Что такое электрохимическая коррозия металлов - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Что такое электрохимическая коррозия металлов

Коррозия металлов

Коррозия – это самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов вследствие взаимодействия с окружающей средой.

Различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую. Химическая коррозия обусловлена взаимодействием металлов с веществами, содержащимися в окружающей среде. В производственных условиях такими веществами, помимо О2, являются SO2, CO2, H2S, NH3 и др.

Химическую коррозию, обусловленную взаимодействием металлов с газами, называют газовой. Основной вклад в газовую коррозию металла вносит кислород воздуха. Различные металлы обладают различной устойчивостью по отношению к О2. Некоторые металлы (Al, Cr, Zn, Pb, Sn) образуют на воздухе плотные пленки оксидов, не разрушающиеся при изгибе или нагревании. Такие пленки защищают металл от дальнейшего доступа к нему газов и жидкостей, и процесс коррозии резко замедляется. Оксидные пленки других металлов (например, Fe) представляют собой рыхлые, пористые, механически непрочные образования. Они не предохраняют металл от доступа к нему газов и жидкостей. Поэтому такие металлы корродируют особенно быстро.

Процесс химической коррозии Fe схематически можно представить следующими уравнениями:

2Fe + O2=2FeO

Fe(OH)3= t H2O+FeOOH (ржавчина)

Однако наибольший вред приносит не химическая, а электрохимическая коррозия, связанная с переходом электронов от одних участков металла к другим. Химическая коррозия сопровождает электрохимическую и усиливает ее.

Сущность электрохимической коррозии

Металлы обычно содержат примеси других металлов и неметаллов. При соприкосновении таких металлов с электролитом (которым может служить Н2О, адсорбированная из воздуха, поскольку в ней как правило имеются ионы растворенных веществ) на поверхности металла возникает множество микрогальванических пар. В этих парах атомы более активного металла (обычно Fe) играют роль анода, а атомы менее активного – роль катода.

На катоде идет процесс восстановления молекул О2 в нейтральной и щелочной средах, или ионов Н + – в кислой среде.

На аноде происходит окисление атомов металла, из которых состоит анод, с образованием катионов Me n+ .

Последние переходят в электролит (растворение анода) и соединяются с ионами ОН – , с образованием гидроксида Me (OH) n и других продуктов. Называемых ржавчиной. В результате металл, играющий роль анода, разрушается.

Скорость электрохимической коррозии тем больше, чем дальше друг от друга расположены металлы в ряду напряжений, и чем выше температура окружающей среды.

Чистые металлы устойчивы к коррозии. Однако, так ка абсолютно чистым металлов нет, а также вследствие того, что гальваническая пара может быть образована отдельными участками одного и того же металла, находящимися в различных условиях (под разными электролитами или под одним и тем же электролитом разной концентрации), то электрохимическая коррозия имеет место всегда при соприкосновении металла с электролитом (атмосферной влагой).

Роль катода при электрохимической коррозии могут выполнять не только менее активные металлы, но и примеси неметаллов, способных принимать электроны.

Коррозия – процесс поверхностный и при отсутствии трещин внутри металла развиваться не может. Поэтому одним из способов защиты от коррозии является нанесение на поверхность металла металлических и неметаллических покрытий.

В качестве металлических покрытий используются пленки Au, Ag, Ni, Cr, Zn и других металлов, которые мало подвергаются коррозии из-за своей индифферентности или по причине образования прочных оксидных пленок. Некоторые из этих металлов (Au, Ag, Ni, Cr), помимо защитной, выполняют и эстетическую – придают изделиям приятный внешний вид.

Различают два вида металлических покрытий – анодное и катодное. Покрытие называется

  • анодным, если оно изготовлено из металла более активного, чем защищаемый;
  • катодным, если изготовлено из менее активного металла.
Читайте также:  Щипалка для птиц своими руками

Примером анодных покрытий для изделий из железа являются пленки из Cr, Zn, примером катодных – пленки из Ni, Sn, Ag, Au. Катодные покрытия не защищают металлы в случае нарушения их целостности (трещины, царапины), так как при наличии электролита возникает гальваническая пара, роль растворимого анода в которой играет защищаемый металл.

Неметаллические покрытия также делятся на два вида: неорганические и органические. В качестве органических покрытий используются пленки лаков, красок, пластмасс, резины, битума, в качестве неорганических – эмали.

Протекторная защита заключается в соединении защищаемого изделия проводником с протектором – пластиной из более активного металла (Al, Mg, Zn). В процессе коррозии протектор служит анодом и разрушается, предохраняя от коррозии металлическое изделие или конструкцию.

Электрохимическая (катодная) защита заключается в соединении защищаемого изделия с катодом внешнего источника тока, вследствие чего изделие становится катодом. Анодом служит вспомогательный, обычно стальной, электрод (кусок металла), который и разрушается в процессе коррозии.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия — самый распространенный вид коррозии. Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. При этом восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости. Первопричиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в окружающих их средах. Ржавление трубопровода, обивки днища морского суда, различных металлоконструкций в атмосфере — это, и многое другое, примеры электрохимической коррозии. Если же процесс не связан с электрическим оком, то это химическая коррозия.

К электрохимической коррозии относятся такие виды местных разрушений, как питтинги, межкристаллитная коррозия, щелевая. Кроме того процессы электрохимической коррозии происходят в грунте, атмосфере, море.

Электрохимические процессы могут протекать и в однородном металле. Они активизируются, если есть различия в составе зерна металла в объеме и на границе, неоднородное механическое напряжение, микропримеси и т.д.

Одной из причин возникновения электрохимической коррозии являются блуждающие токи, которые появляются вследствие утечки части тока из электрических цепей в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду начинается растворение металла. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Эти токи могут достигать несколько ампер, что приводит к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение тока силой в 1 А в течение одного года вызовет растворение 9,1 кг железа, 10,7 кг цинка, 33,4 кг свинца.

Над защитой металла от коррозии работают многие отрасли науки и промышленного производства, но основные способы остаются при этом неизменными, и состоят в создании защитных покрытий:

  • металлических;
  • неметаллических;
  • химических.

Неметаллические покрытия создаются с помощью органических и неорганических соединений, их принцип действия достаточно эффективен и отличается от остальных типов защиты. Для создания неметаллической защиты в промышленном и строительном производстве используются лакокрасочные составы, бетон и битум и высокомолекулярные соединения, особенно активно взятые на вооружение в последние годы, когда больших высот достигла химия полимеров.

Химия внесла свой вклад в создание защитных покрытий методами:

  • оксидирования (создания защитной пленки на металле с помощью оксидных пленок);
  • фосфатирования (фосфатных пленок);
  • азотирования (насыщения поверхности стали азотом);
  • цементации (соединения с углеродом);
  • воронения (соединения с органическими веществами);
  • изменения состава металла путем введения в него антикоррозийных добавок);
  • модификации окружающей коррозийной среды путем введения ингибиторов, влияющих на нее.
Читайте также:  Электро виброплита своими руками

Электрохимическая защита от коррозии – это процесс, обратный электрохимической коррозии. В зависимости от смещения потенциала металла в положительную или отрицательную стороны, различают анодную и катодную защиту. Путем подсоединения к металлическому изделию протектора или источника постоянного тока на металлической поверхности создается катодная поляризация, которая и препятствует разрушению металла через анод.

Электрохимические методы защиты состоят в двух вариантах:

  • металлическое покрытие защищено другим металлом, у которого более отрицательный потенциал (то есть, защищающий металл менее устойчив, чем защищаемый), и это называется анодное покрытие;
  • покрытие нанесено из менее активного металла, и тогда он является и называется катодным.

Анодная защита от коррозии – это, например, оцинкованное железо. Пока не израсходуется весь цинк с защитного слоя, железо будет в относительной безопасности.

Защита катодным способом – это никелирование или нанесение меди. В этом случае разрушение защитного слоя приводит и к разрушению того слоя, который он защищает. Присоединение протектора для предохранения металлического изделия ничем не отличается от протекания реакции в других случаях. Протектор выступает в роли анода, а то, что находится под его протекторатом, остается в сохранности, используя созданные ему условия.

Также разработаны следующие методы:

  • Электрохимическая защита – электролитическое по принципу работы использование химических закономерностей, защищает металл с помощью анодного, катодного и протекторного принципа.
  • Электроискровая обработка с использованием различных установок – бесконтактных, контактных, анодно-механических.
  • Электродуговое напыление – основное преимущество в толщине наносимого слоя и относительной дешевизне производимого процесса.
  • Эффективная антикоррозийная обработка – удаление загрязнений и очистка обрабатываемой поверхности, с последующим нанесением на поверхность сначала противокоррозионного, а затем и дополнительного защитного слоя.

Электрохимическая коррозия металлов примеры

Электрохимическая коррозия металлов. Что это такое, точно знают далеко не все, хотя печальные последствия её проявления, встречаются в нашей обыденной жизни, практически на каждом шагу.

Мы привычно называем её ржавчиной, не особенно вникая в суть процесса. Теоретические формулировки, объясняющие механизм возникновения и действия электрохимической коррозии, по причине невидимости протекающих процессов, остаются за гранью нашего восприятия реальности.

Конечно, к этому явлению (и не только), можно относится и так, воспринимая корродирование (разрушение металла), как неизбежность, но можно поступить и по-другому, понять суть происходящего и если не изменить то хотя бы предсказать конечный результат.

Почему железо ржавеет

Всем известно, что металл (железо и не только) во влажной среде ржавеет т. е. слой за слоем разрушается, постепенно истончается и в конечном итоге превращается в бесполезный продут окисления, буренький порошок Fe2O3.

Покажу это на примере стали. В её составе есть кристаллиты феррита (железа) и цементита (карбида железа). Потенциал феррита меньше потенциала кристаллитов цементита, поэтому в этой связке железо будет анодом, а карбид железа катодом. Образующиеся в результате электрохимической коррозии ионы соединяются в нерастворимый гидроксид Fe(OH)2, который при высыхании становится обыкновенной ржавчиной.

Электрохимическая коррозия металлов что это такое

Выражаясь околонаучным языком, речь идёт об окислительно-восстановительном процессе, при котором на поверхности металла самопроизвольно, за счёт разности потенциалов образуется участки, точки гальванических пар, в которых положительно заряженные участки, аноды отдают свои электроны катодам, отрицательно заряженным участкам, на которых происходит обратный процесс, восстановление.

Это, общее описание механизма возникновения и протекания электрохимической коррозии, на самом деле, в зависимости от окружающих условий, процесс корродирования в каждом конкретном случае имеет свои особенности. Приведу типичные примеры.

Читайте также:  Что такое вальцовка металла

Коррозия при неравномерной аэрации поверхности металла

Если на углеродистый сплав железа нанести каплю обыкновенной питьевой воды то через некоторое время по краям капли явственно проступит видимый кружочек ржавчины, а металл который находится под каплей останется чистым, но пройдёт ещё какое-то время и на том металле, который под каплей, станут видны небольшие язвочки.

Исходя из этих наблюдений можно сделать вывод, что катодный участок восстановления находится на периферии капли, потому что в этом месте более доступен приток воздуха (кислорода), а анод расположен в центре капли, где кислорода меньше.

Как ржавеет забитый в стену гвоздь

Именно поэтому забитый в стену гвоздь под воздействием коррозии истончится прежде всего в стене, там, где доступ воздуха затруднён, но и это утверждение не совсем верно. Вначале разрушается тот участок металла, который находится как бы в пограничном состоянии, уже не на поверхности, но и не слишком глубоко в стене.

Объясняется это тем, что в первую очередь мигрируют электроны расположенные в непосредственной близости от катода. До кристаллов металла, находящегося глубоко в стене просто не успевает дойти очередь.

Коррозия при непосредственном контакте различных металлов

Если две пластины из различных металлов наложить друг на друга и достаточно плотно прижать, а для ускорения процесса поместить их во влажную среду то спустя некоторое время, можно заметить, что одна из пластин начала корродировать, т. е. она оказалась анодом и начала разрушаться.

Какая именно из пластин окажется анодом, зависит от потенциала металла. Например, в паре медь железо, анодом окажется железо, потому что потенциал железа (–0,44) меньше потенциала меди (+0,34).

Кстати, невольно спровоцировать возникновение коррозии можно наложив пластину на пластину, даже из одного и то же металла. Правда, в это случае, будут задейственными совсем другие процессы. В зависимости от конкретных обстоятельств, это может быть, щелевая или межкристаллитная коррозия, но результат (разрушение) будет тот же.

Коррозия под воздействием блуждающих токов

Вот пример такой коррозии, яркий и с точки зрения электрика, даже отчасти драматический, функционирование системы заземления по системе ТТ. Хотя в этом случае преднамеренно создаются благоприятные условия для стекания заряда на землю, по сути, это ничего не меняет. Место ввода всегда катод, место выхода, анод т. е. этот тот участок металла, который разрушается наиболее интенсивно.

Судите сами, 1 А ежедневно стекающего тока за год съедает около 10% массы конструкции заземления контактирующей с землёй.

У коррозии под воздействием блуждающих токов есть одна отличительная черта, которая выделяет её из всех коррозионных процессов. Объёмность и интенсивность разрушения. Процессы протекают настолько масштабно и бурно, что для устранения их последствий понадобится немало времени и материальных вложений.

Влияние воды на образование ржавчины

Хотя атомы молекулы воды и не участвуют в ионном обмене отдельных участков металла, но её присутствие в том или ином виде, является обязательным условием для возникновения электрохимической коррозии. Ведь даже химически чистая вода, пусть слабый, но электролит, среда, проводящая электрический ток.

При какой относительной влажности воздуха начинается процесс коррозии

Критичной считается относительная влажность воздуха от 75%, но это вовсе не значит что при меньшей влажности протекание корродирования невозможно, а только то, что при такой влажности воздуха толщина жидкостной пленки на металле достигает оптимального размера для возникновения и протекания электрохимической коррозии.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector