Коррозия металлов и способы борьбы с коррозией

«Коррозия металлов и способы  борьбы с коррозией». 

Термин коррозия происходит от латинского "corrosio", что означает разъедать, разрушать. Этот термин характеризует как процесс  разрушения, так и результат.

Коррозия - самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой (чаще жидкой или газообразной). Коррозия в переводе с латинского - разъедание, в отличие от эрозии - разрушения, вызванного истиранием (механическим износом). 

1. Сущность химической и электрохимической коррозии металлов. 

В зависимости  от свойств окружающей среды и  характера ее физико-химического  воздействия на материал различают два типа коррозии металлов: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия - это коррозийный процесс, протекающий в средах, не проводящий электрический ток. Химическая коррозия имеет место, например, при высокотемпературном нагреве стали, для горячей обработки давлением или термической обработки. При этом на поверхности металла образуются различные химические соединения - оксиды, сульфиды и другие - в виде пленки.

Электрохимическая коррозия обычно сопровождается протеканием электрического тока. Примерами могут служить ржавление металлических конструкций и изделий в атмосфере, корпусов судов и стальной арматуры гидросооружений в речной и морской воде и т. п.

Детальное рассмотрение механизмов химической и электрохимической  коррозии показывает, что резкого  различия между ними не существует. В ряде случаев возможен постепенный  переход химической коррозии в электрохимическую, и наоборот. Механизм коррозии металлов в растворах электролитов может иметь двоякий характер.

Электрохимическая коррозия — наиболее распространенный вид коррозии металлов. При электрическом контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящихся в электролите, образуется гальванический элемент. Поведение металлов зависит от значения их электродного потенциала. Металл, имеющий более отрицательный электродный потенциал (анод), отдает положительно заряженные ионы в раствор и растворяется (рис. 1). Избыточные электроны перетекают по внешней цепи в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него удаляются во внешнюю среду. Чем ниже электродный потенциал металла по отношению к стандартному водородному потенциалу, принятому за нулевой уровень, тем легче металл отдает ионы в раствор, тем ниже его коррозионная стойкость. Значения электродного

Таблица 1.

Рис. 1. Схема электрохимического процесса

Ход электрохимического процесса определяется разностью потенциалов  элемента. Для пары Cu—Zn разность потенциалов  составляет 1,1 В.

В случае замкнутой  цепи медь является катодом, а цинк – анодом, что приводит к его растворению. Если приложить напряжение более 1,1 В, то анод и катод поменяются местами, что приведет к растворению меди и восстановлению металлического цинка.  

2.Основные типы коррозии металлов:

сплошная, местная и межкристаллитная. 

По характеру  коррозионных процессов и месту их распределения различают сплошную, местную и межкристаллитную коррозию.

Сплошная коррозия характеризуется тем, что металлическое изделие разрушается почти равномерно и коррозия охватывает всю его поверхность. Этот вид коррозии сравнительно легко поддается контролю и оценке.

Местная коррозия обычно бывает, сосредоточенна на отдельных участках поверхности изделия. Это более опасный вид коррозии, так как распространяется на значительную глубину, следовательно, приводит к потере работоспособности изделий. Чаще всего этот вид коррозии наблюдается в местах механических повреждений поверхности изделий.

Межкристаллитная  коррозия - это процесс физико-химического разрушения металла по границам кристаллитов (зерен) под действием агрессивной среды, при котором агрессивная среда проникает в глубь металла по границам зерен, нарушая металлическую связь между зернами. Приложение даже незначительной нагрузки к такому металлу приводит к его разрушению.

Межкристаллитной  коррозии, в наибольшей степени подвержены: аустенитные

 нержавеющие  стали. Но это может иметь  место и в высокохромистых  сталях, а также швах ферритного, полуферритного и мартенситного классов. 

Аустенитные стали, например, сталь 12Х18Н9Т, приобретают  склонность к Межкристаллитной коррозии, после относительно длительного нагрева в интервале температур 450—850° С. Эта склонность зависит от большого числа факторов и, особенно от химического состава стали, продолжительности ее пребывания при критических температурах.

Рис. 2. Основные разновидности электрохимической коррозии (схема) и их относительное влияние на прочность листового дуралюмина:  
а) равномерная коррозия; б) местная коррозия; в) межкристаллитная коррозия

 
Влияние углерода на коррозионную стойкость  стали типа 18-9, начинает сказываться при его содержании более 0,02—0,03%. Однако это критическое содержание может быть повышено при уменьшении времени выдержки, при критических температурах или же более высокой скорости нагрева и охлаждения.

 
Из всех существующих теорий о причине  Межкристаллитной коррозии, аустенитных сталей, наиболее вероятной является теория о выделении карбидов хрома по границам зерна, сопровождающимся обеднением хромом участков металла, прилегающих к границам зерна. Аустенит, в высоколегированной аустенитной стали, представляет собой твердый раствор хрома, никеля, марганца, углерода и других элементов в железе. Углерод обладает ограниченной растворимостью в аустените; при комнатной температуре стабильное содержание углерода в твердом растворе аустенита не превышает 0,02—0,03%. При более высоком содержании углерода в стали и быстром ее охлаждении (закалке) он фиксируется в аустените в виде пересыщенного нестабильного твердого раствора. При этом сталь невосприимчива к Межкристаллитной коррозии (рис. 3).

 
Однако, последующий нагрев металла в интервале критических температур, приводит к выделению избыточного углерода из твердого раствора на границе зерен в виде карбидов хрома Сr4С.

 
В результате выделения богатых  хромом карбидов содержание хрома в  пограничных слоях аустенитных  зерен падает ниже 12% и оказывается  недостаточным для сохранения коррозионной стойкости в условиях воздействия  агрессивных сред. Разное содержание хрома в самом зерне и его пограничном слое, при действии агрессивной среды (электролита), приводит к появлению гальванических микропар, где само зерно служит катодом, а обедненные хромом пограничные слои — анодом, который коррелирует, вызывая на этих участках зерна процесс интенсивной межкристаллитной коррозии.  
 

 
Рис. 3. Схема распределения хрома по зерну аустенитной стали, склонной к межкристаллитной коррозии: а— в стабилизированном состоянии (отсутствие коррозии); б— после нагрева в критическом интервале температур и при воздействии агрессивной среды (наличие коррозии): 1 — условная форма аустенитного зерна; 2 — карбиды хрома на границах зерен; 3 — объединенные хромом пограничные участки; 4 — линии распределения хрома по аустенитному зерну.

На  рис. 4. приведена зависимость межкристаллитной коррозии стали, от температуры и времени. Кривая иллюстрирует зависимость, между температурой нагрева сварных соединений стали типа 18—9 и склонностью их к межкристаллитной коррозии.  
 

 
Рис. 4. Зависимость склонности аустенитной стали к межкристаллитной коррозии от температуры и продолжительности нахождения этой стали при данной температуре (tкр — время минимальной устойчивости аустенита)

 
Как следует из этой зависимости, по мере повышения температуры нагрева  стали до 730° С критическое  время приобретения сталью склонности к межкристаллитной коррозии сокращается от нескольких часов до долей минуты. При достижении 800—850° С, восприимчивость к межкристаллитной коррозии вообще не наступает. Это объясняется различными скоростями протекания двух взаимно противоположных процессов — выделения карбидов хрома и диффузии хрома из центральной части зерна аустенита, к его периферии. По мере повышения температуры от 450 до 730° С, скорость выпадения углерода из пересыщенного раствора и образование карбидов хрома протекают быстрей, чем скорость диффузии хрома. Вследствие этого сталь за более короткое время становится чувствительной к межкристаллитной коррозии. Дальнейшее повышение температуры от 730 до 850° С, приводит ко все большему ускорению диффузии хрома Даже из центральных участков зерен аустенита, и местное обеднение хромом пограничных участков зерен протекает не так быстро, как при более низких температурах. Кроме того, при этих температурах уже сказывается процесс коагуляции и растворения карбидов в аустените. По этой же причине более длительная выдержка стали при данной температуре приводит к восстановлению временно утерянной стойкости против межкристаллитной коррозии (штриховая линия), а при температуре 850° С и выше восприимчивость к межкристаллитной коррозии вообще не наступает.

 
Увеличение содержания углерода в аустенитных сталях будет интенсифицировать процесс образования карбидов хрома, и склонность к межкристаллитной коррозии будет возрастать. В меньшей степени на склонность к межкристаллитной коррозии влияют элементы-аустенизаторы: никель и азот; при увеличении содержания этих элементов в аустенитных сталях для уменьшения склонности стали к коррозии, следует уменьшить в ней содержание углерода.

 
Увеличение концентрации хрома в  аустенитной стали, уменьшает степень  обеднения хромом пограничных участков и увеличивает стойкость стали против коррозии. Введения в сталь молибдена увеличивает стойкость стали против коррозии, так как он тормозит процесс выделения карбидов хрома, а также потому, что является активным ферритизатором. А сталь с аустенитно-ферритной структурой (3—5% феррита) менее склонны к межкристаллитной коррозии, чем чисто аустенитные, так как при этом наблюдается измельчение зерна и возрастание количества зерен в металле, что приводит к увеличению общей протяженности поверхности зерен, и количество углерода, выделяющегося в виде карбидов, становится значительно меньше.

 
Феррит содержит больше хрома, чем  аустенит, поэтому, несмотря на обеднение  хромом при выделении карбидов, в  феррите еще остается достаточно хрома, чтобы противостоять межкристаллитной коррозии. Ферритные зерна располагаются внутри аустенитных зерен, а небольшая часть их — по границам, 'что препятствует воздействию агрессивной среды на границы зерен аустенита.

 
Титан и ниобий входят в аустенитные  стали для подавления вредного влияния углерода. Эти элементы, обладая большим сродством к углероду, чем хром, образуют карбиды ("TiС, NbС), предотвращая образование и выделение карбидов хрома Сr4С. Необходимое содержание титана и ниобия в стали составляет:  
Тi = (5-4-6) С;  
Nb = (8 - 10) С,  
где С — содержание углерода в аустенитной стали. 
 
 
 

3. Основные виды коррозии металлов. Коррозийная стойкость. 

Металлы и сплавы могут разрушаться под действием  химического (химическая коррозия), электрохимического (электрохимическая коррозия) и механического (эрозия) воздействий внешней среды. 

 
Способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды  называют коррозионной стойкостью.

 
Коррозия металла или сплава происходит, как правило, на границе  раздела фаз, т. е. на границе соприкосновения твердого вещества с газом или жидкостью.