Способы защиты металлов от коррозии

Известные способы предотвращения коррозии можно разделить на 3 группы:

1. Активные, влияющие на природу металла и электролита или изменяющие механизм и кинетику коррозионных процессов. К ним относятся: специальное легирование для повышения коррозионной стойкости металла, применение электрохимической (катодной и анодной) защиты; уменьшение агрессивности коррозионной среды путём изменения её состава или введения ингибиторов коррозии.

2. Пассивные, не влияющие на природу металла и механизм коррозии и осуществляемые путём изоляции конструкции от коррозионной среды с помощью лакокрасочных и других неметаллических покрытий.

3. Пассивно-активные, не влияющие на природу металла и осуществляемые путём изоляции конструкций от коррозионной среды с помощью металлических и неметаллических неорганических покрытий.

Специальное легирование, предусматривает повышение коррозионной стойкости металлов за счёт введения в них элементов, обеспечивающих повышение термодинамической устойчивости металла или образование не его поверхности защитной (оксидной) плёнки.

Легирование бывает анодное и катодное.

Анодное легирование предусматривает введение в металл другого металла, имеющего более отрицательный электродный потенциал (см. табл. 2), например, Mg в Al, Mn в Fe. Когда же в металл добавляют более благородный металл, например, Сr в Fe, Zn в Al, то осуществляют катодное легирование.

К числу методов, направленных на устранение причин коррозии, относятся: рациональное проектирование конструкций - правильный выбор материалов, формы и расположения элементов, исключение опасных контактов между разнородными металлами; предотвращение утечки тока через поверхность контакта металлической конструкции с агрессивной средой; защита от блуждающих токов.

Электрохимическая защита переводит пассивный металл в пассивное состояние путём поляризации током. Катодная защита при подключении конструкции к отрицательному полюсу постоянного тока используется в сочетании с лакокрасочными и другими изоляционными покрытиями. При этом обеспечивается сдвиг потенциала металла в отрицательную сторону на величину, достаточную для прекращения процесса анодного окисления металла.

При анодной защите на поверхности металла формируется оксидная пассивная плёнка. Этот способ наиболее прост и получил широкое распространение для защиты от коррозии крупногабаритных конструкций (например, корпусов морских судов, нефтепроводов, различных подземных и подводных коммуникаций.).

Уменьшение агрессивности среды достигается удалением растворённых газов – окислителей и изменением рН электролитов, введением в газовую или жидкую среду ингибиторов, обеспечивающих подавление коррозии (в результате их адсорбции на поверхности металла и её экранирования) или вызывающих существенные изменения механизма процессов. Этот способ используется для защиты внутренних поверхностей ограниченных объёмов (цистерн, резервуаров), трубопроводов.

Изоляция конструкций от коррозионной среды с помощью лакокрасочных и полимерных покрытий – самый простой по идее и наиболее универсальный способ защиты металлов.

Однако при нарушении целостности покрытия, оголённые участки становятся активными анодами по отношению к закрытым участкам и подвергаются интенсивной язвенной коррозии, скорость которой значительно выше по сравнению с коррозией незащищённого металла. В этих случаях сочетают применение изоляционного покрытия с электрохимической защитой оголённых участков поверхности.

Изоляция конструкций от коррозионной среды с помощью металлических гальванических покрытий и неметаллических, например, оксидных, во многих случаях является единственно приемлемым способом защиты металла.

Особенно это касается химической аппаратуры, которая используется в контакте с агрессивными средами. Такие покрытия являются наиболее прочными.

По характеру поведения металлические покрытия при коррозии делятся на анодные и катодные. К катодным относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла, например, Cu и Ni на стали. При повреждении покрытия возникает коррозионный элемент, в котором основной металл служит анодом и растворяется, а металл покрытия – катодом, на котором выделяется Н₂ или восстанавливается О₂. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером может служить покрытие цинком стали. В этом случае основной металл будет катодом коррозионного элемента при нарушении покрытия, поэтому он не коррозирует. Для получения металлических покрытий используют: электрохимический метод (гальванические покрытия), погружение в расплавленный металл (плакирование), металлизацию, термодиффузионный и химический методы.

Металлизация – это способ получения металлических покрытий различных сооружений (мосты, детали судов и др.), при котором расплавленный металл с помощью струи сжатого воздуха наносится на защищаемый объект. При термодиффузионном способе нанесения покрытий деталь помещают в среду, содержащую порошок покрываемого металла и детали. При повышенной температуре происходит диффузия покрытия металла в основной металл.

Иногда покрытия наносят при реакциях из газовой фазы. Например, защитный состав сплава Cr-Fe, содержащий до 30% Сr, получают путём пропускания парообразного CrCl₂ над поверхностью стали при 1000^оС.

При химическом способе металлические покрытия получают путём восстановления водородом соединений, включающих ион покрываемого металла. Назначение неметаллических покрытий сводится к изоляции коррозирующего металла от внешней среды. К последним относятся неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома и фосфора, лаки, краски, пластмассы, полимерные пленки, смолы.

Защитные покрытия получают путём оксидирования, т. е. образования на поверхности металла оксидных плёнок. Оксидирование включает термический, химический и электрохимический способы.

Термическое оксидирование заключается в образовании прочной оксидной плёнки при нагревании:

Например: Fe + H₂O = H₂ + FeO; и 2FeO + H₂O = H₂ + Fe₂O₃

Химическое оксидирование проводится при более низких температурах, например, “воронение стали”. Деталь помещают в щелочной раствор при 140^оС. При электрохимическом оксидировании, или «анодировании», используют окислительные процессы на аноде при пропускании постоянного тока.

Фосфатирование связано с процессом образования нерастворимых фосфатов на металлической поверхности. Фосфатные покрытия получают из растворов состава Н₃PO₄ и МеНРО₄, где Ме = Zn, Mn. Поскольку сами покрытия представляют собой пористые осадки, не защищающие от коррозии, то их используют в основном как грунт для лакокрасочных покрытий. Лакокрасочные покрытия делятся на лаки и краски.

Краски представляют собой взвесь пигментов (ZnO, TiO₂, ZnCrO₄, Fe₂O₃, Cr₂O₃, PbSO₄, BaSO₄ и т. д.) в однородном органическом связующем (льняное, древесное, ореховое, конопляное, подсолнечное, соевое и др. масла). Лаки обычно состоят из смеси смолы и высыхающего масла с летучим растворителем, который испаряется при полимеризации. Для влагостойких покрытий используют синтетические смолы.

Таким образом, все известные способы защиты металлов от коррозии, имея определённые отличительные особенности и преимущества, не являются универсальными. Для выбора оптимального из них необходимо провести анализ требований к защите определённой конструкции с учётом особенностей её эксплуатации и технико-экономических факторов.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

Перед началом экспериментальной части внимательно изучите методику выполнения работы. Эксперимент требует осторожности, неторопливости, особенно в начале практической части. Соляную кислоту, необходимую для реакции с металлом в объёме 5 мл, нужно отмерить с помощью градуированной пробирки.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Прибор для измерения скорости коррозии металла состоит из бюретки ёмкостью 50 мл, воронки и пробирки, соединенных резиновыми трубками (см. рис. 2 а). Бюретка и воронка наполнены дистиллированной водой.

Для проведения опыта необходимо:

1. Проверить прибор на герметичность. Для этого нужно переместить воронку ( не снимая пробирки) на несколько больших делений бюретки вниз и закрепить её (см. рис. 2 б). Если прибор гер-

метичен, уровень воды в бюретке окажется постоянным. Непрерывное понижение уровня воды в бюретке означает, что прибором пользоваться нельзя. В этом случае следует устранить негерметичность прибора с помощью лаборанта.

2. Получить у преподавателя (или лаборанта) образец металла.

3. Снять пробирку и, передвигая воронку, установить уровень воды в бюретке на делении «0».

4. Отмерить градуированной пробиркой 5 мл HCl 1:2 в первом случае, HCl + уротропин (ингибитор) во втором случае и HCl 1:2 + CuSO₄ в третьем случае.

5. Плотно закрыть пробирку пробкой и включить секундомер.

6. Наблюдать выделение Н₂, сопровождающееся вытеснением Н₂O из бюретки в воронку, отмечая при этом объём выделенного Н₂ через определённые интервалы времени, указанные в табл.3.

7. Записать показания барометра и термометра.

Р ис. 2. Прибор для определения объёма выделившегося водорода.

Таблица 3.

HCl 1:2		HCl 1:2 + уротропин		HCl 1:2 + CuSO4
t, сек	V, л	t, сек	V, л	t, сек	V, л
30		30		30
60		60		60
90		90		90
120		120		120
и т. д.		и т. д.		и т. д.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Построить графики зависимости объёма выделившегося водорода от времени в координатах V – t.

2. Определить угловой коэффициент получаемых прямых dV/dt, л/с (см. рис.3). При этом учесть, что начальным участком кривых V – t для коррозии Al следует пренебречь из-за растворения естественной оксидной плёнки.

3. Рассчитать линейную скорость коррозии j по формуле:

см/с

где Р – атмосферное давление, выраженное в атм (1 атм = 1,01· 10⁵Па = 760 мм.рт.ст.);

Эм – эквивалент металла,

ρ_м – плотность металла ( ρ _Zn = 7,14 г/cм³, ρ_Al = 2,7 г/cм³)

S – площадь образца, см²

R – универсальная газовая постоянная = 0,082 л·атм/моль·К

Т – абсолютное значение комнатной температуры

4. Рассчитать значения коэффициентов ингибирования и ускорения коррозии по формулам

где j – скорость коррозии без ингибитора

jинг – скорость коррозии в присутствии ингибитора

jСuSO₄ – cкорость коррозии в присутствии CuSO₄. Сделать выводы о влиянии добавок ингибитора и ускорителя коррозионного процесса.

5. Рассчитать долю поверхности металла, занятую адсорбированным ингибитором по формуле:

Сделать вывод об адсорбционной способности исследуемых металлов.

Р ис. 3 Типичная зависимость V-t для коррозии металлов в HCl.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФРОМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Оформление выполненной работы производится в тетради (лабораторном журнале) в следующем порядке:

Дата_{-----------------------------------------}

Лабораторная работа №_{-------------------}

Название работы_{---------------------------------}

1. Теоретическое введение

(в введении должны быть кратко отражены основные положения, определения и формулировки законов, относящихся к выполнению данной работы).

2. Экспериментальная часть

   1. Краткое изложение хода работы

   2. Схема прибора

3. Расчёты

4. Выводы

Контрольные вопросы

1. Какова первопричина коррозии?

2. В чём главное отличие электрохимической коррозии от химической?

3. Какие процессы протекают на анодных и катодных участках при электрохимической коррозии?

4. В поверхностном слое стальной детали находятся вкрапления углерода. Рассмотрите электродные процессы, протекающие при коррозии в нейтральной и кислой среде.

5. Почему железо, загрязнённое карбидами железа, разрушается в кислой среде быстрее, чем чистое железо?

6. Почему для ускорения выделения водорода при взаимодействии цинка с серной кислотой прибавляют сульфат меди?

7. Стальная конструкция закреплена в увлажнённом грунте, верхняя её часть находится в воздухе. На каких участках конструкции и почему наблюдается усиленное ржавление?

8. Что такое ингибитор коррозии?

9. Какие виды электрохимической защиты металлов от коррозии Вам известны?

10. Чем отличаются анодные защитные покрытия от катодных? Приведите примеры тех и других?

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М. «Металлург», 1976

2. Дамаскин Б. Б, Петрий О. А. Теоретическая электрохимия. М., Высшая школа, 1984

3. Глинка Н. Л. Общая химия, 24-е изд. Л.: Химия, 1985

4. Коровин Н. В. Общая химия. М.:Высшая школа, 2004