Теоретические основы Коррозии металлов

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….…….3

ГЛАВА 1. Характеристики и сущность коррозионных процессов………………………….…………………………………………..4

1.1 Классификация  коррозионных сред…………………………………4

1.2  Классификация коррозионных процессов………………………….7

ГЛАВА 2. КОРРОЗИЯ  МЕТАЛЛОВ С КИСЛОРОДНОЙ   ДЕПОЛЯРИЗАЦИЕЙ……………………………………………………………12  

2.1 Термодинамические  возможности кислородной деполяризации  ..13

2.2 Перенапряжение  ионизации кислорода……………………………16

ГЛАВА 3.МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ……………………………..17

3.1 Защитные  покрытия от коррозии металлов………………………. 17

3.2 Применение  противокоррозионных защитных покрытий………. 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………... 25

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

  Термин коррозия происходит от латинского слова corrodere, что означает разъедать, разрушать.

Коррозия – это самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.

Коррозия металлов – разрушение металлов вследствие физико-химического воздействия внешней среды, при котором металл  переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему свойства.

В тех случаях, когда окисление  металла необходимо для осуществления  какого-либо технологического процесса, термин “коррозия” употреблять не следует. Например, нельзя говорить о  коррозии  растворимого анода в  гальванической ванне, поскольку анод должен окислятся, посылая свои ионы в раствор, чтобы протекал нужный процесс. Нельзя также говорить о  коррозии алюминия при осуществлении  алюмотермического процесса. Но физико-химическая сущность изменений, происходящих с  металлом во всех подобных случаях, одинакова: металл окисляется.

Коррозия  металлов приводит к большим нарушениям в жизни общества.

Операционная надежность конструкций  находится под угрозой. Это относится, например, к подземным водопроводам, которые могут выходить из строя  из-за коррозии. Другими примерами  могут быть электронное оборудование, на важные контрольные функции которого может повлиять коррозия; морские  нефтяные платформы, работающие в чрезвычайно  коррозионно-опасных условиях; ядерные  электростанции, где коррозионные повреждения  могут привести к дорогостоящим  авариям, в некоторых случаях  абсолютно недопустимым с точки  зрения безопасности. Перерывы производства, вызываемые коррозией, приобретают  все более серьезное значение для общества, поскольку используются все более сложные конструкции. Теряются природные ресурсы. В конце  концов, коррозия приводит к потерям энергии, главным образом той, которая затрачивается в процессе производства металлов из руд. Однако могут теряться и металлы. Как правило, металлы не удается заново получить с приемлемым энергетическим выходом из коррозионных продуктов, которые разносятся водой и ветром.

Цели: Дать понятие о коррозии металлов

Задачи: Изучить сущность химической и электрохимической коррозии

металлов

Глава 1. Характеристики и сущность коррозионных процессов

 

1.1 Классификация коррозионных  сред

 

Среда, в  которой     металл     подвергается    коррозии   (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой. По степени воздействия на металлы коррозионные среды целесообразно разделить на:

• неагрессивные;
• слабоагрессивные;
• среднеагрессивные;
• сильноагрессивные.

Для определения  степени агрессивности среды  при атмосферной коррозии необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений. Степень агрессивности  среды по отношению к конструкциям внутри отапливаемых и неотапливаемых зданий, зданий без стен и постоянно  аэрируемых зданий определяется возможностью конденсации влаги, а также температурно-влажностным  режимом и концентрацией газов  и пыли внутри здания. Степень агрессивности  среды по отношению к конструкциям на открытом воздухе, не защищенным от непосредственного попадания атмосферных  осадков, определяется климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе. С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям. С учетом влияния метеорологических факторов и агрессивности газов разработана классификация степени агрессивности сред по отношению к строительным металлическим конструкциям, которые представлены в таблице:

                           

Относительная влажность внутри помещений и	Степень агрессивности среды в  зависимости от условий эксплуатации конструкций
характеристика		внутри зданиий
климатической зоны	на открытом воздухе	в условиях периодической конденсации  влаги	без конденсации влаги
60 % сухая	слабая слабая средняя сильная	неагрессивная слабая средняя средняя	неагрессивная неагрессивная слабая средняя
61-75 % нормальная	слабая средняя средняя сильная	слабая средняя средняя сильная	неагрессивная слабая средняя средняя
более 75 % влажная	средняя средняя сильная сильная	слабая средняя сильная сильная	слабая средняя средняя средняя

 

Таким образом, защита металлических конструкций  от коррозии определяется агрессивностью условий их эксплуатации. Наиболее надежными защитными системами  металлических конструкций являются алюминиевые и цинковые покрытия.

Скорость коррозии

Скорость коррозии металлов и металлических  покрытий в атмосферных условиях определяется комплексным воздействием ряда факторов: наличием на поверхности  фазовых и адсорбционных пленок влаги, загрязненностью воздуха  коррозионно-агрессивными веществами, изменением температуры воздуха  и металла, образованием продуктов  коррозии и так далее.

Оценка и  расчет скорости коррозии должны основываться на учете продолжительности и  материальном коррозионном эффекте  действия на металл наиболее агрессивных  факторов. 

В зависимости  от факторов, влияющих на скорость коррозии, целесообразно следующее подразделение  условий эксплуатации металлов, подвергаемых атмосферной коррозии:

1. Закрытые помещения с внутренними источниками тепла и влаги (отапливаемые помещения);
2. Закрытые помещения без внутренних источников тепла и влаги (неотапливаемые помещения);
3. Открытая атмосфера.

 

 

 

 

 

 

 

1.2  Классификация коррозионных процессов

Химическая коррозия

 

Взаимодействие  металлической поверхности с  окружающей средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз. Она  основана на реакции между  металлом и агрессивным реагентом. Этот вид  коррозии протекает в основном равномерно по всей поверхности металла. В связи  с этим химическая коррозия менее  опасна, чем электрохимическая.

Примером химической коррозии служат ржавление железа и покрытие патиной  бронзы. В промышленном производстве металлы нередко нагреваются  до высоких температур. В таких  условиях химическая коррозия ускоряется. Многие знают, что на прокатке раскаленных  кусков металла образуется окалина. Это типичный продукт химической коррозии.

Установлено, что коррозии железа способствует наличие  в нём серы. Античные предметы, изготовленные  из железа, устойчивы к коррозии именно благодаря низкому содержанию в этом железе серы. Сера в железе обычно содержится в виде сульфидов  FeS и других. В процессе коррозии сульфиды разлагаются с выделением сероводорода H₂S, который является катализатором коррозии железа.

Механизм  химической коррозии сводится к реактивной диффузии атомов или ионов металла  сквозь постепенно утолщающуюся пленку продуктов коррозии (например, окалины) и встречной диффузии атомов или  ионов кислорода. По современным  воззрениям этот процесс имеет ионно-электронный  механизм, аналогичный процессам  электропроводности в ионных кристаллах.

Особенно  разнообразные процессы химической коррозии встречаются в различных  производствах. В атмосфере водорода, метана и других углеводородов, оксида углерода (II), сероводорода, хлора, в среде кислот, а также в расплавах солей и других веществ протекают специфические реакции с вовлечением материала аппаратов и агрегатов, в которых осуществляется химический процесс. Задача специалистов при конструировании реактора – подобрать металл или сплав, который был бы наиболее устойчив к компонентам химического процесса.

Практически наиболее важным видом химической коррозии является взаимодействие металла при  высоких температурах с кислородом и другими газообразными активными  средами (HS, SO , галогены, водяные пары, CO). Подобные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят также название газовой коррозии.  Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники, арматура печей). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность. Стойкость против газовой коррозии повышается при введении в состав сплава различных добавок (хрома, алюминия, кремния). Добавки алюминия, бериллия и магния к меди повышают ее сопротивление газовой коррозии в окислительных средах. Для защиты железных и стальных изделий от газовой коррозии поверхность изделия покрывают алюминием (алитирование).

 

Электрохимическая коррозия

 

Подразумевают процесс взаимодействия металлов с электролитами в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например, с некоторыми органическими электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных температурах.

Рассмотрим  схему этого процесса. Сложность  его заключается в том, что  на одной и той же поверхности  происходят одновременно два процесса, противоположные по своему химическому смыслу: окисление металла и восстановление окислителя. Оба процесса должны протекать сопряженно, чтобы сохранялось равенство числа электронов, отдаваемых металлом и присоединяющихся к окислителю в единицу времени. Только в этом случае может наступить стационарное состояние. По такому принципу протекают,  например,  взаимодействие   металла с кислотами:

Zn + 2HCl         Zn +

Эта суммарная  реакция состоит из двух актов:

 Zn         Zn + 2e

2+ 2e         H

Электрохимическая коррозия часто связана с наличием в металле случайных примесей или специально введенных легирующих добавок.

Многие  химики в своё время были озадачены  тем, что иногда реакция

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂

не протекает. Было выяснено, что в такой ситуации в раствор нужно добавить немного  сульфата меди (II) (медного купороса). В этом случае на поверхности цинка выделится медь

        CaSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu

и водород начнёт бурно выделяться. При объяснении данного явления  в 1830 году швейцарским химиком А. де-ля Ривом была создана первая электрохимическая теория коррозии.

          В 1800 году, вскоре после открытия итальянцем Л. Гальвани электрохимического явления, его соотечественник А. Вольта сконструировал источник электрического тока – гальванический элемент, что открыло человечеству эру электричества. В одном из вариантов источник состоял из чередующихся медных и цинковых дисков, разделенных пористым материалом и пропитанных раствором соли. В зависимости от числа дисков получается ток различной силы. При осаждении на поверхности цинка металлической меди получается короткозамкнутый элемент. В нём цинк является анодом, а медь – катодом. Поскольку медь находится в контакте с цинком и оба эти металла окружены раствором электролита, гальванический элемент является “включенным”. Цинк в виде иона Zn²⁺ переходит в раствор серной кислоты, а оставшиеся от каждого атома два электрона перетекают на более электроположительный металл – медь:

Zn = Zn²⁺ + 2e^–

К медному аноду подходят ионы водорода, принимают электроны и превращаются в атомы водорода, а затем и  в молекулы водорода:

H⁺ + e (Cu) = H

2H = H₂

Таким образом, потоки движения ионов разделены  и при избытке кислоты процесс  протекает до тех пор, пока не растворится  весь цинк.

Итак, процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики, когда общая реакция взаимодействия может быть разделена на следующие, в значительной степени самостоятельные, электродные процессы:

• анодный процесс - переход металла в раствор в виде ионов (в водных растворах, обычно гидратированных) с оставлением эквивалентного количества электронов в металле;
• катодный процесс - ассимиляция появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами. 

Различают коррозию с водородной, кислородной  или окислительной деполяризацией. При наличии в растворе газообразного  кислорода и невозможностью протекания процесса коррозии с водородной деполяризацией основную роль деполяризатора исполняет  кислород. Коррозионные процессы, у  которых катодная деполяризация  осуществляется растворенным в электролите  кислородом, называют процессами коррозии металлов с кислородной деполяризацией.  Это наиболее распространенный тип коррозии металла в   воде, в нейтральных и даже в слабокислых солевых растворах, в морской воде, в земле, в атмосфере воздуха.