9

Лабораторная работа № 3 коррозия металлов. Методы защиты от коррозии

Цель работы: изучение условий возникновения коррозионных микроэлементов, а также влияния различных факторов на скорость электрохимической коррозии металлов, испытание протекторов, изучение влияния ингибиторов на скорость коррозии различных металлов, нанесение защитных покрытий.

Коррозией называют разрушение металла в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды. Скорость коррозии выражают либо через потерю массы образца в единицу времени на единицу площади поверхности, либо через уменьшение толщины металла в единицу времени.

По характеру разрушения металла различают равномерную и местную коррозию. Равномерная коррозия распределяется по всей поверхности металла, а местная коррозия сосредоточена на отдельных участках.

По механизму коррозионного процесса различают химическую или электрохимическую коррозию. Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. В процессе химической коррозии происходит прямое взаимодействие металла с окислителем.

Причинами энергетической неоднородности поверхности металла и сплава могут быть неоднородность по химическому и фазовому составам, наличие примесей в металле, пленок на его поверхности, неодинаковая концентрация окислителя на поверхности и др.

При наличии энергетической неоднородности поверхности металла коррозионный процесс заключается в работе огромного числа коррозионных микрогальванических элементов.

Если ЭДС элемента имеет положительное значение (Е_э >0), а это возможно при условии, что потенциал окислителя больше потенциала металла, то коррозия возможна. При рассмотрении возможности протекания коррозионного процесса необходимо учитывать значения стационарного потенциала металла, т.е. потенциала , который имеет металл в данных условиях. Эти значения могут сильно отличаться от значений стандартных электродных потенциалов.

Электрохимическая коррозия возникает в средах, обладающих ионной проводимостью. В этом случае процесс коррозии является результатом двух сопряженных реакций: анодного растворения металла и катодного восстановления окислителя. Наиболее распространенными окислителями в коррозионном процессе являются ионы водорода и молекулы кислорода. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода или коррозией с водородной деполяризацией. Потенциал водородного электрода Е_H+/Н = - 0,059рН - 0,0295 1gРн₂,

где Рн₂ - парциальное давление водорода.

В наиболее простом виде электродные процессы могут быть представлены уравнениями:

анодное окисление Ме – ne^‑→ Меⁿ⁺;

катодное восстановление 2Н⁺ + 2 e^‑ → Н₂

2Ме + 2nН⁺ → 2Меⁿ⁺ + nН₂.

Катодная реакция, сопровождающаяся выделением водорода, называется "водородная деполяризация". Коррозия с выделением водорода возможна, если потенциал водородного электрода положительнее потенциала металла.

Скорость катодного выделения водорода возрастает с увеличением температуры, увеличением концентрации ионов водорода (снижение рН), наличием примесей: металлов-катализаторов: платины, кобальта, никеля и др. Другие металлы, например, ртуть, свинец, кадмий, цинк, не катализируют выделение водорода.Таким образом, скорость коррозии с выделением водорода можно снизить за счет уменьшения температуры, увеличения рН, очистки от примесей металлов-катализаторов и изоляцией поверхности металла.

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода или коррозией с кислородной деполяризацией. Потенциал кислородного электрода:

Ео₂/он-= 1.23 + 0,0147 1gРо₂ - 0,059рН. В наиболее простом виде электродные процессы могут быть представлены уравнениями:

анодное окисление Ме – ne^‑→ Меⁿ⁺ ;

катодное восстановление О₂+ 2H₂O + 4 e^‑ → 4OН^‑

4Ме + nO₂ + 2nН₂0 → 4Ме(ОН)n.

Коррозия с поглощением кислорода возможна, если потенциал кислородного электрода положительнее потенциала металла. Скорость коррозии в этом случае обычно определяется скоростью диффузии кислорода и возрастает при перемешивании раствора и увеличении концентрации растворенного кислорода. Скорость коррозии с поглощением кислорода можно снизить, уменьшая концентрацию кислорода, например, за счет введения восстановителя в раствор или снижением давления кислорода над раствором, или изолируя металл от кислорода. Состав катодных участков мало влияет на скорость коррозии.

Иногда коррозия может контролироваться анодными реакциями на металлах, способных пассивироваться, таких, как хром, алюминий, титан, цирконий, никель, тантал и др. Пассивностью металла называется состояние его повышенной коррозионной устойчивости, вызванное торможением анодного процесса. Пассивность вызывается образованием на поверхности металлов оксидов (Аl₂O₃, Сг₂O₃, ТiO₂, Та₂O₅ и др.) или защитных слоев под действием сильных окислителей.

Все методы защиты от коррозии условно можно разделить на 3 группы:

1. Методы, изменяющие свойства металла.

2. Методы, изменяющие свойства окружающей среды.

3. Комбинированные методы.

Выбор метода защиты зависит от многих факторов, в частности, от со­стояния поверхности металла, условий протекания процесса и определяется его эффективностью и экономической целесообразностью.

К первой группе методов относятся следующие:

-легирование металлов — метод, связанный с изменением свойств корродирующего металла за счет введения в состав металла или сплава ком­понентов, вызывающих пассивирование металла. Такими компонентами для стали являются хром, никель, вольфрам, марганец и т. д;

-нанесение защитных покрытий - метод, изолирующий металлы и сплавы от воздействия коррозионной среды. Выбор покрытия зависит от условий, в которых эксплуатируется металл. Покрытия наносят на поверхность металла электрохимическим способом (гальванические покрытия), металлизацией напылением, термодиффузионным методом, механическим (лаки, краски) и др.

Металлические покрытия по характеру защитного действия делятся на анодные и катодные. Анодные покрытия имеют более отрицательное значение электродного потенциала, чем основной металл, поэтому при нарушении такого покрытия основной металл разрушаться не будет, т. к. он защищен не только механически, но и электрохимически. Например, для сталей анодным покрытием может служить Zn или Сг. Катодные покрытия имеют более положительное значение электродного потенциала, чем у основного металла. При нарушении такого покрытия корродирует основной металл, поэтому в данном случае предъявляются высокие требования к качеству покрытия.

При нанесении металлических покрытий электрохимическим методом защищаемое изделие является катодом. Анод может быть выполнен из инертного материала, либо из металла, который нужно нанести.

Одним из самых распространенных анодных покрытий для стали является цинковое покрытие.

Цинковые покрытия применяются для: покрытия резьбовых деталей при работе в легких (толщина покрытия 3-6 мкм), средних и жестких (толщина покрытия 9-12 мкм) условиях экс­плуатации;

• покрытия деталей приборов, станков при работе в легких условиях эксплуатации (толщина покрытия 6-8 мкм);

• защиты от коррозии разных деталей в средних условиях экcплуатации (толщина 15—8 мкм);

• защиты от коррозии стальных изделий в жестких и очень жестких условиях эксплуатации (толщина покрытий от 24 до 42 мкм);

- защиты от коррозии в топливе (толщина покрытия 3-6 мкм). Электролиты цинкования подразделяют на простые и комплексные. К комплексным относят электролиты, в состав которых входят комплексные ионы [Zn(СN)₄]^2-, [Zn(ОН)₄,]^2- [Zn(P₂O₇)]^2- Простые электролиты содержат гидратированные ионы цинка Zn^2+∙∙nН₂O Разряд комплексных ионов на катоде сопровождается большей катодной поляризацией, чем разряд гидратированных ионов. Поэтому комплексные электролиты характеризуются большей рассеивающей способностью, однако выход металла по току у комплексных электролитов, как правило, ниже, чем у простых. Процессы цинкования проводят с использованием цинковых анодов. Процессы, протекающие на электродах, можно представить следующими уравнениями реакций: катодные процессы

а) для простого электролита

Zn²⁺ nН₂O + 2ē = Zn + nН₂O;

б) для комплексного (цианидного) электролита

[Zn(СN)₄]^2- + 2ē = Zn + 4CN^-

анодные процессы:

Zn + mH₂O - 2ē = Zn²⁺∙ mН₂O

Zn²⁺∙m Н₂O + 4CN = [Zn(СN)4]^2- + mН₂O

В качестве простых электролитов цинкования наиболее широко применяются сульфатные электролиты на основе сульфата цинка. Для стабилизации рН в такие электролиты вводится сульфат алюминия, который гидролизуется при рН 4,5. В результате гидролиза устанавливается равновесие между сульфатом алюминия, гидроксидом алюминия и серной кислотой и раствор приобретает буферные свойства. Добавки сульфата натрия вводятся для улучшения электропроводности раствора. Добавки декстрина увеличивают катодную поляризацию и улучшают структуру цинковых покрытий. Для улучшения внешнего вида покрытий можно вводить блескообразователи ДЦУ или У2 в количестве 1,0-1,2 мг/л.

Неметаллические покрытия могут быть неорганическими (эмали, оксидные, хроматные, фосфатные пленки) и органическими (смолы, полимеры, лаки, краски и др.).

Электрохимическая защита применяется в средах с хорошей электрической проводимостью. Уменьшение коррозии связано с созданием на защищаемом изделии высокого электродного потенциала. Для этого защищаемое изделие соединяют с металлом, имеющим меньший электродный потенциал (протекторная защита), или подключают к отрицательному полюсу (катоду) внешнего источника постоянного тока, а к аноду присоединяют вспомогательный электрод (катодная защита).

Ко второй группе методов защиты от коррозии прежде всего относятся методы, изменяющие

свойства коррозионной среды. Для этого уменьшают агрессивность среды снижением концентрации веществ, вызы­вающих коррозию, или их удалением. Например, если процесс коррозии свя­зан с наличием в растворе коррозионно-агрессивных газов (0₂, С1₂ и др.), их удаляют деаэрацией или с помощью реагентов-восстановителей. Широко применяют специальные вещества - ингибиторы, замедляющие скорость коррозии, которыми могут быть различные органические и неорганические соединения.