10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.1.Виды коррозии

вщелочной или нейтральной среде −

Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

10.2. Защита металлов от коррозии

Интенсивность коррозии определяется следующими факторами: химическим составом металла (нержавеющие стали – сплав железа с

металлами, имеющими небольшую разность между их электродными потенциалами, это приводит к уменьшению скорости коррозии);

структурой металла (сплавы с однородной структурой устойчивее, чем с неоднородной; сплав, содержащий две твердые среды, менее устойчив, чем одна твердая фаза);

состоянием поверхности металла (под микроскопом видно, что поверх-

ность металла шероховата; ионы Меn + легко отрываются от поверхности металла, т. к. не все электроны на поверхности металла компенсированы и это приводит к усилению коррозии. Для уменьшения скорости коррозии изготавливают металлические изделия с гладкой поверхностью);

механической обработкой металла (при механической обработке нарушается кристаллическая структура металла и коррозия протекает быстрее);

аэрацией (участок, хуже снабжаемый кислородом, становится анодом и быстрее корродирует);

химическим составом, свойствами среды, наличием окислителей (чем агрессивнее окружающая среда, тем интенсивнее протекает коррозия);

температурой (чем выше температура, тем больше скорость коррозии, как любой химической реакции).

В зависимости от условий и возможностей в практике защиты металлов используются методы, основанные на одном из следующих принципов:

1)увеличение химической стойкости самого конструкционного ма-

териала;

2)снижение агрессивности технологической среды;

3)предотвращение прямого контакта с агрессивной средой путем нанесения изолирующего покрытия;

4)регулирование величины электродного потенциала защищаемого изделия – электрохимическая защита.

Наиболее надежный способ борьбы с коррозией – изготовление изделий из коррозионно-стойких материалов. Однако высокая стоимость благородных металлов практически исключает их использование, в известной мере это относится также к титану и хрому. Обычно применяют легирование для создания коррозионно-устойчивых сплавов. На практике большинство

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.2.Защита металлов от коррозии

изделий готовят из дешевых и доступных материалов с последующей дополнительной защитой от коррозии.

Снижение агрессивности коррозионной среды достигается либо уменьшением концентрации агрессивного компонента (например, применение инертной атмосферы при сварке, деаэрация водных растворов для удаления растворенного кислорода, удаление хлоридов, снижение влажности воздуха), либо введением в коррозионную среду веществ, уменьшающих скорость коррозии – ингибиторов.

Ингибиторы, адсорбируясь на поверхности металлов, тормозят анодный или катодный процесс, или оба вместе. Они подразделяются на анодные, образующие на поверхности металла пленку (например, хроматы, нитриты, фосфаты), и катодные ингибиторы (например, сульфаты цинка и магния, сульфит и бикарбонат натрия), которые тормозят отдельные стадии катодной реакции. Так, сульфит натрия снижает концентрацию кислорода в растворе, действуя как восстановитель. Сульфат цинка в щелочной среде уменьшает поверхность катодных участков за счет образования на поверхности металла нерастворимого гидроксида цинка и т. д. Катодно-анодные ингибиторы (KВr, KI) тормозят оба электродных процесса. Часто применяются синергические ингибирующие составы, содержащие одновременно катодные и анодные ингибиторы.

Для защиты металлов и сплавов на воздухе применяются контактные и летучие ингибиторы. Контактные ингибиторы (например, нитрит и бензоат натрия) используются при хранении металлов. Их наносят на металлы, погружая детали в растворы ингибиторов, или вводят в масла и смазки. Летучими ингибиторами (например, производными циклогексиламина) пропитывают упаковочный материал; они при медленном испарении образуют тонкую адсорбционную пленку. К особому классу относятся ингибиторы- пассиваторы, приводящие к пассивации металлов. Органические ингибиторы в основном применяются при кислотном травлении металлов.

Наиболее часто для защиты металлов от коррозии применяют защитные покрытия, которые бывают металлические и неметаллические. Защитное покрытие должно быть сплошным, непроницаемым, равномерным, прочным, твердым и износостойким. Металлические покрытия (гальванопокрытия) бывают анодными и катодными.

Анодным называется такое покрытие, когда металл покрытия более активен и становится анодом (–)А, а защищаемый металл – катодом (+)К.

Например, оцинкованное железо:

А(–) Zn

К(+) Fe

Кислая среда

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.2.Защита металлов от коррозии

Цинк ( E0Zn2+ /Zn = –0,76 В) активнее железа ( Е0Fe2+/Fe = −0,44 В). При нарушении целостности покрытия в кислой среде образуются микрогальванопары:

(–)А Zn | H+ | Fe (+) K

(–)А Zn0 – 2ē = Zn2+ − процесс окисления,

(+)К 2Н+ + 2 ē = Н2↑ − процесс восстановления.

В результате разрушается металл покрытия (в данном примере Zn), а сама конструкция (Fe) разрушаться не будет до тех пор, пока металл покрытия не разрушится полностью.

Катодным называется такое покрытие, когда металл покрытия менее активен и является катодом (+)К, а защищаемый металл более активен и становится анодом (–)А.

Например, железо, покрытое никелем:

К(+) Ni

А(–) Fe

Щелочная или нейтральная среда

Железо активнее, чем никель, E0Ni2+ / Ni = –0,25 В, E0Fe2+ / Fe = –0,44 В. При нарушении целостности покрытия в щелочной или нейтральной среде происходит образование большого количества микрогальванопар и начинает разрушаться сам защищаемый металл, как более активный:

(–)А Fe | O2, H2O | Ni (+) K

(–)А Fe0 – 2 е = Fe2+ − процесс окисления,

(+)К O2 + 2H2O + 4 е = 4OH– − процесс восстановления.

Из этих двух видов покрытия наиболее эффективно защищает металл анодное покрытие, т. к. до тех пор, пока металл покрытия (более активный) полностью не разрушится, защищаемый металл разрушаться не будет.

Гальванические покрытия широко применяются во многих областях техники и имеют различные назначения:

защита от коррозии – цинкование, кадмирование, лужение и др.; защита от коррозии и придание красивого внешнего вида – никелиро-

вание, хромирование, серебрение, золочение; повышение электрической проводимости – меднение, серебрение, зо-

лочение;

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.2.Защита металлов от коррозии

повышение твердости и износостойкости – хромирование, родирование, палладирование;

получение магнитных пленок – осаждение на металл сплавов никель−кобальт и железо−никель;

улучшение отражательной способности поверхности – серебрение, родирование, палладирование, хромирование;

улучшение способности к пайке – лужение, осаждение на металл сплава олово−свинец;

уменьшение коэффициента трения – свинцевание, хромирование, осаждение на металл сплава олово−свинец, индий−свинец и др.

Наиболее распространены неметаллические покрытия. Это органические покрытия – эмали, лаки, краски, покрытия резиной, пластмассами, смазкой битумом и др. Среди неорганических покрытий широко используются стекловидные эмали и дешевые покрытия из цемента.

Особый класс неорганических покрытий составляют конверсионные покрытия, наносимые путем химической или электрохимической обработки металла – фосфатные и хроматные покрытия. На алюминий и его сплавы защитное покрытие наносят методом анодирования в электролите, в результате чего образуется защитная оксидная пленка.

Катодную защиту, или электрозащиту, применяют для изделий, на-

ходящихся в почве и морской воде, аппаратуры химических заводов. Она осуществляется присоединением конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока (рис. 10.1), т. е. протекает процесс электролиза с растворимым анодом (+)А, а защищаемая конструкция является катодом (–)К и не разрушается.

Протекторная защита (рис. 10.2) осуществляется за счет контакта защищаемого изделия с массивными электродами из более активного металла. Эти электроды становятся анодами и, растворяясь, сами обеспечивают протекание катодного тока к защищаемой конструкции. В качестве таких «жертвенных» анодов часто используются алюминий, цинк.

Протекторная защита применяется для защиты от коррозии очень крупных металлических конструкций (подъемных кранов, арок железнодорожных мостов и т. д.).

Например, металлическая конструкция изготовлена из железа (подъемный кран). В качестве протектора берут цинковую болванку и присоединяют её внешним проводником. Во влажном воздухе между железом и цинком образуются микрогальванопары, на электродах которых протекают следующие процессы:

(–)А Zn | О2, Н2О| Fe (+) K

(–)А Zn0 – 2 е = Zn2+ − процесс окисления,

(+)К O2 + 2H2O + 4 е = 4OH– − процесс восстановления.

10.КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

10.2.Защита металлов от коррозии

Защита от коррозии будет действовать до тех пор, пока металл протектора полностью разрушится. Тогда вместо отработавшего протектора, к защищаемой конструкции присоединяют новый протектор и защита продолжается.

Рис. 10.1. Схема катодной защиты от коррозии внешним электрическим током: 1 – труба с покрытием; 2 – соединительные провода;

3 – источник постоянного тока; 4 – анод

Рис. 10.2. Схема протекторной защиты: 1 – стальная конструкция: 2 – протектор;

3 – наполнитель; 4 – электрический контакт с конструкцией

При использовании катодной защиты внешним электрическим током можно достичь полной защиты от коррозии, но применение его в кислых средах экономически невыгодно, т. к. требует затраты большого количества электричества.

Контрольныевопросыизадания

1.Дать определение коррозии металлов. Почему этот процесс самопроизвольный?

2.Какие виды коррозии существуют? Привести примеры.

3.В чем сущность химической коррозии? Какие факторы влияют на скорость химической коррозии?

4.Чем обусловлена электрохимическая коррозия? Назвать отличие ее от химической коррозии.

10. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Контрольные вопросы и задания

5.Какие процессы протекают на аноде и катоде при электрохимической коррозии в различных средах? Привести примеры.

6.Какие существуют методы защиты металлов от коррозии?

7.Какие гальванические покрытия называют анодными? Привести

пример.

8.Какие гальванические покрытия называют катодными? Привести

пример.

9.В чем заключается метод электрозащиты?

10.Какую роль выполняют ингибиторы коррозии?

11.Можно ли ставить цинковые заклепки при изготовления днища корабля из железных листов?

Компетенциистудента

Изучив содержание темы, студент должен:

знать виды коррозии; химическую коррозию и меры по её предотвращению; электрохимическую коррозию и процессы, протекающие на металлах в разных средах; факторы, определяющие интенсивность коррозии; методы защиты металлов от коррозии; гальванические покрытия; ингибиторы коррозии;

уметь составить уравнения окислительно-восстановительных процессов, протекающих при химической и электрохимической коррозии; подобрать при изготовлении изделия из разных металлов такую пару металлов, в которой была бы наименьшая скорость коррозии; защитить экспериментально любой металл методом протекторной защиты; уменьшить скорость коррозии путем изменения среды, окружающей данное металлическое изделие; нанести экспериментально анодное или катодное покрытие на защищаемый металл и определить его эффективность; уменьшить агрессивность окружающей металл среды и замедлить скорость коррозии, применив ингибиторы.