Лекция 17. Коррозия (продолжение).
1) газовой – вид и парциальное давление газов, их растворимость в воде, относительная влажность и температура;
2) жидкой – вид среды, наличие агрессивных агентов, их концентрация, а также величина скорости среды у поверхности конструкции;
3) твердой – вид среды, дисперсность, растворимость в воде, гигроскопичность, относительная влажность окружающей среды и самого материала, температура.
1. Воздействие газов.
Скорость протекания коррозионных процессов материалов прямо пропорциональна интенсивности агрессивных воздействий газовых сред и обратно пропорциональна стойкости и плотности материала. Плотные материалы (например, металлы) взаимодействуют со средой только своей внешней поверхностью, в то время как пористые подвергаются агрессивному воздействию и в толще материала. Например, в бетон невысокой плотности воздух проникает до 10 см в год, а в плотный – только до 2 см.
2. Воздействие жидкостей.
Наиболее распространенные жидкие агрессивные среды – вода, кислоты, щелочи, растворы солей, масла, нефть и нефтепродукты, органические растворители.
Агрессивное действие воды определяет степень ее минерализации (содержание солей), жесткости, кислотности и щелочности. Морская, а тем более, океаническая вода, содержит очень большое количество солей и является еще более агрессивной. Следует отметить, что и деминерализованная вода обладает коррозионным действием на пористые и легкорастворимые материалы, особенно в условиях низких температур. Дело в том, что молекулы воды, благодаря своему строению, обладают так называемым расклинивающим давлением, вследствие чего замерзающая вода проникает в любую полость материала, увеличивая ее. Вода вызывает коррозию даже некоторых вполне инертных металлов, таких как Рb.
Наиболее агрессивны по отношению к металлам, бетонам и силикатному кирпичу кислоты. Керамические изделия (на основе диоксида кремния) хорошо противостоят кислотам, но их разрушают щелочи. Минеральные кислоты обладают большей коррозионной активностью, чем органические. Особенно большие разрушения возникают при попеременном действии различных кислот.
Солевые растворы оказывают на материалы не только химическое, но и физическое воздействие, кристаллизуясь в их порах, причем пористые материалы разрушаются быстрее плотных. Минеральные масла и нефтепродукты имеют в своем составе серу- и азотсодержащие присадки, которые существенно увеличивают их коррозионную активность.
Растворители – бензин, бензол, ацетон, керосин, ксилол и другие – легко растворяют некоторые строительные материалы. Следует отметить, что в целом коррозионное действие органических веществ ниже, чем неорганических. Это связано, в первую очередь, с низкой растворимостью их в воде.
3. Твердые среды – соли, пыль угля, руды – не агрессивны по отношению к сухим материалам, однако в условиях эксплуатации почти всегда присутствует влажность, имеющаяся в атмосфере в достаточном, для развития коррозии, количестве.
Агрессивные среды в зависимости от характера взаимодействия с материалами делят на две группы – физически и химически активные.
Физически агрессивные среды вызывают необратимые изменения материалов, не сопровождающиеся химическими реакциями.
Химически агрессивные среды вызывают необратимые процессы, сопровождающиеся химическими реакциями.
В зависимости от характера агрессивной среды различают следующие основные виды коррозии металлов.
Газовая коррозия – химическая коррозия металла в газах при высоких температурах.
Атмосферная коррозия – наиболее распространенный вид разрушения металлов и сплавов. Обусловлена воздействием на металл влаги и находящихся в воздухе газов (сероводород, диоксид углерода, диоксид серы, оксиды азота и другие вредные примеси).
Подземная коррозия протекает при воздействии на метал почвы или грунта.
Коррозия блуждающим током вызывается действием блуждающих токов; протекает у подземных металлических сооружений и обусловлена, тем, что электрический ток, попадая в землю через провода заземления электроустановок, проходит и через находящиеся под землей сооружения.
Коррозия внешним током вызывается воздействием тока от внешнего источника.
Подводная коррозия возникает на металлах, погруженных в воду.
Контактная коррозия образуется при соприкосновении двух разнородных металлах в растворах электролитов или влажных газов.
Структурная коррозия возникает вследствие структурной неоднородности металлов.
Коррозия под напряжением возникает при воздействии кроме агрессивной среды постоянных и переменных механических напряжений.
В зависимости от условий протекания коррозионного процесса, природы металла и агрессивной среды коррозию разделяют на равномерную и местную.
Так как прочность конструкции зависит от прочности наиболее слабого сечения, то местная коррозия очень опасна. Виды местной коррозии:
1. Точечная или избирательная коррозия, разрушающая только один компонент сплава. Например, обесцинкование латуней (выщелачивание цинка) относится к избирательной коррозии.
2. Межкристаллитная коррозия распространяется по границам кристаллов металла и является наиболее опасной. Вследствие разрушения металла на границах кристаллов нарушается связь, что приводит к резкому снижению механических свойств материала, но практически не изменяет его внешнего вида.
Межкристаллитной коррозии подвержены многие сплавы: строительные стали, нержавеющие высокохромистые и хромоникелевые стали, медноалюминиевые сплавы. При этом наблюдается коррозионное растрескивание: вследствие одновременного действия агрессивной среды и механических напряжений в металле образуются трещины.
Лекция 18.
Методы защиты от коррозии.
Существуют 4 группы методов защиты от коррозии:
1) применение коррозионностойких сплавов;
2) защита поверхности металла покрытиями;
3) обработка коррозионной среды;
4) электрохимические методы.
Рассмотрим их по порядку.
1. Применение коррозионностойких сплавов.
Металлические конструкционные коррозионостойкие материалы разделяют на две основные группы.
Черные металлы (сплавы на основе железа) – это обычные углеродистые стали (содержащие до 1% С), высоколегированные стали (содержащие, Cr, Ni, Mo, V и другие металлы), чугуны (содержащие С до 2,5% и более).
Углеродистые стали.
Антикоррозионные свойства углеродистых сталей обыкновенного качества определяются содержанием углерода, а также способом ее механической обработки. Так, в отожженных сталях влияние углерода сказывается при содержании 0,3-0,4%. Коррозионную стойкость ухудшает в основном сера. Она вызывает межкристаллитную коррозию стали, образуя с железом и марганцем сульфиды. В целом данные стали не обладают большой коррозионной стойкостью.
Легированные стали.
В качестве специальных легирующих элементов, повышающих коррозионную стойкость сталей, используют металлы с более высоким, чем у железа, потенциалом или легко пассивирующиеся металлы, например, хром.
Коррозионная стойкость и величина потенциала сплава в результате легирования увеличивается скачкообразно по правилу Таммана. Концентрация более стойкого компонента, при которой скачкообразно повышается коррозионная стойкость сплава, пропорциональна n/8 атомной доли легирующего компонента, где n – целое число от 1 до 7. Такая концентрация получила название границы или порога химической устойчивости сплава.
Скомп = ХА×n/8 (где n = 1-7; ХА – атомная доля более стойкого компонента)
Один и тот же сплав может иметь несколько порогов устойчивости. Например, для хромистых сталей первый порог устойчивости, соответствует содержанию хрома 12,5% и обеспечивает стойкость их в холодной разбавленной азотной кислоте. Второй порог устойчивости соответствует содержанию 25% хрома и обеспечивает устойчивость сталей к кипящей азотной кислоте.
Все высоколегированные стали классифицируются по свойствам на три группы:
I группа – коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали, стойкие к атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой и другим видам электрохимической коррозии.
II группа – жаростойкие стали, эксплуатируемые в ненагруженном или слабонагруженном состоянии; стойки в газовых средах при температуре выше 550 0С.
III группа – жаропрочные стали, эксплуатируемые в нагруженном состоянии в течение длительного времени при высоких температурах.
Чугуны.
Как известно, чугуны подразделяются на два класса: белые (без графита) и серые (с графитом). По действующим стандартам различают три группы серых чугунов: обыкновенный литейный, модифицированный и высокопрочный чугун.
Чугун первой группы используется в химическом аппарато- и машиностроении. Из него отливают цилиндры и корпуса насосов, трубы и емкости.
Чугуны также легируют, как и стали. Легированные чугуны делятся на: никелевые (2-5% никеля), хромистые (26-36% хрома), алюминиевые, высококремнистые, кремнемолибденовые (антихлоры) и другие.
Сплавы цветных металлов: никель, медь, алюминий, титан, цинк, олово, свинец, серебро, тантал, золото и другие металлы.
Никель. По величине электродного потенциала (-0,25 В) никель занимает промежуточное положение между железом и медью. Он пассивируется легче, чем медь и обладает большей коррозионной стойкостью, а также превосходит медь по механическим свойствам. Применяют, главным образом, для покрытий. Все сплавы никеля характеризуются также жаропрочностью.
Алюминий. Легкий, малопрочный и пластичный материал с высокой электро и теплопроводностью. Имеет отрицательный потенциал (-1,668 В), но обладает высокой способностью к самопассивации в окислительных средах. При этом образуется очень прочная оксидная пленка Al2O3. Поэтому он стоек к действию концентрированных азотной и серной кислот. Бескислородные кислоты, а также щелочи разрушают алюминий. Добавление к алюминию кремния и меди повышают его коррозионную стойкость, особенно к действию азотной кислоты. Сплавы алюминия – дюралюминий, применяемый в самолетостроении. Сплавы алюминия применяют также для изготовления сварных деталей, трубопроводов, емкостей.
Медь. Сплавы меди намного устойчивее к агрессивным средам, чем сплавы на основе железа. Медь находится в ряду напряжений правее водорода и ее потенциал равен +0,34 В, поэтому медь не растворяется в разбавленных растворах кислот, окислителей по катиону водорода – серной, соляной и других галогеноводородных кислот, а также органических кислот, таких, как уксусная, щавелевая, лимонная и другие. В то же время способность меди к пассивированию выражена слабо, поэтому она неустойчива в кислотах, окислителях по аниону – азотной и концентрированной серной кислоте. При доступе кислорода (в условиях доступа влажного воздуха) коррозия меди сильно возрастает.
Более высокой антикоррозионной стойкостью, чем медь, обладают ее сплавы – бронза и сплавы с никелем. Самой высокой коррозионной стойкостью обладают кремнистые бронзы, а прочностью и упругостью – берилливые. Коррозионная стойкость латуней ниже, чем у меди, в первую очередь потому, что они подвержены избирательной коррозии, так называемому обесцинкованию.
Титан. Имеет отрицательный электродный потенциал (-1,21 В), но легко пассивируется, образуя пленку TiO2, очень прочную, в результате чего потенциал титана возрастает до положительного значения. В отличие от ряда других металлов и сплавов титан в условиях механических напряжений не подвергается коррозионному растрескиванию. Титан и его сплавы применяют для изготовления аппаратов химических производств, химического машиностроения. Сварку титана рекомендуется проводить в защитной атмосфере (обычно используют аргон), поскольку титан легко насыщается газами (особенно водородом). У титана и его сплавов при повышении температуры резко снижаются механические свойства, поэтому их можно применять только при невысоких температурах – не выше 350-600 0С. Для повышения жаропрочности в сплавы титана вводят молибден, ванадий или цирконий – сплавы ВТ-20, ВТ-22 и другие.
Лекция 19.