Ćwiczenie 3

Badanie odporności metali na działanie czynników chemicznych, analiza powierzchni.

Wprowadzenie teoretyczne

Niszczenie metali i ich stopów przez chemiczne i elektrochemiczne reakcje z otaczającym środowiskiem, wywołuje ogromne straty ekonomiczne. Proces ten ogólnie nazywany jest KOROZJĄ. W zależności od otaczającego środowiska oraz rodzaju materiału, może mieć on różny przebieg. Ochrona metali przed korozją stanowi poważny dział współczesnej techniki.

Rys.1 Typy korozji zachodzące na powierzchniach metalowych - schemat.

Korozja wywołana działaniem chemicznym ośrodka, tzw. korozja chemiczna, odznacza się brakiem przepływu prądu w metalu. Występuje ona na skutek kontaktu materiału (niekiedy długotrwałego) z ciekłymi nieelektrolitami, np. pochodnymi ropy naftowej zawierającymi siarkę, bezwodnymi alkoholami, kwasami, zasadami, suchymi gazami.

Korozja elektrochemiczna jest wynikiem zjawisk elektrycznych na granicy metalu z elektrolitem. Jest to najbardziej powszechny rodzaj korozji. Powstaje wskutek działania krótko zwartych ogniw na styku metalu z elektrolitem. Ogniwa te powstają w rezultacie niejednorodności chemicznej (lub fizycznej) metalu np. na styku różnych metali, bądź wskutek niejednorodności krystalicznej w strukturze metalu. Efekt korozyjny występuje w tym przypadku na anodzie, podczas gdy na katodzie nie ma strat materiałowych (Rys. 1).

Rys.1 Schemat przebiegu korozji elektrochemicznej (Zn - anoda, zanieczyszczenia - katoda)

Zjawisko to jest wykorzystywane do zabezpieczania przed procesami korozji statków i wież wiertnicznych, zachodzących w wodzie morskiej.

Stopy żelaza z węglem (stale, staliwa i żeliwa) odporne na korozję są materiałami wysokostopowymi, chromowymi lub chromowo-niklowymi, zawierającymi dodatkowo, zależnie od gatunku: molibden, aluminium, tytan, niob, azot, miedź i inne składniki. Stale chromowe, dzięki dużej zawartości chromu (11,5 - 19% wag. wg PN-71/H-86020), wykazują odporność na korozję w środowiskach utleniających, pozostają jednak nieodporne na działanie środowisk redukujących.

Drugim istotnym składnikiem, decydującym o strukturze i wynikającym z niej obszarze zastosowań tych stali, jest węgiel. W temperaturze otoczenia, w stanie równowagi, stale chromowe mają strukturę:

• ferrytyczną (miękką), jeśli zawartość węgle nie przekracza 0,1% lub

• ferrytyczną z twardymi fazami węglikowymi, jeżeli zawartość węgla > 0,1%.

W czasie nagrzewania, w stalach o zawartości węgla > 0,3% struktura ferrytyczna całkowicie przemienia się w austenit, dzięki czemu, stosując odpowiednio szybkie chłodzenie od temperatury austenityzowania można ją zahartować na martenzyt - tzw. stal martenzytyczna. Stale o pośredniej zawartości węgla, w czasie nagrzewania ulegają częściowej austenityzacji, a więc w wyniku hartowania mają strukturę pośrednią - tzw. stal martenzytyczno-ferrytyczna.

Wprowadzenie niklu do stali chromowych zwiększa ich odporność na korozję, a ponadto poprawia wytrzymałość i udarność materiału.

Niektóre stale chromowe i chromowo-niklowe dla zapewnienia większej odporności na korozję oraz poprawy właściwości mechanicznych, zawierają dodatkowe składniki stopowe, takie jak: molibden, krzem, aluminium, azot, miedź, tytan i niob.

Mo - zwiększa pasywność stali, jej odporność na działanie kwasów redukcyjnych i

środowisk zawierających chlor;

Cu - zwiększa odporność stali na działanie niektórych środowisk korozyjnych,

praktycznie nie wpływając na strukturę stali;

Si, Al. - zwiększają odporność na działanie tlenu, powietrza i gorących gazów utleniających.

Bardzo dobrą odpornością na korozję odznaczają się również żeliwa i stale stopowe. W Polsce znormalizowane są następujące rodzaje żeliw stopowych: niklowe, chromowe, molibdenowe, miedziowe, aluminiowe, tytanowe, wanadowe, antymonowe, krzemowe i manganowe. Dodatki stopowe, od których pochodzą nazwy tych materiałów, wykazują działanie antykorozyjne analogicznie jak dla stali.

Przy okazji omawiania zagadnienia odporności materiałów na korozję należałoby poruszyć problem ŻAROODPORNOŚCI metali. Terminem tym określa się odporność metali na korozyjne działanie gazów utleniających w wysokich temperaturach. Zjawisko to polega na tworzeniu się na powierzchni metalu zwartej, szczelnej, dobrze przylegającej do podłoża warstwy tlenków (zgorzeliny), chroniącej metal przed dalszym utlenieniem. Proces utleniania stali w wysokich temperaturach jest zjawiskiem złożonym i przebiega w dwóch fazach:

• w fazie pierwszej zachodzi utlenienie powierzchni metalu

• w fazie drugiej - odrdzeniowa dyfuzja jonów żelaza przez wielofazową warstwę tlenków.

Im bardziej skomplikowana jest budowa warstwy tlenkowej, tym bardziej utrudniona jest dyfuzja jonów żelaza w kierunku powierzchni granicznej zgorzelina-atmosfera i tym wolniej przebiega utlenianie stali.

Jako dodatki żaroodporne do stali stosuje się metale o większym powinowactwie do tlenu niż żelazo, takie jak chrom, krzem lub aluminium. Atomy tych pierwiastków dyfundują w wysokiej temperaturze do warstwy utlenionej i tam tworzą tlenki Cr₂O₃, SiO₂ i Al₂O₃, o złożonej budowie krystalicznej, utrudniające dyfuzję jonów żelaza. Stale żaroodporne znalazły zastosowanie między innymi, jako materiał konstrukcyjny zaworów wlotowych i wylotowych silników spalinowych. Skład chemiczny, graniczną temperaturę żaroodporności oraz przykłady zastosowania stali zaworowych podaje PN-71/H-86022.

Właściwości antykorozyjne przejawiają również niektóre z tak zwanych metali kolorowych oraz ich stopy:

1. Miedź

- miedź stopowa

- mosiądze (zawartość Zn > 2%)

- miedzionikle (Ni > 2%; dzielą się na dwuskładnikowe i wieloskładnikowe)

- brązy (Sn, Al, Si, Pb lub Mn > 2%)

2. Aluminium

- aluminium techniczne czyste (hutnicze bądź rafinowane)

- odlewnicze stopy aluminium, zawierające Si (tzw. siluminy), Cu, Mg lub Mn

- stopy aluminium do obróbki plastycznej (stopy z dodatkiem Mg+Mn lub zawierające Cu, Mg, Si i Zn); najstarszymi materiałami z tej grupy są tzw. durale (znale).

Mangan poprawia odporność na korozję i rozdrabnia ziarno, aluminium poprawia właściwości wytrzymałościowe i twardość, a w stopach odlewniczych polepsza lejność i zmniejsza skurcz odlewniczy. Cynk polepsza zarówno właściwości wytrzymałościowe jak i plastyczne.

3. Cyna i ołów

- stopy łożyskowe na osnowie cyny tzw. babbity cynowe (zawierające dodatkowo 7-13% Sb i 2,5-3,5% Cu - według PN-80/H87101)

Struktura tych stopów składa się z kryształów roztworu stałego antymonu lub innych pierwiastków składowych w cynie bądź ołowiu, tworzących miękką osnowę, oraz twardych kryształów fazy międzymetalicznej, np.: SnSb, Cu₃Sn, krzepnących w postaci igieł.

Część eksperymentalna

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie i porównanie odporności na korozję metali i stopów metali w wybranych mediach. Efekty działania wybranych kwasów i zasad na powierzchnię metali będą oceniane przy użyciu mikroskopu.

Przebieg ćwiczenia

Prowadzący przedstawi grupie wykonującej ćwiczenie zasady BHP obowiązujące przy pracy ze stężonymi kwasami i zasadami.

Przedmiotem badań będą krążki wykonane z aluminium, mosiądzu oraz dwóch rodzajów stali. Na ich powierzchnię należy nanieść bagietką szklaną małe krople odczynników (stężonego kwasu azotowego, siarkowego, solnego oraz stężonej zasady i słabego kwasu nieorganicznego). Należy zanotować dokładnie wszystkie poczynione obserwacje (zmiany barwy, ew. wydzielanie się gazu, itp.), tuż po postawieniu kropli oraz kilkanaście minut później.

Wykonanie sprawozdania

Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia powinno zawierać:

- stronę tytułową zawierającą: tytuł ćwiczenia, imiona i nazwiska osób wykonujących, datę

- cel ćwiczenia, krótki opis ćwiczenia z uwzględnieniem rodzaju materiałów i odczynników

- obserwacje: zmiany koloru, wydzielanie się gazów, itp.

- tam, gdzie zaszły wyraźne zmiany, należy zaproponować równanie reakcji, pomiędzy badanym materiałem a odczynnikiem

- wnioski dotyczące badanych materiałów, zawierające porównanie otrzymanych wyników z danymi literaturowymi.

---