КІНЕТИКА ОКИСЛЕННЯ МЕТАЛІВ НА ПОВІТРІ

Газова корозія - це процес руйнування металів і сплавів в результаті хімічної взаємодії з газами при високих температурах, коли неможлива конденсація вологи на поверхні металу. Газова корозія спостерігається при роботі металевих конструкцій, контактних і інших апаратів, арматури випалювальних і нагрівальних печей, двигунів внутрішнього згоряння, при термічній обробці, гарячій прокатці, куванні і т.д. Причина газової корозії металів - їхня термодинамічна нестійкість у даному газовому середовищі, при визначених зовнішніх умовах ( температурі і тиску).

Швидкість процесу газової корозії залежить від ряду факторів: природи металу (складу сплаву), характеру газового середовища, температури середовища, від захисних властивостей продуктів корозії, що утворюються, часу контакту газового середовища з об'єктом впливу.

Швидкість газової корозії визначається в більшості практичних випадків не термодинамічними даними, а кінетичними можливостями протікання хімічних реакцій.

Закон росту оксидної плівки в часі в значній мірі залежить від її захисних властивостей.

У незахисних плівок, наприклад несуцільних ( що легко возгонюються або розтріскуються, пухких ), швидкість росту постійна (не залежить від товщини пористої плівки, що утворюється) і контролюється хімічною реакцією утворення плівки з металу і оксигену, що є найбільш загальмованою стадією процесу (кінетичний контроль). У цьому випадку спостерігається постійна швидкість окислення в часі (лінійний закон росту плівки):

Δ m= k₁ τ, (1)

де Δ m - питоме збільшення маси зразка, г/м²;

k₁ - постійна, г/(м²∙ год);

τ - час окислення металу, год.

Графік цієї залежності має вид прямої в координатах Δ m - f(t), значення кута нахилу якої дорівнює константі k₁ (рис.1).

Δ m, г/м²

		Рис.1. Окислення магнію в оксигені при різних температурах [3].

час, год

У суцільних плівках, що володіють захисними властивостями, швидкість росту часто контролюється дифузією реагентів, що є найбільш загальмованою стадією процесу (дифузійний контроль) і супроводжується самогальмуванням: при потовщенні плівки зменшується швидкість дифузії через неї реагентів (металу і оксигену), а отже, і швидкість корозійного процесу. В цьому випадку спостерігається поступове зниження швидкості корозії в часі, плівка росте по параболічному закону:

Δm² = k₂ τ, (2)

де k₂-постійна величина, г /(м² ∙год).

Рівняння після логарифмування приймає вигляд:

lg k₂ lg τ,

lg ∆ m = ------- + ------- (3)

2 2

Графіком цієї залежності є парабола у координатах ∆ m - f(τ) ( рис.2 ) або пряма у координатах lg ∆m - f(lg τ).

∆ m , г/м²

		Рис.2. Параболічні криві окислення феруму на повітрі при підвищених температурах [3].

час, хв

Якщо швидкість росту плівки контролюється і швидкістю хімічної реакції, і швидкістю дифузії через плівку реагентів (змішаний дифузійно-кінетичний контроль), то ріст плівки може бути описаний квадратним рівнянням Еванса:

k₁ Δm² + k ₂ Δ m = k₁ k ₂ τ, (4)

У ряді випадків при окисленні металів спостерігається гальмування процесу в більшому ступені, чим це випливає з першого закону дифузії (контроль переносом електронів через тонкі плівки шляхом тунельного ефекту, або додаткова перешкода дифузії мікроміхурами, що утворюються в плівці). В цих випадках ріст плівки відбувається по логарифмічному закону:

Δ m = k ₃ lg τ + k _{4 ,} (5)

де k₃ і k₄ - постійні величини.

На підставі експериментальних даних про зміну маси зразка в часі можна одержати рівняння, що дає можливість визначити механізм і контролюючий фактор процесу і розрахувати корозійне руйнування металу при його окислюванні як функцію часу.

Прилади і реактиви: штангенциркуль, аналітичні ваги, наждаковий і фільтрувальний папір; зразки металу, муфельна піч, тиглі, ексикатор із силікагелем, щипці, сода або органічний розчинник.

В завдання входить дослідження кінетики окислювання даного металу або сплаву (феруму, сталі, купруму, латуні й ін.) на повітрі при визначеній температурі.

Робота складається в періодичному визначенні зміни маси зразка металу, що знаходиться в атмосфері електричної печі, нагрітої до заданої температури (метод не придатний для металів, на яких утворюється оксидна плівка, що частково возгонюється).

Включають тигельну піч для нагрівання до заданої температури і готують зразки металів до досліду: зачищають зразок наждаковим папером, вимірюють штангенциркулем його розміри з точністю до ±0,1 мм), знежирюють зразок органічним розчинником (спирт, ацетон), протирають фільтрувальним папером і поміщають у вогнетривкі тиглі .

Тиглі зі зразками зважують на аналітичних вагах і поміщають у піч, попередньо нагріту до заданої температури. Під час експерименту температура печі повинна бути постійною.

Через кожні 30 хв. з печі витягають один тигель зі зразком, охолоджують його в ексикаторі і повторно зважують. Результати заносять у табл.1.