Основные способы защиты металлов от коррозии.
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
Проведения лекционного занятия
по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»
для курсантов 2 курса по специальности 20.05.01
«Пожарная безопасность»
ТЕМА № 5
«КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПОСОБЫ ИХ ЗАЩИТЫ»
Обсуждена на заседании МС
протокол №__ от «___»________2015 г.
Владивосток
2015 г.
I. Учебные цели
1. Рассмотреть превращения в материалах под воздействием окружающей среды.
2. Получить представление об особенностях коррозионного разрушения металлов.
3. Изложить способы защиты металлов от коррозии.
II. Воспитательные цели
Формировать у обучаемых знания, умения и навыки, позволяющие решать задачи, стоящие перед ГПС. Морально-психологическая подготовка курсантов и слушателей для ведения работ, связанных с тушением пожаров и спасанием людей.
III. Расчет учебного времени
| Содержание и порядок проведения занятия | Время, мин |
| ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1. Коррозия металлов её сущность и виды. 2. Формы разрушения металлов от коррозии. 3. Способы защиты металлов от коррозии. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ |
IV. Литература
Основная:
1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие / Под ред. В.С. Артамонова – СПбУ ГПС МЧС России, 2011. – 312 с.
2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов : учебное пособие для вузов. Под ред. Чередниченко В. С. – 4-е изд., стер. – М.: Омега-Л, 2008. – 752 с.
3. Материаловедение и технология материалов : курс лекций . Под ред. Артамонова В.С.; МЧС России. – СПб. : СПбУ ГПС МЧС России, 2008. – 112 с.
Дополнительная:
1. Материаловедение и технология металлов . Под ред. Фетисова Г.П. Учебник. – М. : Высш. шк., 2001. – 637 с.
2. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Металлургия, 1994. – 622 с.
3. Материаловедение и технология материалов. Под ред. Солнцева Ю.П. – М.: Металлургия, 1988. – 512 с.
V. Учебно-материальное обеспечение
1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, портативный компьютер.
2. Слайды, плакаты.
VI. Текст лекции
Введение.
1. Коррозия металлов, ее виды и формы разрушения металлов.
Коррозия-это разрушение металлических деталей вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. При этом участки металла, подвергшиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои механические свойства.
В результате коррозии ежегодно теряется от 1 до 1,5% всего используемого металла. Прямые потери при коррозии связаны с воспроизводством и заменой оборудования, косвенные – с потерями от простоев, снижением производительности оборудования, нарушениями технологического процесса, авариями, обусловленными снижением прочности металлических конструкций и т.п. Принято считать, что в индустриально развитых странах убытки от коррозии составляют 2-4% национального дохода. Причём эти потери имеют тенденцию к росту, что связано:
1) с ростом металлофонда;
2) с увеличением в технике и технологии таких параметров, как температура, давление, скорость, агрессивность среды;
3) с повышением загрязненности коррозионно-активными веществами окружающей среды (атмосферы, воды, почвы).
Проблема коррозии металлов и сплавов, разработка методов и средств борьбы с ней носит глобальный характер. Для пожарной техники эта проблема особенно важна, т.к. сроки эксплуатации техники весьма значительны и сохранение её в исправном и работоспособном состоянии - задача не только актуальная, но и достаточно сложная. Поэтому вопросам защиты от коррозии в подразделениях пожарной охраны уделяется большое внимание.
Коррозия может протекать вследствие чисто химических реакций металла с окружающей средой, либо благодаря электрохимическим процессам, происходящих на границе раздела металла с внешней средой. Исходя из этого, по механизму (природе) различают два типа коррозии: химическую и электрохимическую.
Коррозия металлического изделия всегда начинается с его поверхности на границе металл-коррозионная (внешняя) среда, постепенно распространяясь вглубь металла (иногда до сквозного разрушения).
Характер разрушения металла от коррозии может быть разным. Коррозия может быть: сплошной, когда повреждению подвергается весь поверхностный слой и местной, когда подвергаются отдельные участки поверхности; межкристаллической, когда повреждается металл по границам зёрен-кристаллов.
Отличается коррозия и по условиям её протекания. Наиболее типичные виды коррозии следующие:
1. Атмосферная коррозия – в атмосфере воздуха.
2. Подземная коррозия в почвах и грунтах.
3. Блуждающим током – электрохимическая под воздействием тока от внешнего источника. Блуждающие токи появляются в грунте от различных источников: от рельсовых путей трамвая, электрических железных дорог, заземления промышленных установок и др.
4. Контактная - электрохимическая, вызванная контактом металлов с разными потенциалами.
5. Биокоррозия (микробиологическая) – под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.
6. При полной погружении– коррозия металла, полностью погруженного в жидкую коррозионную среду.
7. При неполном погружении – коррозия металла, частично погруженного в жидкую коррозионную среду.
8. Щелевая– усиление коррозии в щелях и зазорах между двумя металлами и с коррозионно - инертным неметаллическим материалом.
9. Растрескивание - коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и напряжений растяжения с образованием трещин.
10. Газовая– химическая коррозия металлов в газах.
11. Морская– коррозия металла в морской среде, под которой понимается совокупность физических условий – от насыщенного мельчайшими водяными каплями морского воздуха до ила на океанском дне.
Виды 1–4 и 11 относятся к электрохимической коррозии, биокоррозия – преимущественно имеет электрохимическую природу. Как правило, коррозия видов 6-9 практически электрохимическая, но может быть и химической. Горячая газовая коррозия – типичный случай химической коррозии.
Химическая коррозияхарактерна для сред, не проводящих электрический ток, т.е. при отсутствии электролитов. Металл непосредственно взаимодействует с окислителем, при этом происходит переход электронов от металла к веществам, находящимся в окружающей среде. Известны следующие основные разновидности химической коррозии: газовые (атмосферная и газовая производственная), коррозия в агрессивных жидких неэлектролитах.
1. Атмосферная коррозиявозникает под влиянием газов атмосферы (кислорода, азота, углекислого газа, паров воды). Например, атмосферная коррозия цинка и железа может быть выражена следующими уравнениями:
2Zn + 02 →Zп0
Fе+С02+Н20→ FеСО3+Н2
2. В производственных условиях под действием кислорода, водорода, агрессивных газов (S02, Н2S, NО2, галогенов) развивается газовая (производственная) коррозия. Подобные процессы чаще протекают при повышенных температурах. К газам, обладающим повышенной коррозирующей способностью, относятся:
- газы, содержащие сернистые соединения, которые при взаимодействии с металлом образуют сульфиды. Сульфиды легко окисляются на воздухе, при этом выделяется большое количество тепла, что может привести к самовозгоранию этих соединений;
- кислород, который при взаимодействии с металлом образует оксиды. Некоторые оксиды непрочны, отслаиваются и уменьшают толщину стенок аппаратов;
- водород, который при повышенных давлениях может диффундировать в толщу металла производственного оборудования. Металл при этом становится хрупким и теряет свою прочность.
Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность. Стойкость против газовой коррозии повышается при введении в состав сплавов различных добавок (хрома, алюминия, кремния и др.). Добавки алюминия, бериллия и магния к меди повышают ее сопротивление газовой коррозии в окислительных средах. Для защиты стальных и железных изделий от этого вида коррозии поверхность покрывают алюминием (алитирование).
3. Коррозия в агрессивных жидкостяхможет протекать как при низких, так и при повышенных температурах. К этому типу химической коррозии можно отнести взаимодействие металлов с жидкими неэлектролитами, например, с сернистой нефтью, бензином, маслом, расплавами солей.
Наибольшие потери металлов обусловлены электрохимической коррозией. Электрохимическая коррозияхарактерна для сред, имеющих ионную проводимость. Она протекает в электролитах, во влажном газе, в почве.
Металлы и сплавы неоднородны. При соприкосновении их с электролитами (кислотами, щелочами, солями) одни участники поверхности играют роль анода (отдают электроны), другие (различного рода включения) – катода (принимают электроны). На поверхности металла возникает множество микрогальванических пар. Чем выше разность потенциалов металлов, образующих гальванические пары, степень неоднородности структур, температура и величина внутренних напряжений, тем интенсивнее коррозия. Основным отличием процессов электрохимической коррозии от процессов в гальванической цепи является отсутствие внешней цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят из корродирующего металла. А двигаются внутри металла.
Таким образом, электрохимическая коррозия – это окислительно-восстановительный процесс, происходящий при соприкосновении двух металлов или на поверхности металла, содержащего примеси, которые играют роль менее активного металла.
Основные способы защиты металлов от коррозии.
Много веков стоит в Дели удивительная колонна. Потому удивительная, что сделана она из чистейшего железа. Проходят века, а колонна не ржавеет.
Как древнейшим металлургам удалось выплавить чистое железо? Было мнение, что это не человеческих рук дело, а пришельцы из иных миров воздвигли этот обелиск в память своего пребывания на Земле. Но если лишить колонну загадочного ореола ее происхождения, остается чрезвычайно важный факт: чем чище металл, тем медленнее разрушается он коррозией.
И не только одна чистота здесь существенна. Важно, чтобы поверхность металлической детали была тщательно обработана. Ведь отдельные «бугорки» или «впадины» могут, оказывается, играть роль посторонних включений. Ученым и инженерам удалось достичь почти идеальной гладкости поверхности. Изделия с такой поверхностью уже нашли применение в конструкциях ракет и космических кораблей.
Однако проблема борьбы с коррозией полностью не решена. Получить очень чистые металлы, и притом в огромных количествах, — дело трудоемкое, сложное, и дорогое. Опять же техника больше предпочитает иметь дело со сплавами: у них гораздо богаче диапазон различных свойств. А сплав — это уже как минимум два металла.
Правда, ученые и инженеры достаточно хорошо изучили все возможные механизмы коррозии. И, готовясь получить новый сплав с заранее заданными свойствами, внимательно обдумывают и «коррозионную» сторону вопроса. Теперь создано много сплавов, отличающихся большой устойчивостью к коррозии.
В быту повсюду встречаются оцинкованные и луженые изделия. Железо покрывают пленкой цинка или олова для предохранения от ржавления, железные крыши домов красят плотным слоем масляной краски.
Ослабить, уменьшить коррозию — это значит еще и каким-то путем резко замедлить скорость электрохимических реакций, которые составляют суть коррозионного процесса, для этого и применяют специальные неорганические и органические вещества - ингибиторы.
Сначала их искали ощупью. На них наталкивались случайно.
Оружейники еще в допетровской Руси применяли любопытный способ. Чтобы очистить ружейные стволы от окалины, они промывали (протравляли) их серной кислотой. А в кислоту предварительно насыпали пшеничные отруби. Благодаря этому примитивному методу удавалось предохранить металл от растворения в кислоте.
Для борьбы с коррозией в настоящее время применяются различные способы, учитывающие особенности не только самого металла, но и условия его эксплуатации. Поэтому нет какой-либо единой системы выбора и применения мер защиты от коррозии. В практике борьбы с коррозией наиболее распространены следующие группы способов защиты поверхностей деталей машин и оборудования:
1. защитные покрытия на органической основе (лакокрасочные, гуммировочные, пластмассовые и др.);
2. металлические покрытия;
3. диффузионное насыщение поверхностного слоя;
4. защитные покрытия на неорганической основе (оксидные, фосфатные, силикатные и др.);
5. применение ингибиторов коррозии;
6. электрохимическая защита (катодная, анодная, протекторная защита, защита от блуждающих токов);
7. создание коррозионно-стойких сплавов.
Покрытия неметаллическими веществами среди других методов защиты нашли наибольшее распространение в практике защиты пожарной техники. Сюда относятся нанесение на поверхность деталей красок, лаков, эмалей, противокоррозионных паст, защитных смазок, пластмасс.
Этот метод имеет ряд преимуществ перед другими видами защиты: простота нанесения, доступность, возможность подновления и ремонта в условиях эксплуатации, возможность сочетания с другими способами защиты и т.д.
Однако этот метод не может считаться универсальным т.к. покрытия неметаллическими веществами, особенно лакокрасочные, обладают ограниченной паро-, газо- и водонепроницаемостью, а также недостаточной термостойкостью, хотя последний недостаток устраняется применением кремнийорганических смол, выдерживающих нагрев до 250-300°С. Опыт эксплуатации пожарных машин показывает, что лакокрасочные покрытия могут длительное время успешно выполнять свои функции, если за ним имеется определённый уход.
Уход за лакокрасочным покрытием предусматривает, прежде всего, предупреждение его механического повреждения. Если в результате механических повреждений покрытие даже не полностью разрушается, а образуется лишь трещины или царапины, то они не защищают поверхность металла, а наоборот способствуют проникновению влаги и дальнейшему разрушения покрытия и развитию коррозии. Поэтому при появлении царапин, трещин они должны затираться пастой (воском), лаком и другими антикоррозионными средствами.
Солнечные лучи оказывают заметное разрушающее действие на лакокрасочные покрытия. Под их влиянием происходит изменение цвета пигмента, выделение его на поверхность покрытия, а также разрушение плёнкообразователя, его растрескивание. В связи с этим, длительное нахождение автомобиля на солнце недопустимо.
Нежелательно также, чтобы на окрашенной поверхности длительное время находилась влага. Во-первых, присутствующие в воде соли и другие вещества взаимодействуют с покрытием, изменяя его свойства, в том числе может происходить и прямое разъедание покрытия. Во-вторых, в осенне-зимний период влага, попавшая в микротрещины, замерзает и усиливает растрескивание покрытия. Поэтому после мойки окрашенной техники её необходимо протереть насухо.
Нежелательно попадание на окрашенные поверхности лёгких нефтепродуктов. Особенно чувствительны к нефтепродуктам покрытия с масляно-смоляными плёнкообразователями (глифталевые, пентафталевые эмали и др.). Нитроэмали и краски более стойки к нефтепродуктам, но пользоваться этим без ограничения нельзя.
Любое длительное загрязнение покрытия грязью, пылью разрушающе действует на покрытие. Основными операциями ухода за лакокрасочными покрытиями являются удаления загрязнений с поверхности, нанесение жирной или восковой плёнки при хранении, восстановление блеска путём полировки. Причём полировку нельзя производить на нагретой поверхности, в туман, дождь, на солнце. При наличии на покрытии глубоких и сквозных трещин, которые полированием устранить невозможно, должно быть немедленно осуществлено их восстановление. Причём восстанавливаться оно должно с применением грунтовки. Простая, подкраска не предохраняет поверхность.
В последние годы для защиты металлических деталей автотракторной техники широко используются различные антикоррозионные составы. Так для обработки нижних частей автомобилей применяется: автоантикор-2 битумный, автоантикор эпоксидный, мастика сланцевая МСА-3, автоантикор эпоксидно-каучуковый, а также импортные: тектил-122А (США, Швейцария), Финикор-845 (Финляндия) и др.
Закрытые полости кузовов легковых автомобилей обрабатывают специальными антикоррозионными составами. Например, Мовиль, Резистин-МЛ, НГМ-МЛ и др., которые хорошо проникают в сварные швы, стыки, зазоры и обладают высокой пропитывающей и водовытесняющей способностью.
Всё более широкое применение для защиты поверхностей техники от коррозии находят пластмассы. Металл с нанесённым пластмассовым покрытием называется металлопластом. А процесс нанесения пластмассовой плёнки на металл называется плакированием. Плёнку с металлом соединяют при помощи клея. Для металлопластов обычно используют полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды, фторопласты, эпоксидные, фенолформальдегидные смолы и др. Для защитных покрытий термопласты применяются в виде листовых и пленочных материалов, в виде порошков, дисперсий и концентрированных растворов. Реактоплатсты на защищаемую поверхность наносят в виде растворов, паст, листового материала.
В практике для защиты мелаллоповерхностей от коррозии следует отметить также применение органосиликатов, поскольку в исходном состоянии они находятся в виде суспензий (т.е. в текучем жидком состоянии) и могут наноситься на защищаемые поверхности кистью, валиком, пульверизатором. Их получают на основе кремнийорганических полимеров с добавкой пигментов, окислов, слюды, талька, асбеста. Они быстро затвердевают при нормальных условиях, легко обрабатываются. При подвергании их нагреванию превращаются в керамику, становясь термо и даже жаростойкими.
Все другие способы, отмеченные ранее, также находят широкое применение, но их реализация осуществляется лишь в заводских условиях, т.к. требует применения специального оборудования и осуществления определённых технологических процессов. Ниже даются краткие сведения об их сущности.
По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные. К катодным относятся покрытия, потенциал которых в данной среде имеет более положительное значение, чем потенциал основного металла. Так, к катодным покрытиям стали относятся покрытия никелем, оловом, медью и др. При повреждении такого покрытия возникает коррозионный элемент, в котором защищаемый металл служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. В обычных условиях катодные покрытия защищают металл механически, изолируя его от окружающей среды. Основное требование к катодным покрытиям - беспористость.
Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла, и защищают изделия не только механически, но главным образом электрохимически. Примерами анодных покрытий являются цинковые и алюминиевые покрытия. Повреждение анодного покрытия или наличие в нем пор не вызывает коррозии основного металла, но способствует разрушению самого покрытия. В образовавшемся коррозионном элементе покрытие является анодом и растворяется, а основной металл катодом, на котором восстанавливается водород и кислород. Образующиеся продукты коррозии заполняют места повреждений или поры и тем самым дополнительно замедляют коррозию. Поэтому степень пористости анодных покрытий не имеет существенного значения.
К защитным металлическим покрытиям предъявляются следующие основные требования: высокая прочность сцепления с основным металлом; равномерное распределение по всей защищаемой поверхности; катодные покрытия должны быть сплошными. При необходимости покрытия должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.
Основной способ нанесения металлических покрытий - гальванический. Покрытия наносятся также погружением изделий в расплавленный металл («горячий метод»), диффузионной металлизацией и плакированием.
Гальванический способ заключается в осаждении на изделие тонкого слоя металла из его соли под действием электрического тока (хромирование, никелирование).
«Горячий метод» заключается в том, что изделие с обработанной и очищенной поверхностью погружают в ванну с расплавленным наносимым металлом (оцинкование, лужение оловом, свинцевание), имеющим более низкую температуру плавления, чем покрываемый металл.
Нанесение покрытия погружением в расплавленный металл является самым старым, простым и дешевым методом. Однако не удается получить равномерные по толщине покрытия. Расход цветных металлов при этом методе велик, так как получаемые покрытия имеют значительную толщину. На автомобилях оцинковывают кузовные и крепёжные детали, покрывают оловом ленту для трубок радиаторов, освинцовывают наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки.
Диффузионное насыщение поверхностного слоя заключается в насыщении его различными элементами (алюминием, кремнием, хромом) при высоких температурах в твердых, жидких и газообразных средах. При температуре, приближающейся к температуре плавления, подвижность металлических ионов настолько велика, что происходит обмен ионов металлов. В результате диффузии в поверхностном слое стали образуются сплавы оксидов алюминия, хрома, кремния или двойные сплавы FeCr2О4, Fe2Si О4, обладающие высокой жаростойкостью.
Плакирование – механотермический метод получения защитного металлического слоя. Лист из углеродистой стали покрывается с одной или с двух сторон защитным (плакирующим) слоем из коррозионно-стойкой стали, цветных металлов или их сплавов. Покрытие образуется в результате совместной горячей прокатки листов.
Применение плакированных металлов дает возможность получить сочетание нужных свойств по механической прочности и коррозионной стойкости. Плакированный материал можно подвергать холодной обработке и сварке. Изготовление жаростойких биметаллов способствует значительной экономии высоколегированных сталей.
Покрытие плёнками окислов. Их бывают 2 разновидности: оксидирование и фосфатирование.
Оксидирование применяется для защиты чёрных и цветных металлов путём придания их поверхности оксидной плёнки погружением в кипящий водный раствор, содержащий едкий натрий, селитру и перекись марганца. Полученная плёнка весьма стойка на сухом воздухе и менее стойка в воде и на сыром воздухе.
Фосфатирование - способ защиты путём образования на поверхности стальных изделий защитной плёнки фосфорнокислых соединений железа и марганца. Ведётся аналогично оксидированию. Фосфатирование применяют для создания антифрикционных покрытий с целью уменьшения износа деталей машин, работающих при трении. Фосфатные пленки сохраняют защитные свойства при температуре до 500 оС.
Коррозия металла в электролитической среде может быть замедлена путем изменения ее электродного потенциала. Электрохимическая защита от коррозии основана на торможении анодных и катодных реакций коррозионного процесса. Одним из путей ее осуществления является присоединение защищаемой детали к протектору – металлу, имеющему более электроотрицательный электродный потенциал (протекторная защита). Протектор изготавливается из более активного металла, чем металл изделия. Протектор будет разрушаться, а изделие останется неизменным. Для изготовления протекторов используются магний, цинк и сплавы на их основе.
Действие протектора ограничивается определенным расстоянием. Такую защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций в грунте, морской и речной воде и других нейтральных средах. Использование протекторной защиты в кислых средах ограничивается высокой скоростью саморастворения протектора.
Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется введением в сталь легирующих добавок хрома, никеля, алюминия, кремния, вольфрама и др.
В последние годы всё шире применяются ингибиторы коррозии, т.е. вещества, которые при добавке в агрессивную среду предотвращают или значительно уменьшают скорость коррозии. Их добавляют в охлаждающие жидкости, топливо, масла, смазки, тормозные жидкости и т.д. К ингибиторам коррозии относятся нитриты и нитраты, хроматы, бихроматы натрия и калия, бикарбонат кальция, силикаты, полифосфаты, соли органических кислот, амины и др.