Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оборудование и материалы для производств неорганических веществ. Учебно-методическое пособие
.pdf
Для получения более точного результата уравнение (7) следует
RT
E
АK -= lnln
решить для трех значений К и Т, взять среднее из них, подставляя в
каждом случае среднее значение Е. Здесь также не должно быть заметных расхождений, если опыты и расчеты были произведены правильно.
Полученные данные для Е и А нужно подставить в уравнение
. (8)
3. Решить уравнение для определения энергии активации Е
константы A.
4. Составить полное уравнение окисления изучаемого металла.
5. На основании данных визуального осмотра, микроскопического изучения образцов и проведенных расчетов сделать заключение
о кинетике окисления изучаемых металлов и их жаростойкости в исследованном диапазоне температур.
Контрольные вопросы
1. Состав и структура оксидных пленок и механизм их роста.
2. Влияние легирующих добавок на повышение жаростойкости.
3. Влияние температуры на жаростойкость.
4. Методы испытания на газовую коррозию.
5. Конструкционные материалы для работы при повышенных
температурах.
и
6. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.
Лабораторная работа 4
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ
Цель работы: изученить эффективность протекторной защиты
оборудования.
Общие сведения
Простейшим средством защиты от коррозии являются лакокрасочные покрытия. Они защищают поверхность металлических изделий от непосредственного контакта с окружающей средой и другими
металлами. Главный недостаток этого способа заключается в том, что
слой краски постепенно разрушается и его следует восстанавливать.
Помимо окраски, существуют и другие способы борьбы с коррозией,
один из них – электрохимическая защита. Электрохимическая защита
заключается в катодной или анодной поляризации защищаемой конструкции путем присоединения к ней источника постоянного тока или
постороннего электрода из более электроотрицательного металла –
протектора. Электрохимическую защиту подразделяют на катодную и
анодную.
Катодная электрохимическая защита применяется преимущественно для предохранения от коррозии металлических изделий,
находящихся в почве, и при борьбе с коррозией металлов в морской
воде. В последние годы катодная защита находит все более широкое
применение для предохранения от коррозии теплосилового оборудования и аппаратуры, работающей с солевыми растворами. Она осуществляется присоединением металлоконструкции к отрицательному
полюсу внешнего источника постоянного тока.
При анодной электрохимической защите к конструкции при помощи проводника присоединяется протектор, имеющий более отрицательный потенциал, чем потенциал самой конструкции. Такой способ
называется протекторной защитой. Этот дополнительный анод способствует уменьшению скорости коррозии анодных участков в конструкции и переходу их в катоды, в то время как он сам разрушается.
Эффективность работы протектора зависит от ряда условий:
разности потенциалов протектора и защищаемой конструкции; электропроводности среды; соотношения площадей протектора и защища-
72
емой конструкции; формы и размера протектора, места и способа его
прикрепления.
Эффективность протекторной защиты оценивается по радиусу
действия протектора – расстояния от места соединения с ним металла
до ближайшего очага коррозии. Предполагается, что это расстояние
должно быть одинаковым во все стороны от протектора (если протектор находится посередине), поэтому оно называется радиусом. Радиус
действия протектора, т. е. расстояние, на которое распространяется его
защитное действие, при прочих равных условиях тем больше, чем
электропроводнее среда, в которой находится защищаемый металл,
а также чем больше разность потенциалов протектора и защищаемого
изделия. В среднем радиус действия протекторной защиты составляет
примерно 50 м.
Протекторная защита стальных конструкций широко используется в морской воде, при растворении солей в воде и малопригодна
в речной воде. Материалом для изготовления протекторов в случае
защиты изделия из стали часто служат цинк, алюминий и магний,
а также сплавы на основе этих металлов.
Протекторная защита активно применяется в судостроении:
протектором служит цинк, хорошо защищающий конструкции из стали и алюминия от коррозии в морской воде. Дюралюминий в морской
воде полностью защищается алюминием, кадмием и цинком.
В случае больших конструкций следует устанавливать несколько рядов протекторов. Их следует располагать около наиболее ответственных мест конструкции, например заклепочных или сварных
швов, или в местах неблагоприятного контакта металлов. Крепление
протектора должно обеспечивать длительный контакт.
Начало ржавления железа, т. е. появление в растворе ионов, в
ходе изучения эффективности протекторной защиты можно обнаружить с помощью введения в воду красной кровяной соли K
Fe(CN)6.
3
При этом на поверхности металла появляются синие пятна там, где
начался процесс окисления железа, так как протекает реакция образования турнбулевой сини:
2+
3Fе
+2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (1)
Расстояние от места контакта с протектором до ближайшего синего пятна на поверхности испытуемого образца и является радиусом
действия протектора.
73
Необходимые принадлежности
1. Стальная пластина длинной 250 мм или стержень,
250 мм и диаметром до 10 мм.
2. Протекторы из различных металлов (Zn, Al, Mg и их сплавы)
длиной 10 мм, диаметром до 10 мм.
3. Стеклянная (пластмассовая) прозрачная ванна.
4. Стеклянные (пластмассовые) подставки 2 шт.
5. Растворы хлористого натрия различной концентрации (0,1;
0,5; 1; 5; 10;15; 21 % мас.).
6. Раствор кровяной красной соли концентрации 10 %.
7. Наждачная бумага.
8. Фильтровальная бумага.
9. Масштабная линейка.
Проведение работы и обработка результатов
Изучение эффективности протекторной защиты по радиусу дей-
длиной
ствия протектора проводят на стальных стержнях в воде и растворах
солей различной концентраций. В качестве протектора используют
Zn, Al, Mg или их сплавы. Испытания проводят в стеклянных или
пластмассовых (прозрачных) ваннах.
Перед началом испытаний измеряют размеры защищаемой конструкции и протектора.
Образцы и протекторы предварительно тщательно зачищают
наждачной бумагой, обезжиривают, моют в проточной воде, ополаскивают в дистиллированной воде и протирают фильтровальной бумагой.
Рис. 1. Схема установки для определения эффективности
протекторной защиты: 1 – образец; 2 – протектор
В ванну через воронку, доходящую до дна, наливают исследуемый раствор. К раствору добавить 10–40 мл 10 % раствора красной
кровяной соли. Затем в ванну на специальные подставки устанавливают подготовленные металлические образцы с протектором, надетым
74
или наплавленным на один конец стального стержня (рис. 1), и ведут
Материал образца
и протектора
Концентрация
соли, % мас.
Наблюдения и радиус
действия протектора, мм
1 2 3
наблюдение за поверхностью образца. Уровень раствора в ванне должен быть на 2–3 см выше стержня с протектором. Через 10–15 мин от
начала испытаний осматривают образец и при появлении синих пятен
измеряют расстояние от протектора до ближайшего пятна. Описывают
количество синих пятен, их положение на стальном стержне, а также
отмечают появление продуктов коррозии протектора. Появление синих пятен указывает на образование турнбулевой сини вследствие реакции красной кровяной соли с двухвалентными ионами железа, которые образуются в результате растворения железа на анодных участках
поверхности стержня.
По окончании эксперимента раствор выливают, образец протирают мелкой наждачной бумагой, промывают струей холодной воды и
вытирают фильтровальной бумагой. Ванну и подставки ополаскивают
холодной водой. Далее исследования проводят аналогично для другого раствора или протектора.
Результаты измерений заносят в таблицу.
Результаты наблюдений и измерений
По результатам работы необходимо:
1. Построить график в координатах: радиус действия протекто-
ра – концентрация соли в растворе.
2. Объяснить работу протектора.
3. Сравнить и объяснить эффективность действия различных
протекторов.
Контрольные вопросы
Таблица
1. Электрохимическая защита оборудования от коррозии.
2. Катодная и анодная защита.
3. Механизм протекторной защиты.
4. Применение протекторной защиты на практике.
5. Условия эффективной работы протектора.
75
Лабораторная работа 5
ПАССИВНОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Цель работы: пассивировать сталь различными способами и
проверить защитные свойства полученных пленок.
Общие сведения
Пассивность – это состояние относительно высокой коррозионной стойкости металла, вызванное торможением анодной реакции его
ионизации. Пассивным называется такое состояние, когда металл, будучи термодинамически активным, не взаимодействует с агрессивной
средой.
Переход металла из активного состояния в пассивное носит
название пассивации, а обратный процесс – депассивации или активации. Пассивация происходит благодаря образованию на металлической поверхности фазовых или адсорбционных пленок, тормозящих
анодный процесс.
В пассивном состоянии многие металлы (например, AI, Сr, Ti
и др.) устойчивы и слабо окисляются не только в атмосфере воздуха,
но и в более агрессивных средах за счет образования оксидов Al
Cr
, TiO2 или других пленок на их поверхности.
2O3
2O3
,
Возникновение пассивного состояния зависит от природы металла, его свойств, характера агрессивной среды, концентрации электролита, его окислительной способности, температуры, перемешивания раствора и других факторов. При легировании в состав сплавов
обычно вводят компоненты, улучшающие пассивирование металла.
Образование защитных пассивирующих пленок на многих металлах происходит в воздушной атмосфере. В зависимости от реакционной способности металла абсорбированные газы, взаимодействуя
с ним, образуют химические соединения, представляющие в основном
оксиды различной толщины и строения.
Для создания пассивирующих (защитных) пленок существуют
различные способы, которые в основном сводятся к следующим:
1) обработка металла в различных средах-окислителях;
2) анодная поляризация.
Железо и сталь на воздухе покрываются тонкой пленкой оксидов, которая хорошо предохраняет металл oт дальнейшего окисления,
76
в сухом воздухе слабо предохраняет от действия влажного воздуха и
еще хуже защищает его в воде.
Коррозия во влажной атмосфере происходит за счет конденсированной влаги на поверхности металла и в принципе мало отличается
от коррозии в воде. Здесь протекают те же редокс-реакции, что и при
коррозии в воде. Но скорость ржавления во влажной атмосфере меньше, чем в воде, вследствие того, что кислород, присутствующий
в большом количестве, способствует образованию защитного слоя.
Толщину и сплошность защитной пленки на железе можно повысить обработкой в различных средах-окислителях, к числу которых
относятся концентрированная НNO
хромовая смесь, горячие щелоч-
3
ные растворы и др.
Толщину оксидной пленки можно изменить путем нагрева до
определенных температур, при этом пленка утолщается за счет протекания реактивной диффузии и из тонкой невидимой (толщиной до
200 нм) превращается в видимую окалину (толщиной более 500–
600 нм). При этом изменяется и строение оксидной пленки.
О качестве защитной пленки можно судить по скорости протекания процесса депассивирования. Скорость депассивации зависит от качества пленки, от ионного состава и концентрации раствора депассивирования. К числу сильных депассиваторов относятся ионы водорода
и хлора, способствующие разрушению защитной пленки. Депассиваторами могут служить также растворы солей более благородных металлов, например растворы солей меди по отношению к железу. В этом
случае о протекании процесса депассивирования можно судить по выделяющейся на поверхности стали меди. Эта реакция начинается в порах пленки, которые постепенно расширяются. Наиболее интенсивное
депассивирование будет происходить в растворах хлорида меди.
Необходимые принадлежности
1. Образцы металла (Ст3).
2. Растворы пассивирования:
– HNO
– хромовая смесь: 0,1Н H
, концентрированная;
3
SO4 + 3,5 % K2Cr2O
2
7;
– щелочной раствор: (г/л) NaOH – 800, NaNO3 – 50, NaNO2 – 200
в воде;
– 15 % раствор масляного лака в бензине.
3. Муфельная печь.
77
4. Растворы солей меди (0,1Н CuCl
, 0,1Н Cu(NO3)
2
2.
5. Составы обезжиривания.
6. Наждачная бумага.
7. Фильтровальная бумага.
8. Термостойкие химические стаканы.
9. Эксикаторы.
Проведение работы и обработка результатов
Необходимо выполнить пассивирование стали одним из предложенных способов. Каждая обработка проводится на трех образцах.
Изучению подвергается углеродистая сталь марки Ст3. Перед испытанием все образцы необходимо измерить, зачистить наждачной бумагой, тщательно обезжирить, промыть, высушить и взвесить.
После проведения процесса пассивации образцы необходимо
просушить фильтровальной бумагой или в сушильном шкафу при
температуре 105–110 °С и снова взвесить.
1. Обработка в концентрированной азотной кислоте. Погрузить
подготовленные стальные образцы, подвешенные на стеклянных
крючках, в стаканы с кислотой плотностью 1,4 г/см
3
на 10–15 мин,
вынуть, промыть в дистиллированной воде и просушить фильтровальной бумагой.
2. Обработка в хромовой смеси. Опустить образцы, подвешенные на стеклянных крючках, в стакан с раствором, нагретым до 40 °С,
и выдержать 30 мин. Промыть в дистиллированной воде и просушить
фильтровальной бумагой.
3. Обработка в щелочном растворе (химическое оксидирование).
Раствор налить в стакан в количестве 100 см
3
, довести до кипения.
Опустить образцы, подвешенные на стеклянных крючках, в стакан
с раствором до полного погружения и выдержать 60 мин. После этого
промыть дистиллированной водой до полного удаления остатков соли
и щелочи и высушить.
4. Термическая обработка. Образцы, предназначенные для термической обработки, зачищают шкуркой, протирают фильтровальной
бумагой и взвешивают. Помещают в муфельную печь при 350 °С на
10–15 мин до появления синего цвета побежалости, затем вынимают
из печи и охлаждают на воздухе.
5. Химико-термическая обработка (воронение). Смазать образцы
15 % раствором асфальтового или масляного лака в бензин, просу-
78
шить на воздухе. Затем поместить в муфельную печь при 400 °С до
Характер об-
работки
при пас-
сивиро-
вании
Раствор CuCl2
Раствор Cu(NO3)2
τ1,
мин
m
нач,
г
τ 2,
мин
m
кон
,
г
τ1,
мин
m
нач
,
г
τ2,
мин
m
кон
,
г
1
2 3 4 5 6 7 8
9
появления темно-синего окрашивания, охладить в минеральном масле,
масло смыть бензином. Высушить на воздухе.
Для проверки свойств полученных пассивных пленок и их каче-
ства необходимо провести процесс депассивации.
Испытание качества защитных пленок на стали производится
двумя методами:
1) погружением в раствор соли меди;
2) выдерживанием во влажной атмосфере.
Образцы, пассивированные каким-либо из указанных выше спо-
собов, погружают в раствор CuCl
и раствор Сu(NO3)2 и следят за по-
2
явлением на поверхности отложений меди. Отмечают время начала
выделения меди на образцах (τ
поверхность металла покроется медью (τ
) и время, через которое вся видимая
1
). Для сравнения те же опы-
2
ты проводят с образцами из той же стали, но не подвергавшимися никакой обработке. Результаты представляют в виде табл. 1.
Оставшиеся образцы (по одному от каждого способа пассивирования) помещают в эксикатор, на дно которого налита вода для поддержания постоянной влажности, отвечающей точке насыщения. Результаты наблюдений заносят в табл. 1.
Таблица 1
Результаты депассивирования в растворах солей меди
образцы из той же стали, но не подвергавшиеся пассивации, а лишь
предварительно зачищенные наждачной бумагой, обезжиренные и
взвешенные. Срок испытаний может составлять от 7 до 14 дней. После
испытаний образцы вынимают из эксикатора, описывают их внешний
вид, высушивают в сушильном шкафу при температуре 105–110 °С и
взвешивают. Данные заносят в табл. 2.
Вместе с пассивированными образцами в эксикатор помещают
79
Результаты депассивирования во влажной атмосфере
Характер обра-
ботки при пасси-
вировании
Внешний вид и масса образца после испы-
таний
После пассивации
После испытаний во
влажной камере
1 2 3
пас
пас
S
m
К
t
×
D
=
1
депасс
депасс
S
m
К
t
×
D
=
2
По результатам работы необходимо:
1. Сравнить между собой данные обеих таблиц и сделать выво-
ды о качестве полученных пленок.
2. Выбрать лучший метод пассивации
3. Рассчитывают скорости процессов пассивации и депассива-
ции К (г/м
2
·ч) по формулам
Таблица 2
, (1)
, (2)
где ∆m
и ∆m2 – изменение массы образца соответственно в процессе
1
пассивации и депассивации, г; S – площадь поверхности образца, м
τ
пас, τдепас
– время процесса пассивации и депассивации соответственно, ч.
Контрольные вопросы
1. Пассивность металлов. Природа образующихся на поверхно-
сти пассивных пленок.
2. Теории пассивности и механизм пассивации металлов.
3. Способы создания защитных пассивных пленок на металлах.
4. Легирование металлов. Основные легирующие элементы.
5. Депассивация металлов. Причины и методы удаления пассив-
ных пленок с поверхности металлов.
2
;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]