Коррозия и защита металлов от коррозии

Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы

Коррозия металлов - это разрушение, вызванное хими­ческим или электрохимическим воздействием внешней среды.

К химической коррозии относятся все виды химичес­кого разрушения материалов, не связанные с переносом электрического заряда. К ним принадлежат и окисление металла при нагреве, и газовая коррозия в парах и га­зах сгорающего топлива (например, в двигателях внут­реннего сгорания), коррозия в жидкостях, не проводя­щих электрического тока (в спиртах, различных органи­ческих жидкостях).

Электрохимическая коррозия осуществляется в при­сутствии электролитов и может быть атмосферной (во влажном воздухе), почвенной и в других средах, напри­мер морской воде, растворах кислот, щелочей, в распла­вах солей.

По характеру разрушения коррозию подразделяют на равномерную или общую, при которой поверхность раз­рушается равномерно; локальную коррозию, протекаю­щую в отдельных участках поверхности; точечную или питтинговую, для которой характерно появление изъязв­лений материала в отдельных точках, а также межкристаллитную (по границам зерен). Локальная и межкристаллитная коррозия более опасны, чем общая равномер­ная коррозия, так как могут скорее привести к местному разрушению материала.

Рис. 8. Скорость коррозии раз­личных металлов в кипящей серной кислоте:

1 - хромистая сталь; 2 - хромомолибденовая сталь; 3 - хастеллой; 4 – ниобий;

5 - молибден; 6 - тан­тал

Скорость коррозии зависит от конкретных условий службы изделия.Ее, как правило, выражают потерей массы единицей площади поверхности за единицу вре­мени (кг/м^{2 .} с). Если же образовавшаяся при коррозии пленка прочно держится на поверхности кристалла, то скорость коррозии определяют по увеличению массы. Поскольку пленка и образуется и растворяется, часто скорость общей коррозии оценивают глубиной разрушен­ной части изделия в миллиметрах в год (мм/год) (рис. 8).

Коррозионную стойкость материалов оценивают и по группам стойкости и по баллам (табл. 9).

При межкристаллитной коррозии ее скорость целесо­образно определять не по изменению массы, а гораздо проще оценивать поражение материала либо по электро­проводности, либо по изменениям механических свойств.

Таблица 9

Группы коррозионной стойкости сталей и сплавов

В результате соприкосновения с воздухом даже при обычных температурах на поверхности металлов обра­зуется тончайший слой оксидов, защищающих их от дальнейшего окисления. В зависимости от условий обра­зования толщина защитной (пассивирующей) пленки мо­жет меняться от 30…40 нм до 0,5…1 мм.

Рис. 9. Схема гальваниче­ского элемента

Пленки по своему строению пористы, и их проница­емость для различных реагентов неодинакова, причем если количество и размеры пор велики, то пленки про­должают расти практически с постоянной скоростью. Чем выше защитные свойства пленки, тем с меньшей скоро­стью она растет. В общем случае скорость роста обратно пропорциональна толщине пленки, так что ее толщина возрастает по параболическому закону. Скорость газовой коррозии можно изменить, регулируя состав внешней среды.

Большинство металлов разрушается в результате электрохимической коррозии.

Коррозия в электролитах не происходит путем непосредственного соединения металла с другими элементами, а осуществляется более сложными путями.

В соответствии с современной теори­ей коррозии металлов в электролитах считается, что про­цесс заключается в работе множества микроскопических коротко замкнутых гальванических элементов, образую­щихся на поверхности в результате его электрохимичес­кой неоднородности по отношению к окружающей среде (рис. 9). Участки металла с более электроотрицатель­ными потенциалами становятся анодами и растворяют­ся. Возникновение разности потенциалов на поверхности металла обусловлено различиями работы перехода заря­да из различных структурных составляющих сплава в раствор электролита. На участке, где происходит раст­ворение металла, освободившиеся электроны переходят от анода к катоду. На катоде происходит реакция вос­становления ионов. Чаще всего это - ионы водорода. При их восстановлении происходит выделение газообразного водорода. Может происходить и ионизация кислорода с образованием иона гидроксила.

Большинство коррозионных процессов определяется скоростью и характером катодных процессов. При корро­зии в нейтральной воде, а также почве скорость разру­шения определяется скоростью поглощения и ионизации кислорода. Водородная коррозия встречается преиму­щественно в кислых растворах. В нейтральных и даже щелочных растворах водородная коррозия может проис­ходить только для металлов с очень электроотрицатель­ным потенциалом. В результате осуществления элект­родных процессов, в приэлектродных пространствах изменяются концентрации ионов. Поэтому скорость кор­розии в электролитах может определяться и количеством металла, растворенного на единице его поверхности.

На скорость коррозии влияют как внутренние (при­рода коррозирующего металла и его структура), так и внешние факторы (температура, давление, состав сре­ды). В случае образования на поверхности металла за­щитных труднорастворимых пленок коррозия замедля­ется. Укрупнение зерна может не влиять на общую кор­розию, но усиливает межкристаллитную коррозию.

Важное значение имеет поляризация - явление, обу­словленное выделением продуктов электролиза на элект­родах и приводящее к возникновению ЭДС, действующей в направлении, обратном ЭДС, создаваемой гальвани­ческой парой. Поляризация зависит от электрохимичес­ких свойств электродов. Если они сильно поляризуются, то коррозия протекает медленнее, несмотря на неодно­родность структуры металла.

Внешняя среда часто оказывает большее влияние на скорость коррозии, чем свойства и структура материала. Одним из важнейших показателей внешней среды явля­ется ее рН. От величины этого показателя зависит спо­собность материала к пассивации или к депассивации. Так, никель устойчив в нейтральных и щелочных раство­рах и корродирует в кислотах, железо быстрее корродирует в кислых и нейтральных средах, чем в щелочных. Соли часто, не меняя рН растворов, влияют на поляри­зацию электродов и тем самым на скорость коррозии.

В технике известно много случаев, когда коррозия идет в наиболее напряженных участках конструкции (коррозия под напряжением). Одновременное воздействие напряжений и коррозии приводит к коррозионному растрескиванию.

Для защиты металлов от коррозии, прежде всего, соз­дают специальные составы коррозионностойких мате­риалов, которые будут рассмотрены дальше. Но одним изменением составов сталей не всегда целесообразно по­давлять их коррозию. Существуют специальные способы защиты, к которым относят применение защитных покры­тий, электрохимическую защиту и химическую обработку среды, в которой происходит коррозия.

Наиболее распространенным способом является при­менение металлических и неметаллических покрытий, на­носимых химическим или электрохимическим путем. Роль покрытий сводится к устранению контакта защищаемой поверхности от воздействия внешней среды, поэтому в за­висимости от условий работы изделия требования к свой­ствам могут быть различными. Так, при эксплуатации изделий в жилых помещениях, когда они не соприкаса­ются с агрессивными средами, для защиты бывает до­статочно использовать их окраску. В случае работы из­делий в изменяющихся атмосферных условиях, в мор­ской воде или в агрессивных средах (кислотах, щелочах и т. п.) поверхности изделий защищают металлическими и неметаллическими (органического происхождения) пленками. Для защиты изделий используют хромирова­ние, алитирование, силицирование, борирование, цинкование, меднение, серебрение, титанирование и другие спо­собы нанесения покрытий, которые были рассмотрены в гл. 6.

При электрохимических методах защиты (приложен­ным извне напряжением) уменьшения скорости коррозии достигают путем облегчения катодной поляризации за­щищаемого изделия. Электрохимический метод защиты хорошо применять в морской воде. В речной воде из-за большого электросопротивления его эффективность мала, при атмосферной коррозии его применение вообще неце­лесообразно.

Защита металлов от коррозии путем обработки внеш­ней среды заключается в добавлении к агрессивным сре­дам специальных веществ (ингибиторов), замедляющих коррозию. Так, для защиты сталей от коррозии в водных средах в качестве ингибиторов применяют нитрит натрия (NaNO₂), хроматы и бихроматы (K₂CrO₄, K₂Cr₂O₇), снижающие содержание кислорода и облегчающие поляризацию. Получили также распространение летучие или парофазные ингибиторы, например углекислая соль этаноламина. Их вводят, например, в оберточную бумагу, в которой транспортируют металл.