Атмосферна корозія металів та методи захисту

Атмосферна корозія металів, зокрема сплавів на залізній основі, протікає із змішаним катодно-анодним-омовим контролем, який залежно від товщини, складу і електропровідності плівки електроліту і природи металу може переходити у переважно катодний контроль (мокра атмосферна корозія) або в переважно анодний контроль (волога атмосферна корозія металів, що легко пасивуються, за відсутності депасиваторів), або в переважно омічний контроль (робота протяжніших пар під тонкою плівкою чистої води), як це показано на рис.6.

 

Рис.6. Поляризаційні корозійні діаграми, для основних практичних випадків контролю атмосферної  корозіі металів:

а — змішаний катодно-анодно-омовий контроль; б — переважний катодний контроль; в— переважний анодний контроль; г — переважний омовий контроль.

 

 

4. ЧИННИКИ АТМОСФЕРНОЇ  КОРОЗІЇ МЕТАЛІВ

На швидкість  атмосферної корозії металів робить вплив цілий ряд чинників.

Вологість повітря  є одним з головних чинників, сприяючих освіті на поверхні металу плівки вологи, що приводить до його електрохімічної корозії, швидкість якої зростає із збільшенням відносної вологості повітря (рис.7). При цьому в більшості практичних випадків (забруднене повітря) швидкість корозії багатьох металів різко збільшується тільки після досягнення деякої певної відносної вологості повітря (званою іноді критичною вологістю), при якій з'являється суцільна плівка вологи на поверхні металу в результаті конденсації води за рахунок гідратування що знаходяться на цій поверхні сольових і інших плівок продуктів корозії або капілярної конденсації. Величина критичної вологості значно змінюється залежно від стану поверхні металу і складу атмосфери (табл. 4).

 

Відносна вологість, %

Рис.7.Вплив відносноі  вологості повітря на швидкість  атмосферної корозіі заліза в  повітрі з    0.01% SO₂ протягом 55 днів.

 

   Домішки повітря дуже сильно впливають на швидкість атмосферної корозії металів:

    а) сторонні, що не входять в елементарний склад повітря, гази (SO₂, SO₃, H₂S, NH₃,Cl₂,HCl) потрапляючи в плівку вологи на поверхні металу, збільшують її електропровідність і гігроскопічність продуктів корозії (наприклад SO₃, HCl), діють як депасиватори (наприклад, НС1, SO₂) або комплексоутворювачи (наприклад NH₃), а також як катодні деполяризатори (наприклад, SO₂, С1₂):

 

2HSO₃^- + 2H^- + 2e = S₂O₄^2- + 2H₂O;

Cl₂ + 2e = 2Cl^-;

 

Таблиця 5

Метал	Стан поверхні метала і склад атмосфери	Критична  вологість, %
1 Fе	Чиста, в чистому повітрі Чиста, в повітрі з 0.01% SO4 попередньо взаэмодіявша з Н2О попередньо взаэмодіявша в 3-% розчині NaCl	Близько 100 70 65 55
Сu	Попередньо взаэмодіявша з чистим повітрям Попередньо  оброблена газом  SO2 Чиста, в повітрі здобавкою парів I2	87 80 30 - 40

Критичне  значення вологості повітря при різному складу поверхні металу (по Вернону)

 

 

б) тверді частинки, які попадаючи із повітря на поверхню метала, можуть бути самими корозійними, наприклад NaCl, Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄, діють як де пасиватори (NaCl, Na₂SO₄) або комплексоутворювачі [ (NH₄)₂ SO₄], а також збільшуючи електропровідність плівки  електроліту і гігроскопічність продуктів корозії, адсорбентами (наприклад, частинки вугілля), полегшуючим адсорбцію різних газів і вологи із повітря і конденсацію вологи в результаті збільшення капілярної конденсації, і інертними (наприклад, пісок), полегшуючи капілярну конденсацію вологи (рис.7).

                          Час, дні

                  Відносна вологість

Рис.7. Вплив частинок вугілля, SiO₂ і (NH₄)₂SO₄  на швидкість атмосферної корозіі  заліза при відсутності і присутності SO₂ в повітрі:

1 – частинки вугілля з SO₂; 2 – частинки (NH₄)₂SO₄ (з SO₂); 3 – частинки SiO₂ ( з SO₂); 4 - SO₂ (0.01%); 5 – частинки (NH₄)₂SO₄ (без SO₂); 6 - частинки вугілля без SO₂

Характер атмосфери і географічний чинник роблять великий вплив на швидкість атмосферної корозії металів. Найбільш агресивними є сильно забруднені індустріальні атмосфери, найменш активними — чисті і сухі континентальні   атмосфери.

Нижче показаний  вплив атмосфери на відносну швидкість атмосферної корозії вуглецевої сталі (по Хадсону):

Суха континентальна 1—9

Морська  чиста   .  . . 38

Морська індустріальна 50

Індустріальна    ...................... .. . .. . . 65

  Індустріальна,  сильно забруднена. . 100

Наближену характеристику швидкості атмосферної корозії деяких металів в міській атмосфері дає Хадсон (за даними 10-річних випробувань):

Метал РЬ        А1       Sn        Сu        Ni     Zn    Fe 

Швидкість корозії, мкм/год ...                 4      8        12        12         32    50    200

Вплив географічного чинника на атмосферну корозію металів вивчається на корозійних станціях, розташованих у районах з різними кліматичними умовами: у вологих субтропіках в центральному районі європейської частини (промислова і сільська місцевість). Ці випробування показали великий вплив на атмосферну корозію металів різних (газоподібних, і твердих) домішок повітря, температури і вологості повітря.

Рис.8.  Карта зволоження поверхні металів

При цьому  було встановлено, що основним чинником корозійної агресивності незабрудненої атмосфери є вологість, що характеризується не загальною кількістю випадних в даній місцевості опадів, загальною кількістю дощових днів або значенням середньою, вологості повітря, а загальним часом знаходження вологої плівки на поверхні металу (тривалістю зволоження поверхні металу) ι, яке може бути представлене  наступним рівнянням:

ι = ι ₁ + ι₂ + ι₃ + ι ₄ + ι ₅, (4)

де ι ₁ — тривалість дощу; ι₂— тривалість туману; ι₃ — тривалість випадання роси; ι ₄ — тривалість висихання поверхні металу після кожного випадіння опадів; ι ₅ — тривалість відлиги в зимовий період часу.

Складові  рівняння залежить від вологості  повітря, температури, швидкості вітру і інших метеорологічних чинників.

Катодні включення (наприклад, Сu, Рd) помітно підвищують корозійну стійкість залізовуглецевих сплавів в атмосфері навіть при незначному їх. В процесі корозії мідної сталі в електроліт (зволожені продукти корозії) переходить і залізо, і мідь, але іони останнього, будучи по відношенню до заліза катодним деполяризатором, розряджаються і виділяються на його поверхню у вигляді дрібнодисперсної міді. Мідь є дуже ефективним катодом і за певних умов, наприклад, при підвищеній концентрації окислювача — кисню у поверхні металу, що має місце цри вологої атмосферної корозії, і відсутності депасивуючих  іонів,  сприяє  пасивуванню заліза

В умовах атмосферної  корозії дія паладію на корозійну  стійкість стали аналогічно дії  міді.

 

Рис.9. Температурна залежність вологої  атмосферної корозії сталі Ст3 при 80% відносної вологості повітря (ι = 1000 ч)

 

Температура впливає на атмосферну корозію. Збільшення температури при постійної абсолютній вологості ( вміст водяних парів) повітря приводить до зменшення,  його відносної вологості, що утрудняє конденсацію вологи на поверхні металу або полегшує випаровування плівки вологи і приводить до зменшенню швидкості атмосферної корозії металів. Зворотний ефект надає пониження температури, яке полегшує конденсацію вологи на поверхні металу, у тому числі і краплинну, при температурах нижче за точку роси, затрудняє випаровування плівки і приводить до прискорення корозійного процесу.

При випробуванні сталі марки СтЗ при постійній 80%-ній відносної вологості повітря спостерігалося експоненціальне зростання швидкості корозії із збільшенням температури (мал. 9). Обчислене з досвідчених даних значення ефективної енергії активації процесу (30 ккал/г-атом) відповідає електрохімічній поляризації і підтверджує відсутність дифузійного контролю в умовах вологої атмосферної корозії.

Вплив забрудненості  атмосфери і інших чинників на швидкість атмосферної корозії металів може бути враховане введенням відповідних поправочних коефіцієнтів, що дозволяє, по А І. Голубєву и М. X. Кадирьову, прогнозування корозії металів в атмосферних умовах.

 

5. МЕТОДИ ЗАХИСТУ МЕТАЛІВ ВІД АТМОСФЕРНОЇ КОРОЗІЇ

Для захисту  металів від атмосферної корозії  широко застосовують нанесення різних захисних неметалічних (мастила, лакофарбні покриття) і металевих (цинкових, нікелевих, багатошарових) покриттів або перетворення поверхневого шару металу в хімічну сполуку (оксид, фосфат), що володіє захисними властивостями.

Раціональними є методи, воздіючі на контролюючі процеси вологої атмосферної корозії:

а) гальмування анодного електродного процесу корозії шляхом легування сталі легкопасивуючими металами (Сr, А1, Ti, Ni ) або катодними добавками (Сu), що полегшують пасивування стали в умовах атмосферної корозії, або введенням 
пасивуючих (окислювальних) пігментів в лакофарбні матеріали і мастила (наприклад, цинк-хроматного пігменту);

б) зменшення шару електроліту на поверхні металу шляхом зменшення вологості (осушення) повітря, утруднення конденсації вологи (наприклад, опалюванням приміщень) і зменшення забрудненості повітря.

Для боротьби з атмосферною корозією металів останнім часом все більше використовують сповільнювачі корозії: контактні (наприклад NaNO₂), такі, що наносяться на сталеві вироби (обробкою їх у водних розчинах сповільнювачів), і летючі (наприклад, нітрит, карбонати і бензоати дициклогексиламіна і моноетано-ламіна), такі, що володіють високою пружністю пари, які застосовуються для захисту металевих виробів при їх зберіганні і транспортуванні в контейнерах або при упаковці в обгортувальні матеріали.

 

 

                                Висновок

       Отже, атмосферна корозія металів являється самим поширеним видом корозії. Приблизно 80% металічних конструкцій підлягаються єксплутації в атмосферних умовах: машини  і різні металічні обладнання, каркаси будівель, стальні мости. Руйнівна дія корозії дуже велика і наносить значний збиток, тому метали захищають від неї різними шляхами: застосовують нанесення різних захисних неметалічних (мастила, лакофарбні покриття) і металевих (цинкових, нікелевих, багатошарових) покриттів або перетворення поверхневого шару металу в хімічну сполуку (оксид, фосфат), що володіє захисними властивостями. При захисті від корозії досягається довговічність роботи металу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список літератури

1. Степаненко О.М., Рейтер Л.Г., Ледовських В.М. Іванов СВ. Загальна та неорганічна хімія: в 2-х частинах. - К. : Педагопчна преса, 2000. -784с; 2002. -520с.
2. Антропов Л.І. Теоретична електрохімія. - К.: Либідь, 1993. - 544с.
3. Жук Н.П. Курс корозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1976.-472c.
4. Сахненко М.Д., Ведь М.В., Ярошок Т.П. Основи теорії корозії та захисту металів. - Харків: НТУ "ХПІ", 2005. - 240с.
5. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Корозия и борьба с ней. Введение в корозионную науку и технику: Пер. С англ./Под ред.. Л.М.Сухотина. - Л.: Химия, 1989.-454с.
6. Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы. -М.: Машгиз, 1954.-407с.
7. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М.: Изд. АНСССР, 1959.-599с.
8. Скорчелетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. - Л.: Химия, 1973. -472с.
9. Коррозия. Справочное издание / Под ред. Л.Л. Шрайера. Перевод с англ./.-М.: Металлургия, 1981.-632с.
10. Ю.Степанов И.А., Савельева И.А., Фиговский О.Л. .Антикоррозийная служба предприятий. Справочное издание. - М.: Металлургия, 1987. - 240с.
11. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Справочник в 2-х т./Под ред. А.А.Герасименко/. -М.: Машиностроение, 1987. Т.1 - 688с, т.2 - 784с.
12. Мудрук A.C., Гончаренко П.В. Коррозия и вопросы конструирования. К,: Техніка, 1984. - 135с.
13. Голего Н.Л.. Алябьев Л.Я., Шевеля В.В. Фреттинг - корозія металлов. - К.: Техніка , 1974. - 272с.
14. Фокин М.Н., Жигалова К.А. Методы коррозионных испытаний 
    металлов. Серия: Защита металлов от корозии. - М.: Металлургия, 1986. - 80с.
15. Розенфельд И.Л. Ингибиторы корозии. - М.: Химия, 1977. - 350с.
16. П.Антропов Л.И., Макушин Е.М., Панасенко В.Ф. Ингибиторы коррозии металлов. - К.: Техника, 1981. - 183с.
17. Плудек В.Р. Защита от коррозии на стадии проектирования. - М.: Мир, 1980.- 438с.
18. Герасименко A.A. Защита машин от биоповреждений. - М.: Машиностроение, 1984. - 112с.
19. Алцыбеева А.И., Левин С.З. Ингибиторы коррозии металлов. - Л.: Химия, 1968. - 262с.
20. Гутман Е.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. - М.: Металлургия. - 1981.
21. Розенфельд И.Л. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями. - М.: Химия, 1987. - 222с.
22. Томашов Н.Д., Чернова ГЛ. Пасивность и защита металлов от коррозии. - : Наука, 1965. - 208с.
23. Сухотин A.M. Способа защиты оборудования от коррозии. - Л.: Химия, 1987.-279с.
24. Сухотин A.M. Физическая химия пассивирующих пленок на железе. - Л:: Химия, 1989. - 320с.
25. Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий. – М.: Химия, 1988. – 272с.
26. Грудев А.П., Тилик В.Т. Технологические смазки в прокатном производстве. – М.: Металлургия, 1975. – 368с.
27. Кузюков А.Н., Борисенко В.А., Березовский Л.Б., Лищина Б.Н. Обследование и защита от коррозии химического оборудования. – К.: Техніка, 1982. – 104с.
28. Красноярский В.В., Френкель Г.Я., Носов Р.П. Коррозия и защита металлов. – М.: Металлургия, 1969. – 299с.
29. Журнал «Защита металлов».