Přednášky chemie_1 / 20_Metody ochrany kovů před korozí
Metody ochrany kovů před korozí ………………………………………………….2 Legování odolné proti korozi……………………………………………… …. 2 Úprava korozivních médií………………………………………………………. 3 Úprava roztoků elektrolytů……………………………………………… 3
Nekovové ochranné nátěry …………………………………..………12 Kovové ochranné nátěry………………………………………….…. 13
Způsoby ochrany kovů před korozí
K boji proti korozi se používá široká škála metod, které berou v úvahu vlastnosti nejen samotného kovu, ale také provozní podmínky kovového výrobku. Ve většině případů lze pro provoz v korozivním prostředí zvolit ten či onen konstrukční materiál. Pokud tuto volbu nelze provést, je nutné chránit kov před korozí. Volba jednoho nebo druhého způsobu ochrany je určena jeho účinností a ekonomickou proveditelností.
Všechna opatření používaná v praxi k ochraně kovů před korozí lze rozdělit do několika skupin:
1. Zvyšování korozní odolnosti kovů a slitin legováním.
2. Snížení agresivity korozního prostředí.
3. Ochrana elektrickým proudem (elektrochemická ochrana).
4. Aplikace ochranných nátěrů.
5. Kombinované způsoby ochrany a racionální návrh.
Mezi antikorozní opatření založená na zvýšení korozní odolnosti kovů patří tepelné zpracování a korozivzdorné legování. Tepelné zpracování, které zvyšuje korozní odolnost kovu, přispívá k homogenizaci struktury kovu, odstranění vnitřních pnutí, zamezení precipitace karbidů podél hranic zrn atd.
V mnoha případech je vysoké korozní odolnosti kovových konstrukcí dosaženo správnou volbou materiálů – kovů a slitin, které jsou v daném korozním prostředí stabilní.
Příkladem zvýšení korozní odolnosti kovu legováním jsou slitiny mědi a zlata (anodické legování). Pro spolehlivou ochranu mědi je nutné do ní přidat značné množství zlata (minimálně 52,2 at. %).
Zavedení chrómu v množství několika procent prudce zvyšuje odolnost ocelí proti korozi. Takové přísady (chrom, nikl, titan, molybden, měď, křemík, hliník, berylium atd.) ve většině případů snižují anodickou aktivitu slitiny v důsledku její pasivace v určitých korozních prostředích.
V některých případech je zvýšení korozní odolnosti dosaženo legováním katodickými přísadami, kdy snížení rychlosti koroze je dosaženo inhibicí katodového procesu.
Obvykle se legování provádí v případě, kdy kov konstrukce neumožňuje použití jiných způsobů ochrany.
Úprava korozního prostředí
Jedním z faktorů, které určují rychlost koroze a charakter korozní destrukce kovů, je složení korozního prostředí. Snížení agresivity prostředí jeho vhodnou úpravou je široce využíváno pro zamezení koroznímu poškození kovových konstrukcí.
Zpracování korozního prostředí za účelem snížení jeho korozivnosti vůči kovu je účelné pouze tehdy, je-li omezen jeho objem, kdy je to technologicky a ekonomicky odůvodněné.
Úprava roztoků elektrolytů
Rychlost elektrochemické koroze do značné míry závisí na obsahu depolarizátoru (vodíkových iontů nebo rozpuštěného kyslíku) v korozivním prostředí. Úprava korozního média za účelem snížení jeho agresivity se redukuje na snížení obsahu depolarizátoru v něm a zavedení kovových retardérů koroze (inhibitorů) do něj.
Snížení obsahu depolarizátoru je dosaženo neutralizací kyselých roztoků, které způsobují korozi s depolarizací vodíku, nebo odstraněním kyslíku z roztoku elektrolytu, který způsobuje korozi s depolarizací kyslíku.
Deoxygenace vody v uzavřených systémech se provádí tepelnými, chemickými nebo desorpčními metodami.
Termální – korozivní médium se zahřeje na určitou teplotu, při které dochází k odvzdušnění média díky odstranění kyslíku a oxidu uhličitého, což napomáhá snižovat rychlost koroze.
Desorpce – voda se mísí s inertním plynem (dusíkem). Při probublávání přechází kyslík do inertního plynu a následně dochází k oddělení kapalné a plynné fáze.
Při chemické metodě deoxygenace se do vody přidávají redukční činidla, která interagují s rozpuštěným kyslíkem a vážou jej na různé sloučeniny.
Jako redukční činidla se používají hydrogensiřičitan sodný, siřičitan sodný, hydrazin, karbohydrazid, thiosíran sodný, oxid siřičitý (SO 2 ) a další.
Na2S3 + O2 u2d 2Na4SXNUMX
Inhibice atmosférické koroze železných i neželezných kovů vyžaduje použití chemických sloučenin, což má výrazný sklon k
povrchová adsorpce a schopnost vytvářet pevné a stabilní vazby s kovovým povrchem.
Inhibitory koroze představují nákladově nejefektivnější a zároveň extrémně výkonný nástroj pro boj proti škodám způsobeným atmosférickou korozí kovů a slitin.
Podle Fischera [1] se inhibitory koroze dělí do dvou kategorií:
1. Povrchové inhibitory. Povrchové inhibitory snižují rychlost fyzikálních, elektrochemických a/nebo chemických procesů elektrodových reakcí probíhajících přímo na rozhraní kov/elektrolyt.
2. Inhibitory povrchové vrstvy. Inhibitory vrstvy elektrolytu mohou snížit fyzikální a chemické procesy elektrodových reakcí,
proudí ve vrstvě elektrolytu přilehlé k rozhraní. Tato vrstva může být součástí dvojité vrstvy, Nernstovy difúzní vrstvy nebo Prandtlovy mezní vrstvy. Látky rozpuštěné nebo rozptýlené ve vrstvě elektrolytu způsobují inhibici ve vrstvě elektrolytu.
Dále, v závislosti na původu aktivních ochranných částic, Fischer rozděluje inhibitory na primární a sekundární:
1. Primární inhibitory. Látky, které jsou zpočátku přítomny ve vrstvě elektrolytu a chemicky se nemění.
2. Sekundární inhibice Způsobená látkami, které zpočátku nejsou přítomny v elektrolytu. Vznikají na rozhraní nebo v povrchové vrstvě elektrolytu chemickými nebo elektrochemickými procesy.
Inhibitory koroze se dělí v závislosti na podmínkách jejich použití na kapalné a parní nebo těkavé. Inhibitory v kapalné fázi se dělí na inhibitory koroze v neutrálním, alkalickém a kyselém prostředí.
Jako kyselé inhibitory koroze se používají téměř výhradně organické látky obsahující dusík, síru nebo kyslík ve formě amino, imino, thio skupin, dále ve formě karboxylových, karbonylových a některých dalších skupin. Podle nejběžnějšího názoru je působení kyselých inhibitorů koroze spojeno s jejich adsorpcí na rozhraní kov-kyselina. V důsledku adsorpce inhibitorů je pozorována inhibice katodických a anodových procesů, což snižuje rychlost koroze.
Vliv jednoho nebo druhého strukturálního faktoru molekuly inhibitoru je určen nábojem a povahou kovu, pH média, povahou adsorpce inhibitoru a vazbami vytvořenými během interakce kov-inhibitor.
Z výše uvedeného je patrné, že jedním z důležitých faktorů ve struktuře molekul organických inhibitorů obsahujících heteroatomy dusíku, kyslíku a síry, které určují jejich ochrannou schopnost při korozi železa, je interakce osamoceného páru elektronů. heteroatomu s neúplnými d-úrovněmi atomu železa.
Zavedení elektron-donorních substituentů do molekuly inhibitoru obvykle vede ke zvýšení ochranného účinku inhibitoru. Donorová funkce sloučeniny v chemické reakci je obvykle charakterizována energií vzniku jejich excitovaného stavu v důsledku přechodu nesdílených elektronů z nevazebných orbitalů na antivazebné p orbitaly.
Při zvažování ochranného účinku inhibitoru koroze spolu s elektronovou hustotou na heteroatomech je nutné vzít v úvahu strukturální faktory struktury molekuly inhibitoru. Struktura molekul inhibitoru může zvýšit ochranný účinek (tvorba chelátových struktur na povrchu kovu, zvětšit plochu pokrytou molekulou inhibitoru), nebo může snížit ochranný účinek inhibitoru (rozvětvení molekuly).
Adsorpce je však pouze nutnou podmínkou pro projevení inhibičního účinku organických látek, ale neurčuje plně skutečný účinek inhibitorů. Ten závisí i na mnoha dalších faktorech – elektrochemických vlastnostech průběhu daného korozního procesu, povaze katodické reakce, velikosti a charakteru přepětí vodíku (při korozi s depolarizací vodíku), případných chemických přeměnách inhibitoru při korozi atd.
Účinek většiny kyselých inhibitorů koroze se zvyšuje současným zaváděním přísad povrchově aktivních aniontů: halogenidů, sulfidů a thiokyanátů.
Jako inhibitory neutrálních roztoků se nejčastěji používají anorganické látky aniontového typu. Jejich inhibiční účinek je zřejmě spojen buď s oxidací povrchu kovu (dusitany, chromany), nebo s tvorbou filmu těžko rozpustné sloučeniny mezi kovem, daným aniontem a případně kyslíkem (fosfáty, polyfosfáty). .
Inhibice železa polyfosfáty vyžaduje přítomnost rozpuštěného kyslíku v korozivním prostředí (vodě). V nepřítomnosti rozpuštěného kyslíku, kdy je obsah polyfosforečnanu sodného v roztoku 60 mg/l, se koroze urychluje. V případě komplexů sloučenin obsahujících fosfor s dvojmocnými kationty (Zn, Ca, Mg) je ochranný účinek inhibitoru
Metody boje proti korozi kovů
Koroze kovu je porušením jeho struktury v důsledku chemických nebo elektrochemických reakcí. To může vést k destrukci dílů, konstrukcí, vést k selhání součástí vozidel, obráběcích strojů, dalších výrobních zařízení, nástrojů, potrubí a dalších kovových výrobků. Každý rok koroze zničí asi 13 milionů tun kovu.
K prevenci a zpomalení tohoto negativního procesu jsou vyžadována opatření protikorozní ochrany kovu. Podle NACE International se na to ve světě ročně utratí více než 2,5 bilionu amerických dolarů. Jak ukazuje praxe, kovové výrobky jednoduše nemohou sloužit bez zvláštních ochranných opatření po dlouhou dobu.
Příčiny koroze kovů
Hlavními “viníky” koroze jsou působení přírodních faktorů – voda a vysoká vlhkost, vysoká teplota, kyselé látky obsahující sírany a chloridy, polétavé částice různých látek, soli, průmyslová maziva.
Druhy koroze kovů
Podle toho, k jakým reakcím na rozhraní kovu s prostředím dochází, rozlišujeme tři hlavní typy koroze.
- Chemická látka se vyvíjí, když kov přijde do kontaktu se solemi nebo suchými plynnými sloučeninami. Názorným příkladem je kontakt spodní části karoserie se solí, kterou se v zimě sypou silnice v Rusku. Na strojních součástech se tvoří vrstva sodných a draselných solí, korodující ocel a jakýkoli jiný kov.
- Elektrochemická reakce nastává při kontaktu s vodou. Vyskytuje se častěji než jiné druhy.
- Biologická (biokoroze) spočívá v tom, že povrch kovu ničí mikroorganismy nebo radioaktivní záření.
Podle formy poškození může být koroze důlková, kdy se uvnitř kovu objevují úzké hluboké díry při zachování celistvosti povrchu. Častěji je pozorován u výrobků vyrobených ze slitin hliníku a nerezové oceli.
Druhým typem je stejnoměrná koroze, která se na povrchu kovu projevuje v podobě jednolité vrstvy usazenin. Třetí je štěrbinová, zachycuje oblasti s malými prohlubněmi, kde se hromadí vlhkost. Čtvrtý – interkrystalický, se vyvíjí v zrnité struktuře kovu, což vede k místnímu poškození. Rozlišuje se také korozní praskání, kdy se trhliny objevují v kovu působením agresivního prostředí v kombinaci s konstantním nebo periodickým vysokým zatížením.
Způsoby boje proti korozi
K ochraně kovů před korozí se dnes používají různé metody. Volba je určena provozními podmínkami kovových výrobků, včetně klimatu regionu, vlastností samotné kovové konstrukce, jakož i kompatibility antikorozní kompozice a zpracovávaného materiálu a dalších faktorů.
Všechny typy ochrany proti korozi kovů lze rozdělit do tří hlavních, jejichž cílem je změnit jeden z faktorů:
- vlastnosti samotného kovu;
- vlastnosti prostředí;
- povaha interakce kovového produktu a média na rozhraní kontaktu.
Změna vlastností kovu, aby se zabránilo korozi
Do této skupiny metod patří legování, povrchové a tepelné zpracování. První dva lze připsat chemickým metodám. Třetí – k technologickým metodám.
Legování zahrnuje zahrnutí chemických prvků do složení kovu v procesu jeho výroby, u kterých je nejméně pravděpodobné, že vstoupí do chemické reakce s kyslíkem. Tyto složky, aby se zvýšila chemická účinnost, jsou uspořádány v následujícím pořadí: chrom, měď, zinek, stříbro, hliník, platina.
Dalším způsobem je metalizace (galvanická metoda), kdy je povrch výrobku pokryt kovem, který je odolnější vůči kyslíku. Dodává se v jemně rozptýlené formě ve formě ionizovaného proudu. Patří mezi ně zinkování za studena a žárové zinkování.
K ochraně proti korozi lze použít i fosfátování nebo oxalace – povrchová úprava kovů fosfátovými solemi manganu a zinku, případně kyselinou šťavelovou.
Tepelné zpracování znamená zahřátí kovu na teplotu nad +900◦С. Zpravidla se používá v kombinaci s sycením povrchu obrobku chromem, dusíkem, hliníkem, křemíkem a dalšími prvky, které zvyšují odolnost kovu proti korozi.
Výše uvedené způsoby ochrany jsou klasifikovány jako aktivní. Patří sem i přeměna struktury dvojité elektrické vrstvy – anodizace. Kovový povrch je vystaven konstantnímu elektrickému poli se specifikovanými parametry napětí, které jsou voleny v souladu s vlastnostmi kovu. To zvyšuje jeho elektrodový potenciál a zvyšuje odolnost horní vrstvy proti korozi. Tato metoda se obvykle používá k vytvoření antikorozní ochrany hliníku.
Změna vlastností prostředí
Parametry prostředí obklopujícího kovový výrobek lze změnit jeho inhibicí, odkysličením, vysušením vzduchové směsi a eliminací agresivních látek – solí, kyselin a dalších.
Pokud je předmět malý, může se kolem něj vytvořit vakuum: ve vzduchu nezůstává prakticky žádný kyslík, respektive riziko koroze je minimalizováno.
Další metodou je vyplnění prostoru kolem kovové části nebo konstrukce inertním plynem (neon, xenon, argon). Tato metoda poskytuje vysoký účinek, ale její použití je poměrně obtížné: je nutné vybavit ochrannou komoru a také dostupnost speciálních ochranných obleků pro osoby, které obsluhují kovová zařízení. Obvykle se používá ve výzkumných laboratořích a experimentálních výrobních závodech, kde je vyžadováno udržování speciálního mikroklimatu.
Změna povahy interakce kovu s prostředím
Jedná se o antikorozní úpravu kovu, pro kterou se používá celá řada metod.
- Ochranné nátěry – laky a barvy, oleje, maziva a tak dále.
- Eliminace katodické polarizace ve formě ochrany proti korozi kontaktního typu, elektrické drenáže, odstranění bludných proudů a tak dále.
- Správný návrh kovových konstrukcí, ve kterých je vybrán kov nejodolnější vůči faktorům konkrétního prostředí, jsou eliminovány mezery, stagnující zóny, kontakt odlišných kovů atd.
K boji proti korozi kovů se široce používají nátěry barev a laků. Dnes se tato možnost používá obzvláště často. Používají se speciální organické povlaky, jejichž složky nereagují s kyslíkem, stejně jako kompozice s hliníkem. Bývalý blokuje přístup k O₂. Ty neumožňují korozní destrukci oceli v důsledku přítomnosti chemicky inertního prvku, hliníku, ve složení. Kromě toho se používají ochranné fólie a tekutý plast – relativně nové řešení.
Účinnost takové ochrany je ovlivněna kvalitou přípravy kovového povrchu pro nátěr, rovnoměrností jeho aplikace, tloušťkou a pevností vrstvy, vyloučením tvorby vzduchových dutin a dalšími faktory.
Tato metoda se vyznačuje snadnou implementací a nízkými finančními náklady. Účinek je však krátkodobý: v průběhu času dochází k mechanické destrukci povlaku. Je také důležité pochopit, že nátěry a fólie zabraňují vzniku koroze, ale nejsou schopny jí zabránit, což dává důvod nazývat tento způsob ochrany proti korozi pasivní. Rezavý kov můžete překrýt speciální barvou, která přemění rez a vytvoří antikorozní ochrannou vrstvu.
K neobvyklým metodám patří vysoce viskózní technologické mazivo z oxidů železa – oxidy dusíku Fe3O4. Teplota tvorby této látky je +250-500◦С. Dokážou ošetřit kov tak, aby nerezavěl. Fe3O4 vytváří na povrchu hustý film a neumožňuje pronikání kyslíku ke kovu, což zabraňuje rozvoji tribochemické koroze. Tato metoda se používá v hutních podnicích při procesu vysokorychlostního pěchování slitin a kovů obtížně deformovatelných typů.
Metody odstraňování koroze
Pokud se na kovu již objevila rez, dramaticky se zvyšuje riziko zničení dílů nebo konstrukcí. Je nutné odstranit korozi, k čemuž se navrhuje použít některou z metod.
- Tradiční možností je ruční mechanické čištění. Povrch výrobku je zpracován kovovým kartáčem, brusným papírem nebo brusným kotoučem. Můžete to udělat ručně nebo vrtačkou s příslušným nástavcem, případně úhlovou bruskou. Metoda vyžaduje hodně úsilí a spoustu času.
- Speciální chemické sloučeniny, které reagují s oxidem železa. Tato možnost je relevantní pro výrobky, jejichž tvar je složitý, povrch je zvlněný. Tuto metodu však nelze použít na výrobky s nekovovými součástmi. Kromě toho práce s takovými produkty vyžaduje zvláštní péči, protože mohou poškodit lidské zdraví.
- elektrochemická metoda. Kovový výrobek je ponořen do roztoku elektrolytu připojením ke zdroji elektrického proudu. Proud procházející elektrolytem a součástí způsobí oddělení vrstvy rzi od jejího povrchu. Tato možnost však není vhodná pro všechny kovové výrobky.
- Pískování a tryskání, ultrazvukové čištění kovu od oxidu železa a jeho odražení z povrchu.
- Suchý led (kryoblast) – čištění proudem granulí suchého ledu. Při dopadu na kov se částice ledu odpařují. Uvolňuje se oxid uhličitý: okamžitě expanduje, zachycuje a odstraňuje rez.
Investice do ochrany kovu před korozí vám umožní prodloužit životnost dílů a konstrukcí, a tím zvýšit frekvenci jejich výměny.
Kombinace několika metod poskytuje maximální účinek. Například pro konzervaci kovových prvků pod vodou se používá kombinace katodické ochrany a laku. Antikorozní ochrana vodicích trysek vrtule zahrnuje použití korozivzdorné oceli, elektrické oddělování rozdílných materiálů, katodickou ochranu a povlaky.
