Загальні відомості про корозію металів

Корозія – руйнування металів унаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії їх з корозійним середовищем.

Під корозією промислових і будівельних матеріалів, розуміється їх руйнування (від лат. соггоsio — роз'їдання) під впливом природних і виробничих дій. В процесі корозії порушується рівновага між умовами, в яких матеріали сформувалися, і умовами, в яких вони експлуатуються.

З природних дій руйнування матеріалів викликають атмосферні опади, зміни температури і вогкості, поперемінне заморожування і відтавання, природні води, циркулюючі у верхніх горизонтах земної кори, гази, що містяться в атмосфері і воді, різного виду випромінювання, рослинні і тваринні мікро- і макроорганізми.

У виробничих експлуатаційних умовах кородування матеріалів викликається контактом з різного вигляду виробничими корозійно-активними середовищами і їх супроводжуючими мікроорганізмами, змінами температури і вогкості, обумовлювані технологічними процесами і т. д.

Руйнування матеріалів під безпосередньою дією рослинних і тваринних організмів, а також мікроорганізмів, називають біопошкодженнями.

У біопошкодженнях вищими рослинними організмами (обростанні, фітокоррозії) беруть участь не тільки коренева система (головним чином, кореневі волоски). Тваринні організми викликають біопошкодження матеріалів як безпосередньо своєю механічною дією (наприклад, гризуни — псують ізоляцію; птахи — пошкодження літальних апаратів при зіткненні з ними), так і продуктами своєї життєдіяльності, речовинами, що утворюються в результаті метаморфози екскрементів і унаслідок летального завершення свого життєвого циклу – гниття.

Органічними речовинами, одержуваними в результаті технологічного перероблення цих організмів: фруктовими і овочевими соками, рослинними маслами, кров'ю, м'ясним соком, тваринними жирами.

Агресивні середовища, що викликають органогенну корозію матеріалів, можуть бути як біогенного походження, так і не біогенного, наприклад, органічні речовини, що утворюються в (результаті технологічного перероблення нафти, кам'яного вугілля, сланців, вапняків-черепашників, а також вихлопні гази і кіптява дизельних і карбюраторних двигунів.

Корозія приводить до значних збитків у всіх промислово розвинених країнах, які складають приблизно 5-10% від національного доходу (у США ці збитки перевищують 70 млрд. доларів в рік). Вони складаються з багатьох окремих витрат.

Основні втрати від корозії обумовлені передчасним виходом з ладу металоконструкцій, вартість яких значно перевищує вартість металу, використаного на їх виготовлення. Сюди ж відносяться витрати на профілактичне обслуговування, ремонт і заміну окремих деталей. Друга найбільша стаття збитків обумовлена необхідністю здійснення комплексу заходів щодо боротьби з корозією.

Слід також відзначити, що корозія часто викликає непродуктивний простій устаткування, псування харчових і хімічних продуктів, втрату цих продуктів при порушенні герметичності, резервуарів або трубопроводів. Таким чином, витрати на боротьбу з корозією різноманітні і у кожному конкретному випадку вирішальною статтею збитків може стати будь-яка з приведених вище причин.

З розвитком промислового потенціалу у всіх країнах темп зростання корозійних втрат став перевищувати темп зростання металевого фонду. Це обумовлено, принаймні, двома основними причинами:

1. Зміною структури використовування металу. Якщо в двадцятому столітті основна частина металу споживалася залізничним транспортом, комунальним господарством і верстатобудуванням, то за останні десятиліття зросла питома вага металів в галузях, які використовують металовироби в агресивних середовищах (хімічна, нафтохімічна і паперово-целюлозна галузі промисловості, енергетика, автомобілебудування, авіація, морський флот).

2. Значним підвищенням агресивності атмосфери і природних вод унаслідок забруднення їх промисловими викидами.

Проблема корозії - це проблема підвищення експлуатаційно-технічної надійності і довговічності металоконструкцій, економічно вигідного використовування земних ресурсів і матеріальних засобів.

До важливих випадків корозії відносяться: корозія в газах (газова корозія) і корозія в розчинах електроліту (електрохімічна корозія ), до неї відноситься корозія в водних розчинах. Електрохімічна корозія протікає на поверхні металів під дією електричних струмів – це перенесення електродів в результаті утворення гальванічних мікроелементів у разі диференціації поверхні на катодні та анодні дільниці. Таким чином, кородуючий метал представляє собою багатоелектродний гальванічний елемент, що складається з центрального вугільного і зовнішнього цинкового електродів, розділених електролітом — розчином хлориду амонія (рис. 1.1). Лампочка, сполучена з обома електродами, горить, поки електрична енергія генерується хімічними реакціями на електродах. На вугільному електроді (позитивний полюс) йде реакція хімічного відновлення, на цинковому (негативний полюс) – окислення, (електрони з цинкового анода перетікають на вугільний катод, на якому електроди асимілюватимуться деполяризаторами (іонами водню)) при цьому металевий цинк перетворюється на гидратировані іони цинку Zn²⁺·nH₂O. Чим більше потік електрики в елементі, тим більша кількість цинку кородує. Цей зв'язок описується кількісно законом Фарадея, відкритим на початку XIX століття:

m = k·t·I,

m (маса металу, що вступив в реакцію),

де I – сила струму, А;

t – час, с;

k – константа, звана електрохімічним еквівалентом (значення для цинку дорівнює 3,39·10^–4 г∙Кл)

Рисунок 1.1-

Існують три основні типи елементів, що беруть участь в корозійних процесах.

1. До елементів з різнорідними електродами відноситься описаний раніше сухий елемент. Метал, що має електропровідні включення на поверхні наприклад: мідна труба, сполучена із залізною трубою, бронзовий гребний гвинт, що контактує із сталевим корпусом корабля – все це приклади корозійних елементів з різнорідними електродам. До цього типу елементів відносяться також нагартований метал у контакті з таким же відпаленим металом, монокристал металу певної орієнтації у контакті з монокристалом іншої орієнтації. Різні грані кристалів металу мають спочатку різні потенціали і, отже, різну схильність до корозії; при контакті металу з корозійним середовищем спостерігається тенденція до вирівнювання потенціалів.

2. У концентраційних елементах два однакові електроди контактують з розчинами різних складів. Існують два типи концентраційних елементів. Перший називається сольовим концентраційним елементом. Наприклад, якщо один мідний електрод занурений в концентрований розчин сульфату міді, а інший – в розбавлений (рис. 1.2), то при замиканні такого елементу мідь розчинятиметься з електроду, що знаходиться в розбавленому розчині (анод) і осідати на іншому електроді (катоді). Обидві реакції ведуть до вирівнювання концентрації розчинів. Інший тип концентрованого елементу, що має більше практичне значення – елемент диференціальної аерації. Прикладом може служити елемент з двох залізних електродів, занурених в розбавлений розчин NaCl, причому у одного електрода(катода) електроліт інтенсивно насищується повітрям а у іншого (анода) – азотом. Відмінність в концентрації кисню супроводжується виникненням різниці потенціалів, що обумовлює протікання струму (рис. 1.3). Виникнення елементу цього вигляду викликає руйнування в щілинах (щілинна корозія), що утворюються на стиках труб або в різьбових з'єднаннях, оскільки концентрація кисню в щілинах нижча, ніж зовні. Цим також пояснюється руйнування язви заліза під шаром вологи (рис. 1.4).

Рисунок 1.2-

Рисунок 1.3-

3. У термогальванічних елементах електрони з одного і того ж металу, що мають різну температуру, занурені в електроліт однакового складу.

У розчині сульфату міді мідний електрод при вищій температурі – катод, при низщій – анод. При замиканні елементу мідь осідає на гарячому електроді і розчиняється з холодного. Таким же чином поводиться свинець.

На поверхні металу водень окислюється розчиненим у воді киснем: 2Н2О ↔ Н2+ + 2ОН– залізо Fe – 2e– = Fe2+ У водній плівці: Fe2+ + 2ОН– = Fe(ОН)2↓ Fe(ОН)2 + О2 + Н2О = Fe(ОН)3 іржа

Рисунок 1.4-

Газова корозія протікає при контакті металів з газами в відсутності електропровідних розчинів.

У природних умовах газова корозія зустрічається рідко, а в технологічних процесах, особливо в металургійних і хімічних виробництвах при високих температурах – достатньо часто.

Як правило, газова корозія протікає по хімічному механізму.

Хімічна корозія металів – це мимовільний окислювально-відновний процес, що підкоряється законам гетерогенних хімічних реакцій, які здійснюються одночасно в одному акті в точці взаємодії металу з компонентом агресивного середовища. Метал в процесі хімічної корозії виступає в ролі відновника, він віддає електрони і окислюється. Компонент агресивного середовища виступає в ролі окислювача, в процесі реакції він відновлюється. У ролі окислювачів можуть бути О₂,С1₂,НС1,SO₂,СО₂ і т. ін.

Приклад. У промисловості синтез хлористого водню з хлору і водню здійснюють при t=1000-1200°С. Якщо при цьому застосовують металеві печі, то внутрішня поверхня печі схильна до газової корозії. Залежно від вмісту хлору і водню в суміші газів протікають реакції:

Fe + C1₂ = FeC1₂ або 2Fe + 3C1₂ = 2FeC1₃. (1.2)

Залізо виступає як відновник, хлор - окислювач, а на поверхні металу утворюється сольова плівка.

Часто хімічний механізм корозії реалізується в рідкому середовищі неелектролітів.

По характеру корозійних уражень розрізняють суцільну або загальну корозію і місцеву корозію.

Неможливо дати загальну відповідь на питання про те, який вид корозійного руйнування найбільш небезпечний. Така відповідь може бути конкретною лише для строго певних умов експлуатації виробів. Наприклад, у разі силового елементу конструкції найбільш небезпечні міжкристалова корозія або корозійне розтріскування. Для резервуару, трубопроводу або реактора найбільш небезпечна точкова або виразкова корозія оскільки в цьому випадку герметичність порушується при появі хоча б одного крізного отвору. Для поверхонь тертя небезпечна суцільна корозія. Цей же вид корозії небезпечний для електричних контактів і високочастотних хвилеводів.

ПИТАННЯ:

1. Визначення поняття – корозія.

2. Основні статті збитків від корозії.

3. Причини темпів зростання втрат від корозії.

4. Суть корозійних процесів.

5. Типи основних елементів, що беруть участь в корозійних процесах.

6. Основні види корозії.

7. Характер корозійних уражень.

ЛІТЕРАТУРА

1. М.А. Шлугер і ін. Корозія і захист металів. М.1981.

2. Г.Г. Уліг, Р.У. Реві. Корозія і боротьба з нею. Переклад з англійської А.М. Сухотіним. Л.1989 р.

3. Л.І.Антропов та ін. Інгібітори корозії металів. К.1981 р.