Коррозия и защита металлов

Известно, что металлы обладают ценными свойствами. Однако они имеют крупный недостаток, т.к. подвержены коррозии. Коррозия в переводе с латинского означает разъедание, разрушение.

Коррозия металлов – это нежелательный процесс. Из-за коррозии преждевременно выходят из строя сложные конструкции, станки, транспорт, трубопроводы, различное оборудование. Поэтому предупреждение коррозии – важная задача. Для того чтобы предупредить коррозию, надо знать ее сущность и механизм протекания.

Коррозией называется процесс разрушения металлов при физико-химическом взаимодействии их с окружающей средой.

Коррозия – самопроизвольный процесс, сопровождающийся уме-ньшением энергии Гиббса (ΔG < 0). По механизму протекания коррозионного процесса различа­ют химическую и электрохимическую коррозию. При химической коррозии происходит прямое взаимодействие металла с окислителем окружающей среды. Наиболее сильными окислителями являются: кислород, фтор, хлор, диоксид серы и др. Многие металлы легко взаимодействуют с сероводородом, хлористым водородом. Например, в воздухе, содержащем сероводород, на серебряных изделиях образуется сульфидная пленка Ag₂S.

Электрохимическая коррозия – разрушение металлов в электролитной среде под действием внутренних микро- или макрогальванических пар или внешней разности потенциалов. Чистые металлы почти не подвергаются электрохимической коррозии. В состав любого технического металла, как правило, входят катодные и анодные примеси, что обусловливает возникновение микропар коррозионного элемента.

При погружении такого металла в раствор электролита, в частности в раствор кислоты, на поверхности микрокатодов будет выделяться газообразный водород. Количество выделившегося водорода является в данном случае мерой скорости коррозии и зависит от суммарного тока, возникшего в коррозионной системе. Если предположить, что токи, протекающие через микроэлементы, приблизительно равны между собой, то объем выделившегося водорода будет пропорционален количеству микропар, имеющихся на по­верхности металла, т.е. его неоднородности.

Примером электрохимической коррозии может служить коррозия омедненного же­леза в кислой среде. Анодом является железо

(φ° = - 0,44 В), электролитом – HС1.

На аноде: Fe⁰ - 2e^- → Fе²⁺.

На катоде: 2Н⁺ + 2e^- → H₂⁰.

Суммарная реакция анодного и катодного процессов:

Fе⁰ + 2Н⁺ → Fе²⁺ + H₂⁰.

Чем больше разность потенциалов между металлом-ано­дом и металлом-катодом, тем сильнее идет электрохимичес­кая коррозия. Накопление продуктов коррозии ослабляет ее. При накоплении, например, водорода на катоде потенциал ка­тода уменьшается (поляризация катода), что снижает ЭДС мик­рогальванического элемента. В присутствии же кислорода про­исходит связывание водорода (деполяризация): 2Н₂ + О₂ → 2Н₂О. Электрохимическая коррозия идет дальше.

В нейтральных и щелочных средах в катодных процессах важную роль играет растворенный кислород – более сильный окислитель, чем ионы водорода:

О₂ + 2Н₂О - 4е^- → 4ОH^-.

Состав электролита влияет на скорость электрохимичес­кой коррозии: так, в кислой среде коррозия усиливается с ростом концентрации ионов водорода. Вода, содержащая кисло­род, опаснее в коррозионном отношении, чем вода, не содер­жащая его. Ускоряют коррозию ионы галогенов и различные окислите­ли. Накопление продуктов коррозии – солей, гидроксидов – так­же влияет на скорость процесса. При образовании плотных ок­сидных пленок коррозия замедляется (Ni, Cr, Al, Zn, Ti).

Частным случаем электрохимической коррозии является электрическая коррозия, вызываемая блуждающими токами. Она приводит к разрушению подземных металлических сооружений.

Оба типа коррозионных процессов определяются термоди­намическим изменением энергии Гиббса:

ΔG = - RTlnK_p = - nEF.

Процессы высокотемпературной химической коррозии определяются константой равновесия обратимых гетерогенных реакций, для их исследования используют первую часть равенства.

ΔG = - RTlnK_p.

Для исследования электрохимической коррозии применяют второе выражение (ΔG = -nЕF), содержащее разность потенциа­лов и величину заряда, перенесенного растворяющимся ве­ществом.

Скорость коррозии измеряется в единицах массы m поте­рянного металла с единицы площади S в единицу времени t:

W = m/St.

Скорость процесса коррозии выражается в следующих единицах измерений: мг/(м² год), мг/(м² ч). Скорость коррозии может измеряться толщиной слоя потерянного металла за единицу времени (мм/ч, мм/год и т.д.).

W = ΔL/t,

где ΔL – толщина слоя потерянного металла; t – время.

Существуют разнообразные способы борьбы с коррозией: покрытие металлов защитными лакокрасочными и полимерными пленками, покрытие металла другим металлом, более активным (анодное покрытие), менее активным (катодное покрытие), пассивация металлов путем создания на их поверхности оксидных или других непроницаемых пленок, применение ингибиторов, электрозащита, метод протекторов.