ВАР 12. Задание 12. Влияние внутренних и внешних факторов на электрохимическую коррозию металлов Задание 42
 Скачать 61 Kb.
|
|
Содержание Задание № 12. Влияние внутренних и внешних факторов на электрохимическую коррозию металлов………………………………………………………3 Задание № 42. Механизм коррозии и коррозионное разрушение узлов агрегатов автомобилей……………………………………………………………………………………..6 Задание № 72. При коррозии железа, покрытого кадмием, в кислой среде работает гальванический элемент  Рассчитайте ЭДС этого коррозионного гальванического элемента. Напишите анодный и катодный процессы. Какой металл будет корродировать? Почему?....................8 Задание № 102. Для того чтобы оцинковать железную деталь, надо затратить цинк массой 327 г. Найдите минимальную массу сульфата цинка, который должен содержать раствор, используемый для электролиза, если выход по току составляет 60 %.................................................................................................................................................9 Задание № 12. Влияние внутренних и внешних факторов на электрохимическую коррозию металлов. При соприкосновении металла с электролитом на поверхности металла возникает большое количество коррозионных элементов, природа которых аналогична природе гальванических элементов. Гальванические элементы возникают из-за разности электрических потенциалов отдельных участков поверхности металла, погруженного в электролит. Разность потенциалов обусловлена внутренними и внешними факторами. К внутренним факторам относятся природа металла, его кристаллическое строение, наличие внутренних напряжений, характер обработки поверхности и др. Внешние факторы связаны с природой электролита, с его концентрацией, температурой и скоростью движения, легкостью доступа воздуха и другими обстоятельствами. Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Скорость электрохимической коррозии металлов и особенности протекания процессов во многом зависят не только от внешних, но и от внутренних факторов. К внутренним факторам электрохимической коррозии металлов относятся строение, структура, состав и другие характеристики, описывающие сам металл. 1) Состояние поверхности металла Большое влияние на скорость и характер процесса электрохимической коррозии оказывает состояние поверхности металла. Качественная обработка поверхности (тонкая шлифовка, полировка) повышают коррозионную стойкость металла, особенно в атмосферных условиях. На поверхности хорошо отполированного металла не скапливается влага, различные загрязнения. При контакте с агрессивной средой образуется более равномерная и сплошная защитная пленка. Грубая обработка металлической поверхности способствует скоплению на ней влаги, образованию оксидных и других пленок, неравномерно ее покрывающих. Кроме того, за счет наклепа увеличивается поверхностная энергия и истинная поверхность металла. Наибольшей коррозионной активностью отличается только что обработанная поверхность металла, поэтому для ее защиты применяют пассивирование, нанесение смазок и другие методы. 2) Термодинамическая устойчивость металла Термодинамически устойчивый в определенной коррозионной среде металл не подвергается разрушению в данных условиях. При помощи сравнения обратимых потенциалов катодного и анодного процессов или же знака изменения изобарно-изотермического потенциала процесса можно определить, возможно ли самопроизвольное разрушение металла. Большое влияние на термодинамическую устойчивость металла оказывают условия коррозионной среды. Большинство металлов не отличаются термодинамической устойчивостью в атмосфере или водных средах. Например, алюминий, титан, магний на воздухе и в многих других коррозионных средах термодинамически неустойчивы, но не корродируют из-за образования на их поверхности пассивных пленок. 3) Кристаллографический фактор На коррозионную стойкость металла влияет также его кристаллическая структура и распределение атомов в решетке. Металл с плотноупакованной решеткой отличается зачастую повышенной коррозионной стойкостью. Происходит повышение энергии активации, ионизации металла и снижение поверхностной энергии. При возникновении на поверхности металла защитной пленки плотность немалое значение играет соответствие кристаллической структуры пленки и поверхностного слоя металла. Если несоответствие достаточно большое, то в пленке возникают напряжения, которые ее разрушают. При контакте с коррозионной средой сначала идет разрушение неукомплектованных слоев, атомов кристаллической решетки металла. Кроме того в первую очередь также растворяются поверхностные дефекты кристаллографической решетки. 4) Гетерогенность сплавов и величина зерна Влияет на коррозионную стойкость сплавов и их гетерогенность, т.е. разнородность структуры. Анодные включения, в зависимости от их распределения в сплаве, могут сильно усилить скорость коррозии металла. Катодные включения, в зависимости от характера контроля коррозионного процесса, могут почти не влиять на скорость коррозии, увеличивать либо уменьшать ее. Таким образом, гетерогенность сплава может оказывать на процесс электрохимической коррозии разнообразное влияние. Величина зерна на скорость электрохимической коррозии влияет мало, только в некоторых случаях, когда существует вероятность межкристаллитной коррозии. 5) Механический фактор Распространенными условиями эксплуатации металлоконструкций являются одновременное воздействие на металл механических напряжений и коррозионной среды. Напряжения могут быть внешние (нагрузки приложенные извне) и внутренние (результат деформаций и др.), постоянные и переменные, кавитационные воздействия либо истирающие. Механический фактор на скорость электрохимической коррозии влияет очень сильно, т.к. под воздействием напряжений разрушаются защитные оксидные пленки, происходят различные фазовые превращения, снижается термодинамическая устойчивость металла, усиливается электрохимическая гетерогенность металла. Внешние факторы электрохимической коррозии На процесс электрохимической коррозии оказывают огромное влияние как внутренние, так и внешние факторы. 1) Влияние температуры на электрохимическую коррозию Температура оказывает значительное влияние на ход процесса электрохимической коррозии, т.к. изменяет растворимость вторичных продуктов коррозии, деполяризатора, влияет на скорость диффузии, степень анодной пассивности, перенапряжение процессов на электродах и др. Если процесс электрохимической коррозии протекает в нейтральных растворах (с кислородной деполяризацией), то повышение температуры электролита ускоряет диффузию окисляющего компонента среды (кислорода) к металлу, но уменьшает его растворимость в растворе, снижает перенапряжение ионизации кислорода. При электрохимической коррозии металла в неокисляющихся кислотах (их растворах), которая протекает с водородной деполяризацией, за счет увеличения температуры снижается перенапряжение водорода. Если на поверхности металла присутствует защитная пленка, то изменение ее свойств может изменить влияние температуры на скорость электрохимической коррозии. Изменение температуры по-разному влияет на процессы, протекающие на катоде и аноде, и может привести к изменению полярности электродов. Разная температура на отдельных участках металлической конструкции может привести к возникновению коррозионных термогальванических пар, т.е. одна часть конструкции будет корродировать с повышенной скоростью. 2) рН раствора рН показывает активность в растворе водородных ионов и оказывает сильное влияние на скорость электрохимической коррозии, изменяя потенциал катодных деполяризационных процессов (тех, в которых участвуют водородные ионы). Кроме того показатель рН электролита влияет на возможность образования окисных пленок, перенапряжение реакций на электродах. 3) Влияние скорости движения раствора на скорость электрохимической коррозии Влияние скорости движения раствора на скорость электрохимической коррозии имеет сложный характер и особенно сильно это влияние проявляется в нейтральных электролитах, где процесс разрушения металла проходит с кислородной деполяризацией. При перемешивании электролита диффузия кислорода к поверхности металла облегчается и довольно часто меняется характер процесса. Если электрохимическая коррозия протекает в кислых средах, то скорость движения электролита на характер коррозионного процесса особо сильного влияния не оказывает. Задание № 42. Механизм коррозии и коррозионное разрушение узлов агрегатов автомобилей. Фреттинг-коррозия – коррозионное разрушение на границе раздела двух тел, контактирующих друг с другом. Эти поверхности, находясь под воздействием коррозионной среды, двигаются (скользят) относительно друг друга. Фреттинг-коррозия – коррозия при трении. Чаще всего скольжение имеет колебательный характер, а объекты испытывают дополнительную достаточно большую нагрузку. Фреттинг-коррозия может наблюдаться при контакте двух металлических материалов, либо же металла и неметалла (резины, пластмассы, которые могут служить прокладочным материалом). Этому виду коррозии подвергаются: прижатые друг другу детали, на которые воздействуют колебательные, вращательные, вибрационные напряжения. К ним можно отнести болтовые, шпоночные, заклепочные, шлицевые соединения, контактирующие части подшипников, металлический канат, соприкасающиеся движущиеся валы и многое другое. Фреттинг – механический износ металла при движениях небольшой амплитуды. Совмещение механического износа и воздействия коррозионно активной среды и дает нам фреттинг-коррозию. Под воздействием окружающей коррозионной среды на поверхности металла образуется оксидная пленка (продукты коррозии). При трении эта пленка механически разрушается. Так как при фреттинг-коррозии взаимодействующие поверхности не разъединяются, то разрушенные продукты коррозии так и остаются между ними (в некоторых случаях вытесняются), в дальнейшем материалы истираются быстрее, а фреттинг-коррозия протекает интенсивнее. Разрушение защитной пленки может быть причиной дальнейшего протекания коррозии, обусловленной работой концентрационного элемента, или же вызвать контактную коррозию. Превращение поверхности металла в оксид приводит к неисправностям, забиванию системы продуктами коррозии, заеданию и сбоя работы механизма. При протекании фреттинг-коррозии поверхность металла обесцвечивается, а при воздействии колебательных напряжений на ней образуются язвы, в которых в дальнейшем зарождаются усталостные трещины. Скорость фреттинг-коррозии зависит от природы используемых металлов (материалов), температуры, состава коррозионной среды и действующих нагрузок. Во время трения происходит нагрев металла, что дополнительно усиливает фреттинг-коррозию, особенно в условиях отсутствия на поверхности смазки. Фреттинг-коррозия протекает не по электрохимическому механизму. Важнейшим фактором является приложенная нагрузка, в результате которой происходит усиленное образование точек коррозии на контактирующих поверхностях. При колебательном скольжении (трении) образовавшиеся окислы не могут быть удалены с контактирующей поверхности. Это приводит к увеличению напряжения между контактирующими деталями и фреттинг-коррозия в местах скопления окислов проходит намного интенсивнее. Защита изделий от фреттинг-коррозии - правильный подбор материалов. Целесообразно для предотвращения возникновения фреттинг-коррозии сочетать мягкие металлы с твердыми. Доказано, что при скольжении стальной поверхности о стальную разрушение намного больше, чем скольжении стали о сталь, покрытую свинцом. Даже при больших нагрузках мягкий металл предотвращает контакт с окружающей средой. Разрушение также уменьшается из-за того, что более мягкий металл может при срезе «течь», а не тереться. Для контакта со стальной поверхностью рекомендовано использовать сталь, покрытую оловом, индием, кадмием, свинцом, серебром. Применение смазок для предотвращения фреттинг-коррозии - эффективный метод, часто используемый в условиях небольших нагрузок. Поверхность предварительно подвергают фосфатированию. Полученную пористую пленку обрабатывают смазкой низкой вязкости, которая проникает глубоко в поры и благодаря этому достаточно долго остается на изделии. Недостатком этого метода можно считать то, что это все-таки временная защита, смазка рано или поздно удаляется в результате скольжения. Проектирование контактирующих поверхностей с устранением скольжения. Эффективно, но достигнуть достаточно тяжело. Применение специальных покрытий. Для предотвращения контакта поверхности раздела с воздухом. Применение материалов с низким коэффициентом трения и прокладок. Такие материалы используют только при маленьких нагрузках в связи с их небольшой прочностью. Резина, например, амортизирует колебания и предотвращает скольжение. Применение кобальтовых сплавов дает положительный эффект только в присутствии воды. Задание № 72. При коррозии железа, покрытого кадмием, в кислой среде работает гальванический элемент Рассчитайте ЭДС этого коррозионного гальванического элемента. Напишите анодный и катодный процессы. Какой металл будет корродировать? Почему? Решение: Запишем электродные процессы: На аноде: Fe0 – 2e → Fe2+ (окисление, восстановитель) На катоде (Cd): 2H+ + 2e → H20 (восстановление, окислитель) Уравнение электрохимической коррозии: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 Корродировать (разрушаться в результате коррозии) будет металл анода, в нашем случае железо, металл катода – кадмий – сохраниться. ЭДС равна разности потенциалов окислителя и восстановителя  или разности потенциалов катода и анода  .φ(Fe2+ / Fe0) = -0.44B φ(2H+ / H20) = 0B Eэ = φ(2H+ / H20) - φ(Fe2+ / Fe0) = 0 – (-0,44) = 0,44В Ответ: Еэ = 0,44В Задание № 102. Для того чтобы оцинковать железную деталь, надо затратить цинк массой 327 г. Найдите минимальную массу сульфата цинка, который должен содержать раствор, используемый для электролиза, если выход по току составляет 60 %. Дано: mпр (Zn) = 327г η% = 60% M(Zn) = 65 г/моль M(ZnSO4) = 160 г/моль Найти: m(ZnSO4) - ? Решение: Вычислим теоретическую массу цинка, которая необходима для электролиза:  mтеор = (mпр ∙ 100%) / η% = (327 ∙ 100%) / 60% = 545г Решим задачу с помощью схемы реакции электролиза: ZnSO4 → Zn 1моль 1моль Тогда nтеор (Zn) = n (ZnSO4) = mтеор(Zn) / M(Zn) = 545г / 64 г/моль = 8,4 моль m(ZnSO4) = n(ZnSO4) ∙ M(ZnSO4) = 8.4 моль ∙ 160 г/моль = 1344г Ответ: m(ZnSO4) = 1344г |