Виды коррозии металлов и способы предотвращения ее появления

Коррозия металлов и способы её предотвращения

3.10.1 Виды коррозии. Коррозия — разрушение металлов и сплавов вследствие хи­мического или электрохимического воздействия внешней среды. Участки металла, подвергшиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои механические свойства.

Вследствие коррозии теряется большое количество сплавов на основе железа. Каждая пятая тонна из выплавленных черных металлов расходуется на восполнение потерь от коррозии.

Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия возникает в результате воздействия на металл сухих газов при повышенной температуре (газовая коррозия) и агрессивных жидкостей неэлектролитов (топливо, масло). При химической коррозии происходит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем, находящимся в окружающей среде. Примером химической коррозии может служить окисление клапанов двигателя внутреннего сгорания, топливных баков, трубопроводов и деталей системы питания автомобильных двигателей.

В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется пленка оксида. У алюминия, хрома, никеля, свинца, оло­ва эта пленка очень прочна и предохраняет металл от дальнейшей коррозии. Такие металлы называют пассивирующимися. Пленка оксида железа непрочна и не препятствует развитию коррозии вглубь. Образование окалины на деталях выпускной системы автомобиля наглядно демонстрирует распространение химической коррозии в глубь изделий. В неэлектролитах коррозия происходит вследствие наличия в них агрессивных соединений, разрушающих металл.

Электрохимическая коррозия является результатом воздействия таких электролитов, как водные растворы кислот, щелочей, различных солей, проводящих электрический ток. Электролитической коррозией является также атмосферная коррозия, при которой влага из воздуха, содержащая оксиды азота, серы и другие примеси, конденсируется на поверхности металла. Пыль и другие загрязнения на поверхности металла усиливают адсорбцию влаги и газов, образуется влажная пленка, являющаяся электролитом.

При наличии электролита на поверхности металлы и сплавы, обладающие разными потенциалами, образуют гальванические пары. Поскольку металлы и сплавы практически всегда физически и химически неоднородны (разные структурные и химические составляющие сплава, оксидные пленки), то при наличии на их поверхности электролита образуется множество микроскопических гальванических пар. При этом металл с более высоким потенциалом становится катодом, а с менее высоким — анодом. Это приводит к тому, что участки металла, представляющие

аноды гальванических пар, начинают разрушаться, их атомы переходят в электролит

в форме ионов, оставляя эквивалентное число электронов в аноде. Чем выше разность потенциалов металлов, образующих гальванические пары, степень неоднородности структур, температура и внутренние напряжения, тем интенсивнее коррозия. В гальванической паре разрушается тот металл, который выделяет большее число положительно зараженных ионов, и, следовательно, сам получает высокий отрицательный заряд.

Если металлы расположить в ряд: магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, кадмий, кобальт, никель, олово, свинец, сурьма, висмут, медь, ртуть, серебро, золото, то каждый металл в паре с другим в электролитах образует гальванический элемент с разрушением металла, расположенного слева. Так, в паре железо-цинк будет разрушаться цинк, а в паре железо-никель разрушается железо. Разрушение будет происходить тем сильнее, чем дальше эти металлы находятся друг от друга в представленном ряду.

Чистые металлы коррозируют в меньшей степени, чем сплавы; однофазные сплавы сопротивляются коррозии сильнее, а многофазные слабее. Меньше коррозируют металлы, имеющие чистую поверхность изделий. Снижает интенсивность коррозии отсутствие внутренних напряжений. Повышение температуры ускоряет коррозию в 1,5—2 раза на каждые 10 °С.

3.10.2 В зависимости от характера разрушения коррозия может быть сплошной, местной, межкристаллитной (по границам зерен). При этом сплошная коррозия может быть равномерной и неравномерной, а местная — пятнами, язвенной, точечной, сквозной, ножевой, трещинами (рисунок 3.5).

Сплошная и местная коррозия может быть подповерхностной и послойной. Оба вида обусловливаются химическим взаимодействием, а межкристаллитная коррозия имеет электрохимическую природу. Она наиболее опасна, так как сопровождается заметным снижением прочности сплава, а обнаружить ее по внешним признакам очень трудно.

Многие детали автомобилей подвергаются коррозионному изнашиванию, которое возникает под действием знакопеременной нагрузки и коррозионного воздействия окружающей среды.

3.10.3 Способы защиты металлических деталей от коррозии можно разделить на следующие группы:

· нанесение неметаллических веществ или металлических покрытий;

· диффузионное насыщение поверхностного слоя;

· покрытие стойкими пленками оксидов или солей (химические покрытия);

· использование коррозионно-стойких сплавов;

· применение ингибиторов коррозии;

а – равномерное; б – неравномерное; в – избирательное; г – пятнами;

д – язвенное; е – точечное; ж – сквозное; з – ножевое; и– трещины;

к – межкристаллитное; л – подповерхностное; м– послойное

Рисунок 3.5 Виды коррозионных разрушений

Покрытие неметаллическими веществами — нанесение на поверхность металла красок, лаков, противокоррозионных паст, защитных смазок, пластмасс, резины или эбонита. Покрытие резиной и эбонитом называется гуммированием, применяют для защиты цистерн для перевозки кислот, щелочей, растворов солей.

Металлическое покрытие – нанесение металла на поверхность стального изделия горячим и гальваническим способами. При горячем способе нанесения покрытия (оцинкование, лужение оловом, свинцевание) изделие погружают в ванну с расплавленным металлом. На автомобилях используют оцинкованные кузовные и крепежные детали, покрытые оловом ленты для трубок радиатора, освинцованные наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки и т. Д

Лужение применяют при производстве белой жести и медной посуды;

оцинкование — для проволоки, кровельного железа, труб; свинцевание — для химической аппаратуры и труб. Гальванический способ был рассмотрен выше. Например, на автомобилях устанавливают хромированные декоративные детали (бамперы, ободки фар и др.).

Диффузионный способ состоит в насыщении поверхностных слоев стальной детали различными химическими элементами, вступающими с ним в химическое соединение. К нему относятся цементация, цианирование, алитирование.

Покрытие пленками окислов имеет две разновидности — оксидирование и фосфатирование. Оксидирование (воронение) применяют для защиты черных металлов путем создания на поверхности окисной пленки погружением деталей в кипящий водный раствор едкого натрия, селитры и перекиси марганца.

Полученная пленка стойкая в сухом воздухе, менее стойка во влажном, особенно в воде.

Фосфатирование позволяет получить на поверхности металла пленку нерастворимых фосфатов, изолирующих изделие от окружающей среды.

Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется введением в сталь легирующих добавок: хрома, никеля, алюминия, кремния, вольфрама и других химических элементов, повышаю­щих коррозионную стойкость и улучшающих другие свойства металла.

Ингибиторы коррозии — вещества, при добавлении которых в агрессивную среду происходит затормаживание коррозии. Этим методом можно защищать практически любые металлы и почти в любых средах, включая охлаждающие жидкости, масла, жидкое топливо.

Защищают металлы от коррозии и с помощью органосиликатов, которые в исходном состоянии представляют собой суспензии. Их наносят на поверхность кистью, валиком, пульверизато­ром и т. п. При нагревании они превращаются в керамику и приобретают повышенные защитные свойства, становясь термо- и даже жаростойкими. Их удобно использовать для выхлопных систем с наружной стороны деталей. Они затвердевают от собственной температуры детали. Они легко обрабатываются, что позволяет в случае необходимости оперативно восстанавливать по­врежденные участки.

Для получения органосиликатных покрытий используют кремнийорганические полимеры (лаки), пигменты, оксиды, слюду, тальк, асбест.

Протекторная защита заключается в создании гальванической пары из вышеприведенного ряда металлов с целью заведомого разрушения одного из них при гарантированном сохранении ответственной детали, выполненной из другого металла.

1. Что такое коррозия, её влияние на качество и срок службы деталей?

2. Какие виды коррозии вам известны, причины их возникновения?

3. Что такое ржавление, отчего оно происходит?

4. Какие материалы быстрее коррозируют: чистые металлы или сплавы, и от чего это зависит?

5. Назовите основные способы защиты металлов от коррозии.

Литература

1. Стуканов В.А. Материаловедение: учебное пособие – М.: ИД «ФОРУМ»; ИНФРА-М, 2008

2. Черепахин А.А. Материаловедение: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А.А. Черепахин. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008

3. Чумаченко Ю.Т., Чумаченко Г.В., Герасименко А.И. Материаловедение для автомехаников. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2002

4. Онищенко В.И. Технология металлов и конструкционные материалы. – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1991

5. Ржевская С.В. Материаловедение: практикум. – М.: Логос, 2004

6. Макиенко Н.И. Слесарное дело с основами материаловедения – учбн. Для подготовки рабочих на производстве.- М. «Высш. школа», 1987

7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для машинострои-тельных ВУЗов – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.:Машиностроение,1980

8. Затравкина С.А. Материаловедение, Курс лекций. Псковский индустриальный техникум. – Псков, 2005

Коррозия металлов и способы ее предотвращения 3.10.1. Виды коррозии

Коррозия — разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия внешней среды. Участки металла, подвергшиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои механические свойства.

Вследствие коррозии теряется большое количество сплавов на основе железа. Каждая пятая тонна из выплавленных черных металлов расходуется на восполнение потерь от коррозии.

Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия возникает в результате воздействия на металл сухих газов при повышенной температуре (газовая коррозия) и агрессивных жидкостей неэлектролитов (топливо, масло). При химической коррозии происходит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем, находящимся в окружающей среде. Примером химической коррозии может служить окисление клапанов двигателя внутреннего сгорания, топливных баков, трубопроводов и деталей системы питания автомобильных двигателей.

В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется пленка оксида. У алюминия, хрома, никеля, свинца, олова эта пленка очень прочна и предохраняет металл от дальнейшей коррозии. Такие металлы называют пассивирующимися. Пленка оксида железа непрочна и не препятствует развитию коррозии вглубь. Образование окалины на деталях выпускной системы автомобиля наглядно демонстрирует распространение химической коррозии в глубь изделий. В неэлектролитах коррозия происходит вследствие наличия в них агрессивных соединений, разрушающих металл.

Электрохимическая коррозия является результатом воздействия таких электролитов, как водные растворы кислот, щелочей, различных солей, проводящих электрический ток. Электролитической коррозией является также атмосферная коррозия, при которой влага из воздуха, содержащая оксиды азота, серы и другие примеси, конденсируется на поверхности металла. Пыль и другие загрязнения на поверхности металла усиливают адсорбцию влаги и газов, образуется влажная пленка, являющаяся электролитом.

При наличии электролита на поверхности металлы и сплавы, обладающие разными потенциалами, образуют гальванические пары. Поскольку металлы и сплавы практически всегда физически и химически неоднородны (разные структурные и химические составляющие сплава, оксидные пленки), то при наличии на их поверхности электролита образуется множество микроскопических гальванических пар. При этом металл с более высоким потенциалом становится катодом, а с менее высоким — анодом. Это приводит к тому, что участки металла, представляющие аноды гальванических пар, начинают разрушаться, их атомы переходят в электролит в форме ионов, оставляя эквивалентное число электронов в аноде. Чем выше разность потенциалов металлов, образующих гальванические пары, степень неоднородности структур, температура и внутренние напряжения, тем интенсивнее коррозия. В гальванической паре разрушается тот металл, который выделяет большее число положительно зараженных ионов, и, следовательно, сам получает высокий отрицательный заряд.

Читайте также:  Протекторная защита трубопроводов от коррозии (суть и методы)

Если металлы расположить в ряд: магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, кадмий, кобальт, никель, олово, свинец, сурьма, висмут, медь, ртуть, серебро, золото, то каждый металл в паре с другим в электролитах образует гальванический элемент с разрушением металла, расположенного слева. Так, в паре железо—цинк будет разрушаться цинк, а в паре железо-никель разрушается железо. Разрушение будет происходить тем сильнее, чем дальше эти металлы находятся друг от друга в представленном ряду.

Чистые металлы коррозируют в меньшей степени, чем сплавы; однофазные сплавы сопротивляются коррозии сильнее, а многофазные слабее. Меньше коррозируют металлы, имеющие чистую поверхность изделий. Снижает интенсивность коррозии отсутствие внутренних напряжений. Повышение температуры ускоряет коррозию в 1,5—2 раза на каждые 10 °С.

В зависимости от характера разрушения коррозия может быть сплошной, местной, межкристаллитной (по границам зерен). При этом сплошная коррозия может быть равномерной и неравномерной, а местная — пятнами, язвенной, точечной, сквозной, ножевой, трещинами (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Виды коррозионных разрушений: а — равномерное; б — неравномерное; в — избирательное; г — пятнами; д — язвенное; е — точечное; ж — сквозное; з — ножевое; и — трещины; к — межкристаллитное; л — подповерхностное;

Сплошная и местная коррозия может быть подповерхностной и послойной. Оба вида обусловливаются химическим взаимодействием, а межкристаллитная коррозия имеет электрохимическую природу. Она наиболее опасна, так как сопровождается заметным снижением прочности сплава, а обнаружить ее по внешним признакам очень трудно.

Многие детали автомобилей подвергаются коррозионному изнашиванию, которое возникает под действием знакопеременной нагрузки и коррозионного воздействия окружающей среды.

Химия. 11 класс

Конспект урока

Урок № 9. Коррозия металлов и её предупреждение

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению видов коррозии, особенностям химической и электрохимической коррозии, методам защиты металлических изделий от коррозионного разрушения.

Анодное покрытие – способ защиты металлического изделия от коррозии, когда защищаемый металл покрывается металлическим покрытием из более активного металла.

Газовая коррозия – разрушение металла в среде агрессивных газов (кислорода, оксида серы, хлороводорода) обычно при высоких температурах.

Гальванокоррозия – вид электрохимической коррозии, при которой два контактирующих металла в среде электролита образуют коррозионный гальванический элемент с возникновением электрического тока между металлами.

Жидкостная коррозия – разрушение металла в жидкостях, не проводящих электрический ток (органические растворители, нефтепродукты).

Ингибиторы – вещества, вводимые в коррозионную среду, в результате чего снижается её окисляющая способность.

Катодная защита – способ защиты металла от коррозии, когда защищаемое металлическое изделие подсоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока.

Катодное покрытие – способ защиты металла от коррозии, когда металлическое изделие покрывается тонким слоем из менее активного металла.

Коррозия – разрушение металла в результате окислительно-восстановительных реакций между металлом и окружающей средой

Осушение – удаление из окружающей среды влаги для предотвращения возникновения коррозии.

Протекторная защита – способ защиты металла от коррозии, когда к защищаемому металлическому изделию присоединяют кусок другого, более активного металла.

Химическая коррозия – разрушение металла в среде, не проводящей электрический ток.

Электрокоррозия – вид электрохимической коррозии, возникающей в среде электролита под действием внешнего электрического поля.

Электрохимическая коррозия – разрушение металла в среде электролита при контакте двух металлов с образованием коррозионного элемента и возникновением электрического тока.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Коррозия и её виды

Коррозия металлов – процесс разрушения металлического изделия в результате окислительно-восстановительной реакции металла с окружающей средой. В зависимости от механизма различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия происходит в среде, не проводящей электрический ток. К этому виду коррозии относится газовая коррозия, в результате которой металл разрушается под действием агрессивных газов: кислорода, оксида серы, хлороводорода. Газовая коррозия обычно происходит при высоких температурах. Другой вид химической коррозии – жидкостная коррозия, которая возникает в агрессивных жидкостях, не проводящих электрический ток, например, в органических растворителях или нефтепродуктах.

Электрохимическая коррозия происходит в среде электролитов, которые хорошо проводят электрический ток. Различают два вида электрохимической коррозии: гальванокоррозия и электрокоррозия. Гальванокоррозия возникает в месте контакта двух металлов, наличия в металле примесей, разной температуры на соседних участках металлов, разной концентрации электролитов в среде, контактирующей с металлом и в случае разной концентрации кислорода на соседних участках металла. Например, в чугуне примеси углерода и карбида железа играют роль катода, на котором происходит восстановление молекулярного кислорода в присутствии паров воды: 2Н2О + О2 + 4е → 4ОН-, а железо становится анодом и окисляется.

Fe 0 – 2e → Fe 2+ . В результате среда становится щелочной, образуется сначала «белая» ржавчина Fe(ОН)2: Fe 2+ + 2OH – → Fe(ОН)2↓, которая окисляется кислородом воздуха во влажной среде до трёхвалентного гидроксида железа.

4Fe(ОН)2↓ + 2Н2О + О2 → 4Fe(ОН)3↓, Fe(OH)3 + nH2O → Fe2O3·xH2O (ржавчина).

Если в атмосфере присутствует большое количество кислых газов (СО2, SO2, NO2), то при растворении их в воде образуются кислоты. В кислой среде коррозия идет ещё интенсивнее. В присутствии кислорода на катоде образуется вода, а в бескислородной среде выделяется водород.

На аноде: Fe0 – 2е → Fe2+;

На катоде: О2 + 4Н+ + 4е → 2Н2О

или в бескислородной среде: 2Н+ + 2е → Н20↑.

Ионы железа образуют соли с кислотными остатками образовавшихся при растворении газов кислот. В дальнейшем под действием кислорода воздуха, соли двухвалентного железа окисляются до солей трёхвалентного железа.

Электрокоррозия возникает под действием на металл электрического тока от внешнего источника постоянного тока. Часто она происходит под действием блуждающих токов от рельсов электротранспорта, от плохо изолированных опор линий электропередач. Участок, на который попадает ток от внешнего источника, заряжается отрицательно и становится катодом. На нём происходит восстановление элементов среды. А соседний участок становится анодом, на нём металл окисляется.

Факторы, увеличивающие скорость коррозии

Возникновение коррозионного гальванического элемента увеличивает скорость коррозии. При контакте двух металлов более активный металл отдает электроны менее активному. Возникает электрический ток. Активный металл растворяется и в результате реакции со средой, и за счет передачи электронов менее активному металлу. Принятые электроны менее активный металл отдает в окружающую среду, таким образом, окисление активного металла и восстановление компонентов окружающей среды происходит быстрее. Скорость коррозии зависит от количества кислорода, который контактирует с металлом. Железный гвоздь, погруженный в воду на половину своей длины, разрушается быстрее всего, так как доступу кислорода ничего не препятствует. Гвоздь, полностью погруженный в воду, разрушается медленнее, так как количество кислорода, участвующего в реакции, ограничивается скоростью растворения кислорода в воде. В пробирке, где сверху воды налили масло, коррозия идет медленнее всего, так как масло препятствует поступлению кислорода в воду.

Методы защиты металлов от коррозии

Одним из распространённых методов защиты металлов от коррозии является нанесение защитных покрытий. Покрытия бывают металлическими и неметаллическими. Если металлическое изделие покрыто слоем более активного металла, покрытие называют анодным. Если покрытие изготовлено из менее активного металла, оно называется катодным. Неметаллические покрытия – это различные эмали, лаки, краски, резиновые, битумные и полимерные покрытия. По отношению к железу анодными покрытиями будут цинковые, хромовые, алюминиевые покрытия. Эти покрытия защищают металл даже в случае появления царапин или трещин. Так как покрытие изготовлено из более активного металла, оно является анодом по отношению к защищаемому металлу и будет разрушаться. Защищаемое металлическое изделие разрушаться не будет. Катодные покрытия обычно делают из малоактивных металлов. Это никель, олово, свинец, медь, серебро, золото. Из-за низкой активности такие металлы слабо подвергаются воздействию коррозии, но в случае нарушения покрытия, возникнет коррозионный элемент, в котором анодом станет защищаемое металлическое изделие. Оно начнет разрушаться. Защитные оксидные покрытия на поверхности металла можно создать путем химической обработки концентрированной азотной кислотой (пассивация алюминия, хрома), концентрированным раствором щелочи и горячего масла (воронение), фосфорной кислотой и её кислыми солями (фосфатирование).

Эффективным, но дорогим методом защиты металлов от коррозии является введение в сплав антикоррозионных легирующих добавок: хрома, никеля, молибдена, титана. Для повышения стойкости к коррозии в кислой среде в сплав добавляют кремний.

К методам электрохимической защиты относятся протекторная и катодная защита. Протекторная защита предусматривает закрепление на защищаемом изделии пластин из активного металла: цинка, алюминия, магния. Попадая в агрессивную среду, протектор становится анодом, начинает разрушаться, а металлическое изделие, являясь катодом, не разрушается до полного разрушения протектора. Катодная защита производится путём подсоединения защищаемого металлического изделия к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного электрического тока. В результате защищаемый металл приобретает отрицательный заряд и становится катодом. В качестве анода используют вспомогательный кусок металла (железный лом, старый рельс), который заземляют.

Важным направлением предотвращения коррозии металлов является снижение агрессивности окружающей среды. Для этого проводят осушение почвы, воздуха. В жидкие среды добавляют ингибиторы – вещества, реагирующие с окислительными компонентами среды и снижающие скорость коррозии. Для борьбы с блуждающими токами проводят надёжную изоляцию токопроводящих конструкций, организацию бесстыкового пути.

Читайте также:  Как удалить ржавчину: самые эффективные средства (+30 фото)

Предотвращение потерь металла от коррозии позволит не только сберечь тонны металла, но и предотвратить аварии на производстве и транспорте, сберечь человеческие жизни.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчёт массы металла, предохраняемого от разрушения за счёт нанесения защитных покрытий

Условие задачи: В результате атмосферной коррозии толщина стального изделия уменьшается на 0,12 мм/год. Потерю какой массы стального изделия плотностью 7750 кг/м 3 и площадью 10 м 2 можно предотвратить путем нанесения лакокрасочного покрытия, которое сохраняет свои защитные свойства в течение 4 лет? Ответ запишите в виде целого числа в килограммах.

Шаг первый: необходимо перевести скорость коррозии из мм/год в м/год.

Для этого скорость коррозии умножим на 10 -3 :

0,12·10 -3 = 1,2·10 -4 (м/год).

Шаг второй: Найдём объём слоя металла, который может быть разрушен коррозией за 1 год. Для этого толщину слоя разрушенного в течение года металла умножим на площадь стального изделия:

1,2·10 -4 ·10 = 1,2·10 -3 (м 3 /год).

Шаг третий: Найдём массу вычисленного объёма металла.

Для этого объём металла умножим на его плотность:

1,2·10 -3 ·7750 = 9,3 (кг/год).

Шаг четвёртый: Найдём массу металла, которая могла бы разрушиться за 4 года. Для этого массу сохранённого за год металла умножим за 4 года:

9,3·4 = 37,2 (кг). Округляем до целого числа, получаем 37 (кг).

2. Расчёт массы металла, разрушенного в результате коррозии

Условие задачи: Через железную решётку, предохраняющую от попадания в канализацию крупного мусора, проходит 20 м 3 воды в сутки. Содержание кислорода в воде 1 % от объёма воды. Какая масса железа окислится за 6 месяцев использования решётки, если на окисление металла расходуется 60% содержащегося в воде кислорода? Ответ записать в килограммах в виде целого числа.

Шаг первый: найдём объём кислорода, который содержится в 20 м 3 воды.

Для этого разделим 20 м 3 на 100:

20 : 100 = 0,2 (м 3 /сутки) = 200 (л/сутки)

Шаг второй: Найдём объём кислорода, который проходит в воде через решётку в течение 6 месяцев.

Для этого объём кислорода, проходящий через решетку в сутки, умножим на 30 дней и на 6 месяцев:

200·30·6 = 36000 (л).

Шаг третий: Найдём объём кислорода, который расходуется на окисление железа. Для этого умножим найденный объём кислорода на 60 и разделим на 100:

(36000·60) : 100 = 21600 (л).

Шаг четвёртый: Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с кислородом в нейтральной среде:

Шаг пятый: Найдём массу железа, окисленного 21600 л кислорода.

Для этого составим пропорцию с учётом того, что масса 1 моль железа равна 56 г/моль, а 1 моль газа в нормальных условиях занимает 22,4 л.

2·56 г железа реагирует с 22,4 л кислорода;

х г железа реагирует с 21600 л кислорода.

х = (2·56·21600) : 22,4 = 108000 (г) = 108 кг.

Коррозия металлов и её виды

Химические и физико-химические реакции, возникающие в момент взаимодействия окружающей среды с металлами и сплавами, в большинстве случаев приводят к их самопроизвольному разрушению. Процесс саморазрушения имеет собственный термин – «коррозия». Результатом коррозии является существенное ухудшение свойств металла, вследствие чего изделия из него быстро выходят из строя. Каждый металл обладает свойствами, позволяющими ему сопротивляться разрушению. Коррозийная стойкость или, как ее еще называют, химическое сопротивление материала, является одним из главных критериев, по которым осуществляется отбор металлов и сплавов для изготовления тех или иных изделий.

В зависимости от интенсивности и длительности коррозийного процесса металл может быть подвергнут как частичному, так и полному разрушению. Взаимодействие коррозийной среды и металла приводят к образованию на поверхности металла таких явлений, как окалина, оксидная пленка и ржавчина. Данные явления отличаются друг от друга не только внешним видом, но еще и степенью адгезии с поверхностью металлов. Так, например, в процессе окисления такого металла, как алюминий, его поверхность покрывает пленка оксидов, отличающаяся высокой прочностью. Благодаря этой пленке разрушительные процессы купируются и не проникают вовнутрь. Если говорить о ржавчине, то результатом ее воздействия является образование рыхлого слоя. Процесс коррозии в данном случае очень быстро проникает во внутреннюю структуру металла, что способствует его скорейшему разрушению.

Показатели, по которым осуществляется классификация коррозийных процессов:

  • вид коррозийной среды;
  • условия и механизм протекания;
  • характер коррозийных разрушений;
  • вид дополнительных воздействий на металл.

По механизму коррозийного процесса различают как химическую, так и электрохимическую коррозию металлов и сплавов.

Химическая коррозия – это взаимодействие металлов с коррозийной средой, в процессе которого наблюдается единовременное осуществление окисления металла и восстановление окислительного компонента среды. Взаимодействующие между собой продукты не разделены пространственно.

Электрохимическая коррозия – это взаимодействие металлов с коррозийно-активной средой, представляющей собой раствор электролита. Процесс ионизации атомов металла, а также процесс восстановления окислительного компонента данной коррозийной среды протекают в разных актах. Электродный потенциал раствора электролита оказывает существенное влияние на скорость этих процессов.

В зависимости от типа агрессивной среды существует несколько видов коррозии

Атмосферная коррозия представляет собой саморазрушение металлов в воздушной атмосфере, либо в газовой атмосфере, отличающейся повышенной влажностью.

Газовая коррозия – это коррозия металлов, происходящая в газовой среде, содержание влаги в которой минимально. Отсутствие влаги в газовой среде не единственное условие, способствующее саморазрушению металла. Также коррозия возможна и при высоких температурах. Наиболее часто встречается данный вид коррозии в нефтехимической и химической промышленности.

Радиационная коррозия представляет собой саморазрушение металла под воздействием на него радиоактивного излучения разной степени интенсивности.

Подземная коррозия – это коррозия, происходящая в почвах и различных грунтах.

Контактная коррозия представляет вид коррозии, образованию которого способствует контакт нескольких металлов, отличающихся друг от друга стационарными потенциалами в конкретном электролите.

Биокоррозия – это коррозия металлов, происходящая под воздействием различных микроорганизмов и их жизнедеятельности.

Коррозия током (внешним и блуждающим) – еще один вид коррозии металлов. Если на металл воздействует ток от внешнего источника, то это коррозия внешним током. Если же воздействие осуществляется посредством блуждающего тока, то это коррозия блуждающего тока.

Коррозийная кавитация представляет собой процесс саморазрушения металлов, возникновению которого способствует как ударное, так и коррозионное воздействие внешней среды.

Коррозия под напряжением представляет собой коррозию металла, причиной появления которой является взаимодействие коррозийно-активной среды и напряжений механического типа. Данный вид коррозии представляет существенную опасность для конструкций из металла, которые подвергаются сильнейшим механическим нагрузкам.

Фреттинг-коррозия — вид коррозии металлов, к которой приводит совокупность вибрации и воздействие коррозийной среды. Чтобы минимизировать вероятность возникновения коррозии при трении и вибрации, необходимо внимательно подходить к выбору конструкционного материала. Также необходимо применять специальные покрытия и по возможности снизить коэффициент трения.

По характеру разрушений коррозия разделяется на сплошную и избирательную

Сплошная коррозия полностью покрывает поверхность металла. Если скорость разрушений на всей поверхности одинакова, то это равномерная коррозия. Если разрушение металла на различных его участках происходит с разной скоростью, то коррозия называется неравномерной.

Избирательная коррозия подразумевает разрушение одного из компонентов сплава или же одной структурной составляющей.

Местная коррозия, проявляющаяся в виде отдельно разбросанных по поверхности металла пятен, представляет собой углубления разной толщины. Разрушения могут представлять собой раковины или точки.

Подповерхностная коррозия образуется непосредственно на поверхности металла, после чего активно проникает вглубь. Данный вид коррозии сопровождается расслоением изделий из металла.

Межкристаллитная коррозия проявляется в разрушении металла по границам зерен. По внешнему виду металла ее достаточно сложно определить. Однако очень быстро меняются показатели прочности и пластичности металла. Изделия из него становятся хрупкими. Наиболее опасен этот вид коррозии для хромистых и хромоникелевых видов стали, а также для алюминиевых и никелевых сплавов.

Щелевая коррозия образуется на тех участках металлов и сплавов, которые находятся в резьбовых креплениях, различных зазорах и под всевозможными прокладками.

Виды коррозии металлов и способы предотвращения ее появления

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. Коррозия (от латинского « corrodere » разъедать) – самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов вследствие взаимодействия с окружающей средой.

2. Виды коррозии: химическая и электрохимическая

I . Химическая – коррозия, обусловленная взаимодействием металлов с веществами, содержащимися в окружающей среде, при этом происходит окислительно-восстановительное разрушение металла без возникновения электрического тока в системе.

К химической коррозии относятся:

газовая коррозия – коррозионное разрушение под воздействием газов при высоких температурах;

коррозия в жидкостях-неэлектролитах.

– химическая коррозия, обусловленная взаимодействием металлов с газами.

Основной окислитель – кислород воздуха.

Процессы химической коррозии железа:

2 Fe + O 2 = 2 FeO

3 Fe + 3 O 2 = FeO · Fe 2 O 3 (смешанный оксид железа ( II , III ) )

4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Fe ( OH )3 (на воздухе в присутствии влаги)

Fe ( OH )3 t ° C → H 2 O + FeOOH (ржавчина)

2 Fe + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3

Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах

Жидкости-неэлектролиты – это жидкие среды, которые не являются проводниками электричества. К ним относятся: органические (бензол, фенол, хлороформ, спирты, керосин, нефть, бензин); неорганического происхождения (жидкий бром, расплавленная сера и т.д.). Чистые неэлектролиты не реагируют с металлами, но с добавлением даже незначительного количества примесей процесс взаимодействия резко ускоряется. Например, если нефть будет содержать серу или серосодержащие соединения (сероводород, меркаптаны) процесс химической коррозии ускоряется. Если вдобавок увеличится температура, в жидкости окажется растворенный кислород – химическая коррозия усилится.

Присутствие в жидкостях-неэлектролитах влаги обеспечивает интенсивное протекание коррозии уже по электрохимическому механизму.

Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах подразделяется на несколько стадий:

– подход окислителя к поверхности металла;

– хемосорбция реагента на поверхности;

– реакция окислителя с металлом (образование оксидной пленки);

– десорбция оксидов с металлом (может отсутствовать);

– диффузия оксидов в неэлектролит (может отсутствовать).

Для защиты конструкций от химической коррозии в жидкостях-неэлектролитах на ее поверхность наносят покрытия, устойчивые в данной среде.

II . Электрохимическая – окислительно-восстановительное разрушение сплавов и металлов, содержащих примеси, с возникновением электрического тока в системе.

АНОД (более активный металл) – разрушается

КАТОД (менее активный металл или примесь неметалла, способного + ē) – восстанавливается среда

Читайте также:  Ингибитор коррозии: виды и сферы применения (+30 фото)

Ме 0 – n ē → Me n + (процесс окисления)

кислая среда: 2 H + + 2ē → H 2 (процесс восстановления)

влажный воздух: O 2 + 2 H 2 O + 4ē → 4 OH – (процесс восстановления)

Электрохимическая коррозия железной детали с примесями меди во влажном воздухе.

А: Fe 0 – 2ē → Fe 2+ (Окисление)

К: O 2 + 2 H 2 O + 4ē → 4 OH – (процесс восстановления)

Итог: 2 Fe + O 2 + 2 H 2 O = 2 Fe ( OH )2 (белая ржавчина)

4 Fe ( OH )2 + 2 H 2 O + O 2 = 4 Fe ( OH )3 (бурая ржавчина)

1). Металлические покрытия – анодное (покрытие более активным металлом Zn , Cr ) – оцинкованное железо; катодное (покрытие менее активным металлом Ni , Sn , Ag , Au ) – белая жесть (лужёное железо) – не защищает от разрушения в случае нарушения покрытия.

2). Неметаллические покрытия – органические (лаки, краски, пластмассы, резина – гумирование, битум);

3). Протекторная защита – присоединение пластины из более активного металла ( Al , Zn , Mg ) – защита морских судов.

4). Электрохимическая (катодная) защита – соединение защищаемого изделия с катодом внешнего источника тока, вследствие чего изделие становится катодом. Ток идёт в противоположном направлении.

5). Добавление ингибиторов ( в зависимости от природы металла – NaNO 2, Na 3 PO 4, хромат и бихромат калия, ВМС органические соединения), адсорбируются на поверхности металла и переводят его в пассивное состояние.

Задания и вопросы по теме: «Коррозия металлов и сплавов»

№1. При электрохимической коррозии на поверхности анода протекает процесс

А) Восстановления ионов водорода; Б) Окисления металла;

В) Восстановление молекул кислорода; Г) Окисления молекул водорода.

№2. Почему считают, что рядом со стальной коронкой (Fе) не рекомендуется ставить золотую (Аu)?

№3. Вот история, произошедшая с норвежским грузовым судном «Анатина». Трюмы теплохода, направлявшегося к берегам Японии, были заполнены медным концентратом. Корпус судна сделан был из стали. Внезапно судно дало течь. Объясните, что произошло.

№4. Какой из компонентов загрязненного городского воздуха является наиболее коррозионно-активным по отношению к металлам, особенно при повышенной влажности:
а) N2; б) СО; в) SO2.

№5. Рассмотрите рисунок, ответьте на вопросы:

Обратите внимание! В восстановлении кислорода участвуют ионы Н + . Если концентрация Н + понижается (при повышении рН), восстановление О2 затрудняется. Замечено, что железо, находящееся в контакте с раствором, рН которого выше 9–10, не корродирует.

С усилением коррозии в присутствии солей часто сталкиваются автомобилисты в тех местностях, где в зимнее время для борьбы с гололедицей дороги обильно посыпают солью. Влияние солей объясняется тем, что образуемые ионы создают электролит, необходимый для возникновения замкнутой электрической цепи.

  • Определить тип коррозии в каждом стакане.
  • В каких стаканах железный гвоздь прокорродировал сильнее, в каких меньше, а в каких коррозии не подвергся? Почему?
  • Объясните, что усиливает коррозию, а что ее замедляет?

№6. Рассмотрите процесс коррозии при соединении медной трубы с гальванизированной (оцинкованной) стальной трубой, если обе трубы находятся в земле.

№7. Почему цинк не используют при изготовлении консервных банок для покрытия им железа? Почему оцинкованное железо идёт на изготовления вёдер, баков?

№8. Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?

№9. При изготовлении луженого железа (белой жести) – железо покрывают оловом, какое это покрытие – А) Анодное; Б) Катодное? Запишите электродные процессы

№10. Знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели вот уже полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. Сделана она из железа, в котором почти нет примесей. Объясните, почему в данном случае статуя не подвергается коррозии

Коррозия металлов

Коррозия – разрушение поверхности сталей и сплавов под воздействием различных физико-химических факторов – наносит огромный ущерб деталям и металлоконструкциям. Ежегодно этот невидимый враг «съедает» около 13 млн. т металла. Для сравнения – металлургическая промышленность стран Евросоюза в прошлом, 2014 году произвела всего на 0,5 млн. тонн больше. И это только – прямые потери. А длительная эксплуатация стальных изделий без их эффективной защиты от коррозии вообще невозможна.

Что такое коррозия и её разновидности

Основной причиной интенсивного окисления поверхности металлов (что и является основной причиной коррозии) являются:

  1. Повышенная влажность окружающей среды.
  2. Наличие блуждающих токов.
  3. Неблагоприятный состав атмосферы.

Соответственно этому различают химическую, трибохимическую и электрохимическую природу коррозии. Именно они в совокупности своего влияния и разрушают основную массу металла.

Химическая коррозия

Такой вид коррозии обусловлен активным окислением поверхности металла во влажной среде. Безусловным лидером тут является сталь (исключая нержавеющую). Железо, являясь основным компонентом стали, при взаимодействии с кислородом образует три вида окислов: FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Основная неприятность заключается в том, что определённому диапазону внешних температур соответствует свой окисел, поэтому практическая защита стали от коррозии наблюдается только при температурах выше 10000С, когда толстая плёнка высокотемпературного оксида FeO сама начинает предохранять металл от последующего образования ржавчины. Это процесс называется воронением, и активно применяется в технике для защиты поверхности стальных изделий. Но это – частный случай, и таким способом активно защищать металл от коррозии в большинстве случаев невозможно.

Химическая коррозия активизируется при повышенных температурах. Склонность металлов к химическому окислению определяется значением их кислородного потенциала – способности к участию в окислительно-восстановительных реакциях. Сталь – ещё не самый худший вариант: интенсивнее её окисляются, в частности, свинец, кобальт, никель.

Электрохимическая коррозия

Эта разновидность коррозии более коварна: разрушение металла в данном случае происходит при совокупном влиянии воды и почвы на стальную поверхность (например, подземных трубопроводов). Влажный грунт, являясь слабощёлочной средой, способствует образованию и перемещению в почве блуждающих электрических токов. Они являются следствием ионизации частиц металла в кислородсодержащей среде, и инициирует перенос катионов металла с поверхности вовне. Борьба с такой коррозией усложняется труднодоступностью диагностирования состояния грунта в месте прокладки стальной коммуникации.

Электрохимическая коррозия возникает при окислении контактных устройств линий электропередач при увеличении зазоров между элементами электрической цепи. Помимо их разрушения, в данном случае резко увеличивается энергопотребление устройств.

Трибохимическая коррозия

Данному виду подвержены металлообрабатывающие инструменты, которые работают в режимах повышенных температур и давлений. Антикоррозионное покрытие резцов, пуансонов, фильер и пр. невозможно, поскольку от детали требуется высокая поверхностная твёрдость. Между тем, при скоростном резании, холодном прессовании и других энергоёмких процессах обработки металлов начинают происходить механохимические реакции, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры на контактной поверхности «инструмент-заготовка». Образующаяся при этом окись железа Fe2O3 отличается повышенной твёрдостью, и поэтому начинает интенсивно разрушать поверхность инструмента.

Методы борьбы с коррозией

Выбор подходящего способа защиты поверхности от образования ржавчины определяется условиями, в которых работает данная деталь или конструкция. Наиболее эффективны следующие методы:

  • Нанесение поверхностных атмосферостойких покрытий;
  • Поверхностная металлизация;
  • Легирование металла элементами, обладающими большей стойкостью к участию в окислительно-восстановительных реакциях;
  • Изменение химического состава окружающей среды.

Механические поверхностные покрытия

Поверхностная защита металла может быть выполнена его окрашиванием либо нанесением поверхностных плёнок, по своему составу нейтральных к воздействию кислорода. В быту, а также при обработке сравнительно больших площадей (главным образом, подземных трубопроводов) применяется окраска. Среди наиболее стойких красок – эмали и краски, содержащие алюминий. В первом случае эффект достигается перекрытием доступа кислороду к стальной поверхности, а во втором – нанесением алюминия на поверхность, который, являясь химически инертным металлом, предохраняет сталь от коррозионного разрушения.

Положительными особенностями данного способа защиты являются лёгкость его реализации и сравнительно небольшие финансовые затраты, поскольку процесс достаточно просто механизируется. Вместе с тем долговечность такого способа защиты невелика, поскольку, не обладая большой степенью сродства с основным металлом, такие покрытия через некоторое время начинают механически разрушаться.

Химические поверхностные покрытия

Коррозионная защита в данном случае происходит вследствие образования на поверхности обрабатываемого металла химической плёнки, состоящей из компонентов, стойких к воздействию кислорода, давлений, температур и влажности. Например, углеродистые стали обрабатывают фосфатированием. Процесс может выполняться как в холодном, так и в горячем состоянии, и заключается в формировании на поверхности металла слоя из фосфатных солей марганца и цинка. Аналогом фосфатированию выступает оксалатирование – процесс обработки металла солями щавелевой кислоты. Применением именно таких технологий повышают стойкость металлов от трибохимической коррозии.

Недостатком данных методов является трудоёмкость и сложность их применения, требующая наличия специального оборудования. Кроме того, конечная поверхность изменяет свой цвет, что не всегда приемлемо по эстетическим соображениям.

Легирование и металлизация

В отличие от предыдущих способов, здесь конечным результатом является образование слоя металла, химически инертного к воздействию кислорода. К числу таких металлов относятся те, которые на линии кислородной активности находятся возможно дальше от водорода. По мере возрастания эффективности этот ряд выглядит так: хром→медь→цинк→серебро→алюминий→платина. Различие в технологиях получения таких антикоррозионных слоёв состоит в способе их нанесения. При металлизации на поверхность направляется ионизированный дуговой поток мелкодисперсного напыляемого металла, а легирование реализуется в процессе выплавки металла, как следствие протекания металлургических реакций между основным металлом и вводимыми легирующими добавками.

Изменение состава окружающей среды

В некоторых случаях существенного снижения коррозии удаётся добиться изменением состава атмосферы, в которой работает защищаемая металлоконструкция. Это может быть вакуумирование (для сравнительно небольших объектов), или работа в среде инертных газов (аргон, неон, ксенон). Данный метод весьма эффективен, однако требует дополнительного оборудования – защитных камер, костюмов для обслуживающего персонала и т.д. Используется он главным образом, в научно-исследовательских лабораториях и опытных производствах, где специально поддерживается необходимый микроклимат.

Кто нам мешает, тот нам поможет

В завершение укажем и на довольно необычный способ коррозионной защиты: с помощью самих окислов железа, точнее, одного из них – закиси-окиси Fe3O4. Данное вещество образуется при температурах 250…5000С и по своим механическим свойствам представляет собой высоковязкую технологическую смазку. Присутствуя на поверхности заготовки, Fe3O4 перекрывает доступ кислороду воздуха при полугорячей деформации металлов и сплавов, и тем самым блокирует процесс зарождения трибохимической коррозии. Это явление используется при скоростной высадке труднодеформируемых металлов и сплавов. Эффективность данного способа обусловлена тем, что при каждом технологическом цикле контактные поверхности обновляются, а потому стабильность процесса регулируется автоматически.⁠

Добавить комментарий