где Аме – атомная масса металла; Аок – атомная масса окислителя (кислорода); Пме – валентность металла; Пок – валентность окислителя.
Обычно образуются оксиды Cu2O, TiО2, на стали Х18Н10 – FeCr2O7 а на стали Ст 3-80% FeО и 20% Fe3O4.
2.5.3 Рассчитать глубинный показатель коррозии по формуле:
Кn =
(2.5)где ρме – плотность металла (таблица 2.2), г/см3.
Таблица 2.2 – Плотность некоторых металлов
Металл | Плотность, г/см3 | Металл | Плотность, г/см3 |
Al | 2,70 | Mo | 10,23 |
Cr | 7,16 | Ni | 8,90 |
Cu | 8,93 | Ti | 4,54 |
Fe | 7,86 | W | 19,30 |
2.5.4 На основании полученных значений показателей коррозии сделать выводы о сравнительной жаростойкости исследованных материалов.
2.6 Задание на самостоятельную работу
Ознакомиться с основными видами жароустойчивых материалов, используемых в технике.
Ознакомиться с десятибалльной шкалой коррозионной стойкости металлов.
Определить группу стойкости для всех исследованных материалов по десятибалльной шкале.
1.7 Контрольные вопросы
1. В каких средах наблюдается химическая коррозия?
2. Является ли газовая коррозия локальной?
3. Какова основная причина химической коррозии металлов?
4. Дайте определение жаростойкости металлов и сплавов.
5. Дайте определение жаропрочности металлов и сплавов.
6. Какие факторы влияют на жаростойкость стали?
7. Приведите условие сплошности пленок?
8. Для каких металлов выполняется условие сплошности?
9. Как можно повысить жаростойкость металлов и сплавов?
10. Чем определяется скорость химической коррозии в установившемся режиме?
11. Чем определяется скорость химической коррозии при кинетическом контроле процесса?
12. Какие металлы повышают жаростойкость сталей?
13. Как влияет углерод на жаростойкость сталей?
14. Как влияет структура сталей на их жаростойкость?
15. Поясните суть трех теорий жаростойкого легирования.
16. Каким образом подготавливают образцы к выполнению лабораторной работы?
17. Какие приборы используют при выполнении лабораторной работы?
18. Какие показатели используют при оценке газовой коррозии?
19. Как рассчитываются массовые показатели коррозии?
20. Как перейти от массовых показателей коррозии к глубинному?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОВЕРХНОСТИ АНОДА И КАТОДА НА СИЛУ ТОКА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА, РАБОТАЮЩЕГО
С КИСЛОРОДНОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
3.1 Цель проведения лабораторной работы
Определить влияние величины поверхности анода и катода на силу тока гальванического элемента Zn-Cu, работающего с кислородной деполяризацией.
Задачи проведения лабораторной работы состоят в том, чтобы
знать: принцип работы гальванического элемента, особенности протекания электрохимического коррозионного процесса и непосредственно катодного процесса с кислородной деполяризацией, влияние величины поверхности катода и анода на силу тока гальванического элемента, работающего с кислородной деполяризацией;
уметь: собрать электрическую схему, определить силу тока гальванического элемента.
3.2 Основные теоретические положения
3.2.1 Электрохимический механизм растворения металла в электролитах
Первопричиной коррозии металлов, в том числе и электрохимической коррозии является их термодинамическая неустойчивость. При взаимодействии с электролитами металлы растворяются, переходя в более стабильное окисленное (ионное) состояние. Электрохимический механизм коррозии описан электрохимической реакцией, которая протекает с участием свободных электронов. Ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозийной среды протекает не в одном акте, а скорости этих процессов зависят от величины электродного потенциала металлов в электролитах.
Электрохимическое растворение металла - сложный процесс, который состоит из трех основных одновременно протекающих процессов (рисунок 3.1):
Рисунок 3.1 – Общая схема электрохимической коррозии
1) анодного - образование гидратированных ионов металла в электролите и некомпенсированных электронов на анодных участках по реакции:
ne ¬ neMen+ ® Men+×mН2O (3.1)
2) перетекание электронов в металле от анодных участков к катодным и соответствующие перемещения катионов и анионов в растворе;
3) катодного - ассимиляция электронов ионами или молекулами раствора (деполяризаторами Д), способными к восстановлению на катодных участках по реакции:
Д + ne ® [Дne] (3.2)
Таким образом, электрохимическая коррозия на неоднородной (гетерогенной) поверхности металла аналогична работе короткозамкнутого гальванического элемента. При замыкании в электролите двух обратимых электродов с разными потенциалами происходит перетекание электронов от более отрицательного электрода (анода) к менее отрицательному (более положительному) электроду (катоду). Перетекание электронов выравнивает значения потенциалов замкнутых электродов. Если бы при этом электродные процессы (анодный на аноде и катодный на катоде) не протекали, потенциалы электродов уравнялись бы и наступила бы полная поляризация. В действительности анодные и катодный электродные процессы продолжаются, препятствуя наступлению полной поляризации вследствие перетекания электронов от анода к катоду.
Ионы и молекулы раствора, которые обеспечивают протекание катодного процесса называют деполяризаторами.
3.2.2 Электрохимическая коррозия металла с кислородной
деполяризацией
Процессы коррозии металлов, при протекании которых катодная деполяризация осуществляется растворенным в электролите кислородом, называют коррозией с кислородной деполяризацией. Самопроизвольное протекание процесса коррозии металла с кислородной деполяризацией возможно, если (jМе)об.<
.:(jО2)об.= jоО2+
(3.3)где (jО2)об. - обратимый потенциал кислородного электрода в данных условиях, В; jоО2 - стандартный потенциал кислородного электрода В; (jМе)об. - обратимый электродный потенциал металла, В; Р(О2) - парциальное давление кислорода, атм; а`ОН- - активность гидроксильных ионов; F - число Фарадея (96500 г×экв); R = 8,31 Дж/(К×моль) - газовая постоянная; T - абсолютная температура, К.
Коррозия металлов с кислородной деполяризацией в большинстве случаев происходит в электролитах, которые контактируют с атмосферой, парциальное давление кислорода в которой Р = 0,21 атм. Таким образом, при определении термодинамической возможности протекания коррозионных процессов с кислородной деполяризацией расчет обратимого потенциала кислородного электрода в этих электролитах следует делать, учитывая реальное парциальное давление кислорода в воздухе.
С кислородной деполяризацией корродируют металлы в атмосфере (например, ржавление оборудования металлургических заводов), в воде и нейтральных водных растворах солей (например, охладительные системы доменных и мартеновских печей, конвертеров, металлическое обшивка речных и морских судов), и в грунте (например, различные трубопроводы).
Для защиты металлических конструкций от коррозии с кислородной деполяризацией в нейтральных электролитах (пресной и морской воде, водных растворах солей, грунтах) существуют следующие методы:
1) применение достаточно стойких металлов и сплавов: термодинамически стойких в данных условиях (никель, медь и медных сплавы (бронзы)) – в морской воде; предрасположенных к пасивации (алюминий, хромистые и хромоникелевые стали) – в воде; тех, которые покрываются защитными пленками труднорастворимых продуктов коррозии (цинк, свинец) - в растворах сульфатов;
2) удаление из электролита деполяризатора – кислорода. Например, деаэрация или обескислороживание питающей воды паровых котлов или воды охлаждающих систем;
3) введение в воду или разбавленные растворы солей разных добавок, которые замедляют коррозию за счет сильного торможения анодного процесса, - пассиваторов или пленкообразователей (например фосфатов, полифосфатов, аминов);
4) нанесение на металлы разных защитных покрытий: металлических (например, на сталь - цинка, кадмия, никеля, олова, свинца и др.), неметаллических неорганических (оксидных, фосфатных для защиты от атмосферной коррозии) и органических (например, лакокрасочных, асфальто-битумных, полимерных и др.);
5) электрохимическая защита металлических конструкций катодной поляризацией от внешнего источника постоянного тока или с помощью протекторов, или анодной поляризацией при возможности пассивации металла.
3.2.3 Особенности катодного процесса кислородной деполяризации
Катодный процесс кислородной деполяризации включает следующие стадии:
· Растворение кислорода воздуха в электролите.
· Перенесение растворенного кислорода в объеме электролита и части слоя Прандтля в результате движения электролита, обусловленного конвекцией или дополнительным перемешиванием.
· Диффузионный перенос кислорода в слое электролита толщиной δ (в диффузном слое) или в пленке продуктов коррозии на металле к катодным участкам поверхности корродирующего металла.