i. химическая коррозия металлов - Северо

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)»
*
*
*
Кафедра «Технологии художественной обработки материалов»
КОРРОЗИЯ
И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ
Методические указания для лабораторных работ
Для студентов направления подготовки
261400 – «Технология художественной обработки материалов»
Составитель: Л. Н. Величко
Допущено
редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического института
(государственного технологического университета).
Протокол № 26 от 17.12.2013 г.
ВЛАДИКАВКАЗ 2014
УДК 620.19
ББК 34.66
В27
Рецензент: кандидат технических наук, доцент СКГМИ (ГТУ)
Хоменко Л. П.
В27
Коррозия и методы защиты металлов: Методические указания
для лабораторных работ для студентов по направлению подготовки
261400 – «Технология художественной обработки материалов» /
Сост.: Л. Н. Величко; Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет). Изд-во «Терек»,
2014. – 24 с.
Лабораторные занятия по дисциплине «Коррозия и методы защиты металлов»
способствуют лучшему усвоению теоретического материала дисциплины.
УДК 620.19
ББК 34.66
Редактор Иванченко Н. К.
Компьютерная верстка Меркушевой О. А.
© Составление. ФГБОУ ВПО СКГМИ (ГТУ), 2014
© Величко Л. Н. Составление, 2014
Подписано в печать 05.03.14. Формат бумаги 60841/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс».
Печать на ризографе. Усл. п. л. 1,4. Тираж 20 экз. Заказ №
.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический
университет). Изд-во «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
–2–
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………….
4
I. ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ…………………...
1. Лабораторная работа № 1
Исследование процесса окисления металла на воздухе
при повышенных температурах…………………………….
2. Лабораторная работа № 2
Влияние температуры на скорость окисления металлов на
воздухе………………………………………………………..
3. Лабораторная работа № 3
Жаростойкость металлов и сплавов на воздухе…………..
5
II. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ………
4. Лабораторная работа № 4
Определение скорости электрохимической коррозии
массовым и объемным методами…………………………..
5. Лабораторная работа № 5
Исследование коррозии алюминия в азотной и других
кислотах………………………………………………………
6. Литература……………………………………………………
–3–
7
9
11
13
18
21
24
ВВЕДЕНИЕ
Разрушение металлических изделий может быть вызвано различными причинами. Основной причиной, вызывающей коррозионное разрушение металлов и сплавов, является протекание на их поверхности электрохимических и химических реакций вследствие
воздействия окружающей среды.
Результатом коррозионного процесса является переход атома из
металлической решетки в ионное состояние, т. е. образование растворимых комплексных соединений металла (типа оксида, гидроксида и т. п.).
По механизму процесса различают два типа коррозии металлов: химическую и электрохимическую.
По условиям протекания коррозии различают следующие ее
виды:
газовая коррозия – коррозия металлов в газах, обычно при высоких температурах (окисление металлов при нагревании);
атмосферная коррозия – коррозия металлов в естественной атмосфере воздуха;
грунтовая (почвенная) коррозия – коррозия металлов в грунте.
По характеру коррозионного разрушения различают следующие виды коррозии:
сплошная или общая коррозия – коррозия, охватывающая всю
поверхность металла, находящуюся под воздействием данной среды;
местная коррозия – коррозия, охватывающая лишь некоторые
участки поверхности металла.
–4–
I. ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Химическая коррозия металлов представляет собой самопроизвольное разрушение металлических изделий вследствие химического
взаимодействия их с внешней средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды происходят в одном акте.
Наиболее распространенным и практически важным видом химической коррозии металлов является газовая коррозия – коррозия
металлов в газах при высоких температурах.
Поведение металлов при высоких температурах может быть
описано с помощью двух важных характеристик – жаростойкости и
жаропрочности.
Жаростойкостью называют способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах.
Жаропрочностью называют способность металла сохранять при
высоких температурах достаточно высокие механические свойства:
длительную прочность и сопротивление ползучести.
Частным видом газовой коррозии является процесс окисления
металлов кислородом воздуха или химическое взаимодействие
металлов с рядом других активных газовых сред – сернистым газом, сероводородом, галогенами, углекислотой, при высоких температурах.
В большинстве случаев продукты газовой коррозии образуются
и остаются на металле в виде пленки. Если возникающая пленка
продуктов коррозии обладает защитными свойствами, то есть способностью затруднять проникновение реагентов, то это приводит к
самоторможению коррозионного процесса.
Заметными защитными свойствами могут обладать только
сплошные пленки, т. е. покрывающие сплошным слоем всю поверхность металла. Возможность образования такой оксидной пленки
определяется условием сплошности.
Условие сплошности состоит в том, что молекулярный объем
оксида, возникающего из металла и кислорода, должен быть больше
объема металла, израсходованного на образование оксида. В противном случае пленка получается рыхлой, пористой и не покрывает
–5–
сплошным слоем весь металл. Условие сплошности пленок может
быть выражено отношениями:
если Vок/VМе < 1, то пленка не может быть сплошной,
если Vок/VМе >1, то пленка может быть сплошной.
Отношение объемов оксида и металла может быть рассчитано по
формуле:
Vок/VМе = M . ме/А. m . ок,
где М – молекулярная масса (вес) оксида,
А – атомная масса (вес) металла,
m – число атомов металла в молекуле оксида,
ме – плотность металла,
ок – плотность оксида.
Процесс роста пористой пленки состоит из следующих отдельных стадий, протекающих последовательно:
1) перенос окислителя (например, кислорода) к поверхности раздела металл–газ;
2) адсорбция окислителя на поверхности металла,
3) реакция образования оксида.
Процесс роста сплошной пленки состоит из следующих основных стадий, протекающих последовательно и параллельно:
1) переход металла в форме ионов и электронов из металллической фазы в оксид,
2) перемещение ионов и электронов в слое оксида,
3) перенос кислорода к поверхности раздела окисная пленка –
газ (например, воздух),
4) адсорбция кислорода на поверхности окисной пленки,
5) ионизация адсорбированного кислорода.
6) перемещение ионов кислорода в слое оксида металла,
7) реакция образования оксида.
–6–
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛА
НА ВОЗДУХЕ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Цель работы – установить зависимость роста окисной пленки исследуемого металла на воздухе при высокой температуре и построить график, выражающий найденную зависимость.
Методика выполнения лабораторной работы
Испытанию подвергают 5 замаркированных образцов пластин,
изготовленных из одного металла или сплава. Испытуемые образцы
зачищают наждачной бумагой и определяют штангенциркулем их
размеры для нахождения площади поверхности. Затем образцы
обезжиривают органическим раствором, протирают фильтровальной
бумагой и взвешивают на аналитических весах.
Подготовленные таким образом образцы помещают в открытые
тигли из огнеупорного материала и загружают в муфельную печь,
нагретую до заданной температуры. Температура печи поддерживается постоянной на протяжении всего опыта.
Через 20 мин тигель с первым образцом закрывают крышкой (во
избежание потери окалины, кусочки которой могут отскакивать при
остывании образцов), извлекают щипцами из печи и ставят на лист
асбеста. После остывания на воздухе тигли с крышками помещают в
эксикатор для окончательного охлаждения. После охлаждения каждый образец взвешивают вместе с тиглем, а затем взвешивают пустой тигель. Подобные операции выполняют последовательно с интервалом 20 мин с каждым оставшимся в печи образцом.
Результаты измерений заносят в табл. 1.
Таблица 1
Номер
образца
Время
выдержки
в печи, мин
Масса
образца
с окалиной
и тиглем, г
–7–
Масса
тигля, г
Удельное
увеличение
массы
образца, г/м2
Удельное увеличение массы образца определяется по формуле:
m+ = (mt – mo)/S,
где mt – масса образца с окалиной,
mo – начальная масса образца,
S – площадь поверхности образца
По результатам измерений строят график зависимости роста оксидной пленки во времени при исследованной температуре и делают
выводы о скорости окисления металла или сплава.
Контрольные вопросы
1. Основные виды химической коррозии.
2. Привести примеры образования защитной оксидной пленки.
3. Механизм протекания химической коррозии.
4. Условие сплошности оксидных пленок.
–8–
Лабораторная работа № 2
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ
ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛА НА ВОЗДУХЕ
Цель работы – установить температурную зависимость скорости окисления данного металла на воздухе. Влияние температуры на
скорость окисления металла определяют по увеличению массы образцов из исследуемого металла после выдержки в печах при нескольких заданных температурах.
Теоретические сведения и методика выполнения работы
На скорость коррозии металлов на воздухе влияют внешние факторы (состав и давление газовой среды, скорость ее перемещения,
температура, режим нагрева) и внутренние факторы (химический
состав и структура сплава, напряжение в металле, характер обработки поверхности и др.).
Существенно на скорость газовой коррозии металлов влияет
температура. С повышением температуры процессы газовой коррозии металлов протекают значительно быстрее, несмотря на уменьшение термодинамической возможности реакций окисления.
Для проведения работы испытывают по три замаркированных
образца из металла или сплава при каждом из заданных значений
трех-четырех температур.
Образцы помещают в открытые тигли из огнеупорного материала, загружают в нагретые до заданной температуры печи и выдерживают в них определенное время (30, 60 мин и т. д.).
Подготовка образцов к работе и порядок выемки образцов из печи, охлаждение и взвешивание описаны в лабораторной работе № 1.
Обработка опытных данных
Результаты опытов заносят в таблицу отдельно для каждой температуры.
–9–
Таблица
Результаты измерений
1
Номер образца
2
3
Размеры образца, мм
Площадь поверхности образца S, м2
Начальная масса образца mo, г
Время коррозии , ч
Масса образца с окалиной и тиглем, г
Масса тигля, г
Масса образца с окалиной m, г
Удельное увеличение массы
m+ = (m – mo)/S, г/м2
Показатель изменения массы
К+m = m+/, г/(м2∙ч)
На основании опытных данных строят график зависимости показателя изменения массы от времени выдержки образца при заданной
температуре и делают вывод о влиянии температуры на скорость
газовой коррозии металла или сплава на воздухе.
Контрольные вопросы
1. Характеристика внешних факторов химической коррозии.
2. Характеристика внутренних факторов химической коррозии.
3. Основные окислительные компоненты воздушной среды при
газовой коррозии.
– 10 –
Лабораторная работа № 3
ЖАРОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ВОЗДУХЕ
Цель работы – определить жаростойкость металла и его сплава
с компонентами, повышающими жаростойкость (например, меди и
латуни) на воздухе при заданной температуре.
Жаростойкость определяют по увеличению массы образцов из
исследуемых металлов и сплавов после их выдержки в печи при соответствующей температуре.
Теоретические сведения
Жаростойкостью называется способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах.
При кинетическом контроле процесса газовой коррозии металла
(при образовании незащитных пористых окисных пленок) жаростойкость определяется природой металла, а при дифузионном контроле
процесса (при образовании защитных сплошных пленок) – защитными свойствами образующейся на металле окисной пленки, т. е.
способностью затруднять продвижение реагентов (кислорода и металла) друг к другу, во многих случаях происходящее благодаря их
диффузии через эту пленку.
Основными методами защиты металлов от газовой коррозии являются:
1) жаростойкое легирование, т. е. введение в состав сплава компонентов, понижающих скорость окисления металла,
2) нанесение защитных металлических и неметаллических покрытий,
3) применение защитных или контролируемых атмосфер, т. е. искусственно создаваемых, инертных по отношению к данному металлу газовых атмосфер, состав которых зависит от конкретных условий защиты.
В данной работе рассмотрен способ защиты металлов от окисления их легированием.
Легирование металлов и сплавов – это введение в их состав компонентов, улучшающих защитные свойства образующейся оксидной
пленки в результате уменьшения числа дефектов в решетке окисла,
по которым происходит диффузия реагентов, или образование на
поверхности сплава защитного окисла легирующего компонента.
– 11 –
Для проведения данной работы испытывают по три замаркированных образца из исследуемого металла (например, меди) и его
жаростойких сплавав (латуни и бронзы) с различным содержанием
легирующих элементов.
Методика выполнения работы
Предварительную подготовку образцов ведут как в лабораторной
работе № 1. Подготовленные образцы помещают в открытые тигли из
огнеупорного материала, загружают в печь и выдерживают определенное время (30, 60 мин и т. д.) при заданной температуре. После
этого тигли с образцами вынимают из печи,охлаждают и взвешивают.
Результаты опытов заносят в таблицу отдельно для каждого исследуемого металла и сплава.
На основании полученных данных строят график зависимости
положительного показателя изменения массы от времени выдержки
образца в печи при заданной температуре и легирующих элементов и
делают выводы о жаростойкости металла и влияния на нее легирующих элементов.
Таблица
Результаты измерений
1
Номер образца
2
3
Начальная масса образца mo, г
Время коррозии , ч
Масса образца с окалиной и тиглем, г
Масса тигля, г
Масса образца с окалиной m, г
Удельное увеличение массы
m+ = (m – mo)/S, г/м2
Показатель изменения массы
К+m = m+/, г/(м2.ч)
Контрольные вопросы
1. Способы защиты от газовой коррозии.
2. Основные способы жаростойкого легирования.
3. Влияние легирующих элементов на жаростойкость сплавов.
– 12 –
II. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с
электролитом.
Поверхность любого металла или сплава гетерогенна (неоднородна) и состоит из множества короткозамкнутых микроэлектродных элементов. При контакте с раствором электролита микрокоррозионные системы элементов начинают функционировать, что приводит к разрушению (коррозии) поверхности металла. Причины, создающие гетерогенность (неоднородность) в системе металл–
электролит, различны. Среди них можно выделить три основные:
неоднородность металлической фазы, неоднородность жидкой фазы,
неоднородность наложения внешних условий.
Неоднородность металлической фазы вызвана наличием электропроводящих включений (примесей или компонентов сплава),
ликвацией сплава, наличием поверхностных дефектов, неоднородностью защитных оксидных пленок на поверхности металла.
Неоднородность жидкой фазы (электролита) связана с различной
концентрацией ионов данного металла на отдельных участках контакта фаз, концентрацией растворенного в электролите кислорода,
различием рН отдельных зон объема электролита.
При развитии электрохимической коррозии одновременно протекают два электродных процесса:
1. Анодный – переход ионов металла в раствор с оставлением
соответствующего числа электронов на поверхности металла.
2. Катодный – ассимиляция избыточных электронов атомами
или молекулами электролита (деполяризаторами). которые при этом
восстанавливаются.
Анодный и катодный процессы протекают сопряженно и замедление одного из них тормозит другой.
Анодный и катодный процессы классифицируются как первичные процессы коррозии, а продукты взаимодействия называют первичными продуктами коррозии.
В процессе электрохимической коррозии возможно протекание
вторичных процессов: взаимодействие первичных продуктов коррозии друг с другом, с электролитом, с растворимыми в нем газами с
– 13 –
образованием вторичных продуктов коррозии. Наибольший интерес
представляет образование пленок труднорастворимых соединений
(например, гидроксидов, фосфатов). В общем случае слаборастворимые вторичные продукты коррозии затрудняют доступ электролита к
поверхности металла и тем самым снижают скорость коррозии.
При погружении металла в раствор электролита между поверхностью металла и электролитом возникает определенная разность
потенциалов, что связано с образованием двойного электрического
слоя, т. е. несимметричного распределения заряженных частиц на
границе раздела фаз.
В случае, когда энергия гидротации ионов достаточна для разрыва связи между ион-атомами и электронами, и ион-атомы переходят в раствор, на поверхности металла остается эквивалентное число
электронов, которые сообщают поверхности металла отрицательный
заряд. В дальнейшем эти отрицательные заряды притягивают катионы металла из раствора. В результате на границе раздела металл–
электролит возникает двойной электрический слой, что и вызывает
появление некоторой разницы потенциалов между металлом и раствором электролита. Возможен и другой вариант: на поверхности
металла могут заряжаться катионы из раствора электролита (энергия
связи в кристаллической решетке больше энергии гидротации). В
результате поверхность металла приобретает положительный заряд и
образует двойной электрический слой с анионами раствора.
В реальных условиях (при коррозии металлов) переход ионов
металла в раствор электролита идет преимущественно с участием
одних веществ, а обратный процесс (ассимиляция электронов) осуществляется с участием других веществ.
Теория электрохимической коррозии подчеркивает, что электрохимическое разрушение металлов может наступить тогда, когда появляется граница раздела фаз металл – электролит. Условием протекания коррозии является возможность совмещения на поверхности
металла анодной реакции ионизации металла и катодной реакции
восстановления тех или иных ионов или молекул.
Большинство металлов (Mg, Al), с теоретической точки зрения,
коррозионностойкие, но на практике, в определенных условиях они
корродируют медленно и успешно применяются в качестве кон– 14 –
струкционных материалов. Чтобы правильно оценить влияние различных факторов на скорость коррозии, необходимо иметь данные о
равновесном состоянии системы и учитывать то, что при протекании
тока через электрод равновесное состояние его нарушается. Протекание электрического тока при работе коррозионного микроэлемента
обусловлено начальной разностью потенциалов катода и анода, потенциал этого электрода изменяется в зависимости от величины и
направления внешнего тока.
Коррозионный ток после замыкания цепи быстро падает и через
определенное время становится постоянным. Т. к. омическое сопротивление при этом мало и постоянно, то уменьшение силы коррозионного тока можно объяснить только смещением начальных значений
потенциалов, т. е. уменьшением их разности. Такое изменение потенциалов в результате протекания тока называют поляризацией, а вещества, уменьшающие поляризацию, называют деполяризаторами.
Уменьшение поляризуемости электродов называется деполяризацией.
Чтобы изучить скорость и характер электродных процессов, измеряют потенциал электрода в зависимости от плотности проходящего через него тока, получая при этом анодные и катодные поляризационные кривые.
Анодная поляризация. В зависимости от причин, обуславливающих анодную поляризацию, различают три основных случая:
1. Концентрационная поляризация. Этот вид анодной поляризации вызывается небольшой скоростью диффузии ионов металла в
растворе электролита, из-за чего образуется повышенная концентрация ионов в прианодной зоне.
2. Перенапряжение ионизации металла. Если при протекании
анодного процесса выход ионов металла в раствор не поспевает за
отводом электронов, потенциал металла сдвигается в положительную сторону.
3. Анодная пассивность. Заключается в образовании пассивных
пленок на поверхности металла. Защитные фазовые пленки на аноде
могут образовываться как результат отложения на поверхности металла труднорастворимых соединений этого металла.
Катодная поляризация. Эта поляризация обуславливается перенапряжением катодной реакции, т. е. недостаточной скоростью подво– 15 –
да или отвода начальных либо конечных продуктов реакции на катоде.
Возможны следующие основные виды катодной деполяризации:
а) деполяризация ионами,
б) разряд катионов (ионов водорода или благородных металлов)
Н+ + е-  Н  1/2Н2; Ag+ + е-  Ag,
в) восстановление нейтральных молекул
О2 + 4е- + 2Н2О  4 ОН-; Cl2 + 2e-  2Cl-.
Приблизительно судить о термодинамической нестабильности
металлов в растворах электролитов, т. е. о возможности электрохимической коррозии металлов можно по стандартным электродным
потенциалам.
Коррозия металлов с водородной деполяризацией. В зависимости от электродного процесса, протекающего на катоде, различают несколько видов электрохимической коррозии. Во-первых, это
коррозия при восстановлении ионов водорода на катоде. Такой вид
катодного процесса возможен во всех типах коррозионных сред
(нейтральных, щелочных, кислых), но чаще наблюдается в кислых
средах.
Разряд ионов водорода на катоде представляют в виде схемы,
состоящей из следующих стадий:
1. Диффузия и миграция гидратированных ионов водорода к катоду Н+. Н2О = (Н3О)+,
2. Дегидратация ионов водорода (Н3О)+  Н+ +Н3О,
3. Вхождение ионов водорода в состав двойного слоя,
4. Разряд иона водорода Н+ + е-  Надс,
5. Рекомбинация атомов водорода в молекулу Надс + Надс = Н2,
6. Образование и отрыв пузырьков из молекул водорода от поверхности электрода.
Коррозия металлов с кислородной деполяризацией. Коррозия
большинства сплавов в условиях их эксплуатации протекает при
восстановлении кислорода:
1. Растворение кислорода воздуха в растворе электролита.
2. Конвективная транспортировка растворенного кислорода в
объеме раствора.
3. Перенос кислорода внутри диффузионного слоя за счет молекулярной диффузии.
– 16 –
4. Восстановление кислорода на корродирующей поверхности по
реакциям:
О2 + 4е- + 4Н+  2Н2О при рН  7,
О2 + 4е- +2Н2О  4ОН- при рН  7.
5. Диффузия и конвективный перенос ионов ОН- от катодных
участков вглубь раствора.
С кислородной деполяризацией протекают следующие виды
электрохимической коррозии: атмосферная, в воде (пресной, морской), в растворах солей и др.
Скорость коррозии таких металлов, как железо, алюминий, хром,
никель, титан, в растворах сильных окислителей значительно меньше, чем в растворах более слабых окислителей. Явление аномального резкого уменьшения скорости коррозии (на несколько порядков) в
растворах сильных окислителей называют пассивацией, а состояние
металла – пассивным.
Наступление пассивного состояния металла можно характеризовать следующими явлениями:
а) значительным снижением скорости коррозии металла, которая
в пассивном состоянии постоянна во времени;
б) смещением потенциала металла в положительную сторону,
например, для железа от значений – (0,2–0,5) В до значений + (0,5–1,0)
В.
Проявление пассивности металла возможно за счет окисления
металлической поверхности постоянным электрическим током от
внешнего источника (анодная поляризация).
Возникновение пассивного состояния зависит от природы металла, его свойств, характера агрессивной среды (концентрации раствора окислителя, содержания растворенного кислорода, температуры, скорости перемешивания электролита).
При изменении внешних условий пассивный металл может вновь
перейти в активное состояние. Такой процесс называют активацией
или депассивацией. Соответственно вещества, способствующие этому явлению, называются активаторами или депассиваторами.
– 17 –
Лабораторная работа № 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
МАССОВЫМ И ОБЪЕМНЫМ МЕТОДАМИ
Цель работы – освоить массовый и объемный методы определения скорости коррозии и определить кислотостойкость различных
сплавов.
Теоретические сведения
Основными методами определения коррозионной стойкости металлов и сплавов являются:
– изменение массы металла в результате коррозии, отнесенное к
единице поверхности и единице времени, г/м2ч,
– годовая глубина проникновения коррозии, мм,
– время появления первого коррозионного очага или площади,
занятой коррозией,
– количество выделившегося в процессе коррозии водорода или
поглощаемого кислорода (объемные методы),
– количество металла, перешедшего в раствор,
– изменение механических свойств за определенное время коррозионного процесса, выраженное в процентах,
– изменение электрического сопротивления образцов;
– изменение отражательной способности поверхности металла за
определенное время коррозионного процесса, выраженное в процентах.
В данной лабораторной работе изучают один из объемных методов определения скорости коррозии, который позволяет, не нарушая
и не прерывая коррозию, получить полную кинетическую картину
процесса. Сущность его состоит в том, что фиксируют объем газа
(чаще всего водорода), выделяющегося при коррозии. Скорость коррозии оценивается по количеству газа, выделившегося за единицу
времени с единицы поверхности образца. Можно также выразить
скорость коррозии и количеством металла, прокорродировавшего с
единицы поверхности за единицу времени. При этом количество
– 18 –
металла определяется по стехиометрической записи реакции, описывающей процесс коррозии. Например, при коррозии железа в соляной кислоте происходит реакция
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.
Зная, что при разрушении 55,9 г железа выделяется в нормальных условиях 22,4 л водорода, легко определить количество железа,
прокорродировавшего в условиях эксперимента. Эту величину желательно сравнить с действительным изменением массы образца, взвесив его до и после коррозионного испытания.
Методика проведения работы
Образцы для испытания тщательно зачищают, измеряют их размеры и взвешивают с точностью до 0,002 г. Затем их обезжиривают,
закрепляют на проволоке, покрытой лаком, и устанавливают под
измерительный прибор. Каждый образец погружают в раствор кислоты заданной концентрации и температуры. Количество выделившегося водорода отмечают с точностью до 0,1 см и заносят в таблицу с интервалом 5, 10, 15, 30, 45, 60 мин с начала опыта.
Через 60 мин извлекают образцы, тщательно промывают дистиллированной водой продукты коррозии, протирают фильтровальной бумагой, высушивают на воздухе и взвешивают.
Для каждого опытного образца строят кинетическую характеристику процесса в координатах VH2 = f (t).
В выводах сравнивают кислотостойкость сплавов, рассматривают влияние состава электролита и условий коррозии на скорость
процесса и другие вопросы, связанные с результатом конкретного
опыта.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные методы определения коррозии.
2. Как влияют характеристики электролита на скорость коррозии?
3. Как рассчитать массу прокородировавшего железа по объему
выделившегося водорода?
– 19 –
4. Преимущества и недостатки массового метода коррозии.
Таблица
Результаты эксперимента и расчетов при изучении скорости коррозии
объемным методом
Номер образца
Характеристика
1
Образцов:
материал
площадь, м2
начальная масса, m0, г
конечная масса, mt, г
Электролита:
раствор
концентрация, %
количество водорода VH2, см3,
выделившегося после начала опыта через t, мин:
5
10
15
30
45
60
Массовый показатель коррозии
Km = (mt – m0)/S.t, г/(м2ч)
Объемный показатель коррозии Коб,
рассчитанный по количеству VH2,
выделившегося за время коррозии
Расхождение между массовым и объемным
показателями коррозии, % (Коб–Кm)/Коб.100
– 20 –
2
3
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИИ АЛЮМИНИЯ В АЗОТНОЙ
И ДРУГИХ КИСЛОТАХ
Цель работы – изучить скорость коррозии алюминия в азотной
и других кислотах в зависимости от концентрации при заданной
температуре.
Теоретические сведения
Алюминий – металл с сильно отрицательным потенциалом.
Стандартный потенциал алюминия (–1,67 В), т. е. алюминий в
термодинамическом отношении весьма неустойчив. Однако, несмотря на это, алюминий имеет достаточно высокую устойчивость в воде, в большинстве нейтральных и во многих слабокислых растворах, а также в атмосфере вследствии большой склонности к пассивированию.
Так, например, при погружении алюминия в воду в условиях,
при которых на его поверхности нет защитной пленки, алюминий
интенсивно растворяется, выделяя газообразный водород. Если не
принимать специальных мер для того, чтобы на алюминии не образовывалась защитная пленка, то он пассивируется присутствующим
в воде кислородом воздуха, становится устойчивым и может продолжительное время не разрушаться. На воздухе алюминий покрывается сплошной плотной, непористой оксидной пленкой.
Установлено, что поверхность алюминия в пассивном состоянии
закрыта защитной пленкой, состоящей из Al2O3, имеющей, в зависимости от условий деформирования, разную толщину: от 5.10-9 до 10-7 м.
Выдержанная в сухом воздухе поверхность алюминия имеет защитную пленку 2.10-9 м. В присутствии оксидной пленки потенциал
алюминия делается более чем на 1 В положительнее его стандартного потенциала.
– 21 –
Коррозионное поведение алюминия в значительной степени зависит от свойств его защитной пленки, которая обычно неоднородна,
толщина ее на различных участках неодинакова.
Толстые участки пленки не пропускают ни ионов алюминия, ни
электронов и таким образом не могут быть ни анодами, ни катодами.
Через достаточно тонкие участки пленки (10-8 м) могут проходить только электроны и на них возможно протекание катодных
процессов: ионизация кислорода, разряд водородных ионов и другие.
Роль анодных участков играют поры и трещины в защитной пленке,
в которых протекает анодный процесс:
Al + mH2O = Al+3mH2O + 3e- .
При коррозии алюминия возможно протекание вторичных
процессов (при рН  4)
Al+3mH2O + 3OH- = Al(OH)3 + mH2O.
Обычно такие вторичные продукты коррозии не имеют защитного характера, т. к. они образуются недостаточно близко к поверхности алюминия, в результате чего получаются хлопья.
Как в атмосферных условиях, так и в нейтральных растворах для
алюминия характерен резко выраженный местный вид коррозии (точечная).
В азотной кислоте скорость коррозии алюминия в основном
определяется концентрацией водородных ионов и стойкостью защитной пленки. При повышении концентрации азотной кислоты
сначала скорость коррозии растет, т. к. фактор увеличения концентрации Н+- ионов превалирует над фактом повышения стабильности
пленки за счет окислительной способности раствора.
Затем начинает превалировать фактор устойчивости пленки и
кривая, пройдя через максимум, возвращается к низким скоростям
коррозии.
– 22 –
При увеличении концентрации азотной кислоты сверх 30 %
коррозионная стойкость алюминия возрастает с концентрацией
кислоты.
Методика выполнения работы
Подготовить образцы алюминия в виде пластинок размером
3030 мм и толщиной 1–3 мм. Алюминиевые образцы тщательно
зачистить тонкой наждачной бумагой. Затем образцы промыть дистиллированной водой и обезжирить в ацетоне. Образы просушить
на воздухе, взвесить, закрепить на подвеске, опустить в раствор кислоты и выдержать так в течении указанного времени.
По окончании опыта образцы промыть, просушить на воздухе,
взвесить, определить изменение веса каждого образца. По результатам опыта рассчитывается весовой показатель коррозии (Квес) по
формуле:
Квес= (m–mo)/(S.t).
Полученные данные занести в таблицу.
Таблица
№ опыта
Концентрация
кислоты, %
Вес образца
Площадь
образца, S, м2
Квес
до опыта, после
mo, г опыта, m, г
На основании полученных результатов построить график зависимости Квес от времени.
Контрольные вопросы
1. Чем обусловлена коррозионная стойкость алюминия.
2. Характер катодных и анодных участков пленки.
3. Особенности коррозионного поведения металла в азотной кислоте.
– 23 –
ЛИТЕРАТУРА
1. Неверов А. С. Коррозия и защита материалов: Учебное пособие для
ВУЗов. М.: ФОРУМ: [ИНФРА-М], 2013. 221 с.
2. Фокин М. Н., Жигалов К. А. Методы коррозионных испытаний металлов. М.: Металлургия, 1996.
3. Михайловский Ю. Н. Атмосферная коррозия металлов и методы их
защиты. М.: Металлургия, 1989.
4. Розенфельд И. Л., Жигалова К. А. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов. М.: Металлургия, 1986.
– 24 –
КОРРОЗИЯ
И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ
Методические указания для лабораторных работ
Для студентов по направлению подготовки
261400 – «Технология художественной обработки материалов»
Составитель: Л. Н. Величко
– 25 –
ВЛАДИКАВКАЗ 2014
– 26 –