3.2. Коррозия металлов и методы защиты от коррозии

Коррозией называется процесс самопроизвольного разрушения металлов под воздействием внешней среды. Все случаи коррозии принято делать на два вида: химическую и электрохимическую. -

Химическая коррозия - это окисление металлов, не сопровож­дающееся возникновением электрического тока. Примером хими­ческой коррозии является образование окалины на железе при вы­сокой температуре без участия электролитов,

Электрохимическая коррозия - разрушение металла, обуслов­ленное его окислением в среде электролита и сопровождающееся возникновением электрического тока в результате образования гальванического элемента, который в этом случае называют корро­зионным гальваническим элементом. Работа коррозионного галь­ванического элемента обусловлена разностью потенциалов актив- кого (анодного) участка и пассивного (катодного) участка. На анодных участках коррозионного гальванического элемента проис-ходит окисление (растворение) основного металла

Анод: Me - Ze = Me^z+ .

На катодных участках, в зависимости от состава-среды, может протекать восстановление кислорода, воды или ионов водорода, которые всегда содержатся в воде и растворах, соприкасающихся с воздухом.

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с кисло­родной деполяризацией. Она описывается уравнениями:

Анодный процесс: Me - Ze = Me^z+

Катодный процесс:

а) в кислой среде (рН < 7)

О₂ + 4Н⁺ + 4ё=2Н₂O;

б) в нейтральной и щелочной среде (рН > 7)

О₂ + 2Н₂О + 4= 4OH^¯

23

Коррозия, сопровождающаяся выделением водорода на катоде, называется коррозией с водородной деполяризацией и описывается уравнениями:

Анодный процесс: Me - Z e = Me^z+

Катодный процесс:

а) в кислой среде (рН < 7)

2Н⁺ + 2e = Н₂↑;

б) в нейтральной и щелочной среде (рН ≥ 7)

2H₂O + 2e = H₂↑ + 2OH^¯.

Таким образом, электрохимическая коррозия возможна при условии, когда электроны с анодных участков постоянно отводятся на катодные, а затем удаляются с них окислителем. Коррозионный гальванический элемент изображают следующим образом:

(A) M_i| Н₂О/Окислитель(О₂ или Н⁺)| М_{II (примеси}) (К).

Выделяемая иногда в отдельный вид грунтовая (почвенная) коррозия может быть сведена к одному из вышеперечисленных случаев.

Пример 1. Хром находится в контакте с медью. Какой из ме­таллов будет окисляться при коррозии, если эта пара металлов на­ходится в кислой среде (НСl). Составьте схему образующегося при этом гальванического элемента. Какой процесс будет протекать на катоде?

Решение. Исходя из положения металлов в ряду напряжений, находим, что хром более активный металл: (φ⁰_Cr²⁺/_Cr = -0,74 В,

φ⁰_Cu²⁺/_Cu = +0,34 В). В образующемся гальваническом элементе он будет выполнять роль анода, а медь - катода:

(А)Сr|Н₂О/НС1|Сu(К).

Хромовый анод растворяется, а на медном катоде выделяется во­дород:

Анод:Сr-3е =Сr³⁺ Катод: 2Н₂+ 2е =Н₂↑

. Пример 2. Какие процессы протекают при коррозии техниче­ского железа в атмосферных условиях?

Решение. Техническое железо содержит примеси углерода и некоторых металлов, которые, как правило, менее активны, чем

24

железо, и выполняют роль катода в образующемся гальваническом элементе, основная масса железа является анодом.

Адсорбированная на поверхности железа вода, с растворенны­ми в ней кислородом и другими газами, образует пленку электро­лита. Схема, образующегося гальванического элемента имеет вид:

(A)Fe|H₂O/O₂|Me(K).

При работе гальванического элемента протекают процессы:

Анод:Fе-2е =Fe²⁺

Катод: 2Н₂О + О₂ + 4 e - 4ОH¯

Вторичные процессы: Fe²⁺ +2ОH¯ = Fe(OH)₂,

4Fe(OH)₂ + О₂ + Н₂О = 4Fe(OH)₃.

На скорость коррозии влияют как внутренние факторы (нали­чие дефектов кристаллической решетки металла, механические на­пряжения и др.), так и внешние: температура, природа и состав электролита.

С повышением температуры скорость коррозии, как и боль­шинства химических реакций, возрастает. Усиливают коррозию содержащаяся в атмосфере промышленных городов пыль, SO₂, СO₂ и другие газы. Поэтому в городах коррозия протекает в 5-10 раз быстрее, чем в сельской местности. Ионы Сl¯, присутствующие в морской воде, являются катализаторами коррозии железа и его сплавов, так как адсорбируясь на поверхности металла, разрушают или препятствуют образованию на нем защитных слоев. Кроме то­го, скорость коррозии двух контактирующих металлов будет тем больше, чем больше разность потенциалов этих металлов.

Полностью предотвратить процессы коррозии металлов прак­тически не удается, однако существуют способы защиты металлов от коррозии.

1. Изменение коррозионной среды - этот метод пригоден для тех случаев, когда защищаемые изделия эксплуатируются в не­ большом объеме. Суть метода состоит в удалении из электролита растворенного кислорода или добавлении к этому раствору ве-­ ществ, замедляющих коррозию - ингибиторов.

2. Легирование металлов. Это введение в состав сплавов ком­понентов, повышающих химическую стойкость. Наибольшее при-

25

менение находят нержавеющие стали, в состав которых входит хром (до 15 %) и никель (до 10 %). Кроме того, в качестве леги­рующих компонентов используют марганец, кремний, вольфрам, молибден, титан и другие металлы.

3. Неметаллические покрытия. Механически защищают ме­таллы от коррозии, изолируя их от влияния внешней среды. Неме­таллические покрытия делятся на неорганические и органические. Из неорганических покрытий наиболее распространены оксидные и фосфатные пленки. Так, при кипячении железа в растворе солей фосфорной кислоты (обычно солей Fe и Мn) получают фосфатные пленки, хорошо защищающие от коррозии в атмосфере. Среди ор­ганических, покрытий наиболее распространенными являются мас­ляные краски, лаки, полимерные пленки. Лакокрасочные покрытия - самый дешевый метод защиты от коррозии.

4. Металлические покрытия. По характеру защитного дейст­вия различают анодные и катодные покрытия. Анодным является покрытие металлом, электродный потенциал которого меньше, чем у защищаемого металла. Покрытие из металла менее активного (с большим электродным потенциалом), чем защищаемый металл, на­зывается катодным. Если покрытие не нарушено и полностью изо­лирует основной металл от воздействия окружающей среды, прин­ципиального различия между анодными и катодными покрытиями нет. При нарушении слоя защищающего металла возникают корро­зионные гальванические элементы, в которых защищаемый металл может играть роль или инертного катода, или активного анода. Так, при нарушении в атмосферных условиях алюминиевого покрытия на медном изделии (φ⁰_Al³⁺/_Al= -1,67 В, φ⁰_Cu²⁺/_Cu = +0,34 В) возникает гальванический элемент

(А)А1|Н₂О/О₂|Cu(К).

В этом элементе, покрывающий металл Аl является анодом, он разрушается (окисляется) и, растворяясь, защищает основной ме­талл, несмотря на нарушение целостности покрывающего слоя:

Анод: Аl - 3 е = Аl³⁺

Катод: 2Н₂О + О₂ + 4 е = 4ОН¯

26

Катодное же покрытие (например, свинцовое покрытие желе за) в аналогичном случае перестает защищать основной металл и создавая с ним гальванический элемент, усиливает своим присут- ствием его коррозию:

(А)Fе|Н₂О/О₂|Рb(К)

Анод: Fe - 2 e = Fe²⁺

Катод: Н₂О + О₂ + 4 е = 4ОН¯

5. Электрохимическая защита:

а) катодная защита. Защищаемую конструкцию присоединя­ют к катоду внешнего источника тока, в результате она становится катодом, не окисляется, на ней идет восстановление компонентов среды. В качестве анода применяют любой металлический лом, ко­торый присоединяют к аноду внешнего источника тока. Таким спо­собом защищают, например, подземные трубопроводы;

б) протекторная защита. Защищаемый металл соединяют с более активным металлом, имеющим меньший электродный по­тенциал. Последний служит анодом, растворяется и защищает ос­новной металл. Так цинк является протектором для стального кор­пуса судна:

(А) Zn | Н₂О/ О₂| Fe (К)

Анод:Zn-2е =Zn²⁺

Катод: Н₂О + О₂ + 4e =4ОН¯

Для более активной защиты металлических конструкций можно совмещать несколько способов защиты от коррозии, например, по­крытие и катодную электрозащиту.