Коррозия металлов

Цель работы: получить общие представления о коррозионных процессах и способах защиты от коррозии, практически ознакомится с коррозией металлов в электропроводящих средах.

Основные теоретические положения

Коррозия - это самопроизвольный процесс разрушения металлов в результате воздействия окружающей среды. При этом металл из сво­бодного состояния переходит в химически связанное (оксид, гидроксид, соль и др.). Причина коррозии: термодинамическая неустойчи­вость системы «металл –окружающая среда», так как изменение энергии Гиббса такой системы G < 0.

Коррозия наносит огромный ущерб промышленности и окружающей среде. Около 10 % выпускаемых ежегодно металлов безвозвратно теряется вследствие коррозии. Это приводит к рассеиванию металлов в природе, что препятствует их возврату в производственные циклы и усугубляет экологическую обстановку.

По характеру разрушения поверхности металла различают равно­мерную (общую) коррозию и местную коррозию. В первом случае вся поверхность металла подвергнута коррозии, во втором - поражены лишь отдельные участки поверхности. Наиболее опасна местная коррозия, т.к. она может создавать не только макроповреждения, но и микродефекты (неви­димые глазом).

Оценку скорости протекания коррозии W проводят двумя способами:

1) как отношение массы прокорродировавшего металла m к площади его поверхности S за определенный промежуток времени 

;

2) как отношение толщины потерянного вследствие коррозии металла  к заданному промежутку времени

.

Оба метода оценки скорости коррозии применяются в случае равномерной коррозии.

По механизму протекания коррозионные процессы делят на химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия наблюдается в средах, не проводящих электрический ток. В зависимости от условий различают газовую (иначе высокотемпературную) коррозию и коррозию в неэлектро­литах (обычно это агрессивные органические жидкости).

При протекании химической коррозии происходит самопроизвольное окисление металла путем непосредственного перехода электронов от металла на окисли­тель. В результате металл покрывается пленкой продуктов окисления (чаще всего это оксиды или гидроксиды)

nMe _тв + m/2O_{2, газ} = Me_nO_{m (тв)}  Me_nO_{m(раствор)}

Природа продуктов оказывает существенное влияние на скорость химической коррозии. При этом защитное действие пленки продукта тем выше, чем лучше ее сплошность и ниже диффузионная способность.

Сплошность пленки принято оценивать при помощи фактора Пиллинга-Бэдвордса , который определяют как отношение объема обра­зовавшегося продукта коррозии V_прод к объему израсходованного на этот процесс металла V_Ме

.

Металлы, у которых  < 1, не могут создать сплошные пленки, покрывающие всю его поверхность. Поэтому через несплошности в слое продукта окислитель свободно проникает к поверхности металла и коррозия продолжается. Если  лежит в пределах от 1,2 до 1,6 (по некоторым данным до 2,2), то образуются сплошные и устойчивые слои продукта, защищающие ме­талл от дальнейшей коррозии. При  > 1,6 (2,2) пленки легко отделяются от поверхности металла и, следовательно, не препятствуют его дальнейшему разрушению. Например,

а) окисление алюминия идет по реакции

2А1 + 3/2О₂ = А1₂О₃ .

Значение фактора Пиллинга-Бэдрордса равно 1,31. Это обозначает, что на металле образуется сплошная защитная пленка, то есть металл устойчив к коррозии;

б) окисление магния

2Mg + O₂ = 2MgO

Значение фактора Пиллинга-Бэдрордса равно 0,81. Это обозначает, что сплошная защитная пленка не образуется, из-за чего металл продолжает корродировать.

Электрохимическая коррозия наблюдается в электропроводящих средах: в растворах или расплавах электролитов, во влажных газах (например, на воздухе), в почвах и грунтах. В этом случае разрушение металла происходит под действием возникаю­щих на поверхности макро- или микрогальванических элементов. Поверхность металла, являясь анодом, окисляется, тогда как компоненты коррозионной среды (окислитель) вос­станавливаются

() Me  n  Meⁿ⁺

(+) Ох + m Red

Оба процесса протекают на различных участках поверхности изделия: окисление на анодных участках, а восстановление на катодных. Различная химическая активность по­верхности изделия может возникнуть:

– при контакте двух разных по природе материалов (сборные детали, эвтектические сплавы);

– при контакте металла и соединения с полупроводниковыми свойствами (неметаллические примеси и включения);

– при различных концентрациях электролита или окислителя в растворе.

При протекании электрохимической коррозии в качестве окислителей, как правило, выступают:

а) вода с растворенным в ней кислородом или влажный воздух. Процесс восстановления на катодных участках идет по схеме

О₂ + 2Н₂О + 4  4ОН^.

В этом случае говорят, что коррозия протекает с кислород­ной деполяризацией.

б) ионы Н ⁺ в кислой среде. Восстановление окислителя идет по схеме

2H⁺ + 2  H₂

Это коррозия с водородной деполяризацией.

Теоретическую возможность протекания электрохимической коррозии металлов с водородной или кислородной деполяризацией можно оценить с помощью формулы (2), из которой следует, что для самопроизвольного протекания овиклительно-восстановительного процесса должно выполняться неравенство

Е_{окислителя} > Е.

В зависимости от величины потенциала металла на практике возможны следующие случаи:

1) если Е > E, то электрохи­мическая коррозия невозможна. Металл устойчив к коррозии;

2) если Е <  Е< E, то возможно протекание коррозии с кислородной деполяризацией. Продуктом окисления металла в этом случае будет являться гидроксид металла Ме(ОН)_n, который при обез­воживании может перейти в оксид Me_xO_y;

3) если Е< Е, то в зависимости от рН среды может происходить коррозия и с кислородной, и с водородной деполяризацией. При коррозии с водородной деполяризацией наиболее вероятными продуктами являются Н₂ и соответствующая соль.

Коррозия – это, безусловно, нежелательное явления для всех областей деятельности человека. Поэтому в настоящее время разработано множество методов защиты материалов и оборудования от коррозии.

Уменьшение скорости коррозионных процессов в агрессивных средах возможно несколькими способами, например, путем изменения потенциала металла или сни­жения концентрации окислителя. Выбор того или иного способа защиты определяется его возможностью реализации, стоимостью и эффективностью воздействия.

Все методы защиты условно делятся на несколько групп. Наиболее важными из них являются:

1. Легирование: в металл вводят компоненты (металлы или не­металлы), вызывающие его пассивацию. Пассивация - это состояние повышенной коррозионной устойчивости, связанное с торможением скорости анодного процесса. Достигается за счет образования на поверхности металла защитных пленок.

2. Защитные покрытия: поверхность металла изолируется от агрессивной среды при помощи материалов, устойчивых к коррозии в данных условиях. Защитные покрытия могут быть как металличес­кими, так и неметаллическими (лаки, краски, пластмассы и пр.), при этом покрытие должно быть сплошным и плотно прилегающим к изделию.

Материалами для металлических покрытий могут служить как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, хром и др.), так и их сплавы (бронза, латунь и др.). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их делят на катодные и анодные. К катодным покрытиям относят покрытия, выполненные из металлов, имеющих большее значение потенциала, чем у основного (защищаемого) металла. При повреждении такого покрытия возникает макрогальванический элемент, в котором защищаемый металл становится анодом и растворяется, а металл покрытия – катодом, на котором восстанавливаются частицы окислителя. Таким образом, катодные покрытия являются защитными, только пока они не повреждены. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. В случае повреждения анодного покрытия его защитное действие не прекращается, так как в созданном гальваническом элементе основной металл – катод (то есть не окисляется), а металл покрытия – анод.

3. Протекторная защита: к защищаемому металлу присоединяют другой металл (протектор), имеющий более отрицательное значение потенциала. При этом возникает гальванический элемент, в котором протек­тор (анод) разрушается, а на катоде (защищаемый металл) происходит восстановление окислителя.

4. Обработка окружающей среды: в агрессивную среду вводят специальные вещества, замедляющие коррозию - ингибиторы. Дейст­вие ингибитора заключается в том, что он адсорбируется на поверх­ности материала и пассивирует его.

Кроме веществ, замедляющих коррозия, встречаются вещества, которые наоборот, ускоряют разрушение материалов. Их называют активаторами коррозии. Например, наиболее известным сильнодействующим активатором коррозии металлов является ион хлора. Из-за его присутсвия в морской воде металлы окисляются значительно быстрее, чем в пресной.