Химическая коррозия

Внешние факторы газовой коррозии. Газовая коррозия является частным случаем химической коррозии и возможна только в условиях, исключающих протекание электрохимических процессов. Характерной особенностью газовой коррозии является отсутствие на поверхности металла влаги. Поэтому в большинстве случаев речь идет о коррозии при повышенной температуре, при которой вода находится в газовой фазе. Однако, исходя из определения, можно представить себе газовую коррозию и при комнатной температуре, но в условиях высокой степени сухости, естественной или создаваемой искусственно. Так, при осушении силикагелем до точки росы – 30 °С влагоемкость воздуха составит 0,333 г/м³. При + 20 °С это соответствует влажности воздуха всего лишь 2 %. В таких усло-

виях протекание электрохимической коррозии практически исключается. В промышленности случаи газовой коррозии встречаются достаточно часто - от разрушения деталей, нагревательных печей до коррозии металла в процессе его термической обработки.

На скорость газовой коррозии влияет целый ряд факторов, и прежде всего такие, как температура и состав газовой среды.

Повышение температуры заметно увеличивает скорость коррозии. В первом приближении эта связь может быть описа-

на известным из физической химии уравнением Аррениуса

ln K = A -

где К - скорость реакции; А и В - константы; Т - абсолютная температура (°К).

Из уравнения следует, что логарифм скорости коррозии ли­нейно связан с величиной, обратной абсолютной температуре. Эта зависимость в некоторых случаях (например, для меди в интервале температуры 700 – 900 °С) полностью подтвержда­ется, но чаще она носит более сложный характер, что связано с влиянием вторичных реакций, природой и свойствами продук­тов коррозии и др.

В среде чистого воздуха коррозия сводится к взаимодействию металла с кислородом. Железо уже при температуре 300 °С покрывается на воздухе окалиной, т. е. окисной пленкой, различимой невооруженным глазом. В состав окалины входит магнетит F₃O₄ и гематит Fe₂O₃. С ростом температуры, вплоть до 575 °С, скорость коррозии остается примерно постоянной, но, начиная с 575 ⁰С, резко увеличивается. Этот факт связывают с появлением на границе металл - окалина вюстита (окиси же­леза FеО).

На поверхности углеродистой стали в процессе коррозии па­раллельно протекают две группы реакций: окисление железа до окислов с образованием окалины и реакции обезуглероживания c участием карбида железа (цементита) по следующему уравнению:

Fe₃C + O₂ → 3Fe + CO₂.

Таким образом, поверхностный слой металла обедняется це­ментитом. При длительном нагреве глубина обезуглероженного слоя может составлять несколько миллиметров. Это заметно влияет на свойства металла, и прежде всего на его твердость и прочность. Обезуглероживание наблюдается и при наличии в газовой среде углекислого газа, паров воды или других окис­лителей и протекает по аналогичным реакциям:

Fe₃C + СО₂ → 3Fе + 2СО,

Fe₃C + Н₂O → 3Fe + СО + Н₂.

Повышение давления газа при прочих равных условиях так­же сильно ускоряет газовую коррозию.

Специфично влияет на коррозионную стойкость стали водо­род, вызывая при повышенной температуре и давлении так на­зываемую водородную хрупкость, т. е. резкое снижение проч­ности. Водородная хрупкость объясняется не только обезугле­роживанием стали за счет восстановления цементита водородом, но и такими явлениями, как молизация атомарного водорода, находящегося в кристаллической решетке стали, и образование по границам зерен металла паров воды и метана. Каждый из процессов приводит к генерированию газа, создающего в замкнутом объеме металла колоссальное давление. Это в свою очередь вызывает появление многочисленных микротрещин, понижающих прочность металла.

Газовой коррозии сильно подвержены и многие цветные

металлы, хотя каждый из них относится к тем или иным газам поразному. Это можно проиллюстрировать данными табл. 2, в которой скорость коррозии металлов для наглядности дана в относительных единицах, при этом скорость коррозии железа в кислороде принята за 100.

Табл. 9 убедительно демонстрирует влияние природы ме­талла на скорость коррозии. Например, если при переходе от кислорода к парам воды коррозия вольфрама замедляется примерно в 20 раз, а меди - в 3,5 раза, то скорость коррозии железа при этом, наоборот, увеличивается.

Таблица 9

Газовая коррозия ряда металлов в некоторых средах

(температура 800 °С, продолжительность 24 ч)

Окисные пленки.Существенное влияние на скорость газовой коррозии ока­зывают образующиеся продукты коррозии, их физико - химические и механические свойства. В большинстве случаев корро­зия протекает в окислительной среде; при этом на поверхности металла в качестве продукта коррозии образуется окисная пленка. Впрочем, тонкая окисная пленка на металле обычно появляется уже при комнатной температуре. Свойства обра­зующейся окисной пленки решающим образом влияют на дальнейший ход коррозионного процесса. В случае резкого торможения процесса вплоть до полного прекращения корро­зии говорят о наступившей пассивности поверхности металла.

Термодинамика газовой коррозии. Термодинамическая возможность процесса газовой коррозии с образованием окисной пленки определяется величиной изменения свободной энергии системы. Существует удобная форма определения тер­модинамической возможности протекания коррозии за счет окисления металла, которая сводится к сравнению упругости диссоциации полученного продукта реакции окисления с парциальным давлением кислорода в газовой фазе.

Действительно, если парциальное давление кислорода Р_O и упругость диссоциации окисла Р_MeO в реакции окисления металла mМе + nO₂ Ме_mO_2n будут равны, то реакция будет находиться в равновесии. Если Р_O > Р_MeO, то реакция протекает слева направо в сторону образования окисла. Если Р_O < Р_MeO, то окисел самопроизвольно диссоциирует на кислород и металл. Поэтому сравнение упругости диссоциации данного окисла при данной температуре, например, с парциальным давлением кислорода воздуха (Р_O 0,2 ат при атмосферном давлении) позволяет найти границу термодинами

ческой вероятности процесса окисления металла на воздухе. Так, судя по данным табл. 10, серебро уже при 400 °К не способно окисляться. Для меди эта граница лежит в области 2000 °К.

Таблица 10

Упругость диссоциации окислов серебра и меди

в зависимости от температуры

Процесс	300 0К	400 0К	500 0К	800 0К	12000К	16000К
Ag2O 2Ag + O2	8,4 ∙ 10-5	6,9 ∙ 10-1		-	-	-
Cu2O 2Cu + O2	-	-	0,56 ∙ 10-30	3,7 ∙ 10-16	2 ∙ 10-8	1,8 ∙ 10-4

Свойства окисных пленок. В зависимости от условий образования окисные пленки могут иметь толщину от мономолекулярной до нескольких миллиметров. Различаются тонкие, средние и толстые пленки. Тонкие пленки имеют толщину от нескольких ангстрем до 400 Å. Они невидимы и могут быть обнаружены и измерены так называемым оптическим методом отражения поляризованного света.

Средние пленки имеют толщину 400 - 5000 Å и видны невоо­руженным глазом благодаря возникновению цветов побежа­лости (явление интерференции света, известное из физики). Их толщина может быть измерена различными методами, среди которых наиболее доступные гравиметрический (весо­вой) и электрометрический (метод катодного восстановления).

Пленки толщиной выше 5000 Å (т. е. толще 0,5 мк) опреде­ляются весовым методом или методом катодного восстановле­ния, а также с помощью микроскопа, микрометра или других аналогичных мерительных инструментов. Обычно они легко обнаруживаются невооруженным глазом.

Следует отметить, что при изучении фазового состава и

структуры окисных пленок широко используются электронно-микроскопический, электронно-графический и рентгенографиче­ский методы исследования.

В табл. 11 даны примеры окисных пленок на железе. Обра­щает на себя внимание четкая зависимость толщины пленки от условий ее образования, а также сам диапазон толщины - от 15 Å до 0,6 мм.

Было бы ошибочным считать, что чем толще окисная плен­ка, тем она надежнее защищает металл от коррозии. В дейст­вительности дело обстоит скорее наоборот, а именно лучшими защитными свойствами обладают тонкие пленки. Однако тол­щина пленки, строго говоря, не является все же критерием защитной способности.

Чтобы окисная пленка обладала защитными свойствами, она должна быть прежде всего сплошной, беспористой. Усло­вие сплошности окисной пленки было сформулировано Пиллингом и Бедворсом: если объем окисла металла меньше, чем объем металла, из которого пленка образовалась, то пленка

образуется несплошной; если объем окисла металла больше, чем объем металла, то пленка может быть беспористой, ком­пактной.

Сказанное можно пояснить следующими неравенствами:

< 1 пленка не может быть сплошной; при > 1 пленка может быть сплошной.

В свою очередь

V_Me = и V_MeO = ,

где А - атомный вес металла (т. е. рассматривается грамм - атом металла); - плотность металла; М - молекулярный вес

окиси металла; n - число атомов металла в молекуле окиси; D - плотность окиси.

Таблица 11

Толщина окисной пленки на железе

в зависимости от условий

Условие сплошности является необходимым и существен­ным, но не единственным для характеристики защитных

свойств окисной пленки. При слишком больших значениях V_МеO / V_Ме плёнка испытывает столь высокие внутренние на­пряжения, что разрушается, теряя сплошность. Например, при отношении V_WO / V_W = 3,35 окисная пленка вольфрама имеет весьма слабые защитные свойства.

Пленка должна иметь хорошее сцепление с металлом, должна быть достаточно прочной и эластичной. Коэффициенты теплового расширения пленки и металла должны быть доста­точно близки. Наконец, пленка должна быть химически стой­кой в условиях воздействия на нее коррозионной среды.

Важным условием является и необходимость ориентаци-

онного соответствия образующейся пленки металлу. Сущность ориентационного соответствия сводится к требованию макси­мального сходства кристаллических решеток металла и обра­зующегося окисла при минимальном смещении атомов. Чаще всего при наличии кристаллической структуры окисла, близкой структуре металла, защитные свойства такой пленки лучше, чем неориентированного по отношению к металлу окисла.

Законы роста окисных пленок. Если в результате коррозии образуется несплошная окисная пленка, кислород получает свободный доступ к поверхности металла. В этом случае ско­рость коррозии должна быть величиной постоянной:

= к,

где y - толщина окисной пленки. После интегрирования по­лучим уравнение

y = k + А,

выражающее линейную зависимость толщины пленки от времени. Постоянная А указывает на наличие некоторой окис­ной пленки к моменту начала окисления (у = А при = 0). Как следует из уравнения, скорость роста пленки в этом случае не зависит от ее толщины. Коррозия может протекать с постоянной скоростью вплоть до полного превращения металла в окисел, как это имеет место при окислении магния в среде кислорода.

Однако нередко фактическая скорость окисления, сохраняя постоянство, оказывается ниже теоретической скорости хими­ческой реакции окисления металла. Это несоответствие объяс­няется наличием на границе раздела металл - окисел металла тончайшей, вплоть до нескольких мономолекулярных слоев, сплошной пленки псевдоморфного окисла. Псевдоморфный окисел обладает высокой степенью ориентационного соответст­вия металлу и является, таким образом, своеобразным крис­таллографическим продолжением решетки окисляемого метал­ла, отличаясь в то же время по параметрам от решетки окисла металла. Будучи беспористым, он затрудняет проник­новение кислорода к поверхности металла.

Таким образом, даже в случае образования на металле толстой и рыхлой окисной пленки скорость коррозии в конеч­ном итоге будет лимитироваться не скоростью реакции окис­ления, а скоростью диффузии кислорода сквозь компактный псевдоморфный окисел.

Если в процессе коррозии образуется окисел, обладающий достаточно хорошими защитными свойствами, то скорость коррозии будет зависеть от соотношения скоростей взаимной диффузии сквозь пленку атомов кислорода к поверхности ме­талла и атомов металла к поверхности раздела фаз окисел - газ. Можно показать, что в этом случае по мере роста толщи­ны пленки скорость коррозии будет замедляться по уравне­нию

=

После интегрирования и объединения констант получаем параболическую зависимость толщины окисной пленки от продолжительности коррозии:

y² = k + А.

Такая зависимость наблюдается при окислении меди, нике­ля, вольфрама. Имея параболическую кривую зависимости коррозии от времени, можно определить скорость коррозии в любой точке кривой. Она будет выражаться как тангенс угла наклона касательной, проходящей через данную точку, так как

tg = .

Наконец, в некоторых условиях торможение скорости окисления металла с ростом толщины окисной пленки происходит более интенсивно, чем этого требует параболический закон. В этих случаях скорость окисления связана с толщиной плен­ки экспоненциальной зависимостью

=

После интегрирования приходим к логарифмическому урав­нению

у = ln (k ).

Логарифмический закон роста пленки имеет экспериментальное подтверждение при окислении на воздухе алюминия и цинка в интервале температуры 20 – 255 °C, меди - до 100 °С, железа до 385 °С.

Важно подчеркнуть, что закономерности роста пленки на металле могут меняться в зависимости от условий. Так, окис­ление железа при температуре ниже 385 °С подчиняется логарифмическому закону, в области выше этой температуры и до 1000 °С - параболическому, а при давлении кислорода ниже 1 мм рт. ст. и температуре 700 - 950 °С - линейному.

Разрушение пленок. В процессе роста окисной пленки в ней возникают значительные внутренние напряжения. Поэтому, если образующаяся пленка недостаточно прочна или име­ет слабое сцепление с металлом, или слишком неэластична, или по другим причинам, затронутым выше (например, разли­чие коэффициентов температурного расширения металла и пленки), она разрушается. Характер разрушения связан с причиной, вызвавшей его. Если прочность пленки велика, а сцепление с металлом недостаточно хорошее, образуются пузыри. Крупные пузыри приводят обычно к разрывам (рис. 68, а), и защитные

а б в г д

Рис 68. Виды разрушения окисных пленок.

а - пузырь с разрывом; б - микропузыри в слое окисла (вакуумная пористость); в - отслаивание; г - растрескивание при

сдвиге; д - растрескивание на углах и реб­рах.

свойства пленки резко снижаются. В других случаях образуются мелкие пузыри в слое окисла (рис. 68, б), и тогда защитные свойства пленки могут даже возрасти, так как подобная «вакуумная пористость» препятст­вует диффузии реагирующих атомов или ионов и таким обра­зом тормозит процесс коррозии. Может наблюдаться отслаи­вание окисла (рис. 68, в), а также растрескивание на поверхности (рис. 68, г) или на углах и ребрах (рис. 68, д).

Методы защиты от газовой коррозии.Основной метод защиты от газовой коррозии сводится к применению легированных сплавов, обладающих так назы­ваемой жаростойкостью. Для снижения скорости окисления железа при 900 °С вдвое достаточно ввести 3,5 % алюминия, а вчетверо - около 5,5 %. Концентрация легирующего компо­нента может быть ничтожной. Так, расплавленный магний настолько энергично окисляется на воздухе, что способен самовозгораться. Однако при введении всего лишь 0,001 % бе­риллия скорость окисления магния резко снижается.

Действие легирующих элементов объясняется образовани­ем на поверхности металла защитных пленок. Они или образу­ются только из легирующего компонента, или состоят из смешанных окислов легирующего компонента и основного ме­талла. Наилучшими защитными свойствами обладают окислы типа шпинелей. Шпинельная структура окисла характеризу­ется высокой степенью компактности ионов в решетке и прак­тическим отсутствием вакантных узлов; это и обусловливает их высокую термодинамическую стабильность. Примером шпинелей являются окислы FeO ∙ Сr₂О₃ на поверхности хромистой стали или NiO ∙ Сr₂О₃ на поверхности хромо - никелевой стали.

Второй метод борьбы с газовой коррозией - применение защитной атмосферы. В зависимости от природы металла га­зовая среда не должна содержать окислителей (для стали) или, наоборот, восстановителей (для меди). В ряде случаев применяются инертные газы - азот, аргон. На практике этот метод встречается только в специальных случаях: при термо­обработке и сварке. Так, отжиг стали проводят в атмосфере, содержащей смесь азота, водорода и окиси углерода. Сварка алюминиево-магниевых и титановых деталей протекает ус­пешно в атмосфере аргона.

Третий метод снижения скорости газовой коррозии - защита поверхности металла специальными жаростойкими по

крытиями. В одних случаях поверхность, например стальной детали покрывают термодиффузионным способом сплавом железо - алюминий или железо - хром. Оба сплава обладают высокими защитными свойствами, а сам процесс на­зывается

соответственно алитированием и термохромированием. В других случаях поверхность защищают слоем кермета - смесью металла с окислами. Керамико - металлические покры­тия (керметы) интересны тем, что сочетают тугоплавкость, твердость и жаростойкость керамики с пластичностью и про­водимостью металла. В качестве неметаллической составляю­щей используют тугоплавкие окислы Al₂O₃, MgO и соединения - типа карбидов и нитридов. Металлическим компонентом слу­жат металлы группы железа, а также хром, вольфрам, молиб­ден.