Лекция 25. Защита металлов от химической коррозии

1) Защита от газовой коррозии

а) Основной метод – применение жаростойких и жаропрочных материалов.

Жаростойкость - стойкость по отношению к газовой коррозии при

высоких температурах.

Жаропрочность - свойства конструкционного материала сохранять

высокую механическую прочность при значительном повышении

температуры.

Жаростойкость → легирование, например, стали хромом, алюминием и кремнием. Эти элементы при высоких температурах образуют плотные защитные пленки оксидов: FeCr₂O₄, NiFe₂O_4, NiCr₂O₄

Стали, легированные 4 - 9% хрома, молибденом или кремнием, используются в парогенераторо- и турбостроении.

Сплав, содержащий 9 - 12% хрома, - для изготовления лопаток газовых турбин, деталей реактивных двигателей, в производстве двигателей внутреннего сгорания и т. п.

Сплавы Сr-Al-Fе обладают исключительно высокой жаростойкостью. Например, сплав, содержащий 30% Сr, 5% Аl, 0,5% Si, устойчив на воздухе до 1300С. Эти сплавы используют, в частности, в качестве материалов для изготовления спиралей и деталей нагревательных элементов печей сопротивления.

Нихромы 80% Ni и 20% Cr или 65% Ni + 20% Cr+ 15% Fe обладают высокой жаростойкостью

Но: V, Mo, W образуют легкоплавкие и летучие оксиды, ускоряют окисление стали при высоких Т.

Например, сплавы, сод. 4-9% Si, Cr, Mo применяют в парогенераторо- и турбостоении; 9-12% Cr - для изготовления лопаток газовых турбин, деталей реактивных двигателей, двигателей внутреннего сгорания.

Сплав, содержащий 30% Cr, 5% Al, 0,5% Fe – устойчив на воздухе при t > 1300⁰С.

в) воздействие на среду, уменьшение Р газа, подбор Т, использование инертных и защитных газовых атмосфер

с) выбор защитных покрытий ( керамических и металлокерамических)

2) защита от коррозии в продуктах сгорания топлива

а) подбор коррозионностойких, жаропрочных материалов (наименее подвержены ванадиевой коррозии стали и сплавы , легированные Al, а сульфидно-оксидной –стали и сплавы, легированные Cr )

б) совершенство условий эксплуатации (↓Т↓р_г и отсутствие контакта)

3) защита от коррозии в неэлектролитах

а) выбор коррозионностойких материалов

б)применение защитных покрытий на М.Так, используют Al- Sn- покрытия стали (Fe) при контакте с нефтепродуктами, содержащими S и О₂ (пленка Al₂O₃ не реагирует с S до 200⁰С, а Sn не реагирует с О₂ и S до 150 ⁰С

в) чистота используемых рабочих жидкостей (удаление S, O_2, Н₂О)

г) введение в среду ингибиторов - антикоррозионных присадок.

Лекция 26. Определение возможности коррозии и надежности выбранного метода защиты металла на конкретных примерах

Пример 1. Определите термодинамическую возможность газовой коррозии изделия из низкоуглеродистой стали (Fe) эксплуатирующегося при 700 К в среде водяного пара ( = 10).

Решение. Коррозия может быть вызвана процессом:

Fe_(т) + Н₂О_(г) → FeO_(т) + Н_2(г) и имеет место, если < 0.

Рассчитаем энергию Гиббса процесса:

.

Воспользуемся справочными данными:

т.е. газовая коррозия Fe в данных условиях возможна.

Пример 2. Определите относительное парциальное давление водяного пара, при котором прекращается газовая коррозия изделия из низкоуглеродистой стали при 700 К.

Решение. Газовая коррозия прекращается, когда или . Отсюда:

;

.

Пример 3. Определите температуру, при которой газовая коррозия изделия (пример 1) при стандартных условиях прекратится.

Решение. С некоторыми допущениями температуру, при которой прекращается коррозия, найдем из уравнения:

, откуда ,

т.е. в среде водяного пара газовая коррозия Fe прекращается при Т≤824 К.

Пример 4. Определите термодинамическую возможность электрохимической коррозии сплава Cu-Zn в водном растворе ZnSO₄ c концентрацией соли 0,01 моль/л при 25º С и

= 0,21, приняв = 1. Составьте уравнения процессов, протекающих при коррозии.

Решение. Рассчитаем рН раствора с учетом гидролиза соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой [1]:

Равновесные потенциалы возможных окислителей равны:

;

Анодными участками в данном сплаве являются цинковые < . Так как Е_ох> , то коррозия данного сплава термодинамически возможна.

Анодный процесс: Zn → Zn²⁺ + 2e

Катодные процессы: 2Н⁺ +2е → Н₂; О₂ +4Н⁺ + 4е → 2 Н₂О.

Пример 5. Выразите скорость равномерной коррозии стального (Fe) изделия через массовый показатель К_m, г/(м²·год), если плотность коррозионного тока составляет 0,01 А/м².

Решение. Из закона Фарадея: m_кор.Fe=M_эI_кt/F. Скорость коррозии равна:

, где

М_э – молярная масса эквивалента, г

F – число Фарадея, 96500 Кл

I_к – сила коррозионного тока, А

М_эFe = 56/2=28 г/моль.

К_m =

Пример 6. При коррозии железного изделия за 1,5 мин работы коррозионного ГЭ образовалось 0,125 г Fe(OH)₂. Вычислите объем кислорода, израсходованного на коррозия железа, силу коррозионного тока и масса растворенного металла.

Решение. Запишем уравнения процессов, протекающих в коррозионном ГЭ:

А: Fe → Fe²⁺ + 2e

К: О₂ + 2Н₂О + 4е → 4ОН^-

Рассчитаем количество моль-эквивалентов образовавшегося Fe(OH)₂:

n_{э Fe(OH)2}= m _Fe(OH)2/M_{э Fe(OH)2} = 0,125/45 = 2,8·10^-3.

Согласно закону эквивалентов все вещества взаимодействуют в эквивалентных количествах, т.е. n_{э Fe(OH)2} = n_{э Fe} = n_{э О2} =2,8·10^-3.

Тогда объем кислорода, израсходованного на коррозию железа:

V _О2 = n_{э О2}· V_{э О2} = 2,8·10^-3·5,6 = 15,7·10^-3 л = 15,7 мл.

По закону Фарадея рассчитаем силу коррозионного тока в ГЭ:

I = V _О2·F/(V_{э О2} ·t) = 15,7·10^-3·96500/(5,6·90) = 3 А

Определим массу растворившегося Fe:

m _Fe = n_{э Fe} · M_{э Fe} = 2,8·10^-3·28 = 0,08 г.