Лабораторная работа №1 кинетика газовой коррозии металлов
1. Теоретическая часть
Под химической коррозией подразумевают процессы взаимодействия металлической поверхности с окружающей средой, идущие по механизму химических гетерогенных реакций. Примером химической коррозии является взаимодействие металла с жидкими неэлектропроводными средами (неэлектролитами) или сухими газами.
Процессы коррозии в атмосфере или газах при обычных температурах, когда возможно образование хотя бы самых тонких слоев электролита на поверхности металла, относятся уже к атмосферной коррозии, механизм которой электрохимический.
Частным видом, химической коррозии, практически наиболее важным, является процесс окисления металла при высоких температурах (взаимодействие с кислородом) или химическое взаимодействие металлов с рядом других, активных газовых сред (сернистый газ, сероводород, галоиды, водяные пары, углекислота и др.).
Указанные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят название газовой коррозии. Борьба с газовой коррозией имеет большое значение для народного хозяйства и успешного развития новой техники. Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники и арматура печей и т. д.). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность при процессах горячей обработки металлов.
Подавляющее большинство металлов (исключая только благородные) термодинамически неустойчивы по отношению к кислороду и некоторым другим газовым средам при обычных температурах. С повышением температур степень термодинамической нестабильности хотя и несколько снижается, но скорость процесса сильно возрастает.
Большинство металлов на воздухе, а также в атмосфере других активных газов являются термодинамически неустойчивыми. По этой причине скорость газовой коррозии будет определяться в первую очередь кинетическими возможностями протекания химической реакции.
Рост окисной пленки во времени в значительной степени зависит от защитных свойств образующейся пленки. Для незащитных пленок, например для несплошных пленок (для которых отношение < 1), скорость роста постоянная и контролируется, химической реакцией образования пленки. В этом случае действует линейный закон привеса пленки:
(1)
где: ∆g — привес образца, г/м2; k1 — константа, г/м2·час; τ — продолжительность коррозии, час.
Для обладающих защитными свойствами сплошных пленок (для которых отношение>1) скорость их роста часто контролируется диффузией и сопровождается самоторможением: по мере утолщения пленки уменьшается скорость диффузии через нее металла и кислорода, а следовательно, и скорость коррозионного процесса. В этом случае пленка растет по закономерности квадратичной параболы:
(2)
где к2 — константа(г2/м4·час.), для которых отношение<1 час.
Если скорость роста пленки контролируется как скоростью самой химической реакции окисления, так и скоростью встречной двусторонней диффузии через пленку металла и кислорода, то этот процесс может быть выражен общим уравнением 2-й степени Эванса (3):
к1·∆g2 + к2∆g = к1·к2·τ, (3)
где: к1 и к2 — константы (см. выше)
или параболическим уравнением (4):
∆gn = kn·τ (4)
где: n — показатель параболической зависимости, причем 1 < n < 2; kn —константа, гn/м2n · час.
В ряде случаев окисления металлов наблюдается торможение процесса в большей степени, чем это следует из первого закона диффузии. В этих случаях происходит рост пленки по парабалической закономерности (4):
∆gn = kn·τ
где n – показатель параболической зависимости при n > 2;
∆g= k3lgτ + k4
где k3 и k4 — константы гn/м2n · час.
В реальных процессах окисления металлов часто наблюдаются как нарушения приведённых выше зависимостей ∆g=f(τ) вследствие ряда факторов, осложняющих процесс (нарушение сплошости пленки за счет роста внутренних напряжений и др.), так и более сложные зависимости, которые описывают процесс роста окисной пленки во времени.
На основании опытных данных об изменении веса образца во времени может быть получено уравнение, которое дает возможность рассчитывать коррозионное разрушение металла при его окислении как функцию времени.