Краткие теоретические сведения

Коррозия – это самопроизвольный процесс разрушения металлов под влиянием внешней среды.

Причиной коррозии является более низкая термодинамическая стабильность металлов, чем их соединений (оксидов, гидроксидов, солей).

Как и все самопроизвольные процессы, коррозия протекает с уменьшением энергии Гиббса системы. Химическая энергия реакции коррозийного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и бесполезно рассеивается в пространстве. Коррозия металлов – нежелательный процесс. Широко известны такие коррозионные явления, как ржавление железа на воздухе, образование окалины на железе при высокой температуре, разъедание металлов кислотами.

В результате коррозии металлы становятся менее прочными, изменяются размеры изделий, увеличивается работа трения между деталями машины. Безвозвратные мировые потери металлов от коррозии выражаются величиной 20 млн. тонн в год. Но еще большие материальные потери связаны с ремонтом и заменой деталей судов, автомобилей, аппаратуры. Эти затраты во много раз превышают стоимость металла, из которого они изготовлены.

Изучение механизма коррозии и разработка методов защиты металлов от нее имеет большое практическое значение.

По механизму протекания коррозионного процесса, зависящего от характера внешней среды, с которой взаимодействует металл, различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. По условиям протекания коррозийного процесса различают:

а) газовую коррозию – в газах и парах без конденсации влаги на поверхности металла, обычно при высоких температурах. Примером газовой коррозии может служить окисление металла кислородом воздуха при высоких температурах;

б) жидкостную коррозию – в растворах неэлектролитов (агрессивных органических жидкостях).

Разрушение металлов при соприкосновении с электролитом с возникновением в системе электрического тока называется электрохимической коррозией.

Электрохимическая коррозия в основном характерна для сред, имеющих ионную проводимость. Она может протекать: а) в электролитах – в водных растворах солей, кислот, щелочей, морской воде; б) в атмосфере любого влажного газа; в) в почве.

Радиоэлектронная аппаратура чаще всего подвержена воздействию атмосферы, содержащей влагу, следовательно, электрохимической коррозии. Роль электролита в таких условиях играет водная пленка на поверхности металла, в которой часто растворены электропроводящие примеси.

Как и в гальванических элементах, при электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем (кислород атмосферы, ионы: )включает анодное растворение металла, катодное восстановление окислителя, движение электронов в металле и ионов в растворе.

При контакте металла с другим менее активным металлом в кислой среде, например железа с медью в соляной кислоте, возникает гальванический элемент:

(-)Fe|HCl|Cu(+).

Железо окисляется, отдавая электроны атомам меди, а на атомах меди восстанавливаются ионы водорода:

Затем ионы соединяютсяс перешедшими в раствор ионами :

Гидроксид железа (III) частично отщепляет воду и образует соединение, отвечающее по составу бурой ржавчине.

При соприкосновении металла с электролитом на его поверхности возникает множество микрогальванических элементов. Причиной их образования является наличие примесей у металлов и пленок на поверхности, неоднородность по химическому и фазовому составу сплавов. В таких микрогальванопарах анодами являются частицы металла, а катодами – загрязнения, примеси и вообще металлы, имеющие положительный потенциал.

В микрогальваническом элементе на аноде протекает процесс окисления металлов, а на катоде может наблюдаться ионизация кислорода или восстановление водорода.

Если коррозия протекает в кислой среде, то на катоде восстанавливается водород. Этот процесс называется коррозией с водородной деполяризацией. В наиболее простом случае она может быть представлена уравнениями:

Если окислителем является кислород, то коррозия протекает с поглощением кислорода или с кислородной деполяризацией и выражается уравнением:

Коррозия как самостоятельный процесс протекает, если энергия Гиббса реакции ΔG имеет отрицательные значения. А. так как «свободная» энергия реакции непосредственно связана с э.д.с. элемента зависимостью

,

то возможность протекания коррозии можно установить по знаку э.д.с. элемента.

Коррозия возможна, если Е>0. А так как э.д.с. определяется как разность потенциалов окислителя и восстановителя:

,

то это возможно, когда .

На скорость и характер коррозийных процессов оказывает влияние как природа металла, так и характер коррозийной среды.

Окислители играют двойную роль в коррозийных процессах. С одной стороны, они могут восстанавливаться и этим ускорять коррозию металлов, а с другой стороны? – вызывать пассивирование металлов с образованием оксидных или других защитных слоев, которые тормозят процесс коррозии.

Некоторые ионы, например , наоборот, активизируют металлы, препятствуя их пассивированию. Причиной, активизирующей способности хлорид ионов, является их высокая адсорбируемость на металле и высокая растворимость хлоридов металлов. Ионы разрушают оксидные пленки на поверхности металла и способствуют его растворению. Особенно большое влияние оказывают ионы на коррозию Fe, Cr, Al, Ni и др.

Выбор способов защиты от коррозии определяется характером коррозии и условиями ее протекания. Все методы защиты делятся на группы:

а) изменение природы металла (легирование);

б) защитные покрытия;

в) электрохимическая защита;

г) изменение свойств коррозийной среды.

Рассмотрим эти способы защиты.

Легирование – эффективный метод повышения коррозийной стойкости металлов. При легировании вводят компоненты, вызывающие наряду с пассивированием металла, повышение его жаростойкости и жаропрочности. Это такие добавки, как хром, никель, вольфрам и т.п.

Жаростойкость – стойкость по отношению к газовой коррозии при высоких температурах.

Жаропрочность – свойство конструкционного материала сохранять высокую механическую прочность при значительном повышении температуры.

Защитные покрытия бывают металлические и неметаллические.

Металлические покрытия, в свою очередь, разделяются на анодные (металл покрытия более активно, чем защищаемый металл) и катодные (металл покрытия менее активен, чем защищаемый металл).

Более эффективными являются анодные покрытия, так как при нарушении их целостности будет корродировать покрытие, а не защищаемый металл. Например, для железа анодным покрытием будут Zn, Сr и др. Примером катодного покрытия могут служить Sn, Ag, Ni.

Лакокрасочные покрытия относятся к неметаллическим покрытиям. Они должны быть стойкими к высоким температурам, кислотам, щелочам, бензину и другим агрессивным факторам. Лакокрасочные покрытия делятся на две большие группы: лаки и краски (эмали).

Краски (эмали) – смесь нерастворимых частиц пигмента (красителя), взвешенных в однородном органическом связующем. Лаки обычно состоят из смеси смолы или высыхающего масла с летучим растворителем.

К электрохимическому способу защиты металлов от коррозии относят протекторную и катодную защиту.

Протекторная защита наиболее часто используется для предохранения конструкций (подземных трубопроводов, кабелей, корпусов судов), находящихся в среде электролита (морской воде, почве). Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала, который, выполняя роль анода, разрушается.

Сущность катодной защиты заключается в том, что защищаемые изделия подключают к отрицательному полюсу внешнего источника тока. В электронной среде изделие становится катодом, что и предотвращает его разрушение, а анодом служит вспомогательный электрод.

Изменение свойств коррозийной среды. Снизить агрессивность коррозийной среды можно дезаэрацией (удалением) кислорода, изменением рН среды, введением ингибиторов. Ингибиторы – вещества, которые адсорбируясь на коррозийной поверхности, тормозят процессы, тем самым уменьшая скорость коррозии.