Глава 5. Коррозия металлов. Методы защиты от коррозии

Коррозия металлов − самопроизвольный про­цесс разрушения (окисления) металла за счет его взаимодействия с окислителем окружающей среды.

Основные механизмы протекания коррозионных процессов − электрохимический и химический.

Критерием протекания коррозии по одному из перечисленных выше механизмов является состав (природа) среды.

Химической коррозии подвергаются металлы, находящиеся в средах, не проводящих электрический ток, например в сухих газах в присутствии окислителей О₂, СО₂, Сl₂, J₂, H₂S и других (газовая коррозия), в невод­ных растворах (раствор йода в бензоле, сернистая нефть) или в агрессивных средах, не содержащих воды (концентрированные растворы кислот, щелочей и т.д.). Газовой коррозии подвержены сопла ра­кет, двигатели внутреннего сгорания и т.п. В этом случае разрушение метал­ла происходит за счет его непосредственного взаимодействия с окис­лителем.

Более распространенной является электрохимическая коррозия металлов, так как в основном изделия из металлов и сплавов эксплуатируются в атмосферных условиях, в которых присутствует вода в большем или меньшем количестве в зависимости от природы среды: почва, влажный воздух, полное погружение изделия в электролит и т.п. Таким образом, электрохимической коррозии (критерий – токопроводящая среда) подвержены те металлические изде­лия, которые находятся в растворах электролитов или во влажном воздухе. Это электрохимический процесс, так как на поверхности металла имеются участки с различным значением электродного потенциала и образуются так называемые короткозамкнутые микрогальванопары и вследствие этого электрический ток.

Электрохимическая коррозия – многостадийный процесс, основными стадиями которого являются: окисление металла на анодных участках корродирующего металла и восстановление окислителя из окружающей среды − на катодных.

Рассмотрим в качестве примера коррозию железа в растворе НСl.

Рис. 5.1. Коррозия железа в кислой среде

Так как абсолютно чистый металл получить невозможно, то практически любая железная плас­тина, как правило, содержит включение других металлов, например Сu, Sn, Pb и др. Железо является более электроотрицательным металлом, чем указанные примеси, так как его стандартный электродный потенциал , в то время как .

Поэтому железо будет анодом любой из возможных микрогальванопар и происходит его разрушение по схеме:

(-) А(Fe): Fe^o −2e → Fe²⁺ . (5.1)

Отдаваемые железом электроны внутри металла перемещаются к участку с более высоким значе­нием потенциала (в данном случае к медному включению), который служит катодом. В кислой среде на нем происходит процесс восстанов­ления водорода:

(+) K (Cu): 2H⁺ + 2e → H₂. (5.2)

В связи с тем, что электрохимическая коррозия протекает в растворах электролитов, процесс, имеющий место на катоде, определяется кислотностью (рН) среды. В кислых средах, как показано выше, происходит образование водорода при восстановлении свободных ионов Н⁺, в нейтральных и щелочных средах без доступа кислорода протекает процесс выделения водорода из воды:

2Н₂О + 2е → Н₂ + 2ОН^- Е° = -0,828В. (5.3)

В нейтральных или щелочных средах с доступом кислорода происходит восстановление последнего по схеме

O₂+ 2Н₂О +4e → 4ОН^- Е° = 0,401В. (5.4)

Таким образом, если рассмотреть с точки зрения коррозионных процессов микрогальванопару, представленную на рис. 5.1, т.е. два контактирующих металла железо−медь, то в зависимости от состава среды катодные процессы (схемы 5.5) будут различными, а анодный во всех случаях один и тот же:

● кислая среда (-) А(Fe): Fe^o − 2e → Fe²⁺

(+) К(Cu): 2H⁺ + 2e → H₂^o;

● токопроводящая среда в отсутствии кислорода

(-) А(Fe): Fe^o − 2e → Fe²⁺

(+) К(Cu): 2Н₂О + 2е → Н₂ + 2ОН^- ; (5.5)

● токопроводящая среда в присутствии кислорода

(-) А(Fe): Fe^o − 2e → Fe²⁺

(+) К(Cu): O₂ + 2Н₂О +4e → 4ОН^- .

В дальнейшем в случае присутствия в коррозионной среде ионов ОН^- протекают «вторичные» коррозионные процессы – образование различных по составу гидроксидов, составляющих основу ржавщины:

Fe²⁺ + 2ОН^- → Fe(ОН)₂ (5.6)

4Fe(ОН)₂ + O₂ + 2Н₂О →4 FeООН ∙Н₂О. (5.7)