Лабораторная работа №3

Тема: Защита металлов от коррозии.

Общие сведения

Защита металлов от коррозионного разрушения состоит из целого комплекса мероприятий по увеличению работоспособности и надежности машин и конструкций в данной среде. Часть этих мер закладывается еще в процессе проектирования, часть — в процессе изготовления машин или конструкций, а остальные меры должны быть приняты в процессе эксплуатации.

Создание рациональных конструкций. Выбор материалов и их сочетаний для данного изделия, конечно, диктуется технической и экономической целесообразностью, но должен обеспечивать его коррозионную устойчивость.

Защитные слои от высокотемпературной коррозии могут быть созданы из тугоплавких соединений, обладающих низкой диффузионной проницаемостью для агента коррозии (О, N, галогены). Для повышения коррозионной устойчивости металлов и сплавов их легируют поверхностно или объемно другими металлами.

Жаростойкое или объемное легирование осуществляют одновременно с получением того или иного конструкционного металла. Вводятся такие легирующие компоненты, которые увеличивают жаропрочность и, кроме того, обладают высокой диффузионной способностью в данном металле или сплаве и, выходя на поверхность, образуют устойчивые оксидные слои.

Так, например, хром и никель в нержавеющих сталях, диффундируя к поверхности, образуют оксидный слой, содержащий шпинель NiCr₂O₄ и частично шпинель FeCr₂O₄,. Оксидный слой такого состава оказывается более устойчивым, чем просто оксид Cr₂O₃, образующийся на поверхности чистого хрома. Поверхностное легирование представляет собой насыщение поверхности данного сплава металлом, обладающим прочным оксидным слоем, — аллитирование, хромирование, силицирование и т. д. Оно осуществляется диффузионным путем из газовой фазы, содержащей пары или летучие соединения легирующего компонента, или нанесением слоя этого металла вакуумным или плазменным напылением, или даже наплавкой, но обязательно с последующей термообработкой изделия. При нанесении на поверхность данного металла легирующего компонента возможно образование между ними интерметаллидов.

Защитные слои от низкотемпературной коррозии могут быть органические, неорганические или металлические.

Органические защитные слои. При консервации изделий применяется смазка неокисляющимися маслами (углеводороды, устойчивые к окислению). Масла наносятся при повышенной температуре (улучшение смачивания, понижение вязкости) и, застывая, образуют слой, защищающий металл от электролитной среды и воздуха. Особенно устойчива такая защита при добавлении в состав смазок ингибиторов. Неудобство консервирования смазкой состоит в необходимости удаления масла с поверхности металла при последующих операциях (обезжиривание).

Лакирование — нанесение высокомолекулярных соединений, растворенных в летучем растворителе, на поверхность металла. После испарения растворителя на металле остается полимерный слой, не пропускающий окислитель и обладающий электроизоляционными свойствами. Лаки изготовляются из естественных смол (шеллак) или из синтетических полимеров (фенолальдегидные, глифталевые, силиконовые и др.). При испарении растворителя могут образоваться поры в лаковом покрытии, и поэтому чаще всего употребляются многослойные покрытия, вероятность образования сквозных пор в которых значительно меньше.

Окраска металлических поверхностей сопровождается образованием полимера непосредственно на поверхности металла в процессе нанесения краски и ее отвердевания. Масляная краска представляет собой смесь частично окисленного масла (олифа) и пигмента-красителя. При нанесении краски тонким слоем на зачищенную до блеска поверхность металла масло быстро окисляется кислородом воздуха и затвердевает, образуя на поверхности металла плотную пленку, которая и защищает металл от коррозии.

Нанесение полимеров на металл создает защитные слои с особыми свойствами (изолирующие, декоративные). Например, нанесение слоя резины на поверхность стали для изготовления различной химической аппаратуры. В настоящее время выпускается заводами готовая сталь с нанесенным полимерным слоем.

Неорганические защитные слои. Оксидирование металлов. Оно сводится к созданию на поверхности металла слоя оксида, через который диффузия кислорода была бы ничтожно малой.

Анодные покрытия. Если на металл нанести покрытие из другого, более электроотрицательного металла, то в случае возникновения условий для электрохимической коррозии разрушаться будет покрытие, т.к. оно будет выполнять роль анода. В этом случае покрытие называется анодным. Примером анодного покрытия может служить хром, нанесенный на железо.

Катодные покрытия. У катодного покрытия стандартный электродный потенциал более положителен, чем у защищаемого металла. Пока слой покрытия изолирует металл от окружающей среды, электрохимическая коррозия не протекает. При нарушении сплошности катодного покрытия оно перестает защищать металл от коррозии. Более того, оно даже интенсифицирует коррозию основного металла, т.к. в возникающей гальванопаре анодом служит основной металл, который будет разрушаться. В качестве примера можно привести оловянное покрытие на железе (луженое железо).

При сравнении свойств анодных и катодных покрытий можно сделать вывод, что наиболее эффективными являются анодные покрытия. Они защищают основной металл даже в случае нарушения целостности покрытия, тогда как катодные покрытия защищают металл лишь механически.

Цель работы: ознакомление с методами защиты металлов от коррозии при помощи металлических защитных покрытий.

Оборудование:

Пробирки.

Ход работы:

Опыт №1

В две пробирки налить по 3-5 мл. воды и в каждую добавить по 5капель концентрированного раствора красной кровяной соли K₃[Fe(CN)₆] и по 5 капель 2Н раствора H₂SO₄. В одну из пробирок поместить пластинку оцинкованного железа, в другую – такую же пластинку белой жести. Перед погружением пластинок в раствор при необходимости сделать на их поверхности несколько глубоких царапин.

Написать уравнения катодных и анодных процессов, объяснить изменение окраски металла на царапинах и поведении защитных покрытий в случае нарушения их сплошности.

Опыт №2

В две пробирки налейте по 1-2 мл 2Н серной кислоты и по 2-3 капли гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆]. В одну пробирку поместить стальную скрепку с зажатым в ней кусочком цинка, а в другую - скрепку с кусочком олова.

Написать уравнения катодных и анодных процессов, объяснить изменение окраски растворов

В первом случае мы имеем дело с гальваническим элементом железо - цинк :

Zn|H2SO4||H2SO4|Fe,

а во втором – железо – олово:

Fe|H2SO4||H2SO4|Sn,

Что является анодом, а что катодом в каждом из рассмотренных гальванических элементов?

Напишите схемы процессов, происходящих на катоде и аноде в кислой среде в этих гальванических элементах.

Напишите уравнения реакций получения окрашенных продуктов.

Какой из металлов разрушается, а какой защищен от разрушения в каждом рассмотренном гальваническом элементе?

По результатам опыта сделайте вывод: какой из металлов - олово или цинк - может быть использован в качестве протектора для защиты железа от коррозии.

Контрольные вопросы:

1. Укажите методы защиты стали от коррозии.

2. Приведите примеры анодных и катодных покрытий для железа.

3. Как повысить устойчивость стали в бетоне к агрессивной окружающей среде?

4. Какие методы защиты металлов от коррозии известны?

5. В чем заключается сущность гальванической (протекторной) защиты металлов от коррозии?