Глава 16

КОРРОЗИЯ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

16.1. Общие сведения

Коррозией¹ называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или элек­трохимического воздействия.

Обычно рассматривают коррозию металлических материалов. Однако это явление характерно не только для металлов и сплавов, аналогичные процессы могут происходить и в неметаллических материалах - пластмассах, керамике. Примером такого коррози­онного воздействия может служить износ футеровки плавильных печей под действием жидкого, химически активного шлака.

Ущерб, причиняемый коррозией, может быть прямым и кос­венным. Прямой ущерб включает стоимость замены подвергших­ся коррозии частей машин, трубопроводов, устройств. Для вос­становления пораженных коррозией оборудования и конструкций ежегодно расходуется не менее 10 % продукции мирового метал­лургического производства.

Косвенный ущерб от коррозии связан с простоем оборудова­ния в результате аварий, ухудшением качества продукции, на­пример в результате ее загрязнения, увеличением расхода топли­ва, материалов, энергии. Так, при выходе из строя химической аппаратуры не выпускается продукция, отказ в работе двигателей приводит к простою ценного оборудования, нарушение герметич­ности газо- и нефтепроводов делает возможной утечку ценного сырья. Если в результате коррозии водопроводной системы пре­кращается подача воды на металлургический завод, то ремонт водопровода будет стоить во много раз меньше, чем расходы, свя­

занные с остановкой завода на несколько часов. В зависимости от страны и климатических условий суммарный ущерб, наносимый коррозией, достигает уровня 3-10 % валового продукта.

Проникновение в результате коррозии газа, нефти и других продуктов в окружающую среду приводит не только к материаль­ным потерям, но и к угрозе жизнеобеспечению человека и приро­ды. Если ущерб от замены и ремонта оборудования можно хотя бы рассчитать, то ущерб окружающей среде не поддается расчету.

В зависимости от свойств окружающей среды и характера ее физико-химического воздействия на материал различают:

1. химическую коррозию, обусловленную воздействием сухих газов, а также жидкостей, не являющихся электролитами (нефть, бензин, фенол);

2. электрохимическую коррозию, обусловленную воздействи­ем жидких электролитов: водных растворов солей, кислот, щело­чей, влажного воздуха, грунтовых вод, т. е. растворов, содержа­щих ионы и являющихся проводниками электричества.

Химическая коррозия. Наиболее распространенным видом химической коррозии является газовая коррозия при высоких температурах - процесс взаимодействия с кислородом или актив­ными газовыми средами (галогены, диоксид серы, сероводород, пары серы, диоксид углерода и т. д.). При газовой коррозии раз­рушаются такие ответственные узлы и детали, как лопатки газо­вых турбин, сопла реактивных двигателей, арматура печей.

В производственных условиях чаще всего сталкиваются с окислением металлов, в случае сплавов на основе железа - с обра­зованием окалины. Защитные свойства металлов от окисления обусловлены образованием сплошных оксидных пленок на их по­верхности. Для обеспечения сплошности пленок необходимо, что­бы объем оксида V_OK был больше объема металла F_MeT, из которого он образовался: V_OK/V_Mer > 1. В противном случае получается пре­рывистая пленка, не способная эффективно защитить металл от коррозии. Такая пленка характерна для магния (V_0K/F_Mer = 0,79), что затрудняет защиту сплавов на его основе от коррозии.

Помимо сплошности оксидные пленки должны обладать вы­сокими механическими свойствами, хорошо сцепляться с метал­лом и иметь достаточную толщину, обеспечивающую высокие за­щитные характеристики. Этим требованиям удовлетворяет плен­ка оксида хрома Сг₂0₃, что обусловливает высокую устойчивость против коррозии сталей и жаростойких сплавов с высоким содер­жанием хрома.

Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов. При электриче­ском контакте двух металлов или двух различающихся по свойствам

Рис. 16.1. Схема электрохимического коррозион- - 2Ме ^ъ ного процесса

(J) 2Ме 1
■ 1 ;	**-02 + 2Н20
4е~ j I

v

\ фазовых составляющих одного метал- V ла, которые обладают разными элек- •¹-40Н" тродными (электрохимическими) по­тенциалами, но находятся в одном Металл ' Электролит электролите, образуется гальваничес­кий элемент. Поведение металлов или отдельных фаз зависит от значения их электродного потенциала. Металл или фаза, имеющие более отрицательный электродный по­тенциал (анод), отдают положительно заряженные ионы в раствор и растворяются (рис. 16.1). Избыточные электроны перетекают в металл или фазу, имеющие более высокий электродный потен­циал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него удаляются во внешнюю среду. Чем ниже электродный по­тенциал металла или фазы по отношению к стандартному водо­родному потенциалу, принятому за нулевой уровень*, тем легче металл или фаза отдают ионы в раствор, тем ниже их коррози­онная стойкость.

Значения электродного потенциала Е₀ некоторых металлов приведены ниже:

Элемент Mg Al Мп Zn Or Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag An E_n, В -2,36 -1,66 -1,18 -0,76 -0,74 -0,44 -0,28 -0,25 -0,14 -0,13 0 +0,34 +0,79 +0,80 bl,50

Ход электрохимического процесса определяется разностью потенциалов элементов. Для пары Си - Zn разность потенциалов составляет 1,1 В.

В случае замкнутой цепи медь является катодом, а цинк - ано­дом, что приводит к его растворению. Если приложить напряжение более 1,1 В, то анод и катод поменяются местами, что приведет к рас­творению меди и восстановлению металлического цинка.