Оборудование, приборы, материал

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Дисциплина «Защита металлов и конструкций от коррозии» базируется на экспериментальных исследованиях, поэтому для ее усвоения необходимо изучить не только основы теоретического курса, но и овладеть современными экспериментальными исследованиями в этой области.

Современные методы изучения коррозийных процессов, определения или прогнозирования коррозийного разрушения металлических конструкций в условиях их эксплуатации весьма разнообразны. Наряду с элементарными, но не потерявшими своего значения гравиметрическими, объемными и микрометрическими определениями, широко применяют металлографические, оптические методы.

Экспериментально иллюстрируются такие важные разделы дисциплины, как разные методы защиты металлов и конструкций от коррозии: защитные металлические и лакокрасочные покрытия, применение пассиваторов. Представлена работа по выбору стали и ее термической обработке для конструкций, которые работают в коррозийной среде.

Отчет по лабораторной работе рекомендуется составлять по такой схеме:

1) название работы;

2) короткое теоретическое введение;

3) методика работы (схема установки и короткое выполнение опыта);

4) результаты опытов представить в виде таблиц и графиков;

5) выводы.

При выполнении лабораторных работ следует строгj выполнять следующие правила техники безопасности:

1) не класть личные вещи на лабораторные столы, не принимать еду и воду во время работы в лаборатории;

2) каждый реактив, прибор и приспособление для работы должны иметь свое постоянное место. По окончании работы все принадлежности необходимо положить на свое место, посуду вымыть;

3) легко возгораемые жидкости, растворители беречь от огня, при обезжиривании образцов использовать небольшие дозы этих веществ и немедленно закрывать стакан пробкой;

4) в любом случае не следует пробовать вещество на вкус или определять его запах, приблизив нос к горлу колбы, стакана или другого сосуда;

5) жидкость, разлитую на стол или на пол, немедленно удалять сухой тряпкой, а затем тряпкой, обильно смоченной водой, защитив руки;

6) во избежание ожогов нельзя брать голыми руками неостывшие тигли и образцы;

7) категорически запрещается включать электрические рубильники;

8) про все несчастные случаи немедленно сообщить преподавателю.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛЕЙ НА ГАЗОВУЮ КОРРОЗИЮ

Цель работы: определить влияние температуры и химического

состава на газовую коррозию углеродных и легированных сталей.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Газовая коррозия - это химическая коррозия металлов в газах. Ее отличительным признаком является то, что она протекает при отсутствии конденсации жидкости с коррозийной среды на корродирующей поверхности. Ее особенностью является то, что чаще всего она имеет место при повышенных температурах. Как и в любом случае коррозийного процесса, который протекает по химическому механизму, газовая коррозия является гетерогенной реакцией, на скорость и протекание которой оказывает значительное влияние пленки продуктов коррозии, которые образуются на корродирующей поверхности. Термодинамически возможность протекания химической коррозии может быть определена по изменению изобарно- изотермического потенциала ΔZ химической реакции, лежащей в основе коррозийного процесса. Если ΔZ >0, то реакция не идет, коррозии нет; если ΔZ <0 то реакция идет, коррозия есть. Относительно процесса окисления металлов о возможности протекания коррозийного процесса можно судить по парциальному давлению кислорода в коррозийной среде и давлении диссоциации продуктов коррозии, которые образуются (Ро₂ и Рпк соответственно). Если Рпк>Ро₂ - процесс коррозии не идет; если Рпк<Ро₂- процесс коррозии идет.

Если пленка продуктов коррозии, которая образуется на корродирующей поверхности несплошная, то она не препятствует доступу коррозийного агента к корродирующей поверхности; скорость коррозии в этом случае равняется скорости реакции, лежащей в основе коррозийного процесса. В этом случае пленка продуктов коррозии не обладает защитными свойствами. Одним из условий образования сплошных пленок продуктов коррозии, которые владеют защитными свойствам, есть соблюдение Vпк/ Vме>l, условия, где Vпк - объем продуктов коррозии, которые образовались на данной корродирующей поверхности за счет разрушения объема металла. Это условие является необходимым, но не определяющим образование пленок продуктов коррозии с высокими защитными свойствами.

Для того, чтобы пленка продуктов коррозии обладала высокими защитными свойствами, она, кроме сплошности, должна иметь высокую механическую прочность (не разрушаться от процессов рост механического напряжения, который возникает в ней), не должна образовывать легкоплавкие сплавы с материалом, за счет которого она образуется, должна иметь высокое омическое сопротивление.

Если пленка продуктов на корродирующей поверхности сплошная, то скорость коррозии не равняется скорости химической реакции, лежащей в основе коррозийного процесса, а меньше ее. Это происходит в результате замедления транспорта коррозионного агента и корродирующего материала в зону роста пленки. Чем плотнее пленка, тем больше это замедление и тем меньше скорость коррозии. Поскольку транспорт веществ в зону роста пленки осуществляется за счет процессов диффузии, все факторы, которые замедляют диффузию в пленке продуктов коррозии, будут замедлять рост пленки и снижать скорость коррозийного процесса. Наиболее характерным случаем газовой коррозии является окисление металлов при повышенных температурах, которые протекают по реакции Ме+1/2О₂МеО.

Важнейшими факторами, которые определяют скорость и характер газовой коррозии, является температура, состав газовой среды, давление газов, режим нагрева стали, а также химический состав стали, ее структура, степень пластической деформации, характер обработки поверхности детали.

Влияние температуры. С повышением температуры газовой среды процессы окисления протекают значительно быстрее. Характер влияния температуры на скорость окисления металлов определяется температурной зависимостью константы скорости химической реакции к_с (при кинетическом контроле процесса окисления металлов) или коэффициента диффузии k_d (при диффузионном контроле процесса). Константа скорости газовой коррозии и коэффициента диффузии с повышением температуры растут по закону, близкому к экспоненциальному (рис 1а). Данный закон в координатах l/n-lgK_m можно показать ломаной линией, каждый излом которой соответствует изменениям, которые происходят в металле и прилегающем к нему слою окалины (рис.1б).

Зависимость скорости газовой коррозии от температуры выражается уравнением Аррениуса:

K⁺_m=Ae^-^Q^/^RT (1)

где K⁺_m - положительный показатель изменения маси, г/м²ч;

А - постоянная, равная K⁺_m при 1/Т=0 или Т=∞;

е - основание натуральных логарифмов;

Q - эффективная энергия активации процесса, Дж/моль;

R - газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль (1,987 кал/моль);

Т - температура, К.

Рисунок 1 - Температурная зависимость скорости окисления железа на воздухе

После логарифмирования уравнения Аррениуса имеет вид:

(2)

lgK =lgA-(Q/2,303RT)

График в координатах lgK = f(l/T) является прямой или ломаной линией, изломы которой свидетельствуют об изменениях, которые происходят в металле или пленке окисла. По этому графику можно определить скорость газовой коррозии при разных температурах и постоянные А и Q:

(3)

lgA = lgK при 1/Т=0

Q = -2.303Rtgα = 2,303Rtgβ

где α - угол, образуемый прямой с положительным направлением оси абсцисс;

β – тоже, но с отрицательным направлением оси абсцисс.

Величину Q, определяемую из опытных даннях зависимости lgK⁺_m= f(l/T), принято называть кажущейся или эффективной энергией активации процессов.

С увеличением продолжительности выдержки металла при постоянной температуре изменение массы металла растет. Закон роста пленки оксида во времени при постоянной температуре зависит от ее защитных свойств. По данным исследователей, изменения массы образцов в зависимости от длительности нагрева можно получить уравнение, по которому судят о механизме и контролирующем факторе процесса.

Влияние состава газовой среды. Состав газовой среды оказывает значительное влияние на скорость окисления железа и стали. Наиболее сильно влияют водяные пары, соединения серы и кислород. Увеличение коэффициента затраты воздуха, с которым сжигают топливо, усиливает газовую коррозию. Скорость газовой коррозии ряда сталей резко снижается с повышением содержимого оксида углерода СО.

Особенно вредны продукты горения топлива, которые содержат ванадий. При сжигании дешевого жидкого топлива, загрязненного ванадием, образуется зола, которая содержит оксид ванадия V₂О₅. Зола, налипая на металл, увеличивает скорость его окисления и вызывает межкристаллитную коррозию. Причинами ванадиевой коррозии сталей и сплавов является легкоплавкость V₂O_s, ее способность переводить в жидкое состояние химические соединения золы и окалины, которая снижает ее защитные свойства.

Влияние давления газа. В общем случае при снижении парциального давления окисляющего компонента ниже давления диссоциации образовывающего соединения металл становится термодинамически стойким и его окисление прекращается.

Скорость окисления железа при температурах 700-950° С не зависит от парциального давления кислорода, если в окалине есть оксиды Fе₃0₄, Fe₂0₃. При низком парциальном давлении кислорода образуется только оксид FeO и в этом случае константа линейного закона роста пленки пропорциональна давлению кислорода.

Влияние скорости движения газов. При небольших скоростях газового потока от 1 до 3 м/мин достигаются предельные скорости окисления металла, которые составляют от 200 до 800 г/м² ч при температурах 800-1080° С. При дальнейшем увеличении скорости газового потока скорость окисления металла остается постоянной.

Влияние режима нагрева. Колебания температуры при нагреве или эксплуатации при высоких температурах, переменный нагрев и охлаждение увеличивают скорость окисления железа и стали. Это обусловлено возникновением в защитной оксидной пленке термических напряжений, приводящих к ее разрушению.

Влияние химического состава стали. Защитные свойства пленки продуктов коррозии, которая образуется, и, следовательно, коррозийная стойкость сплава находятся в зависимости от его состава.

Следует отметить, что при высоких температурах (800° С и более) с увеличением содержания углерода в стали скорость ее окисления уменьшается в результате более интенсивного образования оксида углерода. Это приводит к торможению окисления оксида железа, самоторможению окисления углерода и усиление образования в окалине газовых пузырей.

Легирующие элементы по-разному влияют на газовую коррозию.

Хром, алюминий и кремний вводятся в сталь в количестве 30, 10 и 5%, соответственно. Они сильнее всего замедляют окисление железа из-за образования защитных пленок оксидов. Эти элементы применяются для легирования стали в целях повышения ее жаростойкости. Однако стали с высоким содержанием алюминия или кремния хрупкие и очень тверды, которая затрудняет их механическую обработку. Поэтому эти сплавы не имеют широкого распространения.

Сера, фосфор, никель не влияют на окисление железа. Титан, медь, кобальт и бериллий заметно замедляют окисление железа, которое связано с повышением защитных свойств окалины, которая образуется. Ванадий, вольфрам, молибден могут сильно ускорять окисления стали при высоких температурах. Это обусловлено легкоплавкостью и текучестью образующихся оксидов.

Влияние структуры металла. При высоких температурах наиболее жаростойкой является аустенитная структура, при которой наблюдается самый медленный рост скорости окисления с увеличением температуры. Хромоникеливые стали с однофазной аустенитной структурой более устойчивые против окисления, чем стали с двухфазной феррито-аустенитной структурой. С увеличением содержимого феррита в этих сталях жаростойкость снижается. Меньшая жаростойкость двухфазной стали обусловлена большей неоднородностью по составу пленки оксида, которая образуется, и неравномерностью распределения в ней внутреннего напряжения.

Степень пластической деформации. Предварительная пластическая деформация несколько ускоряет окисление металла в начальной стадии при температурах, которые не превышают температуру возвращения или рекристаллизации, Это обусловленно повышенной энергией металла и влиянием на структуру. Кроме того, что растягивающие напряжения создают возможность протекания местной коррозии.

Влияние характера обработки поверхности стали. С повышением качества обработки поверхности стали снижается скорость ее окисления, что связано с различным действием истинных начальных поверхностей окисляющегося металла, лучшей сохраняемостю пленок окислов на качественной поверхности.

При практических расчетах используются следующие показатели коррозии.

1. Показатель изменения массы - изменение массы образца стали Δm, отнесенное к единице поверхности S в единицу времени τ:

- положительный показатель изменения массы, г/м ч:

K⁺_m=Δ m/S_τ (4)

где Δm - увеличение массы образца за время, τ;

- отрицательный показатель изменения массы, г/м²ч:

K^¯_m=Δ m/S_τ ₍₅₎

где Δm - убыль массы образца за время испытания после удаления продуктов коррозии.

Отрицательный показатель массы можно определить также по формуле, если известен химический состав окалины, которая образуется