Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Коррозия лабы

.pdf
Скачиваний:
208
Добавлен:
22.05.2019
Размер:
4.18 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА»

В.А. КОЗЫРИН, В.В. РОГОЖИН, А.А. БАЧАЕВ, М.Г. МИХАЛЕНКО

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КОРРОЗИИ И ЗАЩИТЕ МЕТАЛЛОВ

Рекомендовано Ученым советом Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева

вкачестве учебнопрактического пособия для студентов, обучающихся по направлениям: 18.03.01«Химическая технология»;22.03.02«Металлургия»;22.03.01«Материаловедение и технология материалов»

Нижний Новгород 2018

УДК 620.193.197 (075.8, 076) ББК 34.437

К 593

Р е ц е н з е н т кандидат технических наук,

Козырин В.А., Рогожин В.В., Бачаев А.А.,Михаленко М.Г.

К 593 Лабораторный практикум по коррозии и защите металлов: учебнопрактическое пособие / В.А. Козырин, В.В. Рогожин, А.А. Бачаев, М.Г. Михаленко; Нижегород. гос. техн. ун-т. Им. Р.Е. Алексеева – Н. Новго-

род, 2018. – 137 с.

ISBN

Изложены теоретические основы процессов коррозии металлов и методы защиты от коррозии. Приведены методики эксперимента, схемы установок и даны рекомендации по выполнению лабораторных работ, оформлению экспериментальной части и обсуждения полученных результатов. К каждой работе даны вопросы для самопроверки. Приведен обширный список рекомендованной литературы.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям: 18.03.01– «Химическая технология»

Дисциплины: «Коррозия и защита металлов от коррозии», «Материаловедение и защита от коррозии»;

22.03.02 – «Металлургия» Дисциплина «Коррозия и защита металлов»;

22.03.01 – «Материаловедение и технология материалов» Дисциплины: «Коррозия и коррозионностойкие покрытия», «Химическое сопротив-

ление металлов».

Рис.55. Табл.26. Библиогр.: 34 назв.

УДК 620.193.197 (075.8, 076) ББК 34.437

ISBN

НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018

 

Козырин В.А., Рогожин В.В., Бачаев

 

А.А., Михаленко М.Г., 2018

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................

4

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Лабораторная работа 1 .................................................................................

5

ГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО

КОРРОЗИОННОГО ПРОЦЕССА

 

Лабораторная работа № 2 ..........................................................................

16

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ КОНТАКТИРУЮЩЕГО МЕТАЛЛА НА

СКОРОСТЬ ПРОЦЕССА КОРРОЗИИ С ВОДОРОДНОЙ

ДЕПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

 

Лабораторная работа 3 ...............................................................................

23

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА НА МОДЕЛИ

МИКРОЭЛЕМЕНТА

 

Лабораторная работа 4 ...............................................................................

34

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

МЕТАЛЛОВ НА МОДЕЛИ ДВУХЭЛЕКТРОДНОГО

 

ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

 

Лабораторная работа № 5 ..........................................................................

43

ИСПЫТАНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ НА

СКЛОННОСТЬ К МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ КОРРОЗИИ

Лабораторная работа № 6 ..........................................................................

58

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ АНОДНАЯ ЗАЩИТА

СТАЛИ ОТ

КОРРОЗИИ

 

Лабораторная работа № 7 ..........................................................................

69

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ С ПОМОЩЬЮ

ИНГИБИТОРОВ

 

Лабораторная работа № 8 ..........................................................................

80

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗАЩИТНОГО ПОТЕНЦИАЛА

МЕТАЛЛА КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ

 

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

 

Лабораторная работа № 9 ..........................................................................

88

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА ДЕЙСТВИЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ПО

РАСПРЕДЕЛЕНИНЮ ПОТЕНЦИАЛА НА ЗАЩИЩАЕМОМ

МЕТАЛЛЕ

 

Лабораторная работа № 10 ......................................................................

103

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................

116

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................................

118

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................................................................

129

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................................

136

3

ВВЕДЕНИЕ

Металлы и металлические сплавы – основные конструкционные материалы для большинства отраслей народного хозяйства. Однако изделия из металлов и сплавов под действием различных физико-химических и биологических факторов разрушаются или теряют (снижают) свои потребительские качества. Такое разрушение изделий из металлов при воздействии внешней среды получило название коррозии металлов.

В Международном стандарте ISO 8044:2015 под термином коррозия подразумевают физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла и часто происходит ухудшение функциональных характеристик металла, среды или включающей их технической системы.

Современное развитие производства предъявляет высокие требования к надежности и стойкости конструкционных материалов и совершенствованию методов их защиты. Повышение надежности, экологической безопасности технических систем предъявляет особо жесткие требования к качеству конструкций и монтажа.

Коррозия является физико-химическим процессом, и закономерности ее протекания определяются общими законами термодинамики и кинетики гетерогенных систем. В основе этого взаимодействия лежат химические и электрохимические реакции, а иногда и механическое воздействие внешней среды. Для нахождения путей практического решения задач, возникающих в результате коррозионного разрушения различных металлических объектов, необходимо, в первую очередь, знание законов такого разрушения, т.е. теории коррозии металлов.

Защита металлов от коррозии – одна из важнейших народнохозяйственных проблем, так как потери от коррозии в промышленности, транспорте и других отраслях экономики сравнимы с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности.

При проектировании новых установок и агрегатов необходимо заранее учитывать возможности возникновения нежелательного явления – коррозии не только в самом аппарате, но и в окружающем его районе.

Способность металлов сопротивляться воздействию среды называет-

ся коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением материала.

В настоящее время мероприятия по борьбе с коррозией ведутся в двух направлениях:

1.Исследование механизма коррозионных процессов и на их основе изыскание новых эффективных методов защиты от коррозии.

2.Осуществление широких практических мероприятий по защите металлических конструкций от коррозионного разрушения.

4

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Лабораторная работа 1

Газовая коррозия – это химическая коррозия металлов в газах. Её отличительным признаком является то, что она протекает при отсутствии конденсации жидкости из коррозионной среды на корродирующей поверхности. Особенность в том, что она чаще всего имеет место при повышенных температурах.

Как и в любом случае коррозионного процесса, протекающего по химическому механизму, газовая коррозия представляет собой гетерогенную реакцию, на скорость и протекание которой оказывает значительное влияние плёнка продуктов коррозии, образующихся на корродирующей поверхности. Термодинамически возможность протекания химической коррозии может быть определена по изменению изобарноизотермического потенциала Gхр химической реакции, лежащей в основе коррозионного процесса. Если Gхр >0, то реакция не протекает, коррозии нет; если Gхр <0 то реакция протекает, коррозия есть. Применительно к процессу окисления металлов о возможности протекания коррозионного

процесса можно судить по парциальному давлению кислорода

Po

2

в кор-

 

 

 

розионной среде и давлению диссоциации образующихся продуктов кор-

розии

пк . Если

пк >

 

2

– процесс коррозии не протекает; если

пк <

 

2

 

P

P

Po

 

 

P

Po

 

 

процесс коррозии протекает.

Если плёнка продуктов коррозии, образующаяся на корродирующей поверхности несплошная, то она не препятствует доступу коррозионного агента к поверхности металла; скорость коррозии в этом случае равна скорости химической реакции, лежащей в основе коррозионного процесса. В этом случае плёнка продуктов коррозии не обладает защитными свойствами.

Одним из условий образования сплошных плёнок продуктов коррозии, обладающих защитными свойствами, является соблюдение условия сплошности Vпк /VМе >1,гдеVпк – удельный мольный объем продуктов коррозии, образовавшихся на данной корродирующей поверхности за счёт разрушения объёма металлаVМе . Это условие является необходимым, но

не определяющим образование плёнок продуктов коррозии с высокими защитными свойствами. Для того, чтобы плёнка продуктов коррозии обладала высокими защитными свойствами, она, кроме сплошности, должна иметь высокую механическую прочность (не разрушаться от возникающих в ней в процессе роста механических напряжений), не должна обра-

5

зовывать легкоплавких сплавов с материалом, за счёт которого она образуется, должна иметь высокое омическое сопротивление.

Если плёнка продуктов на корродирующей поверхности сплошная, то скорость коррозии не равна скорости химической реакции, лежащей в основе коррозионного процесса, а меньше её. Это происходит вследствие замедления транспорта коррозионного агента и корродирующего материала в зону роста плёнки. Чем плотнее и толще плёнка (до определенного

соотношения

пк /

 

Ме ) – тем больше это замедление и меньше скорость

 

V

V

 

коррозии. Поскольку транспорт веществ в зону роста плёнки осуществляется за счёт процессов диффузии, все факторы, замедляющие диффузию в плёнке продуктов коррозии, будут замедлять рост плёнки и снижать скорость коррозионного процесса.

Ориентировочно все металлы по характеру их окисления можно подразделить на три группы:

щелочные и щелочноземельные, для которых наблюдается прямолинейная зависимость между толщиной плёнки (количеством прокорродировавшего материала) и временем коррозии;

медь и металлы группы железа, для которых в этом случае характерна параболическая зависимость;

алюминий, титан, хром, цинк и другие, для которых вышеупомянутая зависимость имеет логарифмический характер.

Изменение условий, в которых протекает коррозионный процесс,

может приводить к перестановкам отдельных металлов из группы в группу, но для всех металлов суммарная кривая окисления будет иметь один и тотже характер (рис. 1).

Рис. 1. Суммарная кривая окисления металла

6

На начальном участке, когда толщина плёнки оксидов мала и сама плёнка не оказывает влияния на скорость диффузии кислорода и корродирующего материала в зону роста плёнки, рост толщины пленки идет по закону прямой линии. По мере утолщения плёнки зависимость становится всё более сложной, и рост толщины плёнки подчиняется закону параболы, с утолщением плёнки и её уплотнением процессы диффузии в ней замедляются. И, наконец, когда плёнка значительно уплотняется, торможение процессов диффузии становится очень сильным, рост пленки в толщину подчиняется логарифмическому закону. Длительность, протяженность участков линейного, параболического и логарифмического роста плёнки продуктов коррозии зависит от термодинамических свойств металла и условий, в которых протекает коррозионный процесс. Для разных металлов и сплавов она различна.

Так как при химической коррозии её продукты образуются непосредственно в месте контакта (в зоне химической реакции) корродирующего материала с агрессивной средой, процесс газовой коррозии можно исследовать, наблюдая изменение положительного весового показателя коррозии образца во времени. Так как положительный весовой показатель коррозии – это прирост веса образца, отнесенный к единице поверхности корродирующего металла и единице времени, можно исследовать процессы химической коррозии, наблюдая изменение веса образца заданных размеров при воздействии на него коррозионной среды в заданных условиях.

Цель работы – установление закона, по которому растет толщина плёнки продуктов коррозии на поверхности металла при окислении его кислородом воздуха при повышенных температурах (часть1).

Защита металла от окисления методами легирования и нанесения коррозионностойких тонкопленочных металлических, неорганических или органических покрытий (часть 2).

Экспериментальная часть

Часть 1. Установление закона роста оксидной плёнки.

Работа выполняется на установке, показанной на рис.2. Включение муфельной печи 1 с тиглем для прокаливания, доведение в ней температуры до заданной, постоянное значение которой в процессе исследования поддерживается автоматически, производится лаборантом кафедры до начала выполнения лабораторной работы.

Образец исследуемого металла или сплава из фольги тщательно зачищается наждачной бумагой, обезжиривается содой Na2CO3,промывается

7

дистиллированной водой, влага удаляется фильтровальной бумагой, после чего образец высушивается в сушильном шкафу при t = +500 С и помещается в кварцевый тигель 2, подвешенный на нить 3 с помощью кольца 4на крючок 5 (положение тигля "А"). В этом положении образец вместе с тиглем и подвесочной нитью взвешивается с точностью до 0,0001 г на аналитических весах 6.

Рис. 2. Установка для определения скорости коррозии металлов при повышенных температурах:

1 – муфельная электропечь МП-3 с терморегулятором, 2 – кварцевый тигель с образцом, 3 – металлическая нить, 4 – кольцо для удержания образца в положении «Б», 5 – крючок для закрепления образца в положении «А», 6 – аналитические весы VIBRAHTR 220, 7 – крышка печи, 8 – нагревательная спираль, 9 – термопара для замера и поддержания температуры

Внимание! Подвешивать нить с образцом на крючок разрешается только после загрузки всех параметров электронных весов, когда на индикаторе загорятся все нули.

После съема крышки 7 образец с тиглем осторожно снимается с крючка и переводится в положение "Б". Фиксируется вес тигля с образцом, включается секундомер, и этот момент времени τсчитается началом проведения опыта. Крышка вновь устанавливается на место. Весы остаются включенными на все время проведения опыта. В первые 5 минут опыта следует производить измерение и запись веса тигля с образцом через 1минуту, так как вес будет вначале уменьшаться (испарение конденсатной

8

влаги с образца и тигля). Фиксируется минимальный вес, который будет

являться исходным –

g0

и это время принимается равным нулю (τ0 = 0)

для определения привеса образца в процессе окисления. В дальнейшем взвешивание повторяется через каждые 3÷5 минут в течение 0,5÷1,5 часов (по заданию преподавателя). Результаты взвешивания заносятся в табл. 1.

 

 

 

 

Таблица 1

 

Экспериментальные данные коррозионного процесса

 

 

 

 

 

 

Время от

Вес образца

Привес образца

Скорость изменения

Температу-

с тиглем и

g

Веса g

начала

ра в печи,

нитью g

(разность весов за-

(разность весов запе-

опытаτn,

°С

(до 0,0001),

период времени

риод времени

мин

 

г

τnτ0),г

τnτn-1),г

 

 

 

 

 

 

 

После окончания опыта печь отключается, весы выключаются, разъемная крышка снимается и тигель с образцом переводится вновь в положение "А" путем завешивания нити 3 за кольцо 4 на крючок 5, тигель охлаждается до комнатной температуры.

Образец пинцетом вынимается из тигля и дается визуальная оценка его внешнего вида. Идентифицируется по справочным данным состав продуктов коррозии и их адгезия.

Обработка полученных результатов

Из полученных данных по формулам (1.1) и (1.2) рассчитываются

весовые положительный и

К ,г/м2·час: вес

К вес

отрицательный показатели

 

g

4

 

S

10

,

 

 

 

 

 

коррозии

К вес

(1.1)

и

где g – изменение веса образца, относительно предыдущего взвешивания, г;

S – поверхность образца с двух сторон, см2;

=(τnτn-1) – время контакта образца с коррозионной средой, за период от предыдущего взвешивания, час.

Положительный весовой показатель можно пересчитать в отрицательный, если известен химический состав продуктов коррозии

 

 

AМе m к

,

 

Квес Квес

 

(1.2)

n M

 

 

 

 

где AМе атомный вес металла;

9

n – изменение валентности металла; M 0к молекулярный вес оксида;

m – изменение валентности окислителя – агрессивного компонента газовой среды (молекулы кислорода); к – количество атомов кислорода в молекуле оксида.

Отрицательный весовой

К вес

показатель нужен для расчета глубин-

ного показателя коррозии – П , мм/год (проницаемость), по величине которого определяем коррозионную стойкость данного металла в агрессивной среде по 10-ти балльной шкале (балл и группу)

П

К

 

8,76

вес

 

 

 

d

 

 

Ме

,

(1.3)

где

d

Ме – плотность металла, г/см3. Критерий сплошности оксидной

пленки:

BV0к

VМе

, определяемый как

отношение удельного мольного объема оксида к удельному атомному объему металла, можно рассчитать по формуле:

 

 

B

MdМе

,

(1,4)

 

 

 

 

 

 

dAМе

 

где

 

 

3

.

d

0к плотность оксида металла, г/см

 

 

 

 

 

Толщина плёнки оксида h , (см) рассчитывается для каждого момента времени (τn) эксперимента по формуле:

h

 

g

d

0

к

S

 

 

,

(1.5)

Полученные расчётные и экспериментальные данные сводятся в табл. 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

 

Параметры коррозионного процесса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Время,

Температура,

τ,

B

h ,

 

 

,

 

П ,

 

 

Квес

 

 

мин.

0С

час

 

см

 

 

мм/год

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г/м ∙час

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По данным таблиц 1 и 2 строятся графические зависимости: h , для определения вида кривой, то есть закона роста пленки и lg( h) lg( ) , из

10

Соседние файлы в предмете Коррозия и защита от коррозии