Коррозия металлов. Методы защиты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждено на заседании

кафедры химии 10.06.2011 г.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ.

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине "Химия"

для бакалавров 1-го курса по направлениям:

"Строительство", "Стандартизация и метрология", "Товароведение", "Технология художественной обработки материалов", "Техносферная безопасность", "Эксплуатация транспортно-технических машин и комплексов", "Технология транспортных процессов" всех профилей

Ростов-на-Дону

2011

УДК 541.2

Коррозия металлов. Методы защиты металлов от коррозии: – методические указания по дисциплине «Химия» для бакалавров 1-го курса. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. – 14 с.

Рассмотрены контроль коррозионного процесса, методы защиты металлов и принцип их выбора. В экспериментальной части дана методика выполнения лабораторной работы.

Предназначены для бакалавров 1-го курса, обучающихся по направлениям "Строительство", "Стандартизация и метрология", "Товароведение", "Технология художественной обработки материалов", "Техносферная безопасность", "Эксплуатация транспортно-технических машин и комплексов", "Технология транспортных процессов" всех профилей дневного и заочного отделений.

Электронная версия находится в библиотеке, ауд. 224.

УДК 541.2

Составитель: канд.хим.наук, доц. Л.М. Астахова

Редактор Т.М. Климчук

Доп. план 2011 г., поз. 108

Подписано в печать 14.07.11. Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ 312

Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

© Ростовский государственный строительный университет, 2011

3

1.Коррозия металлов

Всилу широчайшего использования различных металлических конструкций, аппаратов, приборов коррозионный процесс наносит огромный ущерб на-родному хозяйству. Любой вопрос новой техники сейчас же вызывает необходи-мость решения проблем в области коррозии. Защита металлов от коррозии не-возможна без знания закономерностей течения этого процесса.

К о р р о з и я - это процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.

Свободный металл (Ме○) является термодинамически неустойчивой формой по сравнению с ионной (Ме+n) – ведь в природе металлы, как правило,

встречаются не в самородном состоянии, а в виде минералов и руд (соли или оксиды металлов).Этим и объясняется самопроизвольное разрушение большинства металлов. Судить о степени термодинамической нестабильности можно по величине стандартного электродного потенциала – чем отрицательнее эта величина, тем в большей степени металл будет подвержен коррозионному разрушению (таблица).

Коррозионный процесс относится к окислительно-восстановительным и

включает в себя две сопряженные реакции – окисление и восстановление,

например	Ме○	+	Ок○	→		Ме+n + Ок−n ,
где окисление:	Ме○	−	ne	→	Ме+n	;
восстановление:	Ок○	+	ne	→	Ок−n .

В зависимости от механизма протекания этих сопряженных реакций коррозия бывает химической или электрохимической.

Химическая коррозия подразумевает процесс взаимодействия металла с окружающей средой за счет гетерогенной химической реакции (атом металла непосредственно взаимодействует с молекулой реагента и переходит в ионное состояние без переноса электрона через компактный металл). К химической коррозии относятся окисление металлов при высоких температурах в газовой атмосфере либо разрушение металла при его соприкосновении с растворами неэлектролитов.

4

Электрохимическая коррозия протекает с разделением анодной

(окисление) и катодной (восстановление) реакций либо в пространстве (по поверхности), либо во времени (если они протекают в одной точке поверхности). Возникает эта коррозия на границе раздела фаз «металл -

электролит» и сопровождается перемещением электронов с одних участков металла к другим, т.е. появлением электрического тока. К ней относят:

-атмосферную коррозию во влажной газовой или воздушной атмосфере;

-подземную коррозию;

-жидкостную коррозию;

-электрокоррозию под действием блуждающих токов и др.

В зависимости от характера разрушений, сопровождающих процесс электрохимической коррозии, различают с п л о ш н у ю коррозию,

захватывающую всю поверхность металла, и м е с т н у ю, локализующуюся на отдельных участках:

-коррозия пятнами (диаметр поражения велик по сравнению с его глубиной);

-язвенная коррозия (диаметр поражения мал, велика глубина проникновения);

-питтинговая коррозия (точечное поражение, проходящее часто через всю толщу металла) и др.

Скорость коррозии может быть выражена различными способами, однако чаще пользуются весовым, глубинным и токовым показателями.

Весовой или массовый показатель скорости коррозии численно равен потере массы за единицу времени, отнесенную к единице площади:

V кор = ∆ m/τ•S (г/см2 ч).

Глубинный показатель оценивает скорость коррозии по глубине проникновения коррозионного разрушения в толщу металла за определенный промежуток времени: Пгл (мм/год).

Токовый показатель - плотность тока: i (А/см2).

5

Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов (Е○) и общая термодинамическая характеристика их коррозионной стойкости по отношению к водным растворам

Термодинамическая стабильность	Металл и его электродный потенциал
металла			(Е○, В)
1. Металлы повышенной	Li (-3,045) Na (-2,714)			Cr(II)(-0.913)
нестабильности (неблагородные).	K (-2,925) Mg (-2,370)			Zn	(-0,762)
Могут корродировать даже в	Ba(-2,900) Be (-1,850)			Cr(III)(-0,740)
нейтральных средах, не содержащих	Ca(-2,870) Al		(-1,670)	Fe(II)(-0,440)
окислителей
2. Металлы нестабильные. Устойчивы	Cd	(-0,402)	Pb	(-0,126)
в нейтральных средах при отсутствии	Co	(-0,277)	Fe(III)		(-0,037)
кислорода, в кислых средах могут	Ni	(-0,250)
корродировать и в отсутствие	Sn(II)	(-0,136)
кислорода
3. Металлы промежуточной	Sn(IV)	(+0,007)	Ag		(+0,799)
стабильности (полублагородные). В	Cu(II)	(+0,337)
отсутствие О2 и окислителей	Cu(I)	(+0,521)
устойчивы в кислых и нейтральных	Hg(I)	(+789)
средах
4. Металлы высокой стабильности	Hg(II)	(+0,854)
(благородные) не корродируют в	Pd (II)	(+0,987)
нейтральных средах при наличии О2.	Ir (II)	(+1,156)
Могут корродировать в кислых средах	Pt (III)	(+1,190)
при наличии О2 или окислителей
5. Металлы полной стабильности.	Au (III) (+1,500)
Устойчивы в кислых средах при	Au(I)	(+1,680)
наличии О2 . Могут растворяться в
комплексообразователях при наличии
окислителей

Рассмотрим электрохимическую коррозию на примере действия серной кислоты на технический цинк, содержащий примеси железа. В этом случае на поверхности цинка возникает множество микрогальванопар, в которых цинк является анодом (т.к. электродный потенциал цинка (0,762 В) отрицательнее электродного потенциала железа (0,44 В), а железо – катодом. Анодный процесс в этом случае – окисление цинка, катодный – восстановление окислителя, присутствующего в электролите (катионы водорода):

					6
на аноде	Zn○	2e	=	Zn+2	ионизация цинка (окисление);
на катоде	2Н+	+ 2e	=	Н2↑	восстановление катионов водорода.

Поверхность цинка (анод) разрушается, высвободившиеся электроны

перетекают к включениям железа (катод), на которых выделяется газообразный водород.

Помимо электрохимического растворения цинк может растворяться и в результате химического процесса: Zn○ + 2Н+ = Zn+2 + Н2↑ . Однако опыт показывает, что скорость растворения цинка в этом случае значительно ниже,

чем скорость ионизации цинка как анода гальванопары. Вторичный процесс

обусловлен взаимодействием образовавшихся катионов металла и кислотного остатка, присутствующего в электролите: Zn+2 + SO42 = ZnSO4. Таким образом протекает коррозионный процесс в кислых средах.

Течение коррозионного процесса в нейтральных средах отличается от

вышерассмотренного. Например: коррозия технического железа, покрытого пленкой влаги, на воздухе или электролите с нейтральной реакцией среды.

Анодный процесс аналогичен – ионизируется металл; на катоде в этом случае восстанавливаются молекулы кислорода, растворенного в воде:

на аноде	Fe○ 2e = Fe+2		ионизация железа (окисление);
на катоде	О2 + 2Н2О + 4е	= 4ОН	восстановление кислорода.
Возможные вторичные процессы:
Fe+2 + 2ОН = Fe(ОН)2,		4 Fe(ОН)2	+ О2 + 2Н2О = 4Fe(ОН)3 .

Нередко продукты коррозии оказываются малорастворимыми и своим

присутствием на поверхности металла защищают его от дальнейшего разрушения – пассивируют металл. Это могут быть оксиды, гидроксиды, соли.

П а с с и в а ц и е й или пассивностью металла называется такое его состояние, в каком он не подвергается коррозионному разрушению. Это состояние может быть достигнуто как за счет действия соответствующих окислителей, так и в случае анодной поляризации. Целый ряд металлов уже в естественных условиях имеет на своей поверхности оксидную пленку, которая надежно защищает от воздействия агрессивных агентов окружающей среды.

Такие металлы называются самопассивирующимися. К ним относятся:

7

алюминий (с термодинамической точки зрения активный металл, но за счет поверхностной оксидной пленки коррозионностойкий), титан, ванадий,

молибден, хром, никель и др.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Коррозия химическая и электрохимическая В пробирку налить 5 мл 0,01 н серной кислоты, затем опустить в этот

раствор полоску цинка (слабое выделение газообразного водорода). Погрузить медную проволоку в раствор (изменяется ли интенсивность выделяющегося водорода?). Прикоснуться медной проволокой к цинку (что наблюдается?).

Объяснить наблюдаемое. В каком случае скорость растворения цинка больше? Составить схему действия образовавшейся гальванопары.

Опыт 2. Образование микрогальванопар Поместить гранулу цинка в пробирку и прилить в нее 2 мл

разбавленной серной кислоты (что наблюдается?). Добавить в пробирку несколько капель раствора сульфата меди (что наблюдается?). Объяснить наблюдаемое.

Опыт 3. Пассивирующая пленка на алюминии Оксидная пленка на алюминии естественная преграда между

термодинамически активным металлом (ЕAL = 1,670 В) и коррозионной средой.

В пробирку налить раствор ртути и опустить в нее алюминиевую проволоку (что наблюдается?). Опустить другую алюминиевую проволоку в раствор 10 % NaOH и выдержать в нем 5 мин, после чего тщательно промыть проволоку водой (такая обработка позволяет снять оксид с поверхности металла), высушить фильтровальной бумагой. После подготовки опустить эту проволоку в пробирку с раствором соли ртути. Затем вынуть проволоку на воздух и наблюдать за происходящими изменениями (каков состав вещества,

8

образующегося на проволоке?). Снять порошок фильтровальной бумагой и опустить проволоку в пробирку с водой (что происходить на поверхности проволоки?).

Сущность этого опыта – амальгамирование алюминия. На амальгамированной поверхности алюминия оксидная пленка практически отсутствует и может проявляться собственно активность алюминия, способного быстро соединяться с кислородом воздуха и вытеснять водород из воды.

Опыт 4. Активирующее действие ионов Активирующее действие проявляют ионы хлора. В две пробирки

поместить по кусочку алюминиевой проволоки и прилить в них раствор сульфата меди, слегка подкисленный серной кислотой. В одну из пробирок добавить несколько капель раствора хлорида натрия. Объяснить наблюдения.

Почему в одной из пробирок реакция протекает быстрее? Составить схему действия полученных гальванопар.

ЗАДАЧИ

1.В раствор соляной кислоты поместили цинковую пластину и цинковую пластину, частично покрытую медью. Где процесс коррозии протекает интенсивнее? Почему? Составить схемы, протекающий процессов.

2.Почему химически чистое железо коррозионноустойчиво?

3.Составить схему анодного и процессов, протекающих при коррозии технического железа во влажном воздухе и сильнокислой среде.

4.Две железные пластины частично покрыты одна оловом, другая медью и находятся во влажном воздухе. На какой пластине быстрее образуется ржавчина? Почему? Каков состав продуктов коррозии? Составить схему работы гальванопар.

5.Что такое химическая и электрохимическая коррозия? Пример.

6.Классификация коррозионных процессов.

7.Принцип работы гальванической системы на примере. Какой металл является анодом в этой системе?

9

2. Методы защиты металлов от коррозии

Каждая шестая доменная печь работает на коррозию таков итог действия

коррозии, приводящей к разрушению конструкций, понижению качества продукции, а также к авариям и несчастным случаям на производстве. Это наносит народному хозяйству огромный ущерб.

Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, уменьшая его скорость. Однако, выбирая способ защиты металла, необходимо учитывать

контроль коррозионного процесса.

Разрушение металла совместное протекание двух процессов: окисления

(анодный процесс) и восстановления (катодный процесс) и общая скорость коррозии определяется скоростью более медленнотекущего процесса

(медленно текущая реакция называется л и м и т и р у ю щ е й). Катодный контроль коррозионного процесса имеет место, если лимитирующей является

катодная реакция. Анодный контроль если лимитирующей является

анодная реакция. При выборе метода защиты это необходимо учитывать. Если разрушение металла протекает с анодным контролем, необходимо подобрать метод защиты усиливающий анодную поляризацию. Если разрушение металла

протекает с катодным контролем метод усиливающий катодную поляризацию.

Напомним, что п о л я р и з а ц и е й называется смещение потенциала электрода при протекании через систему электрического тока. Анодная поляризация сме щение потенциала в положительную сторону.

Нижеприведенные диаграммы иллюстрируют снижение скорости коррозии при усилении анодной (рис. 1) и катодной (рис. 2) поляризации.

Рис. 1. Анодный контроль

Рис. 2. Катодный контроль

10

Все методы защиты условно делятся на четыре группы:

1)электрохимические методы;

2)методы, связанные с изменением свойств корродирующего металла;

3)методы, связанные с изменением свойств коррозионной среды;

4)комбинированные методы.

Электрохимические методы защиты основаны на изменении электро

химических свойств металла под действием поляризующего тока. Катодная защита применяется для повышения коррозионной стойкости металлов в условиях почвенной, морской коррозии, при контакте металла с агрессивными химическими средами. Защита обеспечивается в этом случае наложением тока от внешнего источника питания (защищаемая поверхность соединяется с отрицательным полюсом этого источника) на защищаемой поверхности протекают только восстановительные процессы. Протекторная защита

(частный случай катодной защиты) создание макрогальванической пары с менее благородным металломпротектором. П р о т е к т о р играет роль анода и растворяется со скоростью, достаточной для создания в системе тока необходимой силы. В качестве протектора могут быть использованы цинк,

алюминий, магний и их сплавы. Анодная защита применима к металлам и сплавам, способным пассивироваться при смещении их электродного потенциала в положительную сторону и достижении состояния полной пассивации (здесь защищаемая поверхность соединяется с положительным полюсом внешнего источника питания). Электрохимические методы защиты можно использовать только в хорошо проводимой среде в морской воде,

почве, растворах электролитов.

Группа методов защиты, основанная на изменении свойств металлов,

осуществляется либо специальной обработкой их поверхности, либо легированием. Легированием называется введение в защищаемый металл легирующих элементов, повышающих термодинамическую устойчивость анодной фазы (например: легирование стали – никелем, никеля – медью, меди – золотом и т. д.), либо содействующих пассивированию анодной фазы (легирование сталей хромом или кремнием, никеля – хромом). Кроме того, для увеличения