Коррозия металлов. Коррозия – процесс окисления металла под воздействием окружающей среды

Коррозия – процесс окисления металла под воздействием окружающей среды. Наибольший вред от коррозии приходится на долю основного конструкционного металла – железа.

3.1. Виды и типы коррозии

По характеру разрушения металла применяется следующая классификация видов коррозии:

1) равномерная, 2) пятнами, 3) точечная,

4) вглубь металла (язвенная), 5) растрескивающаяся,

6) селективная – разрушается отдельный вид кристаллической структуры металла, 7) межкристаллитная – разрушаются связи между отдельными кристаллами. Является наиболее опасным видом коррозии, так как в результате данной коррозии резко ухудшаются механические характеристики металла, но внешне это почти не обнаруживается.

В зависимости от механизма окисления металла различают следующие типы коррозии:

1) химическая, 2) гальванокоррозия, 3) электрокоррозия.

Химическая коррозия протекает в жидкостях-неэлектролитах и в газовой среде.

Гальванокоррозия – это коррозия металлов по типу гальванического элемента. Протекает тогда, когда создаются условия для работы гальванического элемента.

1) Гальванокоррозия чугуна в нейтральной среде.

Схема соответствующего гальванического элемента имеет вид:

(A)Fe | О₂, Н₂О | С(К).

В данной гальванопаре железо имеет меньшее значение φ, поэтому будет анодом.

Составим уравнения анодного и катодного процессов:

A) Fe - 2е = Fe²⁺,

К) О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^–.

Образующиеся ионы обеспечивают проводимость во внутренней цепи по реакции Fe²⁺ + 2ОН^– = Fe(OH)₂.

В присутствии кислорода протекает следующие вторичные реакции:

4Fe(ОH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃,

Fe(OH)₃ = FeOOH (ржавчина) + Н₂О.

2) Гальванокоррозия чугуна в кислой среде.

(A) Fe | НС1, О₂, Н₂О | С (К).

A) Fe- 2e = Fe²⁺,

К) 2Н⁺ + 2е = Н₂ .

Fe²⁺ + 2Сl^– = FeCl₂, FeCl₂ + 2Н₂О = Fe(OH)₂ + 2НС1 (гидролиз),

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃ , Fe(OH)₃ = FeOOH + Н₂О.

3) Контактная коррозия железа и меди в нейтральной среде.

(A)Fe | О₂, Н₂О | Сu(К).

В данной гальванопаре железо имеет меньшее значение φ, поэтому будет анодом.

A) Fe - 2е = Fe²⁺, К) О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^–.

Fe²⁺ + 2ОН^– = Fe(OH)₂. 4Fe(ОH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃,

Fe(OH)₃ = FeOOH (ржавчина) + Н₂О.

4) Коррозия при неравномерной аэрации возникает в том случае, когда

деталь находится в растворе электролита, но доступ кислорода к различным

частям металла неодинаков. Коррозии подвергается та часть детали, доступ кислорода к которой минимален. Химизм данной коррозии согласуется с приведенными выше схемами.

Из приведенных примеров видно, что исходным продуктом коррозии является Fe²⁺ , которое под действием кислорода воздуха далее окисляется до Fe³⁺ (Fe(OH)₃). Гидроксид железа(III) термически нестоек и поэтому распадается на оксидгидроксид железа(III) и воду.

Электрокоррозия возникает, когда металлическая конструкция находится в среде электролита и расположена вблизи источника электрической энергии. Часть электрического тока вследствие утечки попадает на металлическую конструкцию и приводит к электрохимическому разрушению конструкции по типу электролиза.

3.2. Способы защиты металлов от коррозии

Так как наибольший ущерб наносит гальванокоррозия, для предотвращения её надо устранить хотя бы одно из условий, необходимых для работы потенциального гальванического элемента: наличие электродов с различными значениями электродного потенциала и электролита.

Рассмотрим различные методы защиты металлов от коррозии.

Изолирование металлов от внешней среды

Самый простой способ – защищаемый металл изолируют от окружающей среды с помощью покрытий: лаками, красками, эмалями, пластиками, другими металлами или другими материалами. Изоляция металлов от внешней среды также достигается при оксидировании, фосфатировании, борировании, цементации, азотировании и других видах обработки поверхности металлов. Главные требования к покрытиям – необходимые механические характеристики и прочное сцепление с поверхностью металла (адгезия).

Остановимся на особенностях металлических покрытий. В случае покрытия одного металла другим контактировать с окружающей средой и окисляться будет уже металл покрытия. На практике в качестве покрытия используются Cr, Ni, Sn, Zn и другие металлы. Но в случае, если покрытие частично разрушится и изделие находится в среде электролита, создаются условия для протекания контактной гальванокоррозии. В зависимости от сравнительной активности контактирующих металлов, металлическое покрытие может быть анодным или катодным. Рассмотрим данный вопрос на примере гальванокоррозии оцинкованного и луженого железа с частично разрушенными покрытиями:

1) Гальванокоррозия оцинкованного железа в нейтральной среде.

Схема гальванического элемента: (A)Fe | О₂, Н₂О | Zn(К).

В данной гальванопаре цинк имеет меньшее значение φ, поэтому будет являться анодом.

Реакции на электродах:

A) Zn - 2е = Zn²⁺, К) О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^–.

Реакция в растворе электролита

Zn²⁺ + 2ОН^– =Zn(OH)₂.

Из данной схемы видно, что в случае частичного разрушения анодного покрытия, коррозии подвергается металл покрытия, при этом металл покрытия будет выполнять защитную функцию по типу протекторной защиты.

2) Гальванокоррозия луженого железа в кислой среде.

Схема гальванического элемента: (A) Fe | НС1, О₂, Н₂О | Sn(К).

В данной гальванопаре олово имеет большее значение φ, поэтому будет являться катодом.

Реакции на электродах и растворе электролита:

A) Fe - 2e = Fe²⁺, К) 2Н⁺ + 2е = Н₂.

Fe²⁺ + 2Сl^– = FeCl₂,

FeCl₂ + 2Н₂О = Fe(OH)₂ + 2НС1 (гидролиз),

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃, Fe(OH)₃ = FeOOH + Н₂О.

Покрытие менее активным металлом является опасным покрытием, так как после его частичного разрушения возникает гальванопара, которая приводит к усилению коррозии защищаемого металла.

Изменение состава коррозионной среды

Изменить состав коррозионной среды возможно если деталь находится в ограниченной небольшими размерами замкнутой системе.

Из ранее приведенных схем коррозии следует, что функцию окислителя могут выполнять кислород, вода и кислоты, а восстановителя – железо. Сравним окислительно-восстановительные потенциалы данных систем:

O₂ + 4H⁺ + 4е = 2H₂O φ⁰ = + 1,23 В,

O₂ + 2H₂O+ 4е = 4ОН^– φ⁰ = + 0,40 В,

2Н₂О + 2е = H₂ + 2OH^– φ⁰ = - 0,83 В.

Fe - 2е = Fe²⁺ φ⁰ = - 0,44 В.

Из приведенных значений следует, что в отсутствие кислорода и кислот окисление железа происходить не будет.

В среде, окружающей металлическую деталь, должен отсутствовать электролит и окислитель с более высоким, чем у металла окислительно-восстановительным потенциалом. Из внешней среды должны быть удалены активаторы коррозии Cl^-, Br^- и др., и в случае необходимости добавлены вещества, резко замедляющие коррозию – ингибиторы.

Механизм действия ингибиторов пока не исследован полностью. Поэтому подбор ингибиторов проводится в основном экспериментальным путем. В частности было установлено, что ингибиторами коррозии железа в кислой среде является органические амины. В литературе имеется большой справочный материал по применению ингибиторов.