Корозія металів

Корозія металів

Під час експлуатації виробів з металів та їх сплавів дово-диться стикатися з явищем руйнування їх під дією навколишнього середовища. Руйнування металів і сплавів внаслідок взаємодії їх з навколишнім середовищем називається корозією.

Корозія металів завдає великої економічної шкоди, Внаслідок корозії виходять з ладу обладнання, машини, : механізми, руйнуються металеві конструкції. Особливо сильно піддається корозії обладнання, що контактує з агресивним середовищем, наприклад розчинами кислот, солей.

Корозійне руйнування може охоплювати всю поверхню ме-талу -- суцільна (загальна) " корозія або окремі ділянки -- місцева (локальна) корозія. Залежно від механізму процесу розрізняють хімічну й електрохімічну корозію.

Хімічна корозія -- це руйнування металу внаслідок окиснення його окисниками, що містяться в корозійному середовищі.

Хімічна корозія відбувається без виникнення електрич-ного струму в системі. Такий вид корозії виникає під час кон-такту металів з неелектролітами або в газовому середовищі за високих температур (газова корозія).

Газова корозія трапляється досить часто. З нею ми стикаємося при корозії металів у печах, вихлопних трубах тощо. Найбезпечнішими для метал«» компонентами газового середовища є кисень О₂, пара води H₂O, оксид карбону(ІV) СО-₂, оксид сульфуру(ІV) S0₂. Корозійне руйнування заліза і його сплавів на повітрі зумовлено окисненням його киснем:

4Fe+3O₂ = 2Fe₂O₃

З підвищенням температури швидкість газової корозії зрос-тає. Найбільшої шкоди завдає електрохімічна корозія.

Електрохімічною корозією називається руйнування ме-талу під час контакту з електролітами з виникненням у системі електричного струму.

У цьому випадку поряд з хімічними процесами (відщеплен-ня електронів) відбуваються й електричні (перенесення елект-ронів від однієї ділянки до іншої). При цьому в результаті взаємодії металу з молекулами води з корозійного середови-ща на ньому відбуваються два процеси: окиснення металу Me (анодний процес):

Me - 2е- = Ме²⁺

і відновлення окисників -- компонентів середовища (катодний процес). Як правило, окисниками виступають іони гідрогену Н⁺ (корозія з водневою деполяризацією) або розчинений у воді кисень О₂ (корозія з кисневою деполяризацією). У пер-шому випадку під час катодного процесу виділяється водень:

а у другому -- утворюються гідроксид-іони:

Ділянки поверхні металу, на яких відбуваються процеси окиснення і відновлення, називають відповідно анодними й катодними,

Розглянемо як приклад електрохімічної корозії реакції під час електрохімічної корозії заліза. Якщо корозія відбувається в розчині кислоти, то йдуть такі реакції:

Корозія заліза в нейтральному або лужному середовищі характеризується такими реакціями:

Гідроксид феруму(ІІ), що утворився, легко окиснюється киснем повітря:

Продукт корозії заліза -- бура іржа -- це суміш гідро-ксидів феруму(ІІ) і феруму(ІІІ), продуктів їх розкладу і взаємодії з вуглекислим газом та іншими речовинами з навко-лишнього середовища.

Електрохімічна корозія може бути посилена, якщо метал містить домішки інших речовин або неметалічні включення. Наприклад, залізо забруднене домішками міді. При цьому ви-никають гальванічні мікроелементи (пари), схему дії яких наведено на рис. 1.

Метал з більш негативним потенціалом руйнується -- його іони переходять у розчин, а електрони переходять до менш активного металу, на якому відбувається відновлення іонів гідрогену (воднева деполяризація) або відновлення роз-чиненого у воді кисню (киснева деполяризація).

Рис. 1 Схема дії гальванічної пари

Отже, при електрохімічній корозії (як у випадку контакту різнорідних металів, так і в разі утворення мікрогальванічних елементів на поверхні одного металу) потік електронів направлений від більш активного металу до менш активного (провідника), і більш активний метал ко-родує. Швидкість корозії тим більша, чим далі розташовані один від одного в ряду стандартних електродних потенціалів ті, метали, з яких утворився гальванічний елемент(гальванічна пара).

На швидкість корозії впливає і характер розчину електроліту. Чим вища його кислотність (тобто менший pH), а також чим більший вміст в ньому окисників, тим швидше відбувається корозія. Значно зростає корозія при підвищенні температури.

Деякі метали при контакті з киснем повітря в агресивному середовищі переходять у пасивний стан, при якому різко уповільнюється корозія. Наприклад, концентрована нітратна кислота легко робить пасивним залізо, і воно практично не реагує з концентрованою нітратною кислотою. У таких випад-ках на поверхні металу утворюється щільна захисна оксидна плівка, яка перешкоджає контакту металу із середовищем.

Захисна плівка завжди є на поверхні алюмінію. Подібні плівки в сухому повітрі утворюються також на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Си та інших металах . Кисень є найпоширенішим пасиватором.

Пасивуванням пояснюється корозійна стійкість нержавіючих сталей та сплавів.

Захист від корозії

Корозія металів відбувається безперервно і завдає ве-личезних збитків. Підраховано, що прямі втрати заліза від корозії становлять близько 10 % його щорічної виплавки. Внаслідок корозії металеві вироби втрачають свої цінні технічні властивості. Тому важливе значення мають методи за-хисту металів та сплавів від корозії. Вони досить різноманітні. Назвемо деякі з них.

Захисні поверхневі покриття металів. Вони бувають металічними (покриття цинком, оловом, свинцем, нікелем, хро-мом та іншими металами) і неметалічними (покриття лаком, фарбою, емаллю та іншими речовинами). Ці покриття ізолю-ють метал від зовнішнього середовища. Так, покрівельне залізо покривають цинком; з оцинкованого заліза виготовля-ють численні вироби побутового та промислового призначен-ня. Шар цинку запобігає корозії заліза, бо цинк, хоча й більш активний метал, ніж залізо (див. ряд стандартних електродних потенціалів металів, вкритий оксидною плівкою. В разі пошкодження захисного шару (подряпини, пробої дахів тощо) за наявності вологи виникає гальванічна пара Zn | Ре. Катодом (позитивним полюсом) є залізо, анодом (негативним полюсом) -- цинк (рис. 12.6). Електрони переходять від цинку до заліза, де зв'язуються молекулами кисню (киснева деполя-ризація), цинк розчиняється, а залізо залишається захищеним доти, доки не зруйнується весь шар цинку, що потребує до-сить багато часу. Покриття залізних виробів нікелем, хромом,

крім захисту від корозії, надає їм красивого зовніш-нього вигляду.

Створення сплавів з антикорозійними власти-востями.

Введенням до складу сталі близько 12 % хрому добувають не-ржавіючу сталь, стійку проти корозії. Добавки нікелю, кобальту і міді по-силюють антикорозійні вла-стивості сталі,

Рис. 2 Корозійне руйнування цинку в загальному парі Zn | Fe

оскільки під-вищується схильність сплавів до пасивації. Створення сплавів з антикорозійними власти-востями -- один з найважливіших напрямків боротьби проти корозійних втрат.

Протекторний захист і електрозахист. Протекторний за-хист застосовують у тому разі, коли захищається конструкція (підземний трубопровід, корпус судна), яка перебуває в середовищі електроліту (морська вода, підземні ґрунтові води та ін.). Суть такого захисту поля-гає в тому, що конструкцію сполучають з протектором -- більш активним металом, ніж метал конструкції, яку захища-ють. Як протектор для захисту стальних виробів звичайно використовують магній, алю-міній, цинк та їх сплави. У про-цесі корозії протектор є анодом і руйнується, запобігаючи тим самим руйнуванню конструкції (рис. 3). У міру руйну-вання протекторів їх замінюють новими.

Рис. 3 Схема протекторного захисту

підземного трубопроводу

На цьому принципі ґрунтується й електрозахист. Конструк-цію, яка перебуває в середовищі електроліту, також сполуча-ють з іншим металом (звичайно шматком заліза, рейкою тощо), але через зовнішнє джерело струму. При цьому конструкцію, яку захищають, під'єднують до катода, а метал-- до анода джерела струму. Електрони відщеплюються від ано-да джерелом струму, анод (захисний метал) руйнується, а на катоді відбувається відновлення окисника.

Електрозахист має перевагу над протекторним захистом: радіус дії першого близько 2 000 м, другого -- близько 50 м.

Зміна складу середовища. Для уповільнення корозії ме-талевих виробів до електроліту вводять речовини (найчастіше органічні), які називають уповільнювачами корозії, або інгібіторами, їх застосовують у тих випадках, коли метал необхідно захищати від роз'їдання кислотами. Вчені створили ряд інгібіторів (препарати марок 4M, ПБ та інші), які при до-данні до кислоти в сотні разів сповільнюють розчинення (корозію) металів.

Останнім часом розроблено леткі (або атмосферні) інгі-бітори. Ними просочують папір, яким обгортають металеві ви-роби. Пара інгібіторів адсорбується на поверхні металу і утво-рює на ній захисну плівку.

Інгібітори широко застосовують при хімічному очищенні від накипу парових котлів, зніманні окалини з оброблених дета-лей, а також при зберіганні та перевезенні хлоридної кислоти у стальній тарі. До неорганічних інгібіторів належать нітрити, хромати, фосфати, силікати. Механізм дії інгібіторів є предме-том дослідження багатьох хіміків.