Коррозия металлов и сплавов

Реферат На тему:«Коррозия металлов и сплавов» Процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие хи-мич¬еского или электрохимического взаимодействия их с окружаю¬щей средой. Такое разрушение происходит под влиянием кислорода во¬здуха, влаги, оксидов серы, азота и других химически активных ве¬ществ. В солёной воде металлы разрушаются намного быстрее, чем в пресной. Самое известное проявление коррозии – ржавчина на поверх¬ности стальных и чугунных изделий.

Потери от коррозии исчисляются миллиардами гривен ежегодно. Ей подвержены не только металлы, их сплавы, но и строительные материалы, в частности бетон. Больше всего страдают от коррозии сплавы на основе железа(Fe) – главные материа-лы современной техники. «Ржа ест железо» - поговорка старая, но точ-ная. Около 10% добытого металла теряется безвозвратно. Ржавчина (её состав Fe2O3 * nH2O) не прочна и рыхла.

За коррозией следует эрозия-разрушение металлических изделий в результате механических воздей-ствий, после чего металл уже не пригоден. Всё же 2/3 металлолома воз-вращаются в производство после переплавки в мартеновских печах и конвертерах. Вот почему необходимо собирать металлолом. Скорость коррозии в технике измеряют в граммах разрушенного металла за 1час с 1кв.м металлической поверхности. Если эта величина не превышает 0,1г/кв.м, металл считается коррозионностойким, если же она достигает 3г/кв.

м, и больше – малостойким. Металлы, теряющие с 1кв.м поверхности больше 10г в час, называют нестойкими. Коррозионные разрушения бывают сплошными и местными, рав-номерными и неравномерными. Особенно опасна межкристалличе-ская коррозия, которая, не разрушая металл с поверхности, распро-страняется вглубь по границам составляющих металл частиц-кристаллитов. Известны случаи избирательной коррозии, например обесцинкование латуней, когда под действием внешних

факторов сплав обедняется одним из важных компонентов, в данном случае цинком. Коррозия считается химической, если после разрыва металличе-ской связи атом металла вступает в непосредственное взаимодействие с окислителем, и электрохимической, если в результате взаимодействия с внешней средой образующийся ион (катион) вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды. А в об-щем суть любого коррозионного процесса состоит в изменении состоя-ния атома и удалении его из

кристаллической решётки металла. Существует много способов борьбы с коррозией. Можно защи-щать металл от неё, уменьшая агрессивность среды, в частности введе-нием в эту среду ингибиторов – замедлителей коррозионных процес-сов. Разные металлы обладают различной химической стойкостью и, следовательно, неодинаковой устойчивостью к коррозии. В состав не-ржавеющей стали добавляют коррозионностойкий хром(Cr). Хромом и некоторыми другими не поддающимся коррозии металлами покрывают (обычно электрохимически) поверхность

многих металлических изде-лий. Коррозии противодействуют и другие покрытия: лакокрасочные, эмалевые, плёночные. Химиками разработаны также препараты, называющиеся преоб-разователями ржавчины. Под действием этих веществ рыхлая ржав-чина преобразуется в твёрдый, устойчивый к механическим и химиче-ским воздействиям грунтовой слой, на который можно наносить краску и эмаль. Благодаря этому, что металлы легко отдают электроны, в природе они, как правило, находятся в связанном

(окисленном) состоянии. что-бы получить металл из его соединений, нужно действовать более ак-тивным восстановителем. В окружении разных окислителей, в первую очередь кислорода(O2), свободное состояние для металлов нестабиль-ное, и они со временем переходят в более стойкую окислительную форму. Этот процесс называется коррозией (от латинского слова corrode – разрушать). Исключения составляют некоторые неактивные (благородные) металлы –

Au, Pt, Ir, которые находятся в природе в свободном состоянии. Следует различать химическую и электрохимическую коррозии. Химическая коррозия имеет место при непосредственном взаимодействии металла с агрессивной средой, которая не проводит электрический ток (газы, неводные растворы, органические растворители и т.д.). Химическая коррозия протекает тем интенсивнее, чем наиболее активный металл, агрессивная среда и высокая

температура. Наиболее расширена высокотемпературная или газовая коррозия на воздухе: xMe + 0,5yO2 = MexOy. Механизм её достаточно сложный, а скорость зависит от многих факторов. Сначала на поверхности металла появляется очень тонкая оксидная плёнка. Затем скорость окисления зависит от диффузии окислителя через эту плёнку, цельности и диффузийной способности самой плёнки. Цельность оксидной плёнки можно оценить, используя объёмный коэффициент α, который

отвечает отношению объёма оксида к объёму оксида металла, что используется на получение оксида: &#945; = V(MexOy) V(Me) Металлы, у которых &#945; < 1, не могут давать цельные пленки. Это – щелочные и щелочно-земельные металлы, которые быстро окисляются на воздухе. Цельные и стойкие пленки образуются, когда 1,2 &#8804; &#945; &#8804; 1,6 (Al, Ni, Co, Cr, Ti и др.). Если значение &#945; >

1,6, оксидные плёнки вслед-ствии внутренних напряжений легко отделяются от поверзности метал-ла, например, железная окалина. Важное значение имеет не только толщина и плотность металла, но и её механические ( твёрдость, упру-гость) и химические свойства. При низких температурах окисление большинства металлических материалов идёт до тех пор, пока оксидная плёнка не достигнет некото-рой граничной, при данных условиях, толщины, после чего коррозия существенно замедляется.

При высоких температурах происходит дальнейшее окисление металла, что обусловлено ускорением диффузии окислителя сквозь оксидную плёнку. Кроме кислорода, с металлами могут активно реагировать и дру-гие газы: фтор(F), хлор(Cl), сероводород(H2S), оксид серы(IV), оксиды азота и т.д. Их агрессивность зависит от природы реагентов. Так, алю-миний и нержавеющие стали стойкие к кислороду, но быстро разруша-ются в атмосфере хлора; никель интенсивно коррозирует в атмосфере

SO2, а медь, наоборот, стойкая к действию этого газа. Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов вслед-ствие их контакта с растворителями электролитов. Причём такой рас-твор в своём составе должен содержать окислитель, а металл, который коррозирует (восстановитель), находиться в контакте с менее активным металлом или сплавом (гальваническая пара). Контактными парами мо-гут быть активный металл и добавки с металлической проводимостью (карбиды, нитриты,

силициды d-элементов). Чистые металлы (без доба-вок) стойкие против электрохимической коррозии (тут следует вспом-нить про так называемые «индийские колонны», изготовленные из чис-того железа(Fe) тысячелетия тому назад, которые прекрасно сохрани-лись до наших дней). Во время электрохимической коррозии имеет место перенесения электрических зарядов (электронов) от более активного металла к ме-нее активному, которые контактируют с электролитом, где и протекают химические

процессы окисления-восстановления (гальванический элемент). Главным отличием обычных гальванических элементов от коррозийных гальванических пар является отсутствие в последнем слу-чае внешней электрической цепи, т.е. коррозионные гальванические элементы являются короткозамыкаемыми. Так, когда активный металл, например цинк(Zn), загрязнённый примесями менее активных металлов (например, железом(Fe), контак-тирует со слабокислым электролитом, например водным раствором ки-слотных оксидов,

которые всегда есть в воздухе, в раствор переходят катионы активного металла: Zn – 2e = Zn , а электроны восстановителя перетекают к посредникам с более низким значением потенциала (примеси менее активных металлов) и снимают-ся поверхности металла ионами водорода(H2)(окислителя), который есть в растворе: 2H + 2e = H2. Суммарный процесс коррозии, который происходит в данном гальваническом элементе, выражается уравнением: Zn + 2H = Zn + H2, а сам гальванический элемент можно передать схемой:

(–) Zn / Zn (H2O)OH / O2(Fe) (+). В отсутствии ионов Н (в нейтральной среде) функции окислите-ля использует растворённый в воде (Н2О) кислород (атмосферная кор-розия): O2 + 2H2O + 4e = 4OH , но этот процесс в энергетическом плане менее выгодный, чем восста-новление ионов водорода, поскольку молекулярный кислород является хорошим окислителем при высоких температурах, когда ослабляются связи между атомами в молекуле.

Гальванический элемент в случае ат-мосферной коррозии цинка можно передать схемой: (–) Zn / Zn(OH)2,H2O / (Fe)O2(Fe) (+), а суммарный процесс коррозии – уравнением: 2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn(OH)2. Электрохимическая коррозия протекает тем интенсивнее, чем большая разница окислительно-восстановительных потенциалов метал-лов, что находятся в гальванической паре, более агрессивная среда и большая концентрация окислителя в растворе электролита, высокая температура.

Зная факторы, которые способствуют коррозии, можно разрабатывать научные подходы к проблемам защиты металлов от окисления и разрушения. Вот некоторые из них: а) защита поверхности металла от контакта с агрессивной средой путём нанесения металлических и неметаллических (масла, лаки, крас-ки) покрытий, а также пассивирование поверхности металла путём по-лучения на них оксидных, карбидных, нитридных и других защитных плёнок; б) введение в активный металл легирующих примесей для сближе-ния потенциалов

или пассивирования поверхности (получение сплавов с антикоррозийными свойствами, например, нержавеющий сталей); в) электрозащита – изменение потенциалов поверхности активного металла от внешнего источника напряжения, или протекторная защита – получение надежного контакта более активным металлом, который будет разрушаться; г) снижение агрессивности среды (замена на менее агрессивное или введение ингибиторов – соединений, которые замедляют процесс окисления металла); д) применение наиболее чистых металлов (способы

очищения: электрохимическое рафинирование, зонная плавка и др.); е) замена металлов другими химическо стойкими материалами; ж) разработка и проведение эффектных низкотемпературных про-цессов.