Коррозия металлов и сплавов

Реферат

На тему:«Коррозия металлов

и сплавов»

Процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие химич­еского или электрохимического взаимодействия их с окружаю­щей средой. Такое разрушение происходит под влиянием кислорода во­здуха, влаги, оксидов серы, азота и других химически активных ве­ществ. В солёной воде металлы разрушаются намного быстрее, чем в пресной. Самое известное проявление коррозии – ржавчина на поверх­ности стальных и чугунных изделий. Потери от коррозии исчисляются миллиардами гривен ежегодно. Ей подвержены не только металлы, их сплавы, но и строительные материалы, в частности бетон. Больше всего страдают от коррозии сплавы на основе железа(Fe) – главные материалы современной техники. «Ржа ест железо» - поговорка старая, но точная. Около 10% добытого металла теряется безвозвратно. Ржавчина (её состав Fe2O3 * nH2O) не прочна и рыхла. За коррозией следует эрозия-разрушение металлических изделий в результате механических воздействий, после чего металл уже не пригоден. Всё же 2/3 металлолома возвращаются в производство после переплавки в мартеновских печах и конвертерах. Вот почему необходимо собирать металлолом.

Скорость коррозии в технике измеряют в граммах разрушенного металла за 1час с 1кв.м металлической поверхности. Если эта величина не превышает 0,1г/кв.м, металл считается коррозионностойким, если же она достигает 3г/кв.м, и больше – малостойким. Металлы, теряющие с 1кв.м поверхности больше 10г в час, называют нестойкими.

Коррозионные разрушения бывают сплошными и местными, равномерными и неравномерными. Особенно опасна межкристаллическая коррозия, которая, не разрушая металл с поверхности, распространяется вглубь по границам составляющих металл частиц-кристаллитов. Известны случаи избирательной коррозии, например обесцинкование латуней, когда под действием внешних факторов сплав обедняется одним из важных компонентов, в данном случае цинком.

Коррозия считается химической, если после разрыва металлической связи атом металла вступает в непосредственное взаимодействие с окислителем, и электрохимической, если в результате взаимодействия с внешней средой образующийся ион (катион) вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды. А в общем суть любого коррозионного процесса состоит в изменении состояния атома и удалении его из кристаллической решётки металла.

Существует много способов борьбы с коррозией. Можно защищать металл от неё, уменьшая агрессивность среды, в частности введением в эту среду ингибиторов – замедлителей коррозионных процессов. Разные металлы обладают различной химической стойкостью и, следовательно, неодинаковой устойчивостью к коррозии. В состав нержавеющей стали добавляют коррозионностойкий хром(Cr). Хромом и некоторыми другими не поддающимся коррозии металлами покрывают (обычно электрохимически) поверхность многих металлических изделий. Коррозии противодействуют и другие покрытия: лакокрасочные, эмалевые, плёночные.

Химиками разработаны также препараты, называющиеся преобразователями ржавчины. Под действием этих веществ рыхлая ржавчина преобразуется в твёрдый, устойчивый к механическим и химическим воздействиям грунтовой слой, на который можно наносить краску и эмаль.

Благодаря этому, что металлы легко отдают электроны, в природе они, как правило, находятся в связанном (окисленном) состоянии. чтобы получить металл из его соединений, нужно действовать более активным восстановителем. В окружении разных окислителей, в первую очередь кислорода(O2), свободное состояние для металлов нестабильное, и они со временем переходят в более стойкую окислительную форму. Этот процесс называется коррозией (от латинского слова corrode – разрушать). Исключения составляют некоторые неактивные (благородные) металлы – Au, Pt, Ir, которые находятся в природе в свободном состоянии. Следует различать химическую и электрохимическую коррозии.

Химическая коррозия имеет место при непосредственном взаимодействии металла с агрессивной средой, которая не проводит электрический ток (газы, неводные растворы, органические растворители и т.д.). Химическая коррозия протекает тем интенсивнее, чем наиболее активный металл, агрессивная среда и высокая температура. Наиболее расширена высокотемпературная или газовая коррозия на воздухе:

xMe + 0,5yO2 = MexOy.

Механизм её достаточно сложный, а скорость зависит от многих факторов. Сначала на поверхности металла появляется очень тонкая оксидная плёнка. Затем скорость окисления зависит от диффузии окислителя через эту плёнку, цельности и диффузийной способности самой плёнки. Цельность оксидной плёнки можно оценить, используя объёмный коэффициент ?, который отвечает отношению объёма оксида к объёму оксида металла, что используется на получение оксида:

Металлы, у которых ? < 1, не могут давать цельные пленки. Это – щелочные и щелочно-земельные металлы, которые быстро окисляются на воздухе. Цельные и стойкие пленки образуются, когда 1,2 ? ? ? 1,6 (Al, Ni, Co, Cr, Ti и др.). Если значение ? > 1,6, оксидные плёнки вследствии внутренних напряжений легко отделяются от поверзности металла, например, железная окалина. Важное значение имеет не только толщина и плотность металла, но и её механические ( твёрдость, упругость) и химические свойства.

При низких температурах окисление большинства металлических материалов идёт до тех пор, пока оксидная плёнка не достигнет некоторой граничной, при данных условиях, толщины, после чего коррозия существенно замедляется. При высоких температурах происходит дальнейшее окисление металла, что обусловлено ускорением диффузии окислителя сквозь оксидную плёнку.

Кроме кислорода, с металлами могут активно реагировать и другие газы: фтор(F), хлор(Cl), сероводород(H2S), оксид серы(IV), оксиды азота и т.д. Их агрессивность зависит от природы реагентов. Так, алюминий и нержавеющие стали стойкие к кислороду, но быстро разрушаются в атмосфере хлора; никель интенсивно коррозирует в атмосфере SO2, а медь, наоборот, стойкая к действию этого газа.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов вследствие их контакта с растворителями электролитов. Причём такой раствор в своём составе должен содержать окислитель, а металл, который коррозирует (восстановитель), находиться в контакте с менее активным металлом или сплавом (гальваническая пара). Контактными парами могут быть активный металл и добавки с металлической проводимостью (карбиды, нитриты, силициды d-элементов). Чистые металлы (без добавок) стойкие против электрохимической коррозии (тут следует вспомнить про так называемые «индийские колонны», изготовленные из чистого железа(Fe) тысячелетия тому назад, которые прекрасно сохранились до наших дней).

Во время электрохимической коррозии имеет место перенесения электрических зарядов (электронов) от более активного металла к менее активному, которые контактируют с электролитом, где и протекают химические процессы окисления-восстановления (гальванический элемент). Главным отличием обычных гальванических элементов от коррозийных гальванических пар является отсутствие в последнем случае внешней электрической цепи, т.е. коррозионные гальванические элементы являются короткозамыкаемыми.

Так, когда активный металл, например цинк(Zn), загрязнённый примесями менее активных металлов (например, железом(Fe), контактирует со слабокислым электролитом, например водным раствором кислотных оксидов, которые всегда есть в воздухе, в раствор переходят катионы активного металла:

Zn – 2e = Zn ,

а электроны восстановителя перетекают к посредникам с более низким значением потенциала (примеси менее активных металлов) и снимаются поверхности металла ионами водорода(H2)(окислителя), который есть в растворе:

2H + 2e = H2.

Суммарный процесс коррозии, который происходит в данном гальваническом элементе, выражается уравнением:

Zn + 2H = Zn + H2,

а сам гальванический элемент можно передать схемой:

(–) Zn / Zn (H2O)OH / O2(Fe) (+).

В отсутствии ионов Н (в нейтральной среде) функции окислителя использует растворённый в воде (Н2О) кислород (атмосферная коррозия):

O2 + 2H2O + 4e = 4OH ,

но этот процесс в энергетическом плане менее выгодный, чем восстановление ионов водорода, поскольку молекулярный кислород является хорошим окислителем при высоких температурах, когда ослабляются связи между атомами в молекуле. Гальванический элемент в случае атмосферной коррозии цинка можно передать схемой:

(–) Zn / Zn(OH)2,H2O / (Fe)O2(Fe) (+),

а суммарный процесс коррозии – уравнением:

2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn(OH)2.

Электрохимическая коррозия протекает тем интенсивнее, чем большая разница окислительно-восстановительных потенциалов металлов, что находятся в гальванической паре, более агрессивная среда и большая концентрация окислителя в растворе электролита, высокая температура. Зная факторы, которые способствуют коррозии, можно разрабатывать научные подходы к проблемам защиты металлов от окисления и разрушения. Вот некоторые из них:

а) защита поверхности металла от контакта с агрессивной средой путём нанесения металлических и неметаллических (масла, лаки, краски) покрытий, а также пассивирование поверхности металла путём получения на них оксидных, карбидных, нитридных и других защитных плёнок;

б) введение в активный металл легирующих примесей для сближения потенциалов или пассивирования поверхности (получение сплавов с антикоррозийными свойствами, например, нержавеющий сталей);

в) электрозащита – изменение потенциалов поверхности активного металла от внешнего источника напряжения, или протекторная защита – получение надежного контакта более активным металлом, который будет разрушаться;

г) снижение агрессивности среды (замена на менее агрессивное или введение ингибиторов – соединений, которые замедляют процесс окисления металла);

д) применение наиболее чистых металлов (способы очищения: электрохимическое рафинирование, зонная плавка и др.);

е) замена металлов другими химическо стойкими материалами;

ж) разработка и проведение эффектных низкотемпературных процессов.