Лекция 13

Тема: Коррозия металлов в  различных средах

План 

1. Атмосферная  коррозия

2. Контактная  коррозия 

3. Подземная  коррозия 

1. Атмосферная коррозия.

   Коррозионное  разрушение металлов и сплавов, происходящие в атмосфере в результате протекания электрохимических и химических реакций, называется атмосферной коррозией.

      Этот  вид коррозии является наиболее распространенным – приблизительно 80% металлоизделий и конструкций эксплуатируются  и хранятся в атмосферных условиях: (с/х машины, авиационный, железнодорожный, водный, автомобильный транспорт, оборудование химической, металлургической, нефти обрабатывающей промышленности, мосты, военная техника и т.д.)

      Причиной  атмосферной коррозии является наличие  в атмосфере воздуха паров, воды кислорода, агрессивных газов.

      Обычно  атмосферную коррозию классифицируют по степени увлажненности металлической  поверхности и различают: сухую, влажную и мокрую коррозию.

      1.1. Сухая атмосферная коррозия протекает  в сухой атмосфере при полном  отсутствии пленки влаг и (электролита) на поверхности металла.

      Коррозионный  процесс в этих условиях связан с  образованием на металлической поверхности  тонких окисных пленок в результате химического взаимодействия поверхности  и кислорода атмосферы. Наличие  защитных окисных пленок приводит к установлению постоянной и очень незначительной скорости коррозии.

      Присутствие в атмосфере других газов, например, сернистых соединений, снижает защитные свойства пленки, и несколько увеличивает  скорость коррозии. Однако, сухая коррозия не приводит к существенному разрушению металла.

      1.2. Влажная коррозия протекает при  относительной влажности менее  100% в условиях образования на  поверхности металла тончайшей  пленки влаги (электролита).

      Мокрая  атмосферная коррозия протекает  в атмосфере при относительной влажности около 100% в условиях возможной капельной конденсации электролитов на металлической поверхности или при непосредственном попадании их на металл ( брызги морской и речной воды, дождевые капли). Коррозия протекает при наличии видимой пленки электролита (влаги).

      Деление это довольно условно, т.к. возможны взаимные переходы одного вида коррозии в другой.

      Скорость  атмосферной коррозии зависит от толщины и состава пленки электролита.

      Пленки  влаги могут образоваться в результате адсорбционной конденсации и капиллярной конденсации влаги.

      Адсорбционные пленки очень тонкие толщиной до нескольких десятков молекулярных слоев.

      Конденсация влаги на плоской поверхности  происходит при относительной влажности 100%. Однако в капиллярах и узких  щелях конденсация происходит при относительной влажности меньше 100%.  Это обусловлено тем, что упругость паров над поверхностью жидкости зависит от кривизны мениска.

      Если  сравните давление насыщенных паров  над плоской, выпуклой и вогнутой поверхностью воды, то наибольшим оно будет на выпуклой, а наименьшим над вогнутой поверхностью.

      При прочих равных условиях Р₁=Р_о^е-А/r ехр (-А/r) например, при =15⁰С давлении 1 атм упругость насыщенного пара над твердой поверхностью 12,7 мм рт.ст и конденсация происходит при 100% влажности; а над мениском с радиусом кривизны r=1,2·10^-6 мм упругость паров уменьшается до 5,0 мм рт. ст и конденсация паров происходит при 39% относительной влажности.

      Таким образом, наличие на поверхности  металла микро щелей, пор, зазоров  приводит к конденсации паров влаги и при относительной влажности – <100%.

      Кроме того, над растворами солей (продуктов  коррозии) конденсация происходит при  более низкой – давлении насыщенных паров воды, чем над чистой водой.

      Например, при t=20⁰С над насыщенными растворами солей конденсация паров воды происходит при:

      10%         -42%        -91%

      ZnCl₂    Zn(NO₃)₂    ZnSO₄

      Конденсирующиеся  на металле пленки влаги, имеющие  толщину порядка 100-200мкм (0,1-0,2мм) представляют собой относительно концентрированные  электролиты.

      Особенность атмосферной коррозии металлов –  легкая доступность кислорода к  поверхности металла. Тонкий слой влаги  мало затрудняет диффузию и облегчается  доставка кислорода в результате интенсивного само перемешивания электролита  в тонких слоях конвекцией она обусловлена наличием градиента температуры и поверхностного натяжения.

      Следовательно, атмосферная коррозия протекает  преимущественно с кислородной  деполяризацией.

      Но  поступление кислорода к поверхности  металла облегчает наступление  пассивного состояния металла, если металл способен пассивироваться. Т.е. анодный процесс в условиях атмосферной коррозии затруднен, но не всегда наблюдается для всех металлов.

      Таким образом, с уменьшением толщины  пленки электролита катодный процесс  коррозии металла облегчается, а анодный процесс затрудняется.

      В случае сплавов на основе железа сохранение продуктов коррозии на поверхности  проводит к заметному замедлению ионизации металла. Это создает  возможность регулирования скорости атмосферной коррозии легированием металла.

      1.3.1. Факторы, влияющие на скорость  атмосферной коррозии.

1. влажность  воздуха;
2. состав атмосферы;
3. температура.
4. географическое расположение

      Влажность воздуха, способствуя образованию  пленки влаги на поверхности металла, вызывает его электрохимическую коррозию. С увеличением относительной влажности воздуха скорость коррозии возрастает.

       V_k 

                                              2

      

                                1 

            0   20   40   60   80  100 влажность

      Однако  для чистого воздуха  (кривая 1) увеличение влажности до 100% не приводит к заметному росту скорости коррозии.

      Наличие в атмосфере 0,01% SO₂ приводит к увеличению скорости коррозии и – в 100 раз, причем ускорение коррозионного процесса наступает при относительной влажности – 70%. Относительная влажность, при которой скорость коррозии резко увеличивается, называется «критической влажностью». Величина критической влажности зависит от природы металла (Сu 80%, Fe – 70%), от состояния его поверхности и от состава атмосферы:

1.3.2. содержание в воздухе посторонних газов, не входящих в состав возудах (CO₂, Cl₂, SO₂, SO₃, H₂S, HCl), попадая в пленку влаги:

• увеличивает электропроводность и гигроскопичность продуктов коррозии (SO₃,HCl)
• действуют как депассиваторы (SO₂, HCl)
• действуют как катодные деполяризаторы (SO₂, Cl₂ ), т.е. увеличивают агрессивность коррозионной среды.  Cl₂+2e=2Cl^-– катодный деполяризатор.

      Подсчитано, что количество образующегося серного  ангидрида SO₂, составляет 2-8% от общего количества сжигаемого топлива. Это приводит к ежегодному появлению в мировом воздушном океане 60-90млн.т серного ангидрида. В результате этого скорость коррозии в промышленной атмосфере в 30-50 раз выше, чем в чистой.

      взвешенные  твердые частицы, содержащиеся в  воздухе, осаждаясь на поверхности металлов, могут сильно увеличивать атмосферную коррозию. Коррозионно – активные частицы (NaCl, Na₂SO₄, (NH₄)₂, SO₄) усиливают коррозионный процесс:

• действуя как депассиваторы  - способствуют образованию растворимых продуктов коррозии вместо слаборастворимых, например, вместо Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃.
• увеличивая электропроводность пленки электролита,
• повышается гигроскопичность продуктов коррозии, например, высокая гигроскопичность NaCl и его агрессивные свойства усиливают коррозию в приморских районах из-за увеличения времени нахождения конструкции в увлажненном состоянии.

      Частицы угля на поверхности металла усиливают  адсорбционную способность газов  и влаги из воздуха, например такого коррозионно – активного агента как сернистый газ.

      1.3.3 влияние температуры на атмосферную коррозию исследовано менее подробно. Установлено, что повышение температуры при постоянной абсолютной влажности (т.е. содержании водяных паров) воздуха проводит к уменьшению относительной влажности. Это приводит к уменьшению скорости коррозии металлов, т.е. (уменьшается, затрудняется) конденсация влаги на поверхности металла и облегчает испарение пленки влаги.

      Понижение температуры приводит к усилению коррозионного процесса, т.к. при  этом облегчается конденсация влаги  на поверхности металла, затрудняется испарение пленки. А при температуре ниже точки росы происходит капельная конденсация. Имеющиеся данные показывают, что в пределах одного географического района усиление коррозии наблюдается в летние месяцы года.

      1.3.4. На скорость атмосферной коррозии оказывает влияние климатические условия данной местности - географический фактор.

      Немаловажным  является количество выпадающих атмосферных  осадков. В районах с сухим  тропическим климатом коррозионная стойкость малоуглеродистой стали  выше, чем в морской или промышленной атмосфере. Так, например, в сельских районах срок службы проводов связи в 10 раз больше по сравнению с промышленными районами.

      По  данным Института стали и железа (Англия) скорость коррозии мартеновской стали в г. Хартуме (Судан) в сухой чистой атмосфере в 100 раз меньше, чем в атмосфере Тродингема (Англия), сильно загрязненной сернистым газом.

      Скорость  атмосферной коррозии значительной мере обусловлена содержанием в  атмосфере минеральных солей  и коррозионно – агрессивных  газов. Маловероятно, чтобы химически чистая вода  могла вызвать столь значительные скорости коррозионного процесса. Источником минеральных солей является мировой океан, занимающий более 70% земной поверхности. Подсчитано, что с поверхности одного Каспийского моря в атмосферу поступает несколько тысяч тонн соли в сутки.

      1.4. Методы защиты от атмосферной  коррозии.

      1.4.1. Нанесение защитных покрытий:

• неметаллических (смазки, лакокрасочные покрытия),
• металлических (Zn – ковых, Ni - келевых)

      1.4.2. превращение поверхностного слоя металла в химическое соединен (окисел, фосфат) обладающее защитными свойствами.

      1.4.3. торможение анодного электрохимического  процесса коррозии:

• путем легирования стали легко пассивирующимися металлами (Cr, Al, Ti, Ni).
• введением катодных добавок, например, Cu, Pb в состав железоуглеродистых сплавов. Даже при незначительном их содержании (десятые доли %) коррозионная стойкость заметно повышается. В процессе коррозии стали, содержащей Сu, в пленке электролита переходит и Fe, Cu. Ионы Cu²⁺ являясь по отношению к Fe катодным деполяризатором, разряжаются и выделяются на его поверхности в виде мелкодисперсной меди.

      При влажной атмосферной коррозии, когда  велика концентрация кислорода у  поверхности металла и отсутствуют  депассивирующие ионы:

      - медь является эффективным катодом и способствует пассивированию железа.

      1.4.4. уменьшение слоя электролита  на поверхности корродирующего  металла:

• путем уменьшения влажности (осушка) воздуха;
• путем затруднения конденсации влаги (отапливание помещений);
• уменьшением загрязненности воздуха.

1.4.5. использование замедлителей коррозии: ингибиторов