84793 Scan011520104910

Rozdział 23

KOROZJA MATERIAŁÓW W <

WILGOTNYM

Wstęp

W poprzednich dwóch rozdziałach wykazaliśmy, że większość materia

łów, które są niestabilne w atmosferze tlenu, ma tendencję do utleniania się. Byliśmy zainteresowani głównie ubytkami materiału w wysokich temperaturach w środowisku suchym i stwierdziliśmy, że w tych warunkach utlenianie było zwykle uzależnione od dyfuzji jonów lub od przewodnictwa elektronów poprzez warstewkę tlenków wytworzoną na powierzchni materiału (rys. 23.1). Zwróciliśmy uwagę, że szybkość utleniania, z powodu aktywowanych cieplnie procesów dyfuzji i reakcji, jest znacznie większa w wysokich temperaturach aniżeli w niskich, jakkolwiek nawet w temperaturze pokojowej tworzą się bardzo cienkie warstewki tlenków na wszystkich niestabilnych metalach. Ten niewielki stopień utleniania jest ważny z wielu względów, tworząca się warstewka tlenków ochrania materiał, zapobiegając dalszemu atakowi korozyjnemu; powoduje zmatowienie powierzchni; utrudnia łączenie elementów; i (jak to zobaczymy w rozdz. 25 i 26) rozdziela ślizgające się po sobie powierzchnie, przez co wpływa na współczynnik tarcia. Jednakże ubytki materiału wskutek utleniania w temperaturze pokojowej w środowisku suchym są bardzo niewielkie.

Tlenek    Powietrze

.'    ' u /    /    /

^x / / / / / / '//////

Metal

Rys. 23.1. Utlenianie "suche”

W środowisku wilgotnym obraz ten zmienia się dramatycznie. Gdy zwykła stal miękka jest narażona na działanie tlenu i wody w temperaturze pokojo wej, szybko rdzewieje, a ubytek metalu wkrótce staje się znaczny. Czas życia większości konstrukcji, od rowerów do mostów, od wiaderek do okrętów wojennych, jest ograniczony przez korozję związaną z wilgocią. W Wielkiej Brytanii roczne koszty wymiany skorodowanych elementów i zabezpieczeń przed korozją (np. malowanie Forth Bridge) wynoszą ok. 2000 min GBP lub 4400 min USD.

Korozja w środowisku wilgotnym

Dlaczego woda ma tak znaczny wpływ na szybkość ubytku materiału? Jako przykład weźmy żelazo zanurzone w napowietrzonej wodzie (rys. 23.2).

Żelazo z oczyszczony powierzchnią

Katoda

(obszar katodowy)

• •

4e

Napowietrzona

•woda

0₂+2H₂0 +4e -^40H

/

/

'l ‘ ‘

, ,    * \ 2e

(obszar anodowy)- 2e

Anoda

Fe

Fe

+■ +-

Fe Fe^⁺

/

/

/

I

t    I

Fe (O H) 2'

/ tj. FeO H₂0

Rys. 23.2. Korozja w środowiskach wilgotnych

Atomy żelaza przechodzą do roztworu wodnego jako jony Fe ^ł, przy czym każdy atom pozostawia w metalu dwa elektrony (reakcja anodowa). Są one przewodzone przez metal do miejsca, gdzie zachodzi reakcja redukcji tlenu konsumująca elektrony (reakcja katodowa). W reakcji tej powstają jony OH , które łączą się z jonami Fe^{ł t}, tworząc uwodniony tlenek żelaza Fe(OH)₂ (w rzeczywistości FeOH₂0); ale zamiast tworzyć się na powierzchni, gdzie mógłby dawać pewną ochronę, tworzy się on często w postaci wydzieleń (żelu) w wodzie. Reakcja ta może być podsumowana następująco:

materiał + tlen —> (uwodniony) tlenek materiału

podobnie jak w przypadku utleniania "na sucho”.

A więc powstawanie i rozpuszczanie jonów Fe^+ł jest analogiczne do powstawania i dyfuzji jonów M^+t w warstewce tlenków w czasie utleniania w środowisku suchym; a tworzenie się jonów OH jest bardzo podobne do redukcji tlenu na powierzchni warstewki tlenków. Jednak znacznie szybszy atak korozyjny w środowisku wilgotnym zachodzi wskutek następujących czynników: