Коррозия металлов и антикоррозийные материалы

Дисциплина ОП.04 Материаловедение

Тема Коррозия металлов и антикоррозийные материалы

Металлы вследствие своей высокой прочности, пластичности, износоустойчивости, тепло- и электропроводности являются наиболее важными конструкционными материалами.В процессе эксплуатации и в результате воздействия окружающей среды происходит их разрушение, так называемая коррозия. Это явление наносит огромный ущерб металлоконструкциям и деталям. Ежегодно коррозия «съедает» около 13 миллионов тонн металла, поэтому эксплуатация большинства металлических изделий без их эффективной защиты от коррозии невозможна.

Обычно корродируют металлы, которые встречаются в природе не в самородном состоянии, как золота и палтина, а в виде различных руд. На извлечение этих металлов из природных соединений расходуется значительное количество энергии, которая накапливается в металлах, делая их термодинамически неустойчивыми, химически активными веществами. В результате такого самопроизвольно протекающего коррозионного процесса металлы переходят в оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфиды и другие соединения и теряются безвозвратно.

Коррозия - самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Основной причиной интенсивного окисления поверхности металлов являются:

1. повышенная влажность окружающей среды;

2. наличие блуждающих токов;

3. неблагоприятный состав атмосферы.

По характеру разрушения коррозия бывает:

• сплошная (поражает всю поверхность металла равномерно),

• местная (выделяются отдельные коррозионные пятна),

• точечная - указывает на начальную стадию поражения и проявляется в отдельных точках разрушений.

Виды коррозии по характеру проникновения внутрь металла: межкристаллитная (интеркристаллитная), транскристаллитная, питтинговая, язвенная, подповерхностная структурно-избирательная.

По характеру дополнительных воздействийразличают:

- коррозию под влиянием механических напряжений;

- коррозию при трении;

- кавитационную коррозию (возникает при одновременном коррозионном и ударном воздействии агрессивной среды, когда лопаются пузырьки воздуха при работе лопастей гребного винта, роторов насосов).

По механизму протеканияразличают следующие виды коррозии:

- химическая(газовая, жидкостная);

- электрохимическая(концентрационная, контактная, электрокоррозия);

- особые виды (биологическая, радиационная, ультразвуковая,трибохимическая).

Химическая коррозияобусловлена окислением поверхности металла во влажной и сухой среде в местах контакта металла с агрессивной средой. Интенсивность коррозии зависит от температуры окружающей среды и природы металла, но и от свойств образовавшихся продуктов - оксидов. Оксидные пленки имеют различную структур (рыхлость)у, а следовательно, и способность защищать металл от дальнейшей коррозии. Такие металлы как алюминий, никель, хром, титан и другие имеют прочную оксидную пленку(Al₂O₃, ZnO, NiO, Cr₂O₃, TiO₂), что защищает нижележащие слои металла от дальнейшей коррозии. Некоторые металлы, в том числе железо, образует рыхлую по структуре оксидную пленку (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄),которая проницаема для всех основных окислителей, что способствует процессу коррозии и разрушает детали из этих материалов полностью. Химическая коррозия активизируется при повышенных температурах. Склонность металлов к химическому окислению определяется значением их кислородного потенциала – способности к участию в окислительно-восстановительных реакциях. Сталь – ещё не самый худший вариант: интенсивнее её окисляются, в частности, свинец, кобальт, никель.

Электрохимическая коррозия обусловлена разрушением металла при совместном влиянии воды и почвы на металлическую поверхность (например, подземных трубопроводов из стали). Влажный грунт, являясь слабощёлочной средой, способствует образованию и перемещению в почве блуждающих электрических токов. Они являются следствием ионизации частиц металла в кислородсодержащей среде, и инициирует перенос катионов металла с поверхности вовне. Борьба с такой коррозией усложняется труднодоступностью диагностирования состояния грунта в месте прокладки стальной коммуникации. Электрохимическая коррозия возникает при окислении контактных устройств линий электропередач при увеличении зазоров между элементами электрической цепи. Помимо их разрушения, в данном случае резко увеличивается энергопотребление устройств.

Трибохимическая коррозия наблюдается на металлообрабатывающих инструментах, которые работают в режимах повышенных температур и давлений. Антикоррозионное покрытие резцов, пуансонов, фильер и пр. невозможно, поскольку от детали требуется высокая поверхностная твёрдость. Между тем, при скоростном резании, холодном прессовании и других энергоёмких процессах обработки металлов начинают происходить механохимические реакции, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры на контактной поверхности «инструмент-заготовка». Образующаяся при этом окись железа Fe₂O₃ отличается повышенной твёрдостью, и поэтому начинает интенсивно разрушать поверхность инструмента.

Методы борьбы с коррозией

Выбор подходящего способа защиты поверхности от образования коррозии определяется условиями, в которых работает деталь или конструкция. Наиболее эффективны следующие методы:

• нанесение поверхностных атмосферостойких покрытий;

• поверхностная металлизация;

• легирование металла элементами, обладающими большей стойкостью к участию в окислительно-восстановительных реакциях;

• изменение химического состава окружающей среды.

Механические поверхностные покрытияна металле получают его окрашиванием или нанесением поверхностных плёнок, по своему составу нейтральных к воздействию кислорода. При обработке сравнительно больших площадей главным образом применяется окрашивание стойкими красками, содержащими алюминий. В результате достигается эффекты перекрытия доступа кислороду к металлической поверхности и формирования прочной защитной пленки из химически активного алюминия. Положительными особенностями данного способа защиты являются лёгкость его реализации и сравнительно небольшие финансовые затраты, поскольку процесс достаточно просто механизируется. Вместе с тем долговечность такого способа защиты невелика, поскольку, не обладая большой адгезией с металлической основой, такие покрытия через некоторое время начинают механически разрушаться.

Химические поверхностные покрытия получают способами химико-термической обработки металлов, что позволяет изменить химический состав, структуру и свойств поверхности металлов за счет насыщения ее различными химическими элементами. Химико-термическая обработка стали основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку металла атомов различных химических элементов при нагреве их в среде (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), обогащенной определенными элементами. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура.

Виды ХТО: цементация, азотирование, цианирование, сульфоазотирование, силицирование, борирование, фосфатирование;

Легирование и металлизация позволяет получать на поверхности металла слоя, химически инертного к воздействию кислорода или способного образовывать прочные оксидные пленки. К числу таких металлов относятся те, которые на линии кислородной активности находятся возможно дальше от водорода. По мере возрастания эффективности этот ряд выглядит так: хром→медь→цинк→серебро→алюминий→платина. Различие в технологиях получения таких антикоррозионных слоёв состоит в способе их нанесения. При металлизации поверхность насыщается металлом покрытия в газовой, жидкой или твердой среде, а легирование происходит в процессе выплавки металла.

Наиболее прочные защитные пленки образуются при диффузионной металлизации:

• в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония;

• жидкая осуществляется погружением детали в расплавленный металл или путем электролиза;

• при газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200^oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием. Исключительно высокой твердостью (2000HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB₂) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

К диффузной металлизации относятся: алитирование, хромирование, карбохромирование, хромосилицирование, хромоалитирование, титанирование, цинкование.

Изменение состава окружающей среды

В некоторых случаях существенного снижения коррозии удаётся добиться изменением состава атмосферы, в которой работает защищаемая металлоконструкция. Это может быть вакуумирование (для сравнительно небольших объектов), или работа в среде инертных газов (аргон, неон, ксенон). Данный метод весьма эффективен, однако требует дополнительного оборудования - защитных камер, костюмов для обслуживающего персонала и т.д. Используется он главным образом, в научно-исследовательских лабораториях и опытных производствах, где специально поддерживается необходимый микроклимат.

Кроме того одним из способов защиты металлов от коррозии- создание рациональных конструкций, т.е. таких, которые не имеют застойных зон и других мест скопления влаги, грязи и других коррозионно-агрессивных сред, допускают быструю очистку и аэрацию.