Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Виды коррозии металла

Виды коррозии металла

Коррозия – это процесс разрушения металлов под воздействием электрохимических или химических факторов окружающей среды. Отсюда, различают два типа коррозии, в зависимости от способа взаимодействия с окружающей средой и механизму протекания процесса окисления: химическая коррозия и электрохимическая коррозия.
Химическая коррозия – предполагается, что процессы, протекают без участия электрического тока. В результате: на поверхности металла образуются различные химические соединения: оксиды, сульфиды и др. (например, при нагреве стали для термической обработки или обработки давлением).
Но есть и плюсы такой коррозии: пленка, образовавшаяся на металле в результате процесса химической коррозии, служит препятствием для дальнейшего разрушения металла. Это происходит, например, у таких металлов, как свинец, олово, алюминий, никель и хром. На их поверхности образуется плотная пленка оксида. А вот на поверхности стали и чугуна пленка образуется непрочная, тонкая, она растрескивается и ведет к дальнейшей коррозии.

Электрохимическая коррозия протекает в присутствии электрического тока. Такая коррозия возникает в результате работы множества макро- или микрогальванопар в металле, соприкасающемся с электролитом.

Причины возникновения гальванических пар в металлах:

— соприкосновение двух разнородных металлов;
— наличие в металле примесей;
— наличие участков с различным кристаллическим строением;
— образование пор в окисной пленке;
— наличие участков с различной механической нагрузкой;
— наличие участков с неравномерным доступом активных компонентов внешней среды, например, воздуха.

Проявление электрохимической коррозии — появление ржавчины на корпусах судов, стальной арматуре гидравлических сооружений, под воздействием атмосферных осадков.

Резкого отличия между механизмами протекания химической и электрохимической коррозии нет. Процесс химической коррозии может плавно перейти к электрохимической, и наоборот, а также носить двоякий характер, как это бывает при электролизе.

В зависимости от условий протекания, коррозия металлопроката — труб бесшовных бывает:

газовая (протекает в присутствии газов при высокой температуре),
неэлектролитическая (сталь в бензине),
атмосферная (металлические детали и конструкции на воздухе),
электролитическая (в жидкой среде под воздействием электрического тока),
почвенная (разрушение металлических труб , толстостенных стальных труб под землей),
электрокоррозия (под воздействием внешних токов),
контактная (разные виды металлов в электролите)
структурная (неоднородные по структуре металлы, например чугун и графит в растворе серной кислоты)
коррозия напряжения (снижение выносливости металла, вызывающее так называемую коррозионную усталость)
коррозия трения (вращающиеся детали машин в морской воде)
щелевая коррозия (протекает в зазорах между деталями механизмов)
биокоррозия (под воздействием микроорганизмов и биологических факторов)

В зависимости от характера и места распространения, различают следующие подвиды коррозии:

Пример местной коррозииПример общей коррозииПример межкристаллитной коррозии

местная — более опасна, так как распространяется не в ширину, а в глубину, разрушая нижележащие слои и приводя к поломке и разрушению изделия. Возникает там, где имели место механические или другие повреждения поверхности детали.

сплошная — коррозия охватывает всю поверхность металлической детали, после чего деталь разрушается. Легко контролируется и поддается оценке.

и межкристаллитная — распространяется по границам зерен металла, начинается, по обыкновению, на поверхности и быстро распространяется в глубину. Приводит к хрупкости детали и снижению прочности. Является особо опасным подвидом коррозии. Возникает при сварке и термообработке металла.

О большей степени устойчивости стали к коррозии можно определить по процентному содержанию в ее составе углерода. Например, уменьшив до 0.015% содержание углерода в составе легированной хромоникелевой стали Х18Н9, возможно максимально повысить ее сопротивление к межкристаллитной коррозии.

Основные понятия и виды коррозии

Коррозией называется разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического воз­действия на их поверхность внешней среды. В основе процессов коррозии металлов и сплавов лежит явление окисления. Образование окислов металлов в большин­стве случаев для земных условий является термодинами­чески естественным, так как соответствует снижению потенциальной энергии системы металл — среда. Имен­но поэтому большинство металлов в природе существует в виде руд, т. е. окислов, и на их восстановление требу­ются затраты энергии.

Читайте так же:
Для чего применяются устройства защитного отключения

Коррозия ведет к прямым и косвенным потерям при эксплуатации деталей и сооружений, в том числе свар­ных. К прямым потерям относятся: стоимость потерян­ного металла, изготовленных узлов и машин, снижение срока службы изделий и затраты на противокоррозион­ные мероприятия. Косвенные потери связаны с времен­ным выходом оборудования и сооружений из строя или их простоями, получением некачественной продукции, увеличением расходов на ремонт, ущербом окружающей среде и т. д.

Интенсивность взаимодействия металла или сплава с коррозионной средой зависит от свойств самого ме-

галла и окружающей среды. Сварка как технологичес­кий процесс всегда вызывает локальное изменение свойств исходного металла в определенной зоне, и, сле­довательно, эти зоны будут обладать иным характером взаимодействия металла со средой эксплуатации.

Химическая коррозия — это взаимодействие металла со средой, при котором окисление металла и восстанов­ление окислительной компоненты среды протекают в одном акте. При этом во взаимодействующей системе не возникает электрического тока, а происходит обмен злектронами между металлом и окислителем. К таким видам взаимодействия металла и среды относятся его реакции с кислородом, хлоридами, галогенами, с кис­лородсодержащими газами при отсутствии влаги. На­пример:

Fe + 0,5О2-э FcO (12.1)

В приведенном примере атом железа Fe отдает свои 2 электрона, превращаясь в положительный ион Fe++, а атом кислорода получает 2 электрона, превращаясь в отрицательный ион О — -. Образовавшаяся система урав­новешена и обладает минимумом потенциальной энер — I ии. В общем виде подобные реакции можно записать:

По условиям протекания процесса окисления разли­чают следующие виды химической коррозии:

1) газовая коррозия — коррозия металлов и сплавов, вызываемая действием газов или воздуха при вы­соких температурах;

2) коррозия в неэлектролитах, т. е. в жидкостях, не проводящих электрический ток (сернистая нефть, бензин, мазут, спирты) при нормальных и повы­шенных температурах.

Продукт взаимодействия кислорода с металлом — ок­сид образует на поверхности металла пленку, которая снижает химическую активность металла и тормозит про­цесс дальнейшего окисления. В зависимости от толщи­ны оксидные пленки подразделяются на топкие (невиди­мые), толщиной до 40 нм; средние (видимые как цвета побежалости) — 40. 500 нм; толстые — более 500 нм.

Оксидные пленки могут быть сплошными и не­сплошными. Условие сплошности выражается соотно­шением молекулярных объемов VOKC/ VMc > 1. При v0KC/ VMc < 1 оксид является пористым и не защищает металл от дальнейшего окисления.

Скорость образования оксидных пленок определяет­ся взаимной двусторонней диффузией среды в металл и металла в среду. На скорость газовой коррозии влияют температура, состав газовой среды и состояние поверх­ности металлов Температура увеличивает скорость кор­розии, что видно из соотношения:

где VKop — скорость коррозии, А, В — константы; е — основание натуральных логарифмов; Т — абсолютная температура.

Для защиты от газовой коррозии используют, глав­ным образом, жаростойкие стали, основными легирую­щими в которых чаще всего являются хром, алюминий и кремний. Например, введение в железоуглеродистый сплав 12% Сг делает его пассивным к кислороду не толь­ко при нормальных температурах, но и при нагревании до Т < 700 °С за счет образования на поверхности окис­ла типа Сг203 или шпинели (Cr, Fe)203. Кроме того, для защиты от газовой коррозии можно использовать за — шитные атмосферы (инертные газы) или специальные защитные покрытия.

Читайте так же:
Кованые кашпо на стену

Разновидностью химической коррозии, как указыва­лось, является коррозия металлов в неэлектролитах, где активными реагентами являются сера, сероводород, се­роуглерод и др. Основными средствами борьбы пробив коррозии в неэлектролитах является использование кор­розионностойких (нержавеющих) или алитированных сталей и сплавов.

Электрохимическая коррозия — это процесс замедлен­ного разрушения металлов и сплавов при воздействии на них электролитов. К ним относятся растворы кислот, щелочей, солей, техническая вода. Известно, что моле­кулы электролита при растворении в воде диссоцииру­ют, т. е. распадаются на положительно заряженные ионы — катионы и отрицательно заряженные — анионы (соль NaCl -» Na++Cl

; кислота HNO3 H++N03"; ще­лочь NaOH -> Na++OH ). Наличие разнозаряженных ионов объясняет электропроводность водных растворов электролитов.

Различают слабые и сильные электролиты. Даже вода, хотя и в небольшой степени, является электроли­том Н20 -» Н++ОН Недиссоциированные молекулы воды являются полярными молекулами — диполями. В ре­зультате взаимодействия катионов и анионов с поляр­ными молекулами воды образуются гидратированные ионы. Процесс гидратации сопровождается выделением энергии. При соприкосновении металлической повер­хности с раствором электролита (рис. 12.1) происходит взаимодействие между электрически заряженными ча­стицами раствора (катионами, анионами, гидратирован­ными ионами) и ион-атомами металла, находящимися на поверхности, что приводит к переходу последних в раствор в виде гидратированных ионов. Источником

энергии, необходимой для разрыва связи между ион — атомом и электроном, является процесс гидратации.

Когда ион-атом металла переходит в раствор, на по­верхности металла остается эквивалентное количество электронов, которые в раствор не переходят и сообща­ют участку металла локальный отрицательный заряд (излишек электронов) Поверхность такого металла ста­новится электрохимически неоднородной.

Таким образом, основное отличие электрохимичес­кой коррозии от химической состоит в том, что корро­зионный процесс возникает в результате протекания тока во множестве коротко замкнутых гальванических элементах, образующихся из-за микрохимической не­

однородности локальных участков металла. При этом одновременно протекают два электродных процесса:

1. Анодный процесс — переход металлических ион — атомов в раствор в виде катионов с оставлением соответствующего количества избыточных элект­ронов на поверхности металла.

2. Катодный процесс — ассимиляция избыточных электронов ионами или гидратированными моле­кулами в электролите (деполяризаторами), кото­рые при этом восстанавливаются.

Без протекания второго процесса первый (растворе­ние металла) должен был бы скоро прекратиться.

Наличие электронной проводимости у металла и ионной проводимости у растворов электролита позво­ляет анодным и катодным процессам протекать раздель­но на различных микроучастках поверхности металла. Участок металла, который растворяется, называется анодом, а участок, на котором имеет место разряд избы­точных электронов, — катодом. При протекании этих двух процессов имеют место перетекание электронов в металле от анодных участков к катодным и соответству­ющее перемещение катионов и анионов в растворе.

Таким образом, металл при взаимодействии с элект­ролитом заряжается отрицательно или положительно, приобретая определенный электрохимический потенциал. Это позволяет оценивать устойчивость (или склонность) металла к взаимодействию со средой по величине и зна­ку электрохимического нормального (стандартного) по­тенциала 16].

Стали и сплавы, взаимодействующие с электролита­ми, можно рассматривать как многоэлектродные галь­ванические элементы, состоящие из большого числа расположенных на поверхности микрогальванических пар. Это объясняется различными свойствами микро — и макроструктуры, наличием неметаллических включе-

ний, разного уровня дефектности кристаллической ре шетки и т. д.

Имеются также и другие причины возникновения ло ­кальных коррозионных пар:

1) наличие на поверхности металла несплошных продуктов коррозии (ржавчины, окалины) или не­сплошных (поврежденных) защитных металличес­ких покрытий (хром, никель, цинк), являющихся локальными катодами (менее анодными);

Читайте так же:
Алмазные диски для заточки токарных резцов

2) неоднородность напряженного и структурного со­стояния участков металла: более напряженные и деформированные участки металла (местный на­клеп, местный изгиб, околошовная зона) являют­ся более анодными и растворяются быстрее;

3) контакт пар металлов с различным по знаку элек­трохимическим потенциалом (сталь + медь, сталь + цинк, и т. п.).

На рис. 12 2 показаны схемы возникновения коррози­онных элементов, а на рис. 12.3 представлена схема рас­положения коррозионных пар в сварном соединении.

Одним из важнейших факторов коррозии металлов в водных растворах кислот, щелочей и в техническом воде является водородный показатель pH, т. е. логарифм кон­центрации ионов водорода в растворе, взятый с обрат­ным знаком:

где Ch — конценграция ионов водорода.

Рис. 12.2. Схема образования коррозионных элементов: а) царапина; 6) вмятина; в) окалина; г) местный наклеп, д) и е) сварные швы: кольцевой (д) и продольный (е), А — анод; К — катод

Рис. 12.3. Схема коррозии сварного соединения: ф — электродные потенциа 1ы основного металлаг шва, околошовнои зоны

Величина pH определяет кислый (pH < 7), нейтраль­ный (pH = 7) или щелочной (pH > 7) характер среды и влияет на скорости коррозии металла в той или инои среде (рис. 12.4).

Рис. 12.4 Кривые скорости растворения металлов в зависимости от pH раствора: 1 — железо: 2 — алюминий; 3 — тутан

Согласно ГОСТ 5272—66 различают следующие виды коррозии:

1) атмосферная коррозия — в атмосфере воздуха;

2) подземная коррозия — в почвах и грунтах;

3) коррозия блуждающим током, возникающая от внешнего источника;

4) контактная коррозия — электрохимическая кор­розия, вызванная контактом элементов или учас­тков с разными потенциалами;

5) биокоррозия — под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов;

6) коррозия при полном погружении — когда металл полностью погружен в жидкую среду;

7) коррозия при неполном погружении;

8) щелевая коррозия — коррозия в узких зазорах и щелях между двумя металлами или — участками ме­талла;

9) коррозионное растрескивание — при одновремен­ном воздействии среды и растягивающих напря­жений;

10) газовая коррозия — химическая коррозия при вы­

соких температурах в среде газов;

11) морская коррозия — в среде морской воды, Атмосферная коррозия приносит наибольший урон:

80% всего используемого металлофонда и 50% всех по­терь металла является результатом атмосферной корро­зии. Атмосферная коррозия в зависимости от толщины слоя влаги на поверхности металла разделяется на сухую, влажную и мокрую (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Вилы атмосферной коррозии: I — сухая; If — влажная, III — мокрая; IV — с полным погружением

Интенсивность атмосферной коррозии зависит от количества кислорода, поступающего к корродируемой поверхности. Поэтому очень тонкие пленки атмосфер­ной влаги опаснее (высокое насыщение кислородом). Усиливает агрессивность атмосферы ее загрязнение кор­розионно-активными агентами (H2S, NH3 MgCl2).

Особо обращают внимание на местные избиратель­ные виды коррозии сварных соединений из хромистых и хромоникелевых сталей — межкристаллитную (МКК) и коррозию под напряжением. Известно [8] три меха­низма возникновения МКК:

1) обеднение границ зерен хромом за счет образова­ния равновесных для данных температурно-вре менных условий карбидных или карбонитридных фаз (Сг23С6, Сг7С3 при Т = 450. 900 °С и TiC, NbC при Т = 1200. 1250 °С);

2) образование карбида железа Fe3C по границам зе­рен и снижение их стойкости к агрессивной среде;

3) сегрегация поверхностно-активных элементов в за­данных температурных условиях (S, Р, Si, Pb) по границам зерен, снижающая их стойкость к среде.

Читайте так же:
Smd резистор 103 номинал

По первому механизму МКК развивается в сварных соединениях из сталей и сплавов аустенитного класса, а по третьему и частично первому — в сталях мартенсит- но-ферритного, мартенситного и ферритного классов. Температурно-временная область возникновения МКК представлена на рис. 12.6. Следует отметить, что Ni, Si и Со, повышая термодинамическую активность углеро­да, способствуют увеличению количества карбидов и понижают значение tmin времени сохранения стойкости стали к агрессивной среде. В то же время Mn, Mo, W, V, Nb, Ті повышают стойкость стали и сварного соедине­ния против МКК.

Коррозия под напряжением сварных соединений воз­никает вследствие:

— сообщения металлу добавочной энергии, в связи с чем иону Ме+, находящемуся на поверхности, легче покинуть кристаллическую решетку дефор­мированного металла по сравнению с недеформи — рованным;

Рис. 12.6. Температурно-временная область склонности к МКК

— нарушения сплошности и защитных свойств по­верхностных пленок под действием деформации;

— повышения степени неоднородности и появления новых анодных участков при выходе на поверх­ность дефектов кристаллического строения (дис­локаций, вакансий).

Для сварных соединений, как указывалось, чрезвычай­но опасными являются также межкристаллитная (в час­тости, ножевая) коррозия и коррозионное растрески­вание.

Для сравнения скоростей общей коррозии использу­ют шкалу коррозионной стойкости (табл. 12.1).

Особенности и механизмы коррозионных разрушений сварных соединений зависят от физико-химического воз­действия процесса сварки, вызывающего появление раз­личного вида неоднородностей, неблагоприятных изме­нений структуры и свойств металла и напряженного состояния. Например, как было показано на рис. 12.3, сварное соединение в коррозионном отношении пред-

Химические и электрохимические виды коррозии металлов и сплавов

Все нюансы данного вопроса детально расписаны в ГОСТ № 5272 от 1968 года (Коррозия металлов, термины). Характерной особенностью всех официальных документов является то, что досконально понять их содержание может лишь профильный специалист, с большим практическим опытом. Эта статья дает общее представление о видах коррозии и предназначена тем, кто так или иначе связан с металлообработкой.

  • Согласно ГОСТ, все виды коррозии подразделяются на 2 типа – химическое и эл/химическое разрушение. В последнем случае речь идет о непосредственном контакте металла с электролитическим раствором (скорость протекания процессов регулируется электродным потенциалом). Категорирование видов коррозии подразумевает, что каждый из них относится или к 1-му, или ко 2-му типу.
  • В отношении сплавов чаще применяется термин «ржавление».
  • Существует множество причин, по которым происходит разрушение металлов. Если все их подробно классифицировать, то наберется более 15. Влияющими факторами являются среда, в которой находится образец, его химический состав (например, вид металла или сплава), температура воздуха (жидкости) и ряд других. Далее рассмотрены лишь основные варианты.

Атмосферная

Одна из разновидностей – газовая. Последняя протекает даже при нормальных температурах, и их повышение только инициирует ускорение процесса разрушения металлов.

k-1

Подземная

Характерно для конструкций с заглублением (трубопроводы, свайные фундаменты, металлические опоры). Степень интенсивности зависит в основном от характеристик грунта (например, кислотности), в который помещен металл.

k-2

Подводная

Подразумевается полное погружение образца. Причем в данном случае средой является вода. Если речь идет о жидкости, относящейся к категории «электролит», то определены следующие разновидности коррозии в зависимости от степени погружения металла и времени – при неполном, переменном, полном и по ватерлинии.

k-3

Биологическая

Разрушение металлов происходит из-за влияния микроорганизмов, содержащихся в данной среде.

k-4

Коррозия, вызванная токами – внешними, блуждающими.

k-5

Контактная коррозия

Такой вид разрушения металла инициируется в электролитической среде соприкосновением проводников с разными потенциалами.

k-6

В зависимости от степени поражения образца коррозия классифицируется на следующие разновидности:

  • сплошная;
  • равномерная/неравномерная;
  • сквозная;
  • точечная;
  • подповерхностная/подслойная;
  • местная;
  • структурная коррозия;
  • нитевидная;
  • щелевая;
  • избирательная;
  • межкристаллитная;
  • ножевая;
  • под механическим напряжением.
Читайте так же:
Как почистить бронзу в домашних условиях

От любого вида коррозии разработаны методики защиты — подробнее описано здесь. Они выбираются на основе анализа специфики эксплуатации металла и всех сопутствующих этому факторов.

Виды коррозии

Конструкционные материалы для химического машиностроения должны обладать высокой коррозионной стойкостью, т. е. способностью противостоять коррозионному воздействию среды.

Коррозионная стойкость понятие относительное, так как зависит от многих факторов: вида агрессивной среды, конструкции химически активного компонента, скорости движения среды, температуры, давления и др.

Например, углеродистая сталь вполне устойчива к действию концентрированной серной кислоты, но не стойка к действию разбавленной серной кислоты. Многие силикатные материалы устойчивы к действию серной кислоты любой концентрации, однако, не стойки к действию плавиковой кислоты.

Коррозионная стойкость металлов оценивается различными методами.

Одним из наиболее распространенных является метод оценки по глубинному показателю коррозии (скорости коррозии). Глубинный показатель коррозии — это величина, характеризующая уменьшение толщины металла в течение года вследствие коррозии.

Согласно ГОСТ 13819-63 все конструкционные материалы по коррозионной стойкости делятся на группы и оцениваются по десятибалльной шкале. Так, материалы для химического машиностроения должны иметь балл не более 5, что соответствует скорости коррозии 0,1 мм/год. Для конструкционных материалов менее ответственных деталей химического оборудования скорость коррозии допускается до 0,5 мм/год.

Коррозия металлов может протекать по химическому и электрохимическому механизму.

Электрохимическая коррозия– возникает при действии на металл

электролитов и влажных газов и характеризуется наличием двух параллельно

идущих процессов: окислительного (растворение металла) и восстановительного (выделение металла из раствора).

Этот вид коррозии сопровождается протеканием электрического тока в результате образования микрогальванических элементов. Возникновение коррозионных разрушений в металле связано с неоднородностью металла, присутствием примесей, нарушением структуры металла или защитного слоя, непостоянством состава раствора, неравномерностью деформаций различных участков, разностью температур и другими факторами.

Скорость электрохимической коррозии зависит от концентрации и скорости движения раствора, состава и структуры металла, растворимости продуктов коррозии на анодных и катодных участках, температуры, давления и др.

Химическая коррозия– возникает при действии сухих газов и жидких

неэлектролитов на металлы, а так же при действии электролитов на неметаллы. Механизм химической коррозии сводится к диффузии ионов металла сквозь постоянно утолщающуюся пленку продуктов коррозии и встречной диффузии атомов или ионов кислорода.

Примером химической коррозии является газовая коррозия — процесс

взаимодействия металлов при высоких температурах и давлениях с кислородом или другими газами (H2S, SO2, CO2, водяной пар).

В результате этого процесса на поверхности металлов образуется оксидная пленка, которая во многих случаях обладает защитными свойствами. Толщина такой пленки может меняться от 1-5 мм до десятых долей миллиметра. Хорошими защитными свойствами обладают оксидные пленки, у которых коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) близок к значению КЛТР металла.

Скорость химической коррозии значительно зависит от температуры и

давления. При повышенных температурах вследствие химической коррозии

происходит процесс обезуглероживания углеродистых сталей:

При повышенных температурах и давлениях обезуглероживание может

происходить за счет гидрирования (водородная коррозия):

При сравнительно низких температурах и высоких давлениях происходит разрушение металла в результате воздействия на него оксида углерода с образованием карбонилов (карбонильная коррозия):

Наличие механических воздействий в присутствии агрессивных сред приводит к возникновению коррозионной навигации и коррозионной усталости металла, сопровождающихся серьезными коррозионными разрушениями.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector