Електрохімічна корозія і захист від неї

Електрохімічна корозія і захист від неї

Корозією називають процес мимовільного руйнування поверхні матеріалів внаслідок взаємодії з навколишнім середовищем. Її причиною є термодинамічна нестійкість хімічних елементів до певних речовин. Формально корозії схильні до полімери, дерева, кераміка, гума, але до них частіше застосовують термін "старіння". Найбільш серйозний збиток завдає іржавлення металів, для захисту яких розробляються високотехнологічні контрзаходи. Але про це ми поговоримо пізніше. Вченими розрізняється корозія металів хімічна та електрохімічна.

Хімічна корозія

Вона виникає зазвичай при впливі на металеву структуру сухих газів, рідин або розчинів, що не проводять електричний струм. Суть цього типу корозії - пряма взаємодія металу з агресивним середовищем. Елементи хімічно корродують під час термічної обробки або в результаті тривалої експлуатації при досить високих температурах. Це стосується лопаток газових турбін, арматури плавильних печей, деталей двигунів внутрішнього згоряння і так далі. У результаті на поверхні утворюються певні з 'єднання: оксиди, нітриди, сульфіди.

Електрохімічна корозія

Вона є наслідком контакту металу з рідким середовищем, здатним проводити електричний струм. Внаслідок окислення матеріал зазнає структурних змін, що призводять до утворення іржі (нерозчинного продукту), або частинки металу переходять у розчин іонів.

Електрохімічна корозія: приклади

Її поділяють на:

  • Атмосферну, яка виникає при наявності на поверхні металу рідинної плівки, в якій гази, що містяться в атмосфері (наприклад, О2, СО2, SO2), здатні розчинятися з утворенням електролітних систем.
  • Рідинну, яка протікає в струмопровідному рідкому середовищі.
  • Грунтову, що протікає під впливом ґрунтових вод.

Причини

Оскільки зазвичай будь-який метал, який використовується для промислових потреб, не є ідеально чистим і містить включення різного характеру, то електрохімічна корозія металів виникає внаслідок утворення на поверхні заліза великої кількості короткозамкнутих локальних гальванічних елементів.

Поява їх може бути пов 'язана не тільки з наявністю різних (особливо металевих) домішок (контактна корозія), але і з неоднорідністю поверхні, дефектами кристалічної решітки, механічними ушкодженнями тощо.

Механізм взаємодії

Процес електрохімічної корозії залежить від хімічного складу матеріалів і особливостей зовнішнього середовища. Якщо так званий технічний метал покритий вологою плівкою, то в кожному із зазначених гальванічних мікроелементів, які утворюються на поверхні, протікають дві незалежні реакції. Більш активний компонент корозійної пари віддає електрони (наприклад, цинк у парі Zn-Fe) і переходить у рідке середовище як гідратовані іони (тобто корродує) за такою реакцією (анодний процес):

М + nH2O = Mz+* nH2O + ze.

Ця частина поверхні є негативним полюсом локального мікроелемента, де метал електрохімічно розчиняється.

На менш активній ділянці поверхні, яка є позитивним полюсом мікроелемента (залізо в парі Zn-Fe), електрони зв 'язуються за рахунок протікання реакції відновлення (катодний процес) за схемою:

Ox + ze = Red.

Таким чином, наявність окислювачів у водяній плівці, які здатні пов 'язувати електрони, забезпечує можливість подальшого ходу анодного процесу. Відповідно, електрохімічна корозія може розвиватися тільки за умови одночасного протікання як анодного, так і катодного процесів. Внаслідок гальмування одного з них швидкість окислення зменшується.

Процес поляризації

Обидва вищевказаних процеси викликають поляризацію відповідних полюсів (електродів) мікроелемента. Які тут є особливості? Зазвичай електрохімічна корозія металів більш істотно сповільнюється поляризацією катода. Тому вона буде посилюватися під впливом факторів, які запобігають цій реакції і супроводжуються так званою деполяризацією позитивного електроду.

У багатьох корозійних процесах катодна деполяризація здійснюється розрядом іонів водню або відновленням молекул води і відповідає формулам:

  • У кислому середовищі: 2Н + + 2е = Н2.
  • У лужній: 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН-.

Діапазон потенціалів

Потенціал, який відповідає цим процесам, залежно від природи агресивного середовища, може змінюватися від -0,83 до 0 В. Для нейтрального водного розчину при температурах, близьких до стандартної, він дорівнює приблизно -0,41 В. Отже, іони водню, що містяться у воді і в нейтральних водних системах, можуть окисляти тільки метали З огляду на те, що деякі з елементів захищені оксидною плівкою, число металів, схильних до окислення в нейтральних середовищах іонами водню, незначне.

Якщо волога плівка містить розчинений кисень повітря, то він здатний, залежно від характеру середовища, пов 'язувати електрони ефектом кисневої деполяризації. У цьому випадку схема електрохімічної корозії виглядає наступним чином:

  • О2 + 4е + 2Н2О = 4ОН- або
  • О2 + 4е + 4Н + = 2Н2О.

Потенціали зазначених електродних реакцій при температурах, близьких до стандартної, змінюються від 0,4 В (лужне середовище) до 1,23 В (кисле середовище). У нейтральних середовищах потенціал процесу відновлення кисню при зазначених умовах відповідає значенню 0,8 В. Значить, розчинений кисень здатний окисляти метали з потенціалом менше 0,8 В (розташовані в ряду напружень до срібла).

Найважливіші окислювачі

Види електрохімічної корозії характеризуються окислювальними елементами, найважливішими з яких є іони водню і кисень. При цьому плівка, що містить розчинений кисень, в корозійному відношенні значно небезпечніша, ніж волога, де кисню немає, і яка здатна окисляти метали виключно іонами водню, так як в останньому випадку кількість видів матеріалів, здатних корродувати, значно менше.

Наприклад, у сталі і в чавуні присутні домішки вуглецю переважно у вигляді карбіду заліза Fe3C. У цьому випадку механізм електрохімічної корозії з водневою деполяризацією для зазначених металів виглядає наступним чином:

  • (-) Fe - 2e + nH2O = Fe2 + · nH2O (може утворюватися іржа);
  • (+) 2Н + + 2е = Н2 (у підкисленому середовищі);
  • (+) 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН- (нейтральне і клацання).

Механізм корозії заліза, в якому містяться домішки міді, в разі кисневої деполяризації катода описується рівняннями:

  • (-) Fe - 2e + nH2O = Fe2+·nH2O;
  • (+) 0,5О2 + Н2О + 2е = 2ОН- (у підкисленому середовищі);
  • (+) 0,5О2 + 2Н + + 2е = Н2О (нейтральне і клацання).

Електрохімічна корозія протікає з різною швидкістю. Цей показник залежить від:

  • різниці потенціалів між полюсами гальванічного мікроелемента;
  • складу та властивостей електролітного середовища (рН, наявність інгібіторів та стимуляторів корозії);
  • концентрації (інтенсивності подачі) окислювача;
  • температури.

Методи захисту

Електрохімічний захист металів від корозії досягається наступними способами:

  • Створюючи степрозійні сплави (легіювання).
  • Збільшенням чистоти індивідуального металу.
  • Нанесенням на поверхню різних захисних покриттів.

Ці покриття в свою чергу бувають:

  • Неметалевими (фарби, лаки, мастильні матеріали, емалі).
  • Металевими (анодні та катодні покриття).
  • Утвореними спеціальною обробкою поверхонь (пасивація заліза в концентрованих сірчаній або азотній кислотах; заліза, нікелю, кобальту, магнію в розчинах лужів; утворення оксидної плівки, наприклад, на алюмінії).

Металеве захисне покриття

Найбільш цікавим і перспективним є електрохімічний захист від корозії іншим видом металу. За характером захисного впливу металізовані покриття підрозділюють на анодні та катодні. Зупинимося на цьому моменті більш детально.

Анодним називається покриття, утворене більш активним (менш благородним) металом, ніж той, що захищають. Тобто здійснюється захист елементом, який стоїть у ряду напружень до основного матеріалу (наприклад, покриття заліза цинком або кадмієм). При місцевих руйнуваннях захисного шару корродіювати буде менш благородний метал-покриття. У зоні подряпин і тріщин утворюється локальний гальванічний елемент, катодом в якому є огороджуваний метал, а анодом - покриття, яке окисляється. Цілісність такої захисної плівки значення не має. Однак чим вона товща, тим повільніше буде розвиватися електрохімічна корозія, довше буде тривати корисний ефект.

Катодним називається покриття металом з великим потенціалом, який в ряду напружень стоїть після захищуваного матеріалу (наприклад, напилення низьколегованих сталей мідю, оловом, нікелем, сріблом). Покриття має бути суцільним, оскільки при його пошкодженні утворюються локальні гальванічні елементи, в яких основний метал буде анодом, а захисний шар - катодом.

Як уберегти метал від окислення

Електрохімічний захист від корозії підрозділюється на два типи: протекторну і катодну. Протекторна аналогічна анодному покриттю. До матеріалу, який потрібно захистити, приєднують велику пластину більш активного сплаву. Утворюється гальванічний елемент, основний метал в якому служить катодом, а протектор - анодом (він корродує). Зазвичай для цього типу захисту застосовують цинк, алюміній або сплави на основі магнію. Протектор поступово розчиняється, тому його потрібно періодично замінювати.

Багато неприємностей в комунальному господарстві і в промисловості в цілому доставляє електрохімічна корозія трубопроводів. У боротьбі з нею найбільш підходить метод катодної поляризації. Для цього металева конструкція, яка захищається від руйнівних процесів окислення, підключається до негативного полюса будь-якого зовнішнього джерела постійного струму (вона після цього стає катодом, при цьому зростає швидкість виділення водню, а швидкість корозії знижується), а до позитивного полюса приєднують малоцінний метал.

Електрохімічні методи захисту ефективні в струмопровідному середовищі (яскравий приклад - морська вода). Тому протектори часто використовують, щоб захистити підводні частини морських суден.

Обробка агресивного середовища

Цей метод є ефективним, коли електрохімічна корозія заліза протікає в невеликому обсязі струмопровідної рідини. Впоратися з руйнівними процесами в цьому випадку можна двома способами:

  • Видаленням з рідини кисню (деаерація) в результаті продування інертним газом.
  • Введенням у середу інгібіторів - так званих уповільнювачів корозії. Наприклад, якщо поверхня руйнується внаслідок окислення киснем, додають органічні речовини, молекули яких містять певні амінокислоти (іміно-, тіо- та інші групи). Вони добре адсорбуються на поверхні металу і істотно знижують швидкість електрохімічних реакцій, що призводять до руйнувань поверхневого контактного шару.

Вивід

Безумовно, корозія хімічна і електрохімічна приносить значний збиток і в промисловості, і в побуті. Якби метал не корродіював, термін служби багатьох предметів, деталей, агрегатів, механізмів значно збільшився б. Зараз вчені активно розробляють альтернативні матеріали, здатні замінити метал, що не поступаються за експлуатаційними характеристиками, проте повністю відмовитися від його застосування в найближчій перспективі, напевно, неможливо. У цьому випадку на передній план виходять передові методи захисту металевих поверхонь від корозії.