Imię i nazwisko

Imię i nazwisko

Grupa

Ćwiczenie 12

Temat: Korozja

I. Część teoretyczna

Korozja jest to proces niszczenia tworzyw konstrukcyjnych pod wpływem chemicznej lub elektrochemiczne reakcji z środowiskiem. Niszczenie metali pod wpływem działalności czynników fizycznych nazywamy erozją lub zużyciem, a biorąc pod uwagę mechanizm niszczenia materiału, dzielimy na:

• korozję chemiczną - jest to proces niszczenia wywołany bezpośrednim działaniem chemicznym suchych gazów lub środowisk ciekłych, któremu nie towarzyszy powstawanie prądu elektrycznego

• korozję elektrochemiczną - zachodzącą wskutek przepływu prądu elektrycznego od jednej części metalowej do drugiej

Korozja żelaza związana jest z powstawaniem na powierzchni metalu wielu krótko zwartych ogniw galwanicznych, czyli obszarów różniących się w danej chwili potencjałem oksydacyjno - redukcyjnym. Do jej przebiegu wystarczy śladowa obecność wody, na przykład w postaci cienkiej błonki, obecności zawilgoconej organicznej cieczy (tzw. korozja potowa - wywołują ją ślady wilgoci pozostawionej przez spocone ręce) wilgotna gleba (może być uważana za jonowy przewodnik elektryczności) lub kropli wydzielonych z zawilgoconego powietrza. W tym przypadku korozja zachodzi poniżej tzw. temperatury rosy, woda w stanie pary nie wpływa bowiem na podwyższenie agresywności korozyjnej takich gazowych zanieczyszczeń powietrza, jak: HCl, SO₃, SO₂. Tak zwane depolaryzatory są to czynniki, najczęściej pewne substancje, które niwecząc samohamowanie przebiegu korozji podtrzymują jej dalszy przebieg. Bardzo aktywnym depolaryzatorem jest tlen, prawie zawsze rozpuszczony w niewielkich ilościach w wodzie.

Schemat procesu niszczenia stali(mechanizm korozji tlenowej):

{elektroda ujemna} Fe = Fe²⁺ + 2e^- (-)

{elektroda dodatnia}4e^- + O₂ + 2H₂O = 4OH^- (+)

W anodowym obszarze metalu zachodzi jego rozpuszczenie, natomiast w katodowym obszarze, w dostatecznie kwaśnych roztworach zachodzi depolaryzacja tlenową.

Reakcja jonów występujących obok siebie przebiega według schematu:

4Fe²⁺ + 8OH^- = 4Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃

4Fe(OH)₃ = 2Fe₂O₃ · H₂O + 4H₂O {wzór chemiczny rdzy przedstawiony równaniem}

Jakościowa metoda badań procesów korozji (metoda wskaźnikowa)

Metoda ta pozwala stwierdzić czy zachodzi proces korozji, poprzez stwierdzenie obecności jonów danego metalu w ośrodku korodującym po dodaniu odpowiedniej substancji. Dzięki tej metodzie możliwe jest także określenie położenia obszaru elektrody dodatniej i ujemnej (w pobliżu tych miejsc występują różne zabarwienia wskaźnika). Obszary te wykrywa się za pomocą wskaźnika ferroksylowego. I tak po pokryciu płytki żelaza w miejscu elektrody ujemnej tworzy się błękit Turnballa,

2K₃[Fe(CN)₆] + 3FeCl₂ = ↓Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 6KCl

a w miejscu elektrody dodatniej zabarwienie różowe (ze względu na zwiększone stężenie jonów OH-)

Ochrona przed korozją

Tradycyjnie metale dzieli się na szlachetne i nieszlachetne. Szlachetne odznaczają się znaczną odpornością korozyjną, zwłaszcza wobec wody oraz czynników atmosferycznych, mają także dodatnie (nieszlachetne ujemne) potencjały w odniesieniu do elektrody odorowej, której potencjał przyjęto umownie za równy zeru. W przeciwieństwie do nich metale nieszlachetne ulegają łatwo rdzewieniu. Bezpośrednią przyczyną tworzenia się korozji na metalu jest działanie krótko zwartych ogniw galwanicznych, które powstają na skutek różnicy potencjałów. Do pozostałych czynników zaliczamy: niejednorodność struktury metalu, uszkodzenia warstwy ochronnej (np. farby), różnica temperatur, stosowanie do budowy części różnych gatunków metali, oraz wszelkie obce wtrącenia do metalu jak: osady, spawy, naprężenia, zagęszczenia struktur, opiłki lub wióry. W praktyce jest niemożliwym zmniejszenie liczby czynników oraz intensywności ich działania. Jedyną rzeczą możliwą do wykonania jest zmniejszenie różnicy potencjałów. Zmniejszenie efektów korozyjnych uzyskuje się przez:

• stosowanie farb, smarów, lakierów itd. ochronnych

• proces pasywacji

• pokrywanie chromem i niklem powierzchni metalu (stal chromowo - niklowa)

• metoda anod galwanicznych i zewnętrznego źródła prądu.

Bardzo ważnym zagadnieniem jest właściwe zabezpieczenie maszyn i urządzeń przed korozją. Zewnętrzne powierzchnie są zabezpieczone przed korozją przez malowanie. Podczas użytkowania powierzchnie lakiernicze ulegają często uszkodzeniom, a miejsca te pokrywają się rdzą. Należy je dokładnie oczyścić ze śladów rdzy i pomalować. Powierzchnie współpracujące maszyn i urządzeń konserwuje się przez pokrycie ich olejem lub smarem konserwacyjnym. Powierzchnie części metalowych konserwuje się na czas dłuższego postoju maszyny, magazynowania i transportu.

Zjawisko hamowania korozji metali przez warstewki produktów tego procesu nosi nazwę pasywacji. Produkty korozji (np. odpowiednie tlenki) tworzą nierozpuszczalną w danym środowisku, szczelną i mocno przytwierdzoną do powierzchni metalu warstewkę.

Bardzo trwałe są warstewki tlenku chromowego i stąd właśnie pochodzi odporność zawierających dodatek chromu stali kwasoodpornych wobec kwasów utleniających. Należy jednak pamiętać, iż takie stale nie są odporne na działanie wszystkich kwasów (nie wytrzymują działania kwasów nie utleniających jak większość kwasów organicznych i kwas solny). Dlatego stosuje się także dodatek niklu, który powoduje pewną odporność stali na kwasy utleniające jak i nie utleniające. Najbardziej rozpowszechnioną stalą kwasoodporną jest stal o zawartości 18% chromu i 8% niklu.

Ochrona anodami galwanicznymi polega na łączeniu kadłuba z metalem, którego potencjał jest bardziej elektroujemny niż metalu (cynk, magnez, glin) tworzącego kadłub. Na właściwą ochronę ma również wpływ kształt anody. W okrętownictwie stosuje się anody w kształcie trapezowym. W optymalnych warunkach metoda galwaniczna powoduje zahamowanie procesów korozyjnych. Kryterium ochrony jest gęstość prądu i potencjał ochronny. O wiele lepszą metodą od ochrony anodami jest ochrona z zewnętrznym źródłem prądu. Prąd ochronny czerpany jest z sieci okrętowej i podawany do odizolowanych od kadłuba anod. W metodzie tej, mimo zmienności czynników, utrzymywany jest stały i kontrolowany potencjał ochronny części podwodnej kadłuba. Działania ochronne wymienionych metod ocenia się za pomocą dwóch wskaźników:

1. efektywności działania ochronnego (E_op) - stosuję się do metody protektorowej i z zewnętrznym źródłem prądu

V₀ - V₁

E_op = V₀ · 100%

gdzie:

V₀ - szybkość korozji próbki bez ochrony

V₁ - szybkość korozji próbki chronionej

2. skuteczność ochrony protektorowej (S_op) wyrażonej zależnością

V₀

S_op = V₁

gdzie:

V₀ - szybkość korozji próbki bez ochrony

V₁ - szybkość korozji próbki chronionej

3. skuteczność działania (S_i) inhibitorów (zjawisko pasywacji)

V₀ - V₂

Si = V₀ · 100%

gdzie:

V₀ - szybkość korozji bez inhibitora

V₂ - szybkość korozji w obecności inhibitora

II. Część doświadczalna

Doświadczenie 1

Przebieg doświadczenia:

Odtłuszczone benzenem i wysuszone płytki stalowe ważymy na wadze analitycznej. Następnie do 3 próbówek wlewamy po 25 cm3 kwasu siarkowego o następujących stężeniach: 10%, 5%, 3% i wkładamy do każdej próbówki po jednej płytce. Po upływie 1 godziny wyjmujemy płytki, opłukujemy wodą i benzenem, a następnie suszymy. Po wykonaniu tych czynności ponownie ważymy płytki na wadze analitycznej.

Opracowanie wyników:

L.p	Masa płytki przed włożeniem do kwasu siarkowego	Stężenie kwasu siarkowego	Masa płytki po wyjęciu z kwasu siarkowego	Ubytek masy
1	5,2773 g	10%	5,2745 g	0,0028 g
2	4,3959 g	5%	4,3929 g	0,003 g
3	6,6663 g	3%	6,6455 g	0,0208 g

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

Odporność korozyjna stali w kwasie o stężeniu 5% jest największa, natomiast najmniejsza w kwasie siarkowym o stężeniu 3%.

Korozja chemiczna - jest to proces niszczenia wywołany bezpośrednim działaniem chemicznym suchych gazów lub środowisk ciekłych, któremu nie towarzyszy powstawanie prądu elektrycznego

Środki zabezpieczające przed korodującym działaniem środowiska to farby i lakiery ochronne, proces pasywacji, dodawanie chromu i niklu do stali, metoda anod galwanicznych i zewnętrznego źródła prądu.

Doświadczenie 2

Przebieg doświadczenia:

Do 1/5 objętości próbówki wlewamy chlorek miedzi (II) i wrzucamy gwóźdź stalowy. Po 20 min kolor roztworu zmienił się z błękitnego na bezbarwny, a gwóźdź pokrył się rdzawym osadem.

Opracowanie wyników:

Fe + CuCl₂ = FeCl₂ + Cu

Zmiana barwy wynika z powyższej reakcji.

Ag + CuSO₄ = TA REAKCJA NIEZACHODZI

Cu + AgNO₃ = CuNO₃ + Ag↓

Sn + FeCl₂ = TA REAKCJA NIEZACHODZI

Mn + 2HCl = MnCl₂ + H₂↑

Cu + 2HCl = CuCl₂ + H₂↑

Doświadczenie 3

Przebieg doświadczenia:

Płytkę stalową czyścimy papierem ściernym i odtłuszczamy benzenem. Następnie umieszczamy dużą kroplę indykatora ferroksylowego. Po upływie 30 min na płytce pojawiły się plamy fioletowo - różowo - zielone, oraz ślady rdzy.

Opracowanie wyników:

Opisany powyżej proces jest jakościową metodą badań procesów korozji. Pozwala on określić czy zachodzi korozja, przez stwierdzenie obecności jonów danego metalu w ośrodku korodującym po dodaniu indykatora ferroksylowego, oraz gdzie znajduje się elektroda ujemna i elektroda dodatnia ogniwa. Rozpoznanie obszaru położenia elektrod jest możliwe dzięki zabarwieniu tych miejsc na kolor różowy - w obszarze elektrody ujemnej - i błękitnym - w obszarze elektrody dodatniej. Błękit Turnbulla powstaje według schematu:

2K₃[Fe(CN)₆] + 3FeCl₂ = ↓Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 6KCl

Ochrona anodami galwanicznymi polega na łączeniu kadłuba z metalem, którego potencjał jest bardziej elektroujemny niż metalu (cynk, magnez, glin) tworzącego kadłub. Na właściwą ochronę ma również wpływ kształt anody. W okrętownictwie stosuje się anody w kształcie trapezowym. W optymalnych warunkach metoda galwaniczna powoduje zahamowanie procesów korozyjnych. Kryterium ochrony jest gęstość prądu i potencjał ochronny. O wiele lepszą metodą od ochrony anodami jest ochrona z zewnętrznym źródłem prądu. Prąd ochronny czerpany jest z sieci okrętowej i podawany do odizolowanych od kadłuba anod. W metodzie tej, mimo zmienności czynników, utrzymywany jest stały i kontrolowany potencjał ochronny części podwodnej kadłuba.

Sposoby zapobiegania korozji:

• stosowanie farb, smarów, lakierów itd. ochronnych

• proces pasywacji

• pokrywanie chromem i niklem powierzchni metalu (stal chromowo - niklowa)

• metoda anod galwanicznych i zewnętrznego źródła prądu.

---