Тема 3 Коррозия металлов и способы защиты от неё. Коррозия металлов

Металлические материалы — металлы и сплавы на основе металлов, — приходя в соприкосновение с окружающей их средой (газообразной или жидкой), подвергаются с той или иной скоростью разрушению. Причина этого разруше­ния лежит в химическом взаимодействии: металлы вступают в окислительно-восстановительные реакции с веществами, находящимися в окружающей среде, и окисляются.

Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды, называется коррозией. Общая масса металлических материалов, используемых в виде различных из­делий в мировом хозяйстве, очень велика. Поэтому, несмотря на то, что обычно скорость коррозии мала, ежегодно из-за коррозии безвозвратно теряются огром­ные количества металла. Но еще больший вред связан не с потерей металла, а с порчей изделий, вызываемой коррозией. Затраты на ремонт или на замену деталей судов, автомобилей, аппа­ратуры химических производств, приборов во много раз превышают стоимость металла, из которого они изготовлены. Наконец, существенными бывают кос­венные потери, вызванные коррозией. К ним можно отнести, например, утечку нефти или газа из подвергшихся коррозии трубопроводов, порчу продуктов пи­тания, потерю здоровья, а иногда и жизни людей в тех случаях, когда это вызва­но коррозией. Таким образом, борьба с коррозией представляет собой важную проблему, а на защиту от коррозии тратятся большие средства.

Большинство металлов в реальных условиях способны разрушаться, переходя в окисленное состояние. Самым доступным окислителем для металлов является кислород. Изменение энергии Гиббса в этом процессе меньше нуля, т. е. металлы - термодинамически неустойчивые системы.

К важнейшим случаям коррозии относятся химическая и электрохимическая коррозия.

Химическая коррозия металлов.

Коррозия металлов может протекать при взаимодействии металлов с сухими газами или растворами неэлектролитов. Такая коррозия называется химической. Взаимодействие металлов с газами (газовая коррозия) происходит при повышенных температурах, когда конденсация влаги на поверхности металла невозможна. Газовой коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин и т. п. Газовую коррозию претерпевает также металл, подвергаемый термической обработке.

Механизм газовой коррозии связан с протеканием на поверхности раздела твердой и газообразной фаз двух сопряженных реакций: окисления металла и восстановления газообразного окислителя, причем в пространстве эти два про­цесса, как правило, не разделены. В этом же месте происходит и накопление продуктов реакции окисления. Для непрерывного осуществления реакции ато­мы и ионы металла, с одной стороны, и атомы или ионы кислорода или другого окислителя, с другой, диффундируют сквозь постепенно утолщающуюся плен­ку продуктов коррозии. В результате газовой коррозии на поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сульфиды и др. В зависимо­сти от свойств образующихся продуктов может происходить торможение процесса окисления.

Газовой коррозии подвергаются углеродистые стали, чугуны, которые взаи­модействуя с кислородом могут терять прочность и твердость, особенно при по­вышенных температурах (300°С и выше):

Fe + 0₂ —> FeO + Fe₃0₄ + Fe₂0₃ .

Образующаяся смесь продуктов называется окалиной. Одновременно протека­ет обезуглероживание поверхностного слоя металла за счет превращения цемен­тита:

Fe₃C + 0₂ —►Fe + CO₂.

Водород взаимодействует с имеющимся в стали углеродом, превращая его в углеводороды (обычно в метан), что приводит к резкому ухудшению свойств стали. Поэтому в присутствии водорода возникает водородная хрупкость стали за счет того, что в результате реакции также происходит обезуглероживание стали, возникновение микротрещин.

Fe₃C + H₂ —>Fe + CH₄

Сталь при температурах выше 200 °С начинает интенсивно корродировать в присутствии многих других газов (хлора, оксидов азота, углерода, серы).

Медь активно взаимодействует с оксидами углерода и серы, содержащимися в атмосфере.

Из цветных металлов устойчив к газовой коррозии в воздушных средах никель, а его сплавы с хромом устойчивы к коррозии даже при температурах, превышающих 1000 °С.

Основными способами защиты от газовой коррозии являются легирование металлов, создание защитных покрытий и замена агрессивной газовой среды. Для изготовления аппаратуры, подвергающейся действию коррозионно-активных газов, применяют жаростойкие сплавы. Для придания жаростойкости стали и чугуну в их состав вводят хром, кремний, алюминий; применяются также спла­вы на основе никеля или кобальта. Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхности изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием. К таким металлам принадлежат алюминий и хром. Защитное действие этих металлов обусловлено образованием на их поверхности весьма тонкой, но прочной оксидной пленки, препят­ствующей взаимодействию металла с окружающей средой. В случае алюминия этот метод носит название алитирования, в случае хрома — термохромирования. Для защиты используют и неметаллические покрытия, изготовленные из керамических и керамико-металлических материалов.