Статья: Коррозия металлов
Министерствообразования Российской Федерации
ТихоокеанскийГосударственный Экономический Университет
РЕФЕРАТ
Дисциплина: Химия
Тема: Коррозия металлов
Выполнил:
Студентка 69группы
Кривицкая Евгения
Находка
2010г.
Коррозиянеметаллических материалов
По мере ужесточенияусловий эксплуатации (повышение температуры, механических напряжений,агрессивности среды и др.) и неметаллические материалы подвержены действиюсреды. В связи с чем термин «коррозия» стал применяться и по отношению к этимматериалам, например «коррозия бетонов и железобетонов», «коррозия пластмасс ирезин». При этом имеется в виду их разрушение и потеря эксплуатационных свойствв результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающейсредой. Но следует учитывать, что механизмы и кинетика процессов для неметаллови металлов будут разными.
Коррозия металлов
Образованиегальванических пар с пользой применяют для создания батарей и аккумуляторов. Сдругой стороны, образование такой пары приводит к неблагоприятному процессу,жертвой которого становится целый ряд металлов, — коррозии. Под коррозиейпонимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушениеметаллического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется собразованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различныепродукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так иэлектрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую иэлектрохимическую коррозию металлов.
Химическая коррозия
Химическая коррозия —взаимодействие поверхности металла с (коррозионно-активной) средой, несопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. Вэтом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительногокомпонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образованиеокалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температурес кислородом:
4Fe + 3O2 →2Fe2O3
При электрохимическойкоррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонентакоррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят отэлектродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде).
Электрохимическаякоррозия
Разрушение металла подвоздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называютэлектрохимической коррозией. Не следует путать с электрохимической коррозиейкоррозию однородного материала, например, ржавление железа или т.п. Приэлектрохимической коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуетсяналичие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаютсяэлектроды — либо различные элементы структуры материала, либо два различныхсоприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительнымипотенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т.п.,электропроводность ее повышается, и скорость процесса увеличивается.
Коррозионный элемент
При соприкосновениидвух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами ипогружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с раствореннымуглекислым газом CO2, образуется гальванический элемент, такназываемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, какзамкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворениеметаллического материала с более низким окислительно-восстановительнымпотенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Этот видкоррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так,совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большимредокспотенциалом уже достаточно для возникновения коррозионного элемента.Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различнымипотенциалами, например, сварочные швы или заклёпки.
Если растворяющийсяэлектрод коррозионно-стоек, процесс коррозии замедляется. На этом основана,например, защита железных изделий от коррозии путём лужения или оцинковки — олово или цинк имеют более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такойпаре железо восстанавливается, а олово или цинк должны корродировать. Однако всвязи с образованием на поверхности олова или цинка окисной плёнки процесскоррозии сильно замедляется.
Водородная икислородная коррозия
Если происходитвосстановление ионов H3O+ или молекул воды H2O,говорят о водородной коррозии или коррозии с водородной деполяризацией.Восстановление ионов происходит по следующей схеме:
2H3O++ 2e− → 2H2O + H2
или
2H2O + 2e−→ 2OH− + H2
Если водород невыделяется, что часто происходит в нейтральной или сильно щелочной среде,происходит восстановление кислорода и здесь говорят о кислородной коррозии иликоррозии с кислородной деполяризацией:
O2 + 2H2O+ 4e− → 4OH−
Коррозионный элементможет образовываться не только при соприкосновении двух различных металлов.Коррозионный элемент образуется и в случае одного металла, если, например,структура поверхности неоднородна.
Борьба с коррозией
Коррозия приводитежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение этой проблемы является важной задачей.Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла кактакового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почемуежегодные потери от неё в промышленно развитых странах столь велики. Истинныеубытки от неё нельзя определить, оценив только прямые потери, к которымотносятся стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования,затраты на мероприятия по защите от коррозии. Ещё больший ущерб составляюткосвенные потери. Это простои оборудования при замене прокорродировавшихдеталей и узлов, утечка продуктов, нарушение технологических процессов.
Идеальная защита откоррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на20 % качеством используемых лакокрасочных материалов и способом их нанесения. [2].Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности переддальнейшей защитой субстрата является абразивоструйная очистка[3].
Обычно выделяют тринаправления методов защиты от коррозии:
1. Конструкционный
2. Активный
3. Пассивный
Для предотвращениякоррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали,кортеновские стали, цветные металлы.
В качестве защиты откоррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, котороепрепятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).
Кислородная коррозияоцинкованного железа
Кислородная коррозияжелеза, покрытого оловом
Красочное покрытие,полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступкислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другимиметаллами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищаетсталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательныйпотенциал и корродирует первым. Ионы Zn2+ токсичны. При изготовленииконсервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие отоцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно,начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другаявозможность защитить металл от коррозии — применение защитного электрода сбольшим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этогоспециально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роликатода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод,называют, соответственно, анодом протекторной защиты Этот метод применяют длязащиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенныхпод землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепятцинковые пластинки.
Если сравнитьпотенциалы цинка и магния с железом, они имеют более отрицательные потенциалы.Но тем не менее корродируют они медленнее вследствие образования на поверхностизащитной оксидной плёнки, которая защищает металл от дальнейшей коррозии.Образование такой плёнки называют пассивацией металла. У алюминия её усиливаютанодным окислением (анодирование). При добавлении небольшого количества хрома всталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющейстали — более 12 процентов.
Система холодногоцинкования
Система холодногоцинкования предназначена для усиления антикоррозионных свойств комплексногомногослойного покрытия. Система обеспечивает полную катодную (илигальваническую) защиту железных поверхностей от коррозии в различныхагрессивных средах
Система холоднойоцинковки бывает одно-, двух- или трехупаковочной и включает:
· связующее— известны составы на хлоркаучуковой, этилсиликатной, полистирольной,эпоксидной, уретановой, алкидной (модифицированной) основе;
· антикоррозионныйнаполнитель — цинковый порошок («цинковая пыль»), с содержанием более 95 %металлического цинка, имеющего размер частиц менее 10 мкм и минимальную степеньокисления.;
· отвердитель(в двух- и трех- упаковочных системах)
Одноупаковочные системыхолодного цинкования поставляютмся готовыми к применению и требуют лишьтщательного перемешивания состава перед нанесением. Двух- и трехупаковочныесистемы могут поставляться в нескольких упаковках и требуют дополнительных операцийпо приготовлению состава перед нанесением (смешивание связующего, наполнителя,отвердителя).
После приготовления(двух- и трёхупаковочные системы), нанесения состава на защищаемую поверхностьметалла кистью, валиком, методом пневматического или безвоздушногораспыления и высыхания на поверхности металла образуется цинкнаполненноепротивокоррозионное покрытие — полимерно-цинковая плёнка, сохраняющая всесвойства полимерного покрытия, которое использовалось в качестве связующего, иодновременно обладающая всеми защитными достоинствами обычного цинковогопокрытия.
Преимущества системыхолодной оцинковки по сравнению со способом горячей гальванизации:
1. Простотаи меньшая трудоёмкость технологии нанесения защитного цинкового покрытия. Длянанесения покрытия не требуется специальное оборудование.
2. Возможностьантикоррозионной защиты металлоконструкций любых размеров, как в заводских таки в полевых условиях.
3. Возможностьисправления непосредственно на месте абразивных повреждений покрытия идефектов, возникающих при сварке металлоконструкций.
4. Экологическичистый процесс нанесения покрытия: нет необходимости производить работы вгорячем цеху.
5. Созданиена поверхности железа гибкого слоя цинка (не образующего микротрещин приизгибании металлоизделия).
Система холодногоцинкования применяется во всех видах промышленности и в быту, где требуетсянадёжная и долговечная защита железных поверхностей от коррозии.
Помимо использования вкачестве грунтовочного слоя в комплексном многослойном покрытии системахолодной оцинковки может применяться как самостоятельное антикоррозийноепокрытие металлических поверхностей.
Газотермическоенапыление
Для борьбы с коррозиейиспользуют также методы газотермического напыления. С помощьюгазотермического напыления на поверхности металла создается слой из другогометалла/сплава, обладающий более высокой стойкостью к коррозии (изолирующий)или наоборот менее стойкий (протекторный). Такой слой позволяет остановитькоррозию защищаемого металла.
Термодиффузионноецинковое покрытие
(ГОСТ 9.316-2006). Дляэксплуатации металлоизделий в агрессивных средах, необходима более стойкаяантикоррозионная защита поверхности металлоизделий. Термодиффузионноецинковое покрытие является анодным по отношению к черным металлам иэлектрохимически защищает сталь от коррозии. Оно обладает прочным сцеплением(адгезией) с основным металлом за счет взаимной диффузии железа и цинка вповерхностных интерметаллитных фазах, поэтому не происходит отслаивания искалывания покрытий при ударах, механических нагрузках и деформацияхобработанных изделий.
Диффузионноецинкование, осуществляемое из паровой или газовой фазы при высоких температурах(375—850 °C), или с использованием разряжения (вакуума) — при температуре от250 °C, применяется для покрытия крепёжных изделий, труб, деталей арматуры и др.конструкций. Значительно повышает стойкость стальных, чугунных изделий всредах, содержащих сероводород (в т.ч. против сероводородного коррозионногорастрескивания), промышленной атмосфере, морской воде и др. Толщинадиффузионного слоя зависит от температуры, времени, способа цинкования и можетсоставлять 0,01—1,5 мм. Современный процесс диффузионного цинкования позволяетобразовывать покрытие на резьбовых поверхностях крепёжных изделий, беззатруднения их последующего свинчивания. Микротвёрдость слоя покрытия Hμ =4000 – 5000 МПа. Диффузионное цинковое покрытие также значительно повышаетжаростойкость стальных и чугунных изделий, при температуре до 700 °C. Возможнополучение легированных диффузионных цинковых покрытий, применяемое дляповышения их служебных характеристик.
Цинкование
Цинкование — это тонанесение цинка или его сплава на металлическое изделие для придания егоповерхности определённых физико-химических свойств, в первую очередь высокогосопротивления коррозии. Цинкование — наиболее распространённый и экономичныйпроцесс металлизации, применяемый для защиты железа и его сплавов отатмосферной коррозии. На эти цели расходуется примерно 40 % мировой добычицинка. Толщина покрытия должна быть тем больше, чем агрессивнее окружающаясреда и чем длительнее предполагаемый срок эксплуатации. Цинкованиюподвергаются стальные листы, лента, проволока, крепёжные детали, деталимашин и приборов, трубопроводы и др. металлоконструкции. Декоративногоназначения цинковое покрытие обычно не имеет; некоторое улучшение товарный видприобретает после пассивирования оцинкованных изделий в хроматных, или фосфатныхрастворах, придающих покрытиям радужную окраску. Наиболее широко используетсяоцинкованная полоса, изготовляемая на автоматизированных линиях горячегоцинкования, то есть методом погружения в расплавленный цинк. Методыраспыления («холодное цинкование» [4]) и металлизацияпозволяют покрывать изделия любого размера (например, мачты электропередач,резервуары, мостовые металлоконструкции, дорожные ограждения).Электролитическое цинкование ведётся в основном из кислых и щёлочно-цианистыхэлектролитов; специальные добавки позволяют получать блестящие покрытия.
Экономический ущерб откоррозии
Экономические потери откоррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE [5]ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276млрд. долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкамспециалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странахсоставляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потериметалла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий,оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.[6]
Ржавчина является однойиз наиболее распространенных причин аварий мостов. Так как ржавчинаимеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание можетпривести к неравномерному прилеганию друг к друга конструкционных деталей. Этостало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году,когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. Три водителя погиблипри падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и небыли почищен, а сточные воды проникли в опоры моста.[7] 15декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Поинт Плезант, штатЗападная Виржиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. Вмомент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе смостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьезно пострадали. Помимочеловеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь междуЗападной Виржинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия. [8]