2. Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соедине­ние различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.

Чем легче металл вступает в соединение с другими эле­ментами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение метал­лов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды назы­вают коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаро­стойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготов­ления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготов­лении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

Коррозия металлов

Коррозия - это разрушение поверхностного слоя металлов под воз­действием окружающей среды (рабочего тела). В процессе корро­зии происходит потускнение поверхности, разъедание, травление и разрушение металла.

Эти процессы ограничивают применение металлов.

Причины разрушения поверхностного слоя металлов:

-искаженной формой атомно-кристаллической структуры;

- химической неоднородностью (ликвацией);

- ос­таточными напряжениями;

- окружающими физическими условиями и другими многочисленными факторами.

Скорость процесса корро­зии можно уменьшить или вообще приостановить, если точно опре­делить ее природу, меняя физические условия работы деталей и ме­ханизмов или химический состав металла, его структуру.

В зависимости от рабочей среды, в которой постоянно находят­ся детали, механизмы и конструкции из металлов и их сплавов, процессы коррозии подразделяются:

• на газовую коррозию (в сухих газах);

• атмосферную коррозию (в условиях открытой атмосфе­ры, влажного естественного воздуха);

• коррозию в жидких растворах (воде, электролитах, не­электролитах, нефти и нефтепродуктах);

• почвенную коррозию.

Коррозионные разрушения металлов и сплавов бывают следу­ющих видов (рис. 1):

• общая, или сплошная, коррозия поверхности металлов;

• язвенная коррозия;

• структурно-избирательная коррозия;

• межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия;

• местная коррозия;

• коррозия под напряжением;

• щелевая коррозия;

• биокоррозия.

Рис.1. Виды коррозионных разрушений металлов и сплавов:

а - сплошная равномерная коррозия; б - сплошная неравномерная коррозия;

в - язвенная коррозия; г - подповерхностная коррозия; д - избирательная коррозия;

в - межкристаллитная коррозия

Все виды коррозии, изображенные на рис.1, характерны тем, что в конструкциях происходит постепенное разрушение поверх­ности металла. В одних случаях это скрытое коррозионное разру­шение, в других открытое. В зависимости от структуры сплава, химической прочности зерен и правильной или искаженной атом­ной кристаллической решетки, а также неоднородности по хими­ческому составу (ликвации) кислород избирательно взаимодей­ствует с металлом.

Особенно опасными являются подповерхностная, язвенная и межкристаллитная коррозия. Эти виды коррозии разрушают металл, что мо­жет привести к поломке деталей (конструкций).

По механизму воздействия на металл коррозия подразделяется на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия происходит под воздействием на повер­хность металлов и сплавов сухого воздуха, газов, жидкостей, не взаимодействующих с электрическим током, различных нефтепро­дуктов и расплавленных солей. В результате воздействия перечис­ленных факторов поверхность металла покрывается тонкой оксидной пленкой. У некоторых металлов оксидная пленка плотная и прочная и при нормальных условиях препятствует дальнейшему распространению коррозии. Такие защитные оксидные пленки на­зываются природными.

Под действием высоких температур оксидная пленка теряет за­щитные свойства, металл угорает и мелкие детали могут полностью разрушиться. Так как химическая коррозия проникает по грани­цам зерен на большую глубину и разъедает эти зерна, изменяя кристаллографическую структуру металла, то с течением времени оксидная пленка увеличивается, трескается и отслаивается. Сталь­ные и чугунные детали покрываются ржавчиной. Стальные детали под воздействием сухой ат­мосферы со временем полностью могут разрушиться.

У алюминия, свинца, никеля, хрома и др., в обычных атмосферных условиях оксидная пленка тонкая, плотная и прочная, и атомы кислорода не могут через пленку диффундиро­вать. Такими свойствами обладает железо как основной составной элемент в сталях и чугунах. Эти сплавы первоначально имеют плотную оксидную пленку, но с низкой прочностью, поэтому она быстро растрескивается под действием механических колебаний, смены температур, нагрева и охлаждения и отслаивается. В связи с этим стали и чугуны активно коррозируют в любых условиях.

Электрохимическая коррозия - это образование множества мельчайших гальванических элементов (пар) под действием тока, при котором происходят движение электронов металла в электро­лит и разрушение этого металла.

Сущность электрохимической коррозии металлов заключается в том, что она протекает в различных жидкостях, проводящих электрический ток. В обычных условиях вода впитывает из атмо­сферы различные соли с образованием слабых электролитов. Электро­химической коррозии подвергаются все металлические конструк­ции, сооружения, машины, находящиеся под открытым небом, так как они постоянно взаимодействуют с влагой (водой), а также ме­таллы, находящиеся в почве (трубопроводы, опоры линий электро­передачи, мосты и т.д).

Методы защиты металлов от коррозии

В практике разработа­ны различные эффективные методы защиты металлов от корро­зии, которые широко применяются в различных отраслях промыш­ленности и строительстве.

Неметаллические покрытия являются наилучшей временной защитой изделий машиностроения от коррозии. В этом случае применяют густые консервационные материалы: за­щитные масла и смазки. Защитные смазки для изделий в машино­строении применяют для транспортировки и хранения, а также для консервации.

Защитить металлические по­верхности изделий от коррозии маслами и смазками полностью не удается. В процессе транспортировки и временного хранения изде­лия обертывают в промасленную или пропарафинированную бума­гу для изоляции от влажного воздуха, атмосферных осадков и т. д.

Лакокрасочные покрытия и фенолформальдегидные смолы изо­лируют металл от контакта с рабочей средой, увеличивают элект­рическое сопротивление, защищая металл от химического и элек­трохимического воздействия. Лакокрасочными покрытиями предохраняют от коррозии по­чти все сооружения, эксплуатируемые в атмосфере, а также стан­ки, трубопроводы, батареи отопления и т.д. Различные трубопро­воды, контактирующие с агрессивной средой, покрывают смолами. В отдельных случаях используют покрытия пластмассами.

Металлические покрытия также защищают металлы от кор­розии. Одним из способов получения многослойных антикоррози­онных покрытий является плакирование. Этот вид покрытий зак­лючается в прокатке листов (труб), лент и других изделий с метал­лами, устойчивыми к коррозии. В качестве металлов, предохраня­ющих от коррозии, применяют медь, алюминий, хром и тонкие ли­сты коррозионно-стойкой стали. Получаемый в процессе проката тонкий наружный слой металла (с одной или двух сторон) устойчив к химической и электрохимической коррозии.

Другой способ получения многослойного металлического по­крытия — лужение (окунание в жидкий расплавленный металл) медью, оловом, цинком

К этому типу покрытий относится также ме­таллизация поверхности стальных деталей и заготовок методом на­пыления расплавленного антикоррозионного металла с помощью пистолета или электрической дуги (плазменное покрытие).

К разновидностям многослойных металлических покрытий от­носятся также гальванические покрытия. При гальванических покрытиях изделия основного металла, соединенного с отрицатель­ным потенциалом, опускают в электролит, содержащий соли кор­розионно-стойкого металла (медь, цинк, хром, никель и др.) или пластины из чистого металла. Эти пластины (или электролиты) за­ряжаются положительным потенциалом. Под действием разности потенциалов в электролит (пластины металла) выпадают электро­ны, которые оседают на основном (покрываемом) металле, предох­раняя его от коррозии. Достоинством гальванических покрытий является равномерное образование на поверхности деталей корро­зионно-стойкого металла — металла покрытия. Этим методом про­изводят меднение, хромирование, цинкование, никелирование, се­ребрение, золочение и др.

К разновидности металлических антикоррозионных покрытий относятся также диффузионные покрытия — насыщение защища­емых поверхностей на небольшую глубину коррозионно-стойкими металлами: хромом, алюминием, серой и другими элементами. Этот метод получил название химико-термической обработки (ХТО).

Легирование - один из наиболее эффективных методов полу­чения коррозионно-стойких конструкционных материалов. При легировании в конструкционные материалы в процессе плавки до­бавляются коррозионно-стойкие металлы и неметаллы. Легирую­щие элементы, составляющие сплав, образуют на поверхностях конструкционных материалов прочные и плотные оксидные плен­ки, предохраняющие металлы от коррозии, или образуют с желе­зом структуру аустенита, который обладает высокой стойкостью к коррозии. В практике в качестве коррозионно-стойких конструк­ционных материалов выпускают хромистые, хромоникелевые, хромоникелевые с титаном и другие легированные стали и сплавы.