Исследовательская работа "Коррозия металлов"

Министерство образования, науки и молодежной политики

Забайкальского края

Государственное профессиональное образовательное учреждение

«Забайкальский техникум транспорта и технологий»

Исследовательская работа по химии

«Коррозия металлов»

Выполнил: студент гр.2-92

Никитин Александр

Руководитель: преподаватель химии

 Мезенцева А.А.

2016г.

Содержание

Введение

Глава 1. Теория коррозии металлов

1. Понятие коррозии металлов
2. Типы коррозии металлов

1. Химическая коррозия
2. Электрохимическая коррозия

Глава 2. Коррозия под действием блуждающих токов

Глава 3. Методы защиты металлов от коррозии

3.1.Легирование металлов

3.2.Защитные покрытия

3.3.Электрохимическая защита

3.4.Изменение свойств коррозионной среды

Глава 4. Экспериментальная часть (Лабораторные исследования коррозии металлов)

4.1. Исследование влияния кислорода на процесс коррозии

4.2. Исследование  влияния среды раствора на процесс коррозии

4.3. Исследование действия ингибитора

4.4. Исследование коррозионных  процессов  на границе  металлов

4.5. Исследование эффективности  защиты от коррозии некоторых металлических покрытий

Заключение

Введение

Коррозия металлов  – разрушение металлов вследствие химического, электрохимического  или биохимического  взаимодействия их с окружающей средой. Коррозия протекает самопроизвольно согласно законам кинетики возможных термодинамических реакций и приводит к понижению свободной энергии металла, в результате чего образуются более устойчивые в термодинамическом отношении соединения.

Вопросы противокоррозионной защиты очень  важны для железнодорожного  транспорта, так как эта отрасль народного хозяйства  является одной из наиболее металлоемких. Из металла изготовлены практически все узлы и  детали подвижного состава, верхнего строения пути, мостов, контактной сети, коммуникаций и оборудования.

На металлические устройства воздействуют атмосферно-климатические
факторы, перевозимые продукты химической промышленности, минеральное сырье, топливо, которые в сочетании с высокими знакопеременными и ударными нагрузками способны вызвать не только равномерную и местную коррозию металла, но и коррозионно-усталостные повреждения, коррозионное растрескивание. На электрифицированных железных дорогах в результате утечки блуждающих токов наблюдается интенсивное разрушение металлических и железобетонных конструкций. Усиленные коррозионные процессы происходят также и на других объектах железнодорожного транспорта (локомотивных и вагонных депо, ремонтных заводах, промывочно-пропарочных станциях, гальванических цехах).

Коррозия металла приводит к снижению несущей способности конструкций, загрязнению перевозимых пищевых продуктов и особо чистых грузов, вызывает неисправности электрооборудования, водяных, тепловых и тормозных систем, приводит к авариям на транспорте, к простоям, к экологическим загрязнениям.

Затраты на возмещение потерь,  связанных с коррозией, исчисляются миллиардами рублей в год. Сложилась такая ситуация, что потери металла от коррозии в мире уже составляют около 30% от его годового производства. Полагают, что около 10% массы ежегодного производства чёрных металлов расходуется на возмещение потерь металлов от коррозии.

Объектом исследования является коррозия металлов и меры борьбы с ней.

Цель исследования:  изучить процесс коррозии и способы защиты от нее  сооружений, конструкций, в том числе  подвижного состава железнодорожного транспорта.

Задачи:

1) изучить процесс коррозии с точки зрения теории окислительно-восстановительных реакций;

2) изучить классификацию коррозионных процессов;

3) изучить способы защиты металлов и сплавов от коррозии;

4) исследовать влияние некоторых факторов на интенсивность коррозии;

5) собрать и систематизировать информацию об особенностях коррозионных процессов на объектах железнодорожного транспорта и способах защиты от коррозии конструкций, сооружений и подвижного состава.

1. Понятие коррозии металлов.

Термин коррозия происходит от латинского "corrosio", что означает разъедать, разрушать. Этот термин характеризует как процесс разрушения, так и результат.

Среда в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой. В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют ввиду нежелательный процесс взаимодействия металла со средой. Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии, является окисление металла.

Известно  что большинство металлов ( кроме Ag,Pt,Cu,Au) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и др., называемые обычно руды металлов.
      Ионное  состояние более выгодно, оно  характеризуется более меньшей  внутренней энергией. Это заметно при получение металлов из руд и их коррозии. Поглощенная энергия при восстановлении металла из соединений свидетельствует о том , что свободный металл обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение. Это приводит к тому, что металл находящийся в контакте с коррозионно-активной средой стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии.

По характеру протекающего процесса различают две группы коррозии: химическую и электрохимическую. Первая протекает в сухих газах и неэлектролитах.  Вторая наблюдается в электролитах и во влажных средах и сопровождается окислительно-восстановительными реакциями на границе металл— электролит, подобными процессу гальванического элемента.

1.2.1. Химическая коррозия

Химическая коррозия – взаимодействие металла с окружающей средой, при котором окисление металла и восстановление окислителя коррозионной среды происходит в одном акте без перехода заряженных частиц через границу металл - окислительная среда.

Скорость химической коррозии  не зависит от потенциала металла.

Примером химической коррозии может служить окисление железа кислородом воздуха.

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3

Образующаяся при этом оксидная плёнка на металле может предохранять его от дальнейшего окисления, если температура окисления невысока.

По  типу агрессивной среды химическая  коррозия делится на газовую коррозию и коррозию в жидких неэлектролитах.

Газовая коррозия проходит в среде сухих газов и паров, т.е. без конденсации влаги на поверхности металла, обычно при высоких температурах.  Она наблюдается при плавлении и термической обработке металлов, при эксплуатации газовых турбин, химических аппаратов, двигателей внутреннего сгорания и других металлических изделий, на внутренних стенках оборудования для хранения и транспортировки природных газов и в процессах химической переработки.

Наиболее часто на практике встречается газовая коррозия при окислении металлов O2, SO2, H2S, Cl2, HCl, NO3, CO2, CO, H2. При этом образуются соответствующие оксиды, хлориды, нитраты, сульфиды. Карбонаты металлов. Примеры таких реакций: 2Fe + O2 = 2FeO;  Zn + CO2 = ZnO + CO;  Al +H2O= Al2O3 + H2.

Самым распространённым окислителем является кислород. Типичным продуктом кислородной газовой коррозии является окалина, которая в виде плёнки возникает на раскалённых кусках металла при их прокатке. Толщина плёнки может быть самой различной. Она зависит от сплошности первично образующейся плёнки. Которая определяет способность этой плёнки тормозить дальнейшее окисление металла. Наиболее высокими защитными свойствами обладает сплошная, достаточно тонкая прочная эластичная плёнка, возникающая на  гладкой поверхности металла, имеющая с ним хорошее сцепление и одинаковый с ним коэффициент линейного расширения.

Однако на большинстве металлов защитная плёнка после достижения известной толщины растрескивается, что позволяет газовой  коррозии развиваться дальше.

В целом наименее устойчивы к действию газовой коррозии наиболее активные металлы: калий, кальций, натрий, магний. Наиболее устойчивыми являются: палладий, платина, золото, иридий.

Коррозия в жидких неэлектролитах

К жидкостям неэлектролитам т.е. неэлектропроводящим жидким средам относятся жидкости органического происхождения - спирты, бензол, фенол, нефть, керосин, бензин, а так же жидкости неорганического происхождения расплавленная сера, жидкий бром.

В чистом виде органические растворители и входящие в состав нефти углеводороды не реагируют с металлами и при нагревании инертны к стали, но в присутствии незначительного количества примесей процессы резко интенсифицируются.

Ускоряют коррозионные процессы, содержащиеся в нефти серосодержащие соединения (сероводород H2S, а так же сера). Они легко реагируют с железом, свинцом, медью, серебром с образованием сульфидов. Это приводит к разрушению аппаратуры.

Присутствие в жидкостях неэлектролитах влаги переводит химическую коррозию в электрохимическую. Так сталь в тетрахлориде углерода в присутствии воды подвергается коррозии, т.к. в результате гидролиза  тетрахлорметана  образуется электропроводная среда и химическая коррозия переходит в электрохимическую:

ССl4 + Н2О СС13ОН + НС1

Жидкий бром уже при обычных температурах энергично реагирует с металлами, вызывая их коррозию. Он заметно разрушает алюминий, углеродистые стали, титан, в меньшей степени никель и незначительно железо. Наиболее устойчивы к брому - серебро, платина, свинец. Сера в расплавленном состоянии реагирует практически со всеми металлами, заметно разрушая олово, медь, меньше титан, углеродистые стали и незначительно алюминий.

Сталь коррозирует в бензинах, т.к. бензин это смесь углеводородов, способных окисляться О2воздуха, переходя в органические кислоты.

1.2.1. Электрохимическая коррозия 

Электрохимическая коррозия – это разрушение металла под действием окружающей среды в результате возникновения гальванических пар. Множество микрогальванических пар возникает при контакте различных металлов в среде любого электролита, при наличии примесей в металле, при контакте металла с раствором электролита с различной концентрацией в разных точках раствора, при неоднородных механических напряжениях металла.

При электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем окружающей среды включает два взаимосвязанных процесса:

а) анодное окисление более активного металла:

Me0 - n      Men+

б) катодное восстановление окислителя окружающей среды:

- в кислой среде на поверхности катода будут восстанавливаться ионы Н+ и выделяться водород:

2Н+ + 2        Н2

- в нейтральной и щелочной средах на поверхности катода будет восстанавливаться молекулярный кислород с образованием гидроксид-ионов:

О2 + 2Н2О + 4      4ОН–

Кроме анодных и катодных реакций при электрохимической коррозии происходит длвижение электронов в металле с анодных участков на катодные и движение ионов в электролите. Электролитами могут быть растворы солей, кислот и оснований, морская вода, почвенная вода, вода атмосферы, содержащая CO2, SO2, O2 и другие газы.

Например, если в раствор серной кислоты поместить железо и никель, железо станет анодом этой гальванической пары и будет растворяться, посылая ионы в раствор, а освободившиеся при этом электроны будут перетекать по соприкасающимся металлам к поверхности' никеля, где будут нейтрализовать притягивающиеся к катоду ионы водорода. Образующиеся атомы водорода соединяются в молекулы и у катода выделяются пузырьки газообразного водорода, отрывающиеся от поверхности металла и удаляющиеся из раствора. Этот процесс может продолжаться до полного растворения железа.

При неправильной компоновке металлов и сплавов данный вид коррозионного разрушения выводит из строя множество сложных металлических конструкций.  Контактная коррозия наблюдается, например, в системах алюминий (и сплавы алюминия) - углеродистая сталь или алюминий-цинк,  медь-железо, и т.д. Контактная коррозия также может наблюдаться при контакте   изделий из одного и того же металла, но соединенных при помощи пайки либо сварки. Сварной (спаечный) шов будет отличаться  электрохимическими свойствами от основного металла. Различная механическая обработка стали (металла) также может вызвать контактную коррозию даже у одного и того же метала.

По характеру воздействия коррозионной среды на металлоконструкции железнодорожного транспорта, подвергающиеся электрохимической и химической коррозии, можно выделить следующие основные виды коррозии:

• атмосферная коррозия (имеет место практически на всех наружных поверхностях пассажирских, рефрижераторных и грузовых вагонов, верхнем строении пути, конструкциях контактной сети);
• коррозия при трении (нижние листы и крышки выгрузочных люков бункерных вагонов и полувагонов, используемых для перевозки сыпучих грузов, отдельные элементы рельсовых скреплений);

коррозионная усталость (рельсы; закладные болты, пластинчатые пружинные клеммы и подкладки рельсовых скреплений, элементы рамы грузовых вагонов, рубашки цилиндров тепловозных дизелей и др.);

• коррозионное растрескивание (котлы цистерн для перевозки меланжа и аммиака);
• газовая коррозия (клапаны и втулки тепловозных дизелей);
• коррозия блуждающими токами (рельсы и рельсовые скрепления на электрифицированных участках железных дорог, работающих на постоянном токе);
• коррозия при неполном или переменном погружении в растворы, коррозия по ватерлинии (на внутренней поверхности кузовов пассажирских вагонов, на раме полувагонов, в котлах сернокислотных и других цистерн);
• коррозия при полном погружении (детали системы охлаждения, системы отопления пассажирских вагонов, котлы цистерн);
• контактная коррозия, например коррозия алюминиевых крышек водяных баков пассажирских вагонов, изготовленных из коррозионно-стойкой стали.

В реальных условиях эксплуатации объектов железнодорожного транспорта интенсивность коррозии может обусловливаться синергическим действием нескольких процессов. Так, атмосферной коррозии и коррозии при трении подвергаются люки вагонов для перевозки сыпучих грузов и отдельные металлические элементы верхнего строения пути. Последние могут разрушаться под воздействием блуждающих токов.

Глава 2. Коррозия под действием блуждающих токов

Блуждающими токами называют электрические токи, протекающие в земле  при использовании её в качестве токопроводящей силы.

Источником возникновения блуждающих токов в почве могут служить различные установки, работающие на постоянном токе, например, электрифицированные железные дороги, трамваи, метрополитен, сварочные агрегаты, любые провода проложенные в почве.

Чаще всего источником блуждающих токов являются электрические железные дороги.

Питание электровозов осуществляется от тяговых подстанций, которые обеспечивают ток в цепи: контактный провод – электровоз – рельс (рис.1). Электровозы и моторные вагоны через колёса электрически соединяются с рельсами.  Рельсы не полностью изолированы от земли, и поэтому часть тока из рельсов ответвляется землю. Растекаясь в земле и встречая на своём пути металлические  сооружения, удельное сопротивление которых  значительно ниже удельного сопротивления земли, ток переходит в них. Поскольку контактный провод присоединён к положительному полюсу тяговой подстанции, а рельс – к отрицательному, то в месте выхода тока из рельса образуется анодная зона, где коррозия разрушает подошву рельса и крепёжные костыли. При этом чем меньше крепёжное сопротивление, тем большая часть тока возвращается к тяговой подстанции через землю  и тем интенсивнее анодная зона на рельсе.

Этот вид коррозии очень опасен, так как блуждающие токи нередко распространяются на несколько десятков километров и вызывают сильные повреждения металлических конструкций.

Глава 3. Методы защиты металлов от коррозии

Защита металлов и сплавов от коррозии – важная и актуальная задача.  При разработке методов от коррозии  используют различные способы снижения скорости коррозии, которые изменяются в зависимости от характера коррозии и  условий её протекания. Все методы защиты условно делятся на следующие группы:

1. легирование металлов;
2. защитные покрытия (металлические, неметаллические);
3. электрохимическая защита;
4. изменение коррозионной среды;
5. рациональное конструирование изделий.

3.1.Легирование металлов

Легирование металлов – метод защиты, связанный с изменением свойств коррозирующего металла, который осуществляется путём введения в сплав компонентов (хром, никель, вольфрам), вызывающих пассивирование металла.

Легирование широко применяется для защиты от газовой коррозии. Введение  некоторых добавок к сталям (титана, меди, хрома, никеля) приводит к образованию при коррозии плотных продуктов реакции, которые предохраняют сплав от дальнейшей коррозии.

На железнодорожном транспорте широкое применение находят низколегированные стали, которые применяются при изготовлении стрелок,  железнодорожных рельсов, прокатных и кованных заготовок предназначенных для производства осей локомотивов, электропоездов, вагонов железных дорог и метрополитена, а также для изготовления накладок, применяемых для стыковки соединений рельсов  дорог широкой колеи.   

3.2.Защитные покрытия

Слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений для предохранения их от коррозии, называются защитными покрытиями. Покрытия, защищающие основной металл изделия, должны быть сплошными, плотными, иметь одинаковую толщину на разных участках, прочное сцепление с поверхностью и коэффициент теплового расширения примерно такой же, как у основного металла.

Защитные покрытия бывают металлические и неметаллические.

Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, хром), так и сплавы (бронза, латунь и др.).

По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные.

К катодным покрытиям относятся покрытия, потенциалы металлов которых в данной среде имеют более  положительное значение, чем потенциал основного металла. Примером металлов катодных покрытий на стали могут быть олово, медь, никель, серебро и др. При повреждении покрытия (или наличии пор) основной металл приходит в соприкосновение с агрессивной средой, возникает коррозионный (гальванический) элемент – начинается электрохимическая коррозия. Основной металл в зоне повреждения служит анодом и растворяется, а металл покрытия катодом , на котором выделяется водород или поглощается кислород. Следовательно, катодные покрытия могут  защищать металл от коррозии лишь при отсутствии пор и повреждений покрытия.

К анодным покрытиям относят покрытия, потенциалы металлов которых  имеют более  отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия на стали может служить цинк, на меди – олово (лужёная медь). В этом случае, при нарушении целостности покрытия, основной металл будет катодом  коррозионного (гальванического) элемента, и подвергаться коррозии не будет, разрушаться будет металл покрытия.

Неметаллические защитные покрытия могут быть как органическими, так и неорганическими. В качестве неорганических покрытий применяют неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома,  фосфора и т.д.

Эмалированию подвергаются чёрные и цветные металлы, которые используют при производстве аппаратуры в фармацевтической , химической, пищевой отраслях  промышленности, при производстве изделий домашнего обихода. Неорганические эмали по своим физическим свойствам и химическому составу являются нерастворимыми силикатами типа стекла. Основной составной частью эмалей является оксид кремния SiO2. Основным недостатком таких покрытий является хрупкость и растрескивание при тепловых воздействиях и механических ударах.

К органическим защитным покрытиям относят  лакокрасочные покрытия, покрытие полимерными плёнками, резиной, пастами,  смазками, пластмассами. Наиболее широко используются лакокрасочные покрытия. Так для защиты цистерн под продукты питания и напитки используются виниловые плёнки, а для цистерн для щелочных сред, кислых газов, масел и жиров – неопреновые плёнки.

Лакокрасочное покрытие – это покрытие из высокомолекулярных соединений, растворённых в летучем растворителе. После его испарения на металле остаётся полимерный слой, не пропускающий окислитель и обладающий электроизоляционными свойствами. Такие защитные покрытия применяются для окраски мотор-вагонного подвижного состава: локомотивов, тепловозов, пассажирских и грузовых вагонов, электропоездов и вагонов метрополитена, цистерн для транспортировки нефтепродуктов и сжиженных газов, вагонов хопперов для перевозки минеральных удобрений и зерна.

Нанесение полимеров неметалл создаёт защитные слои от особо коррозионных защитных веществ. Используются полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, эпоксидные соединения, фторопласт и полиамиды.

Защита от коррозии резиной и эбонитом  называется гуммированием.  Нанесение покрытий на химическую аппаратуру, трубопроводы и цистерны для перевозки химических грузов производится путём облицовки поверхностей этих изделий невулканизированной  резиновой смесью.

Защитные пасты и смазки создают на поверхности изделия тонкий защитный слой, препятствующий проникновению агрессивной среды к поверхности металла. Жидкие смазки получают на основе  минеральных масел с добавками (парафина, мыла, жирных кислот). Защитные пасты получают из суспензий минерального воска (церезина), парафина  или каучука в уайтспирте и наносят на изделия распылением.

3.3.Электрохимическая защита

Этот метод защиты основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции протектора, т.е металла с более отрицательным значением электродного потенциала (протекторная защита), а также катодной (катодная защита) или анодной (анодная защита) поляризацией за счёт извне приложенного тока. Электрохимическая защита наиболее  применима в коррозионных средах с хорошей ионной электрической проводимостью.

На протекторной защите к изделию подсоединяют металл или сплав, потенциал которого значительно отрицательнее потенциала металла изделия. Такие металлы или сплавы называются протекторами.  Металл или сплав выбранный  в качестве протектора должен иметь возможно более отрицательный потенциал по сравнению с защищаемым металлом или низкую скорость собственной коррозии. В качестве материала протектора используют сплавы алюминия, магния и цинка. Прикреплённый к защищаемой конструкции металл (протектор) служит анодом и разрушается в агрессивной среде. Защищая тем самым металл конструкции  с более электроположительным потенциалом.

Протекторы обычно изготавливают в виде цилиндров, соединенных проводником с с защищаемой конструкцией. При защите в грунте протектор устанавливают в заполнитель состава: 25% сульфата кальция, 25% сульфата натрия, 50% глина. Этот заполнитель препятствует образованию защитной оксидной плёнки на поверхности протектора, снижающей его эффективность.

Срок службы протектора зависит от его массы, электропроводности среды, конструкции и других факторов. Например, анод весом около 10 кг может служить около 10 лет. Это достаточно большой срок для оправдания расходов, связанных с применением протекторной защиты. В любом случае протектор нужно периодически заменять.

Катодная электрохимическая защита применяется для предохранения металлических изделий, находящихся в  почве. Она осуществляется присоединением металлоконструкций к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, в результате само сооружение становится катодом. В качестве  анода применяют любой металлический лом (рельсы, старые трубы), который подключают к положительному полюсу источника тока. Металлический лом корродирует и предохраняет от коррозии защищаемое сооружение. Радиус действия катодной защиты составляет около 2км.

Анодная электрохимическая защита применяется к металлам и сплавам, способным легко пассивироваться  при смещении  их потенциала в положительную сторону (никель, хром, титан и др.). Она  осуществляется присоединением защищаемой металлоконструкции к положительному полюсу источника постоянного тока, в результате чего защищаемый металл становится анодом и растворяется, образуя пассивную плёнку оксида, например:

2Сr + 2H2O – 6e       Cr2O3 + 6H+

Катодом чаще всего является электрод, изготовленный из платины или биметаллов вида Pt –M, где М – металл или сплав (никель, бронза, латунь). Анодная защита эффективна в искусственных средах – растворах щелочей, кислот, окислительных солей. Благодаря анодной защите можно использовать металлы вместо неметаллических материалов, например, керамических. Анодную защиту часто применяют для защиты от коррозии нержавеющей стали при контакте с серной кислотой.

В целях борьбы с коррозией блуждающими токами:

• Уменьшают токи (поддерживают в хорошем состоянии электрические контакты между рельсами, увеличивают сопротивление между рельсами и почвой);
• Проводят дренаж – соединяют металлическим проводником с низким сопротивлением участок трубы с рельсами в зоне А1 – К1: это прекращает коррозию;
• Используют катодную защиту;
• По возможности устраняют длительные расстояния ответвления токов (устанавливают генераторы поблизости от приемников электрического тока) или используют переменный ток.

3.4.Изменение свойств коррозионной среды

Для снижения агрессивности среды уменьшают концентрацию компонентов, опасных в коррозионном отношении. Например, в нейтральных средах коррозия протекает с поглощением кислорода. Его удаляют деаэрацией или восстанавливают с помощью соответствующих восстановителей (сульфиты, гидразины и др.). агрессивность среды может уменьшаться также при снижении концентрации ионов Н+ , т.е повышении Рh (подщелачивании). Для защиты от коррозии широко применяют ингибиторы.

Ингибитором называют вещество, при добавлении которого в небольших количествах в среду электролита, где находится металл, значительно уменьшается скорость коррозии металла, при этом не меняются свойства электролита. Ингибиторы применяют главным образом в системах, работающих с постоянным или мало обновляемым объёмом раствора, например, в некоторых химических аппаратах, системах охлаждения, парогенераторах. Они применяются при транспортировке газа и нефти, для защиты от коррозии горюче-смазочными материалами.

По составу различают ингибиторы органические и неорганические .

По механизму своего действия на процесс электрохимической коррозии ингибиторы можно разделить на адсорбционные и пассивационные.

Адсорбционные ингибиторы уменьшают скорость коррозии за счёт снижения интенсивности процесса или сокращения площади коррозирующих участков. К таким ингибиторам относятся органические вещества. содержащие азот, фосфор, серу, кислород, кремний, например, диэтиламин, уротропин, формальдегид, пиридин и его производные.

Пассивационные ингибиторы вызывают образование на поверхности металла  защитных плёнок и пассивацию металла. К ним относятся неорганические окислители перекись водорода, нитрит натрия, дихромат натрия, и вещества, образующие с ионами  коррозирующего металла  малорастворимые соединения (полифосфаты, силикаты и карбонаты натрия, соединения кальция, магния и др.).

По характеру защитного действия ингибиторы делятся на катодные, анодные и смешанные.

К анодным ингибиторам относятся вещества, обладающие окислительными свойствами (хроматы, дихроматы, нитриты и др.). они образуют на анодной поверхности металла или сплава оксидные пленки и уменьшают скорость коррозии.

К катодным ингибиторам относятся вещества, способные тормозить отдельные  стадии катодного процесса, а также сокращать площадь катодных участков.

Смешанные ингибиторы замедляют оба электродных процесса.

Применение различных ингибиторов снижает скорость коррозии в десятки, а иногда и в сотни раз.

Рациональное конструирование изделий должно исключать наличие или сокращать число и размеры особо опасных,  с точки зрения коррозии, участков в изделиях или конструкциях (сварных швов, узких щелей, контакторов разнородных  по электродным потенциалам металлов), а также предусматривать специальную защиту металла этих участков от коррозии.         

Глава 4. Экспериментальная часть (Лабораторные исследования коррозии металлов)

4.1. Исследование влияния кислорода на процесс коррозии

Цель: исследовать влияние кислорода на коррозионные процессы. 

Оборудование: пробирки, вода водопроводная, вода кипячёная, железные гвозди.

Ход опыта:

В   две пробирки   налили водопроводную и кипячёную воду, поместили в каждую пробирку по гвоздю. Оставили гвозди в растворах.

Выводы и результаты:

В пробирке с кипяченой водой гвоздь покрылся налетом ржавчины, но толщина слоя по сравнению со слоем ржавчины на гвозде  в водопроводной воде  – минимальная. Железо почти не прокорродировало. То есть, в кипяченой воде скорость коррозии самая малая из-за отсутствия, растворенного в воде кислорода, т.к в результате кипячения происходит деаэрация.

Рис.2. Коррозия в водопроводной воде (пробирка 1) и кипячёной воде (пробирка 2)

4.2. Исследование  влияния среды раствора на процесс коррозии

Цель: исследовать влияние среды раствора   на коррозию  железа. 

Оборудование:  пробирки,  растворы соляной кислоты, поваренной соли, гидроксида калия, лакмусовая бумага.

Ход опыта:

В   пробирку под номерами 1-3  налили соответствующий реактив, с помощью лакмусовой бумаги определили реакцию среды и поместили в каждую пробирку по гвоздю. Оставили гвозди в растворах.

Выводы и результаты:

Коррозия практически отсутствует в растворе гидроксида натрия (пробирка 1),  так как на железе образуются нерастворимые гидроксиды. Щелочь замедляет коррозию, ионы ОН– являются ингибиторами коррозии.  

В  пробирках  с растворами соляной кислоты и поваренной соли наблюдается интенсивное разрушение гвоздя (пробирка 2,3).

Рис.3. Влияние условий окружающей среды на коррозию

Наиболее интенсивно коррозия протекает  в  растворе  поваренной соли и серной кислоты (пробирка 4).

Т.о. наиболее интенсивно коррозия протекает в кислой среде и солёной воде.

    4.3. Исследование действия ингибитора

Цель: исследовать действие ингибитора на процесс коррозии

Оборудование: пробирки, серная кислота, бихромат калия, железные гвозди.

Ход работы:

В пробирку поместили кусочек оцинкованного железа и налили раствор серной кислоты. Произошла химическая коррозия, т.к началось   выделение водорода.  Добавили к раствору бихромата калия.

Выводы и результаты:

После добавления бихромата калия, выделение водорода прекратилось. Реакция замедлилась. Бихромат калия – ингибитор коррозии.  (Присадки на хроматной базе используются  для защиты внутренних поверхностей системы охлаждения ДВС).

4.4. Исследование коррозионных  процессов  на границе  металлов

Цель: Оборудование: пробирки, гвозди, алюминиевая и медная проволока.

Ход работы:

В две пробирки с водой   поместили  железные  гвозди, в первой пробирке к железному гвоздю  прикрутили  медную проволоку, а во второй  алюминиевую.

Выводы и результаты:

В пробирке  №1  (вода, железо, медь) железо подверглось коррозии, т.к она стоит в электрохимическом ряду металлов левее меди, то есть является более активным металлом. В местах соприкосновения двух металлов образовался  гальванический элемент.  Железо  играет  роль анода, а медь  роль катода.

В пробирке №2  (железо, вода, алюминий) коррозии подвергся алюминий, т.к  алюминий более активный металл чем железо. В местах соприкосновения двух металлов образовался  гальванический элемент. Алюминий  играет  роль анода, а железо роль катода.

4.5. Исследование эффективности  защиты от коррозии некоторых металлических покрытий

Цель: исследовать эффективность защитных покрытий из цинка и олова.

Оборудование: раствор серной кислоты,  раствор красной кровяной  соли, две пробирки, оцинкованная железная пластинка, белая жесть.

Ход опыта:

В две пробирки налили  (1/2 объема) раствора серной кислоты  и добавили  в каждую пробирку  по 2-4 капли раствора красной кровяной соли K3[Fe(CN)6]. Взяли  пластины оцинкованного и луженого железа (жести), и раздельно поместили в пробирки.

Выводы и результаты:

В пробирке с лужёным (покрытым оловом)  железом (жестью)   наблюдается выделение пузырьков. В результате коррозии ионы Fе2+ переходят в раствор  и образуют труднорастворимое соединение Fе3[Fе(СN)6]2ярко-синего цвета ( турнбулева синь),  появляется синее окрашивание: 3Fе2++ 2[Fе(СN)6]3–→ Fе3[Fе(СN)6]2. 

В пробирке с оцинкованным железом, образования турбуленовой сини не происходит. Железо не корродирует, так как в результате электрохимической коррозии разрушается цинковое покрытие (железо – катод, цинк – анод).

При электрохимической коррозии разрушается более активный металл, это учитывается при протекторном способе защиты от коррозии.

Заключение

Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Их

широкое внедрение в промышленное строительство и транспорт произошло на рубеже XVIII–XIX. В это время появился первый чугунный мост, спущено наводу первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Начало практического использования человеком железа относят к IX веку до нашей эры. Именно в этот период человечество перешло из бронзового века в век железный.

В XXI веке высокие темпы развития промышленности, интенсификация

производственных процессов, повышение основных технологических

параметров (температура, давление, концентрация реагирующих средств и др.) предъявляют высокие требования к надежной эксплуатации технологического оборудования и строительных конструкций. Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и применению в связи с этим высококачественных химически стойких материалов. Необходимость осуществления мероприятий по защите от коррозии диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10% ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих металлических конструкций, т.к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло- и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества

Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства.

В ходе выполнения исследования было выявлено, что коррозия – это физико-химический процесс, интенсивно протекающий в кислой среде и солёной воде, поэтому и защита же от коррозии металлов – проблема химии в чистом виде. К наиболее действенным физико-химическим способам борьбы с коррозией можно отнести деаэрацию, протекторную защиту и использование ингибиторов.

Литература

1. Герасименко А.А., Александров Я.И., Андреев И.Н. и др. Защита от коррозии, старения, и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник. В 2 Т. М.: Машиностроение, 1987.Т.2. 784 С.
2. Лазуткина, О. Р. Химическое сопротивление и защита от коррозии : учебное пособие / О. Р. Ла- зуткина. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 140 с. ISBN 978-5-7996-1157-6
3. Костров В.Б. Анализ фактического срока службы полувагонов// Вестник ВНИИ ж.-д. транспорта. 1983.№2.С.33-35.
4. Никитина Е.И., Паули И.А. Коррозия и защита металлов: метод.указ. к лабораторно-практическим занятиям и самостоятельной работе по химии. – Новосибирск. Изд-во СГУПСа, 2007.