Закон Бойля-Мариота ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ»

Вопросы лекции:

1.Общие положения по защите металлов от коррозии. Основные факторы рационального конструирования. Легирование металлических материалов.

2.Изменение состава и свойств коррозионной среды.

3.Электрохимические методы защиты от коррозии: виды и механизм действия. Протекторная, катодная, анодная защиты.

4.Защитные органические и неорганические покрытия: виды, методы нанесения и области применения. Органические покрытия (смазка, лакирование, окраска, нанесение полимеров). Неорганические покрытия (оксидные, фосфатные, хроматные).

5. Обработка окружающей среды: удаление или ослабление окисляющего действия компонентов среды, введение ингибиторов.

Защита от коррозии — это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и замедление коррозионных процессов, сохранение и поддержание работоспособности узлов и агрегатов машин, оборудования и сооружений в требуемый период их эксплуатации.

1. Общие положения по защите металлов от коррозии. Основные факторы рационального конструирования. Легирование металлических материалов.

Рациональное конструирование изделий — первый и обязательный этап борьбы с коррозией, на стадии которого учитывают следующие обязательные факторы:

1. Правильный выбор материалов (металлов, сплавов, герметиков, диэлектриков, пропиток и др.) для изделий и конструкций: стойких к данной коррозионной среде, не способных впитывать влагу, не выделяющих корррозионно-активных агентов при старении;

2. Рациональное сочетание и компоновка в одном узле деталей, изготовленных из металлов, отличающихся значениями электродных потенциалов: предотвращение их непосредственного контакта друг с другом и с коррозионной средой путем изоляции соприкасающихся поверхностей, применения различных прокладок, герметиков, чтобы исключить возможность контактной коррозии;

3. Оптимальная форма деталей: с дренажными отверстиями и проветриваемыми полостями, с минимумом коррозионно-опасных участков (углублений, пазов, щелей, канавок, зазоров, застойных зон);

4. Характер соединения элементов в сборке: сварные соединения предпочтительнее клепанных и болтовых, которые ведут к возникновению больших внутренних напряжений и пор;

5. Возможность нанесения и возобновление различных покрытий в процессе эксплуатации изделий и при их ремонте.

Легирование (модифицирование) металлических материалов — эффективный процесс повышения их стойкости к воздействию агрессивных сред при обычной и повышенных температурах. Сущность его состоит в том, что материал (металл, сплав), из которого изготавливают изделия, вводят легирующие компоненты, вызывающие его пассивацию. Различают объемное (металлургическое) и поверхностное (ионное) легирование.

Объемное легирование применяют в основном тогда, когда другие методы защиты от коррозии для данного материала не приемлемы. Его осуществляют на стадии выплавки конструкционных материалов. Считают, что легирующие компоненты диффундируют из объема на поверхность сплава и вместе с основным металлом окисляются (пассивируются) кислородом воздуха, оразуя устойчивые смешанные оксидные слои (защитные пленки), которые препятствуют дальнейшему проникновению коррозионной среды. Железо, алюминий, титан, магний, кадмий, цинк и их сплавы легируют хромом, никелем, молибденом, медью и др. В результате получают сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем исходные материалы. Эти сплавы одновременно обладают жаростойкостью и жаропрочностью.

Жаростойкость — свойство материалов противостоять химическому разрушению под действием воздуха при высокой температуре.

Жаропрочностью — способность конструкционных материалов выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах в инертной среде.

Повышенной коррозионной стойкостью обладают, как правило, сплавы с определенным содержанием легирующего компонента, которое определяется некоторым его критическим значением (границей устойчивости), выше которого начинается избирательная коррозия: растворению подвергается легирующий компонент, а основной металл остается в виде «губки» или порошка. Граница устойчивости, зависящая также от вида коррозионной среды, — характерная для каждого типа сплава величина, например:

Тип сплава…………Со–Cr FeCr NiCr

Cr. % (масс.)……….. 8 12 14

В промышленности широко применяют объемно–легированные сплавы на основе:

А) железа — стали углеродистые, низколегированные, содержащие до 3 % (масс.) легирующих компонентов, и высоколегированные, или коррозионно-стойкие (например0 марки 12Х13, 12Х17, 30Х13, 20Х13 — первая цифра показывает содержание углерода в сотых долях процента (масс.), буква и цифра после нее — содержание хрома в % (масс.);

Б) меди — бронзы обычные (оловянистые с 8…10 (масс.) Sn и специальные (например, алюминиевые до 10% (масс.) Al); латуни (сплавы с содержанием 10…40% (масс) Zn); мельхиор (группа сплавов, содержащих, % (масс.): 5…..33 (Ni), ~ 1 (Fe), ~ 1 (Mn);

В) никеля — нихром (20% (масс.) Cr); хромель (10% (масс.) Сr);

Г) алюминия — дуралюмин (%(масс.)): 4 (Cu), 0,6 (Mg), 0,6 (Mn), 0,7 (Si), 0,7 (Fe)).

Главным недостатком объемного легирования является его дороговизна, так как зачастую используются легирующие компоненты высокой себестоимости.

Поверхностному легированию подвергаются уже готовые изделия. Его осуществляют методом ионной имплантации. Этот метод позволяет вводить любую модифицирующую добавку в любой металл при низкой температуре. Легирующий слой формируется в результате бомбардировки поверхности изделия ионами легирующих компонентов. Ускоренные ионы, проникая в глубь металла, тормозятся при столкновении с атомами, а затем нейтрализуются их свободными электронами. В результате ионы встраиваются в кристаллическую решетку металла, замещая узлы или располагаясь в междоузлиях. Главным недостатком поверхностного легирования являются сложность и высокая стоимость оборудования, а также малая величина модифицированного слоя. Достоинство — позволяет получать сплавы с такими металлами, как тантал, свинец, вольфрам, палладий, рутений, платина.

2. Изменение состава и свойств коррозионной среды.

Изменение состава и свойств коррозионной среды, т.е. уменьшение ее агрессивности, осуществляют либо введением в нее специальных веществ — ингибиторов коррозии, либо соответствующей ее обработкой (нейтрализация кислых растворов, обескислороживание воды).

Защиту ингибиторами применяют в системах с постоянным или мало обновляемым объемом коррозионной среды (в котлах, цистернах, химических аппаратах). Ингибиторами называют химические соединения или композиции на их основе, введение которых в небольших количествах (до 1% (масс.)) в коррозионную среду резко снижает скорость коррозии.

По химическому составу различают органические и неорганические ингибиторы, по механизму своего действия на процесс электрохимической коррозии — катодные, анодные и экранирующие (изолирующие) ингибиторы.

Механизм защитного действия большинства ингибиторов заключается в адсорбции (концентрировании) их на корродирующей поверхности и последующем торможении анодных (анодные ингибиторы) и катодных (катодные ингибиторы) процессов электрохимической коррозии, а также в образовании защитных и пассивирующих пленок (экранирующие ингибиторы).

Анодные ингибиторы — это неорганические соединения, обладающие окислительными свойствами (хроматы, нитриты и др.). Адсорбируясь на корродирующей поверхности, они легко восстанавливаются на ее катодных участках, превращаясь в оксиды или малорастворимые соли, обеспечивающие пассивацию анодных участков.

Катодные ингибиторы по защитному действию менее эффективны, чем анодные, однако не вызывают усиления коррозии при их недостаточном содержании в коррозионной среде. Они тормозят протекание катодных процессов:

а) путем уменьшения концентрации растворенного кислорода связыванием его в химические соединения, например:

2Na2SO3 + O2 = 2Na2SO4

— при коррозии с кислородной деполяризацией;

б) за счет повышения перенапряжения катодного выделения водорода добавлением в растворы таких солей, как AsCl3, Bi(SO4)3 и др. — при коррозии с водородной деполяризацией;

в) в силу уменьшения площади катодных участков экранированием.

Анодные и катодные ингибиторы, являясь преимущественно неорганическими веществами, оказывают эффективное защитное действие только в нейтральных или щелочных растворах. В сильнокислотных растворах используют экранирующие ингибиторы — органические соединения, содержащие в своем составе атомы серы, кислорода, азота (альдегиды, фенолы, амины и др.). Адсорбируясь (за счет полярных групп или неподеленных пар электронов у атомов O, S, N) по всей поверхности, одни из них затрудняют протекание катодной реакции, другие — анодной реакции.

Атмосферная коррозия протекает, как правило, с кислородной деполяризацией, поэтому для ее торможения пригодны все пассиваторы, используемые в качестве анодных замедлителей в нейтральных и щелочных растворах.

Практическое использование того или иного ингибитора определяется его эффективностью, токсичностью и ущербом, наносимым окружающей среде промышленными сбросами, содержащими ингибитор.

3. Электрохимическая защита: виды и механизм действия.

Электрохимическая защита эффективна в коррозионных средах с хорошей электрической проводимостью и основана на снижении скорости коррозии торможением анодных или катодных реакций путем поляризации (изменения потенциала) защищаемой конструкции (катода или анода) постоянным током.

В зависимости от вида поляризации различают катодную и анодную защиты.

Катодную поляризацию, а следовательно, и катодную защиту осуществляют двумя способами:

1) подключением защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока. Соответствующую разновидность катодной защиты называют защитой внешним (наложенным) потенциалом (рис.1).

2) Присоединением к защищаемой конструкции электрода («жертвенного» анода, или протектора), изготовленного из металла, имеющего меньший электродный потенциал, чем потенциал защищаемой конструкции. Разновидность катодной защиты в этом случае называют протекторной (гальванической) защитой, или защитой «жертвенным» анодом (рис.2).

Анодную защиту осуществляют присоединением защищаемой конструкции к положительному полюсу внешнего источника постоянного тока, а вспомогательного электрода — к отрицательному, при этом конструкция — анод, а электрод — катод. Анодная защита в отличие от катодной применима только к легкопассивируемым металлам. 


 

Рис.1. Схема катодной защиты внешним потенциалом:

1 – выпрямитель тока; 2 – токопроводящая засыпка; 3 – вспомогательный анод; 4 – защищаемая конструкция (трубопровод) — катод; 5 – стальной провод с изоляцией; 6 – грунт.




 

Рис.2 Схема катодной защиты протектором («жертвенным» анодом):

1– засыпка (суспензия бентонита и алебастра, увеличивающая сопротивление грунта); 2 – протектор, или «жертвенный» анод; 3 – защищаемая конструкция (трубопровод) — катод; 4 – стальной наконечник; 5 – стальной провод с изоляцией; 6 – грунт.

При анодной защите ток противоположен по направлению току при катодной защите. Достоинства анодной защиты: высокая рассеивающая способность — возможность защиты на большом удалении от катода (большем, чем в случае катодной защиты); невысокая защитная плотность тока (ниже, чем в случае катодной защиты), а следовательно, и небольшое потребление энергии; возможность защиты электрически экранированных поверхностей. К недостаткам следует отнести ограничение области применения (анодная защита не осуществима для Mg, Cd, Ag, Cu и медных сплавов), а также то, что скорость коррозии при анодной защите, в отличие от катодной, никогда не падает до нуля.

1. Защитные покрытия: виды, методы нанесения и области применения.

Защитные покрытия предохраняют изделия от коррозии и одновременно придают их поверхности ряд ценных свойств: износостойкость, отражательную способность, паяемость и др. Их подразделяют на металлические и неметаллические. Общими требованиями для всех видов покрытий являются: высокая адгезионная способность («прилипаемость» к поверхности материала), износостойкость, твердость, герметичность (сплошность, беспористость и непроницаемость для агрессивной среды).

По механизму своего защитного действия металлические защитные покрытия подразделяют на катодные — коррозионно-стойкие и анодные — протекторные.

Металлы катодных покрытий имеют в данной среде б?льшие (более положительные) значения электродных потенциалов, чем значения потенциала металла, на который они нанесены. Это, например, серебряное (?0 = 0,8 В) или никелевое (?0 = – 0,25 В) покрытие на железе (?0 = – 0,44 В). Изолируя поверхность от коррозионной среды, они защищают изделия лишь механически, поэтому основным требованием, предъявляемым к ним, является герметичность. В противном случае происходит разрушение металла основы (изделия) вследствие возникновения и функционирования коррозионного ГЭ, в котором покрытие выступает в качестве катода.

Металлы анодных покрытий имеют меньшие (более отрицательные) значения потенциалов в данной среде, чем потенциал металла, на который они нанесены. Поэтому цинковое (?0 = –0,74 В) или в некоторых средах алюминиевое (?0 = – 1,66 В) покрытие на железе (?0 = – 0,44 В) является анодным. Анодные покрытия защищают изделия не только механически, но и электрохимически.

Известны различные методы нанесения металлических покрытий ((выбор того или иного метода определяется назначением покрытия):

1. Электролиз — покрываемое изделие, являющееся катодом, погружают в гальваническую ванну с электролитом, содержащим ионы наносимого металла, через который пропускают постоянный электрический ток.

2. Металлизация — расплавленный металл с помощью газовой струи из шприц-пистолета наносят на поверхность мостов, деталей судов, больших баков и др.

3. Горячий метод — защищаемое изделие погружают в расплавленный металл. Покрытие (например, из Zn, Sn, Pb и др.) образуется после извлечения его из ванны.

4. Химический — покрытия (например, из Cu, Ni и др.) формируются при восстановлении металлов из растворов их солей.

5. Термодиффузионный — покрытия (например, из Al, Si, Cr, Ti и др.) образуются в результате диффузии ионов металла из твердой или газообразной фазы.

6. Газофазный — покрытие оседает на подложку в результате протекания газофазного процесса: окислительно-восстановительного, разложения и др.

7. Плакирование — покрытие наносится совместной прокаткой основного и защищающего металлов. Метод применим для листов, лент и других профилей.

Среди неметаллических покрытий можно выделить неорганические (портландцементные, силикатные эмали) и органические (лакокрасочные, полимерными материалами и др.)



Закон Бойля-Мариота (Р. Бойль, 1662; Э. Мариотт, 1676). При постоянной температуре объем данного количества газа обратно пропорционален давлению, под которым он находится. P1V1=P2V2. Закон Гей-Люссака (Ж.Гей- Люссак, 1802). При постоянном давлении изменение объема газа прямо пропорционально температуре. V1/T1=V2/T2 Объединенный газовый закон: Р1V1/T1=Р2V2/T2 РV/T= R –универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль К) РV =n RТ уравнение Менделеева-Клапейрона