Корозія металів і міри боротьби з нею

1. Поняття корозія металів, її класифікація.

2. Електрохімічна корозія.

3. Хімічна корозія.

4. Атмосферна корозія.

5. Способи захисту металів від корозії.

1. Корозією металів і сплавів називають руйнування їх під впливом зовнішнього середовища. Прикладами корозії може служити ржавіння заліза на повітрі, роз'їдання підводних частин судів, псування хімічної апаратури від дії різних розчинів, а також концентрованих кислот і лугів. Корозія приводить вироби в непридатність. Втрати заліза від корозії складають в середньому 10 % від виплавки, тому боротьба з корозією – важлива народногосподарська задача.

За типом корозійного процесу розрізняють електрохімічну і хімічну корозії; за видом корозійного середовища корозію відносять до атмосферної, грунтової або в морській воді; за характером корозійних руйнувань виділяють суцільну, поверхневу місцеву, міжкристалічну корозію і корозійні тріщини.

2. Електрохімічною корозією називають таку корозію, яка супроводиться появою електричного струму. Обумовлена вона наявністю рідини-електроліту. При зіткненні металу з електролітом іони з поверхні металу переходять в електроліт, визначаючи виникнення між ними електрорушійної сили.

Цей процес розчинення металів в електроліті подібний звичайному розчиненню, наприклад, солі у воді, яке припиняється тоді, коли розчин стане насиченим. Проте при розчиненні металу в електроліт переходять лише позитивно заряджені іони; в результаті цього електроліт, що прилягає до металевої пластини, заряджається позитивно, а сама пластина – негативно за рахунок електронів, що залишилися на ній.

Метали володіють різною здатністю переходити в розчин, тобто різною пружністю розчинення. Тому якщо пластинки різних металів опустити в один електроліт, то вони матимуть різні потенціали, причому чим більше іонів металу перейде в розчин, тим буде більшим негативний потенціал. Якщо з'єднати провідником різні металеві пластинки, що знаходяться в електроліті, утворюється гальванічна пара, де анодом є метал з більш низьким потенціалом, а катодом – метал з більш високим потенціалом. У гальванічній парі перехід іонів анода в розчин триває до повного розчинення пластинки анода. Так, якщо пластинку цинку і пластинку заліза опустити в електроліт і з'єднати їх, то цинк буде розчиняться до повного руйнування пластинки.

Шар електроліту при корозії може бути незначним: достатньо невеликої конденсації вологи з повітря на поверхні металу, як починається процес корозії, тому електрохімічна корозія спостерігається і в закритих приміщеннях.

Наявність суцільної оксидної плівки оберігає метал від електрохімічної корозії, оскільки ізолює його від дії електроліту. Цим пояснюється той факт, що деякі метали (алюміній, хром), що мають досить низькі потенціали володіють гарною корозійною стійкістю.

3. Хімічною корозією називають корозію, що не супроводиться появою електричного струму. В цьому випадку на метал діє сухий газ або рідина – не електроліт (бензин, масло, смола і т.п.). На поверхні металу утворюються хімічні з'єднання, частіше всього плівки оксидів. Міцність плівок оксидів різних металів неоднакова. Наприклад, плівки оксиду заліза Fе₂О₃ неміцні, суцільність їх легко порушується, і залізо продовжує іржавіти. У інших металів, наприклад у алюмінію, оксидна плівка вельми міцна, щільно прилягає до поверхні металу і захищає його від подальшого руйнування.

Хімічна корозія в чистому вигляді спостерігається досить рідко. Прикладом її може служити поява окалини при гарячій обробці металів.

4. Атмосферна корозія (корозія на відкритому повітрі) суміщає особливості хімічної і електрохімічної корозії.

Мірою корозійної стійкості металу є швидкість корозії в даному середовищі і в даних умовах, яку звичайно виражають масою металу (в грамах), перетвореною на продукт корозії за одиницю часу (1 ч) і віднесеної до одиниці його поверхні (1 м²). На швидкість корозії металу впливає склад, механічна і термічна обробка, а також середовище (повітря, вода, розчини кислот і т.д.), температура, тиск і характер навантаження.

Найнебезпечнішою для міцності металів є міжкристалічна корозія. Вона поширюється по межах зерен і мало помітна при огляді, проте вироби стають непридатними, оскільки порушується металева суцільність їх і різко знижується міцність. Розвитку міжкристалічної корозії сприяє утворення дрібнодисперсних включень по межах зерен і збільшення, у зв'язку з цим, кількості гальванічних мікропар. Наприклад, у нержавіючої сталі типу Х18Н9 міжкристалічна корозія пов'язана з виділенням карбітів хрому по межах зерен, у дуралюмінія – при виділенні СuAl₂ в процесі старіння.

5. Виробництво корозійних сплавів (наприклад, високолегованої хромової і хромонікелевої сталі) саме по собі вже є способом боротьби з корозією, причому кращим. Проте застосування таких сплавів не завжди можливо внаслідок їх високої вартості або за технічних міркувань.

Застосовують такі способи захисту металевих виробів:

- металеві покриття;

- хімічні покриття;

- електрохімічний захист;

- неметалеві покриття.

Металеві покриття можуть бути нанесені способом: гарячим, гальванічним, дифузійним, термомеханічним, вакуумним, металізацією (розпиленістю) і т.і.

Гарячий спосіб застосовують для нанесення тонкого шару легкоплавких металів: олова (лудіння), цинку (цинкування) або свинцю (свинцювання). За цим способом обчищений вироб занурюють у розплавлений метал, який змочує виріб. Лудіння застосовують в основному у виробництві білої жерсті і для мідного посуду (казанів, каструль і т.ін.), цинкування – для покрівельного заліза, дроту, труб; свинцювання – для хімічної апаратури і труб.

Гальванічний спосіб полягає в нанесенні на виріб цинку, олова, свинцю, нікелю, хрому й інших металів електролізом їх солей. Розрізняють анодні і катодні гальванічні покриття.

Анодні покриття проводять металами, потенціал яких у даному електроліті нижче за потенціал металу, що покривається (основного). Анодне покриття електрохімічно захищає основний метал готових виробів. Прикладом анодного покриття є покриття заліза цинком.Термін служби анодних покриттів зростає при збільшенні їх товщини.

Катодне покриття проводять металами, потенціал яких в даному електроліті вище за потенціал основного металу. Катодні покриття створюють механічний захист основного металу і захищають основний метал, поки вони залишаються суцільними. У багатьох випадках суцільність покриття може зберігатися дуже тривалий час; таким же тривалим буде і захист основного металу. Прикладом катодного покриття є нікелюване залізо.

Гальванічний спосіб широко застосовується, оскільки при цьому допускається нанесення будь-якого металу на вироби з будь-якого металу. Цей спосіб дає можливість точно підтримувати задану товщину покриття захисним металом і не вимагає нагріву виробу.

Термодифузійний спосіб полягає в поглинанні захисного металу поверхневим шаром виробів і здійснюється дифузією при високих температурах. Цим способом проводять алітування (захисні метал – алюміній), хромування, сіліціювання (захисний метал – кремній).

Термомеханічне покриття (плакування) полягає в сумісному гарячому прокатуванні або волочінні основного і захисного металів. Зчеплення між металами здійснюється в результаті дифузії під впливом сумісної деформації при нагріві. Термомеханічне покриття – найнадійніший спосіб захисту від корозії. Сталь захищає з однією або з обох боків міддю, наржавіючою сталлю, алюмінієм.

Хімічний захист полягає в тому, що на поверхні виробів штучно створюють захисні неметалеві плівки, частіше всього оксидні за рахунок окислення поверхневого шару металу. Наведення оксидних плівок називають оксидуванням, а на залізі – воронінням у зв'язку з синьо-чорним кольором покриття.

При оксидуванні сталі виріб піддають дії яких-небудь окислювачів. Найпоширеніший спосіб занурення виробів у розчини азотнокислих солей при температурі близько 140⁰С. Після оксидування для більшої стійкості виріб звичайно покривають жиром, рослинними і мінеральними маслами, які заповнюють пори в оксидній плівці і перешкоджають проникненню вологи в метал.

Оксидування застосовують не тільки для сталі і її сплавів, але і для алюмінію, магнію і їх сплавів. Цим способом здійснюють захист виробів від повітря і опадів. Для виробів, зазнаючих дії більш агресивних середовищ, цей спосіб не може бути застосований.

Окрім оксидних плівок, на сталеві вироби для зменшення корозії наводять плівки фосфорнокислотних солей заліза або марганцю. Цей спосіб називається фосфатуванням.

Електрохімічний захист поділяється на протекторний і катодний.

Протекторний захист застосовується для виробів, дотичних з електролітами. Суть його полягає в тому, що до поверхні, що належить захисту, або поблизу неї прикріплюють протектори, зроблені з металу, що мають потенціал менший, ніж потенціал виробу, що захищається. При цьому утворюється гальванічна пара виріб-протектор, в якій анодом буде протектор, катодом – виріб, а електролітом середовище. В таких умовах протектор поступово руйнуватиметься, захищаючи тим самим виріб. Після руйнування протектор замінюють іншим. Так, наприклад, за допомогою цинкового протектора захищають від корозії приводні частини судів (гвинти і кіль).

Катодний захист застосовується для підземних металевих споруд (трубопроводи, кабелі і т.ін.), які приєднуються до негативного полюса джерела постійного струму: позитивний полюс заземлений.

Неметалеві покриття проводять фарбами, лаками, мастилом, емалями, а також гумою або ебонітом. Лакофарбні покриття як засіб захисту від корозії застосовують часто. Це пояснюється надійністю даного способу захисту від корозії в атмосферних умовах і простотою нанесення покриття. Недоліками лакофарбних покриттів є їх крихкість при старінні і обгорання при високих температурах.

Як мастила застосовують мінеральні масла і жири. Захист мастилом проводиться, як правило, при зберіганні, перевезеннях металевих виробів. Мастило періодично оновлюють.

Гумуванням називають покриття металів гумою або ебонітом. Для захисту хімічної апаратури (судини, трубопроводи, травильні і гальванічні ванни, крани, цистерни і т.п.) від корозійної дії кислот, лугів, розчинів солей. Для гумування поверхні знежирюють, обробляють низькоструминним апаратом або механічними щітками (для створення шорсткості), покривають гумовим клеєм і листами сирої гуми. Потім проводять вулканізацію і обробку. Захист від корозії проводять також пластмасами.

Контрольні питання.

1. Що таке метали? Яка їх будова?

2. Які характерні властивості мають метали?

3. Які бувають види кристалічних граток? Які дефекти кристалічних граток вам відомі?

4. Як відбувається кристалізація металів?

5. Які у металів виділяють властивості?

6. Що собою представляють металеві сплави і які їх характерні властивості?

7. У чому різниця чавунів і сталей? Порівняйте їх властивості.

8. У чому сутність легування сталі?

9. Які види твердих сплавів бувають? Назвіть галузь їх застосування.

10. Назвіть види, основні властивості і галузь застосування мідних сплавів.

11. Назвіть види, основні властивості і галузь застосування алюмінієвих сплавів.