно такая рыхлая пленка образуется на поверхностиИ железа.

цией металла. С другой стороны, есть такие вещества, которые пре-

Получить плотную оксидную пленку на поверхности металла можно специальными методами. ТакойДпроцесс называется пассива-

пятствуют образованию плотнойАоксидной пленки, например ионы

хлора. Такие вещества называются активаторами коррозии. Причи-

ной высокой скорости коррозии автомобилей в зимний период является присутствие ионов хлораБв составе антигололедных смесей, которыми обрабатывают дороги.

2. Второй вид химическойИ коррозии – жидкостная. В этом слу-

чае разрушение металла происходит в жидкостях-неэлектролитах: сернистых нефтяхС, бензинах, органических растворителях. Если двигатель автомобиля не защитить от коррозии, он будет разрушаться от контакта с бензином. В процессе транспортировки сырой нефти от месторождения до нефтеперерабатывающего завода по трубопроводам происходит коррозия металлических труб, которая может привести к серьезным авариям, разливам нефти, к человеческим жертвам.

7.3. Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия – разрушение металла в среде, проводящей электрический ток. Различают два вида электрохимической коррозии: гальванокорррозия и электрокоррозия.

I. Гальванокоррозия – окисление металла, выполняющего роль анода, в самопроизвольно возникающей гальванической цепи. В отличие от химической коррозии электрохимическая коррозия всегда про-

68

исходит на двух участках металла, один из которых выполняет функцию анода (этот участок окисляется, разрушается), а другой – катода (на этом участке происходит восстановление компонентов среды). Коррозионный гальванический элемент имеет некоторые отличия от обычного гальванического элемента, который служит источником тока. Во-первых, в коррозионном гальваническом элементе отсутствует внешняя цепь, окислительно-восстановительные процессы идут внутри металла, энергия окислительно-восстановительной реакции не может быть превращена в полезную работу и рассеивается в виде тепла в окружающей среде. Во-вторых, на катоде восстанавливаются не ионы металла (их обычно в окружающей среде нет), а компоненты среды.

Условия возникновения коррозионного гальванического элемента:

1.Контакт двух разных металлов, отличающихся по своей активности (например, железные детали соединеныИмедной заклепкой). Этот вид коррозии называется макрогальванокоррозия, разрушаться будет тот металл, который имеет меньшийДэлектродный потенциал.

2.Наличие в металле электроположительных примесей (микрогальванокоррозия). Например, чугунАподвергается коррозии, так как в его состав входят графит и карбид железа.

3.Разная температура на соседних участках металла. Так как, согласно уравнению НернстаБ, электродный потенциал зависит от температуры металла и окружающей среды, менее нагретый участок будет иметь меньшийИэлектродный потенциал, то есть станет анодом

ибудет окисляться.

4.РазличнаяСконцентрация раствора электролита, контактирующая с разными участками металла. В этом случае возникает концентрационный коррозионный гальванический элемент, участок металла, контактирующий с более разбавленным раствором электролита, станет анодом и будет разрушаться.

5.Неравномерная адсорбция кислорода на поверхности различных участков металла (аэрационная коррозия). Примером такой коррозии служит разрушение участков парового котла в местах подачи свежей, обогащенной кислородом, воды.

Во всех случаях металл, имеющий меньший электродный потенциал, становится анодом и окисляется, а на участке с большим электродным потенциалом, который становится катодом, происходит восстановление компонентов среды.

Рассмотрим примеры гальванокоррозии в зависимости от среды:

1.Коррозия оцинкованного железа в кислой среде без кислорода.

69

Стандартный электродный потенциал цинка равен – 0,76 В, потенциал железа равен –0,44 В. Следовательно, цинк будет анодом, а железо

–катодом. Запишем схему коррозионного гальванического элемента:

A:Zn0 ǀ H+Cl- ǀ Fe0 :K.

На аноде происходит окисление:

А: Zn0 – 2 e → Zn2+,

на катоде происходит восстановление ионов водорода:

К: 2Н+ + 2 e → Н20↑.

Суммарная реакция имеет вид

Zn0 + 2HCl → ZnCl2 + Н20↑.

Продуктом коррозии в данном случае будет хлорид цинка, а с поверхности участка, являющегося катодом, будет выделяться водород.

2. Коррозия чугуна во влажном воздухе.

Чугун содержит примеси графита, электродный потенциал окисления графита больше электродного потенциала окисления железа, поэтому железо станет анодом и будет окисляться, а графит будет выполнять функцию катода, на нем будут восстанавливаться компоненты среды.

4Fe(ОН)2 + 2Н2О + О2 → 4Fe(ОН)3.

Гидроксид железа (III) со временем теряет часть химически связанной воды по реакции Fe(ОН)3 → FeО(ОН) + Н2О. Образующийся полугидроксид железа (III) и есть всем знакомая ржавчина.

II.Второй вид электрохимической коррозии – электрокоррозия

–окисление металла под действием внешнего источника постоянного электрического тока. Процесс электрокоррозии имеет некоторое сходство с процессом электролиза с активным анодом. Под действием тока (это могут быть блуждающие токи от линий электропередач, от рельсов электротранспорта при их недостаточной электроизоляции) на участке, принимающем электрический ток, образуется катод, про-

исходит восстановление компонентов среды, а соседний участок,

70