Основы теории коррозии металлов Способы предохранения металлов от коррозии
Разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхность внешней агрессивной средой называется коррозией. Она, как правило, сопровождается образованием на поверхности металла продуктов его разрушения. Так, например, у сплавов железа в результате коррозии образуется ржавчина, имеющая бурый цвет. В некоторых же отдельных случаях разрушение металлов не сопровождается образованием таких заметных продуктов и тогда ее появление обнаружить довольно сложно. Коррозионный эффект затрагивает форму, размеры, структуру, состав и состояние поверхности металла.
Интенсивность развития процесса зависит от свойств самого металла, а также от природы окружающей среды. Большинство металлов, будучи стойкими в одних средах, довольно легко разрушается при взаимодействии с другими. Например, медные сплавы устойчивы во влажной атмосфере, но сильно подвергаются коррозии, если в атмосфере присутствует даже незначительное количество аммиака и углекислого газа; тантал и титан при комнатных температурах весьма стойки во многих агрессивных средах, но приобретают значительную химическую активность при нагреве их выше 600 °С.
Коррозионные процессы классифицируют по условиям и видам разрушения. Условия отражают состав агрессивной среды и особенности работы конструкции.
По условиям протекания коррозия подразделяется на следующие ее разновидности:
- газовая - в газах при высоких температурах (например, в продуктах сжигания топлива), наиболее распространенными случаями являются кислородная и водородная;
- атмосферная - под действием атмосферной влаги (сельская, промышленная, приморская, морская, тропическая) на воздухе;
- жидкостная - в электролитах (природные воды, кислоты, щелочи, растворы солей и др.);
- почвенная - в почвах и грунтах при контакте металлов с грунтовыми водами;
- морская – при воздействии морской воды и др;
- биологическая - под влиянием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;
- внешним током - вследствие воздействия внешнего источника тока, блуждающих токов;
- под напряжением или коррозионное растрескивание - под одновременным воздействием агрессивной среды и механических (растягивающих) напряжений происходит возникновение трещин транскристаллитного или межкристаллитного типа;
- в узлах конструкций - в щелях и зазорах (щелевая), в местах контактов разнородных металлов (контактная), в парах трения (при трении - фретинг-коррозия);
По характеру разрушения коррозию делят на:
- сплошную или равномерную (поверхностную), когда ей подвергается вся поверхность изделия;
- точечную или местную (структурно-избирательную), если она развивается на отдельных небольших участках.
Поверхностная коррозия может быть равномерной и неравномерной в виде пятен и язв.
Наибольшую опасность представляют структурно-избирательные разрушения. Им подвержены металлические сплавы, содержащие фазы с различными термодинамическими свойствами. Примерами структурно-избирательной коррозии являются межкристаллическая или межкристаллитная (по границам зерен сплава), язвенная, точечная и нитевидная по неметаллическим включениям, расслаивающая в направлении пластической деформации; ножевая - разрушения по зоне термического влияния сварных соединений; избирательное растворение менее стойкого компонента сплава (обезцинкование латуни, обезникеливание мельхиора). Межкристаллитная коррозия (МКК) один из наиболее опасных и распространенных видов местной коррозии. МКК проникает вглубь металла по границам зерен, снижает металлическую связь между зернами, приводит к резкому падению прочности и пластичности материала. В коррозионно-стойких сталях она связана с обеднением приграничных областей зерен элементом, в частности хромом, обеспечивающим коррозионную стойкость.
Коррозионному растрескиванию подвержены элементы энергетического и нефтехимического оборудования, работающие под давлением. Напряжения могут создаваться также и в процессе изготовления конструкции. Коррозионной средой является пар в энергетических установках, водные растворы хлоридов и нитратов металлов, щелочей и др. Среда усиливает развитие трещины в результате анодного растворения стали в устье трещины. Между разрушающим напряжением и временем до разрушения при коррозионном растрескивании существует определенная связь. Имеется некоторое критическое напряжение, называемое пределом длительной коррозионной стойкости, ниже которого разрушений металла не происходит. Аустенитные стали плохо сопротивляются коррозионному растрескиванию, ферритные стали же наоборот являются наиболее стойкими к коррозионному растрескиванию.
Применяются следующие способы защиты металлических изделий от коррозии:
1) металлические покрытия;
2) химические покрытия;
3) электрохимическая защита;
4) неметаллические покрытия.
Металлические покрытия. Защита от коррозии путем нанесения тонкого слоя металла, обладающего достаточной стойкостью в данной среде, дает хорошие результаты и является весьма распространенной.
Металлические покрытия могут быть нанесены следующими способами: горячим, гальваническим, диффузионным, термомеханическим, металлизацией (распылением) и т. д. а
Горячий способ применяется для нанесения тонкого слоя легкоплавких металлов: олова (лужение), цинка (цинкование) или свинца (свинцевание). По этому способу очищенное изделие погружают в ванну с расплавленным металлом, причем, последний, смачивает изделие с поверхности и отлагается на нем тонким слоем.
Лужение применяется в основном для посуды (котлов, кастрюль и др.), цинкование — для кровельного железа, проволоки, труб; свинцевание — для химической аппаратуры и труб.
Гальванический способ заключается в нанесении на изделие цинка, олова, свинец, никеля, хрома и других металлов.
Различают анодные и катодные гальванические покрытия.
Анодное покрытие производят металлами, потенциал которых в данном электролите ниже потенциала покрываемого (основного) металла. В условиях эксплуатации готовых изделий анодное покрытие защищает основной металл электрохимически. Срок службы анодных покрытий возрастает при увеличении их толщины.
Примером анодного покрытия является покрытие железа цинком.
Катодное покрытие производят металлами, потенциал которых в данном электролите выше потенциала основного металла. Катодные покрытия создают механическую защиту основного металла. Нарушение сплошности покрытия (разъедание, механические повреждения и т. п.) влечет за собой интенсивную электрохимическую коррозию основного металла, имеющего более низкий электрохимический потенциал. Таким образом, катодные покрытия защищают основной металл, пока они остаются сплошными. Во многих случаях сплошность покрытия может сохраняться очень продолжительное время; столь же продолжительной будет и защита основного металла. Примером катодного покрытия является покрытие железа никелем.
Гальванический способ нашел широкое применение, так как допускает нанесение любого металла на изделия также из любого металла, дает возможность точно регулировать толщину слоя защитного металла и не требует нагрева изделия.
Диффузионный способ состоит в поглощении защитного металла поверхностным слоем изделий и осуществляется диффузией при высоких температурах.
Диффузионным способом производят алитирование (защитный металл — алюминий), хромирование, силицирование (защитный металл — кремний).
Термомеханическое покрытие (плакирование) заключается в получении биметаллов (двойных металлов) путем совместной горячей прокатки основного и защитного металлов. Сцепление между металлами осуществляется в результате диффузии под влиянием давления и высокой температуры.
Термомеханическое покрытие — наиболее надежный способ защиты от коррозии. Сталь защищают медью, томпаком, нержавеющей сталью, алюминием; применяют также дюралюминий, плакированный чистым алюминием.
Прочие способы защиты металлов. Химическая защита заключается в том, что на поверхности изделий искусственно создают защитные неметаллические пленки, чаще всего окисные за счет окисления поверхностного слоя металла. О защитном действии окисных пленок было сказано выше.
Процесс создания окисных пленок называют оксидированием или воронением (в связи с получающимся после операции сине-черным цветом изделий).
При оксидировании стали изделие подвергают действию каких-либо окислителей. Наиболее распространен способ погружения изделий в растворы азотнокислых солей при температуре около 140°.
После оксидирования для увеличения коррозионной стойкости изделия обычно покрывают жировыми веществами или минеральными маслами, которые заполняют поры окисной пленки и препятствуют проникновению влаги в металл.
Оксидирование применяют не только для стали и ее сплавов, но и для алюминия, магния и их сплавов.
Этим способом осуществляется защита изделий, работающих в атмосферных условиях (различные инструменты и приборы). Для изделий, работающих в более агрессивных средах, этот способ не дает нужных результатов.
Кроме окисных пленок, на стальных изделиях для уменьшения коррозии создают также пленки фосфорнокислых солей железа и марганца. Этот способ называется фосфатированием.
Электрохимическая защита разделяется на протекторную и катодную.
Протекторная защита применяется для изделий, работающих в электролитах. Сущность ее заключается в том, что к поверхности, подлежащей защите, или вблизи нее прикрепляют протекторы; последние сделаны из металла, имеющего потенциал меньший, чем потенциал защищаемого изделия. При этом образуется гальваническая пара изделие — протектор, в которой анодом будет протектор, а катодом — изделие. В таких условиях протектор будет постепенно разрушаться, защищая тем самым изделие. После разрушения протектора его заменяют другим. Так, например, с помощью цинкового протектора защищают от коррозии подводные части судов (винты и киль).
Катодная защита применяется для подземных металлических сооружений (трубопроводы, кабели и пр.), которые присоединяются к отрицательному полюсу источника постоянного тока; положительный полюс заземлен.
Неметаллические покрытия — это покрытия красками, эмалями, лаками и смазкой, а также гуммирование.
Лакокрасочные покрытия как средства защиты от коррозии изолируют металл от внешней среды и препятствуют образованию микроэлементов на поверхности металлов. Лакокрасочные покрытия применяются весьма часто. Это объясняется надежностью данного способа защиты от коррозии в атмосферных условиях и простотой выполнения операции покрытия.
Недостатками лакокрасочных покрытий являются их хрупкость и обгорание при высоких температурах.
В качестве смазок применяются различные минеральные масла и жиры. Защита смазкой производится, как правило, при хранении и транспортировании металличргдцх изделий. Смазку периодически обновляют.
Для гуммирования поверхности обезжиривают, обрабатывают пескоструйным аппаратом или металлическими щетками (с целью создания шероховатости), покрывают резиновым клеем и листами сырой резины. Затем производят вулканизацию и отделку.
Домашнее задание: изучив лекцию,ответить на вопросы:
1 Привести примеры сплавов на медной основе
· Латуни-
· Бронзы-
2. Какие сплавы называются легкими сплавами?
3. Привести примеры сплавов
· Алюминиевые сплавы ---
· Сплавы на основе магния---
· Титановые сплавы---
4. Какие сплавы называются - антифрикционные сплавы?
· Баббиты---
· Другие подшипниковые сплавы---
5. Объяснить понятие - Коррозия металлов---
6. Назвать способы предохранения металлов от коррозии---
7.Привести примеры
· Металлические покрытия---
· Неметаллические покрытия---
· Ингибиторы коррозии---
· Химическая и электрохимическая защита---