Коррозия металлов и способы защиты металлов от коррозии

Коррозией называется окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов при их химическом, электрохимическом или биохимическом взаимодействии с окружающей средой. Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость чистых металлов. «Corrosio» означает разъедание. Разрушение материала истиранием относится к процессу эрозии.

По механизму процессы коррозии делятся на химические и электрохи-мические.

При химической коррозии металл взаимодействует со средой, не проводящей электрический ток. Передача электронов от атома металла к окислителю происходит при их непосредственном контакте за один акт без разделения на стадии. Например, коррозия в сухих газах Н₂, О₂, NO₂, SO₂, H₂S, Cl₂ и др. Это – газовая коррозия. Так, кислород взаимодействует с металлом, образуя на его поверхности оксидную пленку. С повышением температуры скорость коррозии возрастает. Например, железо при ~ 300 °С тускнеет на воздухе, образуя оксидную пленку, а при температуре около 600 °С возникает слой окалины, т.е. толстый слой оксидной пленки.

Более опасна водородная коррозия. Водород растворяется в металле, при этом он атомизируется. Атомы водорода подвижнее его молекул, и поэтому проникают в глубинные слои металла, взаимодействуя с карбидом железа Fe₃C – источником прочности стали. Сталь обезуглероживается, при этом ухудшаются ее прочностные свойства. Углерод карбида железа, соединяясь с водородом, образует метан, который нерастворим в металле. Образовавшиеся пузырьки метана испытывают огромное давление, металл из-за них становится хрупким. Это так называемое водородное охрупчивание. Таким образом, при водородной коррозии может наблюдаться потеря прочности, вследствие умягчения стали и возникновения ее хрупкости.

Коррозия в присутствии кислорода, например атмосферного, разрушает металл с поверхности, превращая его в оксидную пленку. Лишь у некоторых металлов (Zn, Al, Cr и некоторых других) эта пленка защищает их от дальнейшей коррозии. Газовая коррозия протекает в сухих газах или в присутствии воды, но при температуре выше температуры ее конденсации, т.е. когда вода находится в виде пара.

Другой разновидностью химической коррозии является коррозия в неэлектролитах, когда коррозионно-агрессивный агент, например, сероводород, растворен в углеводородах, что может иметь место в моторном масле. Но даже в присутствии в неэлектролитах следов влаги механизм коррозии будет уже нехимический.

Электрохимическая коррозия протекает по законам электрохимии при наличии всех ее необходимых условий, т.е. электролита, катода и анода. По сути, эта работа гальванического элемента, сопровождаемая химическими изменениями веществ и выделением электрического тока или тока коррозии.

Электрохимическая коррозия подразделяется на следующие разновидности: коррозия в электролитах, атмосферная коррозия, грунтовая, морская, электрическая.

Принцип действия коррозии в электролитах легко понять из рис. 4.

Р и с. 4. Схема электрохимической коррозии железа в растворе кислоты

Катодом служит какая-либо примесь в металле, например карбид железа Fe₃C, анодом – любой прилегающий участок железа. На анодном участке железо окисляется Fe = Fe²⁺ +2 , а свободные электроны движутся к катоду, где они присоединяются к ионам водорода

2Н⁺ + 2 = Н₂­

При этом свободный водород выделяется в виде пузырьков.

Пример. В железной конструкции содержатся детали из меди. Составьте схему процесса коррозии в растворе соляной кислоты. Как отразится контакт железа с медью на процессе коррозии?

Решение. При контакте железа с медью, т.е. металлов, отличающихся по активности, в присутствии электролита возникает короткозамкнутый гальвани-ческий элемент, в котором железо, как более активный металл φ⁰_Fe²⁺_/Fe=-0,44B, играет роль анода, а медь φ⁰_Cu²⁺_/Cu = +0,34 В является катодом. Схему гальвани-ческого элемента можно записать в виде

(-)Fe | HCl | Cu(+)

Схему протекания электрохимической коррозии можно представить электронными уравнениями

А (-) Fe – 2 = Fe²⁺

К (+) 2Н⁺ + 2 = Н₂

В наибольшей мере металлы разрушаются от атмосферной коррозии. Необ-ходимым условием ее возникновения является наличие воды и кислорода. Основной причиной атмосферной коррозии является неравномерная аэрация поверхности металла. Участки, где кислорода меньше, являются анодными; участки, где его больше – катодными. Схема возникновения и развития атмо-сферной коррозии на участке железа с неравномерной аэрацией - неравномерным контактом атмосферы с поверхностью металла – приведена на рис. 5.

Р и с. 5. Схема атмосферной коррозии стали

Атмосферный кислород достигает поверхности трещины или зазора в металле позднее, чем основной поверхности металла. Взаимодействуя с металлом, кислород образует оксид, т.е. пассивную пленку, которая является катодом, а участок металла, до которого не успел дойти кислород, - анодом. Возникает гальванический элемент, и металл поверхности трещины начинает окисляться. В этом месте образуется каверна, которая разрастается. Ионы железа, взаимодействуя с водой, превращаются в гидроксид железа(II) – первичный продукт коррозии

Fe²⁺ +2ОН^- = Fe(ОН)₂,

а ионы водорода восстанавливаются до свободного водорода. В избытке кислорода гидроксид железа(II) превращается в гидроксид железа(III):

4Fe(ОН)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(ОН)₃.

Смесь Fe(ОН)₂ и Fe(ОН)₃ называется ржавчиной. Оксидная формула ржавчины имеет вид nFeO×mFe₂О₃×pH₂O.

Разновидностью атмосферной коррозии являются грунтовая и морская коррозия.

Для предотвращения больших потерь от коррозии применяются различные методы для ее ослабления:

защита путем изменения коррозионной среды;

неметаллические покрытия;

металлические покрытия;

легирование металлов;

электрохимическая защита.

Скорость процессов коррозии может быть существенно уменьшена введением в коррозионную среду ингибиторов (замедлителей) коррозии. К числу ингибиторов относятся многие вещества неорганического или органического характера, например, нитриты и нитраты, хроматы, альдегиды, гетероор-ганические соединения и другие. Ингибиторы вводятся в среду в малых количествах, порядка долей процента, при этом скорость коррозии уменьшается в сотни и тысячи раз. Если вводить ингибитор, например в кислоту, то она не изменяет своих свойств по отношению к разным химическим соединениям, но теряет свою агрессивность по отношению к металлам. Это происходит вследствие того, что ингибиторы адсорбируются на поверхности металла, образуя тонкие пленки, которые выводят из строя коррозионные микрогальванопары, препятствуя протеканию электродных процессов.

Неметаллические покрытия делятся на неорганические и органические. К неорганическим покрытиям относятся оксидные и фосфатные пленки на железе. При кипячении железа в растворах солей фосфорной кислоты (обычно солей железа и марганца) получают фосфатные пленки, хорошо защищающие от коррозии в атмосфере.

Широко распространены органические покрытия, например, лаки, краски, консервационные смазки.

При защите металлов другими металлами различают анодные и катодные покрытия. Анодное покрытие обладает более отрицательным электродным потен-циалом, чем защищаемый металл, и при образовании гальванопары служит анодом, т.е. разрушается, выполняя защитную функцию. К катодным относятся покрытия с противоположным соотношением в свойствах металлов, например, железо луженое или покрытое медью. В этом случае покрытие выполняет изолирующую функцию до тех пор, пока оно не разрушено. Если целостность катодного покрытия нарушается, то возникает гальванический элемент, работа которого сводится к разрушению защищаемого металла.

Для защиты металлов от наиболее распространенного и вредного вида химической коррозии – газовой коррозии – используют жаростойкое легирование, т.е. введение в состав сплава компонентов, повышающих жаростойкость. Единой теории, объясняющей механизм этого вида защиты, не существует. Две из трех наиболее обоснованных теорий объясняют механизм этого вида защиты образованием защитных оксидных пленок легирующим металлом.

Электрохимическая защита подразделяется на протекторную и катодную. При протекторной защите защищаемая конструкция находится в среде электролита (вода, грунт).

Для протекторной защиты используется специальный электрод – протектор с более отрицательным потенциалом, чем потенциал защищаемой конструкции.

В других методах, называемых катодной защитой, аналогичный результат достигается присоединением металла к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока. Защитное действие осуществляется благодаря повышению концентрации электронов в поверхностном слое металла, что затрудняет его растворение.

281. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

282. В чем заключается сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты свинца в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

283. Железная пластинка, склепанная с медной, погружена в разбавленную серную кислоту. На какой пластинке будет выделяться водород? Почему? Происходящие процессы изобразите электронными уравнениями.

284. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако если к медной пластинке, опущенной в кислород, прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.

285. Для защиты от коррозии железо покрыли: а) цинком; б) оловом; в) никелем. Составьте уравнения анодных и катодных процессов, которые будут происходить в нейтральной среде при нарушении целостности защитного слоя.

286. Если на стальной предмет нанести каплю воды, то коррозии подвергается средняя, а не внешняя часть смоченного металла. После высыхания капли в ее центре появляется пятно ржавчины. Чем это можно объяснить? Какой участок металла, находящийся под каплей воды, является анодным и какой катодным? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.

287. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

288. Алюминиевую и железную пластинки погрузили в раствор хлорида меди(II). Составьте электронные и ионные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут происходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

289. Железные пластинки находятся в растворе соляной кислоты в контакте с серебряной, свинцовой и алюминиевой пластинками. В каком случае скорость коррозии наибольшая? Почему? Ответ мотивируйте расчетами и составьте схемы анодных и катодных процессов.

290. Какой металл будет окисляться при нарушении поверхности, если а) медь покрыта алюминием; б) никель покрыт серебром? Составьте электронные уравнения анодных и катодных процессов коррозии указанных металлов в растворе серной кислоты.

291. Какой металл целесообразнее выбрать для протекторной защиты от коррозии свинцовой оболочки кабеля: цинк, магний или хром? Почему? Напишите уравнения электродных процессов, происходящих при коррозии протектора в кислых почвенных водах.

292. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

293. Если гвоздь вбить во влажное дерево, то ржавчиной покрывается та его часть, которая находится внутри дерева. Чем это можно объяснить? Анодом или катодом является эта часть гвоздя? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.

294. Склепаны два металла и находятся в кислом растворе: а) цинк с серебром; б) алюминий с марганцем. Указать, какой из металлов подвергается коррозии. Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих в обоих случаях.

295. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

296. В раствор соляной кислоты поместили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую серебром. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.

297. Почему химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в сильнокислой среде.

298. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую алюминием. В каком случае электрохимическая коррозия происходит интенсивнее? Что разрушается? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

299. В контакте с цинком и железом в растворе серной кислоты коррозия магния будет происходить сильнее. Почему? Дать схему процесса коррозии.

300. Какие металлы могут быть защищены от коррозии протекторным способом, если в качестве протекторов брать магний, цинк? Какую роль – катода или анода – играет протектор? Составить схемы анодного и катодного процессов коррозии магния, цинка в контакте с железом во влажном воздухе.