Общие сведения о коррозии металлов. Простые вещества - металлы. Заводские кузовные технологии
Урок химии в 9 классе
Тема урока: Коррозия металлов
Тип урока: урок освоения новых знаний, умений, способов действий
Цели урока: создать условия для достижения планируемых результатов:
Личностных: формирование культуры, в том числе и экологической; умения решать экологические проблемы, связанные с коррозией; развитие умения управлять своей познавательной деятельностью; развитие межличностных отношений.
Метапредметные: уметь определять учебные задачи, планировать и организовывать свою деятельность; работать в режиме ограниченного времени; поддерживать коммуникативные навыки при индивидуальной работе, в парах, коллективной работе; осуществлять межпредметный перенос знаний; осуществлять самоконтроль, взаимоконтроль, взаимопомощь; создать условия для развития умений анализировать, синтезировать, обобщать информацию; делать выводы.
Предметные: повторить химические свойства металлов; зависимость свойств металлов от местоположения металла в ряду напряжения; познакомиться с понятием «коррозия»; создать условия для освоения понятия «коррозия», классификации коррозионных процессов; познакомиться с условиями понижения коррозии металлов; способов защиты металлов от коррозии; развитие умений составлять уравнения реакций.
Задачи урока :
Проверка знаний обучающихся о химических свойствах металлов, и зависимости свойств металлов от их местоположения в ряду напряжения;
Самостоятельная формулировка обучающимися темы урока, с помощью ТСО;
Частично-поисковый метод для освоения кейса и ответов на вопросы после прочтения текста;
Выступление каждого обучающихся от команд и распределение капитаном обязанностей между членами команд;
Совместный поиск решений учащимися, дискуссия о способах защиты металлов от коррозий;
Практическое значение коррозии и способов защиты в жизни человека;
Подведение итогов урока учителем;
Пояснение домашнего задания.
Подготовка к работе учащихся
За неделю до темы «Коррозия металлов», учитель выдаёт задание: найти в Интернете, научной литературе, СМИ и т.д. статьи о коррозии. На предыдущем уроке учитель рассказывает классу, что такое кейс. Выдаётся каждому учащемуся памятка о выступлении у доски. Правила работы в команде вывешиваются в кабинете химии и выдаются капитанам команд. Капитаны заранее знакомят с правилами членов своих команд. Команды группируются заранее учителем.
Памятка капитану команд и его группе
Прочитайте внимательно кейс.
Ответьте на вопросы в задании.
Запишите уравнения всех возможных реакций, которые описаны в кейсе.
Распределите выступление между всеми членами команды.
Напоминаем! Если кто-то из участников группы не выступал, то будет снижена отметка всей команде.
Этапы урока
Основные дидактические задачи этапа
Формы организации деятельности учащихся
Методы обучения и приёмы обучения
Средства обучения
Примерное время
Организационный
этап
Подготовка к работе:
Организационная;
Психологическая.
формирование групп для работы с кейсами
фронтальная
групповая
Словесно – наглядные
Учебная презентация
1 мин.
Установление правильности, полноты и осознанности выполнения д/з: повторение химических свойств металлов.
фронтальная
беседа
3 мин
Этап освоения новых знаний и умений:
1. Информационное введение учителя
Обеспечение мотивации и принятие цели урока;
Актуализация субъектного опыта (личностных смыслов, опорных знаний и способов действий, ценностных отношений).
групповая
Частично – поисковый, словесный: беседа – дискуссия, составления плана работы группы
ТСО: мультимедийный компьютер, проектор, экран;
Учебная презентация – Слайд. Коррозия металлов
2 мин
2. Работа учащихся с кейсом
Обеспечение восприятия, осмысления и первичного запоминания изучаемого материала;
Содействие усвоению способов, средств, которые привели к определённому выводу;
Создание условий для усвоения методики воспроизведения изучаемого материала.
фронтальная
1. Частично – поисковый, словесный: беседа о видах коррозии металлов
ТСО: мультимедийный компьютер, проектор, экран;
Учебная презентация – Слайд. Виды коррозии металлов
8 мин
Этап закрепления новых знаний и умений
Обеспечение закрепления в памяти знаний и способов деятельности, необходимых для самостоятельной работы;
Обеспечение повышения уровня осмысления изученного материала, глубины его понимания.
2. Работа с кейсом «Коррозия металлов» в малых группах
Кейс «Коррозия металлов»
15 мин
Этап обобщения и систематизации
Обеспечение формирования целостной системы знаний учащихся о коррозии металлов, способах защиты металлов от коррозии;
Обеспечение формирования у учащихся умений применять знания и способы действия на уровнях: репродуктивном, продуктивном и творческом.
Групповая, коллективная
Частично – поисковый: дискуссия
12 мин
Этап рефлексии
Создание условий для осмысления и переосмысления:
Собственных знаний;
Собственных умений;
Собственной деятельности;
Взаимодействий с одноклассниками и учителем
индивидуальная
Частично – поисковый, практический: оценка собственных знаний, умений, собственной деятельности
анкеты для обучающихся
2 мин.
Этап подведения итогов
Дать качественную оценку работы класса и отдельных учащихся
Групповая
словесный
Устные вопросы учителя;
1 мин
Этап информации о домашнем задании
Обеспечение понимания учащимися целей, содержания и способов выполнения д/з;
Индивидуальный подбор содержания д/з с целью закрепления и коррекции знаний, умений и способов деятельности.
индивидуальная
Творческий: индивидуальное составление домашнего задания
1 мин
Ход урока.
Организационный этап.
За неделю до урока учащимся было выдано задание – Найти интересные факты о коррозии металлов. Используя научную литературу, СМИ, Интернет. На основе полученной информации учителем был сформирован кейс «Коррозия металлов». На данном этапе урока формируются группы для работы с кейсом.
II . Этап проверки выполнения домашнего задания .
На предыдущем уроке учащиеся изучали тему «Химические свойства металлов». На данном этапе проверяется знание общих химических свойств металлов, электрохимического ряда напряжений металлов.
Обучающимся предлагается обсудить следующие вопросы:
1. Как условно делятся металлы в ряду активности?
2. Как это влияет на их взаимодействие?
3. С какими веществами металлы будут взаимодействовать?
4. С какими веществами не будут взаимодействовать металлы, расположенные в ряду активности после водорода?
Этап освоения новых знаний и умений.
Информационное введение учителя.
Учитель предлагает рассмотреть слайды с картинками коррозии металлов. Обучающимся предлагается обсудить явление коррозии металлов и сформулировать определение понятия «коррозия». А также обучающиеся вместе с учителем формулируют тему, определяют цели урока и составляют план урока. Учитель рассказывает обучающимся о видах коррозии: химической и электрохимической (Слайд. Виды коррозии). В беседе с обучающимися выясняются факторы, приводящие к химической и электрохимической коррозии.
2. Работа учащихся с кейсом.
Обучающиеся самостоятельно изучают содержимое кейса и выполняют задание по карточке, которая заранее выдаётся капитанам команд.
Этап закрепления новых знаний и умений.
На данном этапе обучающимся предлагается работа с кейсом «Коррозия металлов» в малых группах (3-4 чел)
Кейс «Коррозия металлов»
Цель работы: закрепить знания о коррозии металлов, видах коррозии металлов, способах защиты металлов от коррозии.
Задание.
Внимательно прочитайте интересные факты о коррозии металлов.
Определите, в каких фактах говорится о химической коррозии. Аргументируйте свой выбор.
Определите, в каких фактах говорится об электрохимической коррозии. Аргументируйте свой выбор.
Выпишите химические формулы веществ, действие которых вызывает коррозию металлов.
Составьте уравнения химических реакций.
Предложите меры по предотвращению коррозии и способы защиты металлов от коррозии.
Кейс №1
ПРИЧИНЫ И АНАЛИЗ АВАРИЙ ИЗ-ЗА КОРРОЗИИ ОБОРУДОВАНИЯ И КОММУНИКАЦИЙ В ОАО "ОРЕНБУРГНЕФТЬ" ( _)
При рассмотрении нефтегазопромыслового оборудования коррозии , в первую очередь, подвергаются: обсадные колонны (обсадные трубы и муфтовые соединения); насосно-компрессорные трубы добывающих и нагнетательных скважин; глубинные насосы (в основном при эксплуатации скважин с помощью ШСНУ); насосные штанги при эксплуатации с помощью ШСНУ; система сбора и транспорта продукции скважин на промыслах (выкидные линии, нефте- и газопроводы); система подготовки нефти, газа и воды; оборудование системы М ИД и водоводы ; нефтепромысловые резервуары . Наибольшие проблемы, относящиеся к коррозии нефтегазопромыслового оборудования, связаны с системой сбора и транспорта продукции скважин. В ОАО "Оренбургнефть" в эксплуатации находится около 8 тыс. км трубопроводов различного назначения, в том числе: сборные нефтепроводы и выкидные линии -4925 км; нефтепроводы для транспорта нефти - 653,210 км; газопроводы для транспорта газа - 844 км; водоводы сточных вод высокого давления - 668 км; водоводы сточных вод низкого давления -1060 км. Основные трубопроводы, траспортирующие нефть и газ, имеют диаметры от 168 до 1020 мм и толщину стенок от 6 до 11 мм. Материалом труб является сталь марок СтЮ и Ст20, по ГОСТ 8731-74.
Анализ данных показывает, что треть всех трубопроводов находится в эксплуатации свыше 15 лет и две трети трубопроводов - свыше 10 лет. Многолетний срок эксплуатации коренным образом влияет на надежность трубопроводов. В 2012 г. в ОАО "Оренбургнефть" произошло 2875 порывов трубопроводов, из общего числа аварий которых приходится: на водоводы 43,5 %; на выкидные линии 28,8 %; на газопроводы 1,2 %. Около 90 % аварий на водоводах и 7 % отказов выкидных линий произошло по причине внутренней коррозии труб.
Степень воздействия нефтепромысловых сред на стальное оборудование зависит не только от самого корродирующего металла, но в основном и от состава и физико-химических свойств продукции скважин. При добыче нефти из продуктивного пласта на поверхность извлекается газожидкостная смесь, состоящая из нефти, газа и воды. К основным коррозионно-активным агентам относятся сероводород, кислород, диоксид углерода, низкомолекулярные компоненты нефти.
Нефть - неполярная жидкость, но некоторые ее компоненты: кислород, сероводород, диоксид углерода, тяжёлые металлы придают ей свойства, близкие к слабополярным диэлектрикам, которые способствуют ее коррозионной активности. Кроме состава и физико-химических свойств нефти на характер и степень коррозионного воздействия также влияют условия залегания нефти в залежи, системы и стадия разработки и способы эксплуатации скважин.
Пластовые воды нефтяных месторождений представляют собой концентрированные растворы солей и, как правило, обладают нейтральным рН.
Если в воде присутствует сероводород, диоксид углерода или кислород из различных источников, то коррозионная активность резко возрастает.
По степени агрессивности воздействия на коррозионный процесс наиболее сильное влияние оказывает сероводород и диоксид углерода, т. к. при растворении в воде в результате диссоциации, даёт кислую среду. В результате этого идет процесс разрушения металла. Практика эксплуатации водоводов системы ППД показала, что при перекачке агрессивных сточных вод срок службы водоводов до полной замены не превышает 5-6 лет, т.е. ниже нормативных сроков в два-три раза. При этом средняя за последние пять лет удельная частота порывов водоводов в два раза превышает этот показатель для нефтепроводов. При наличии в ОАО "Оренбургнефть" более 1700 км водоводов сточных вод высокого давления, по которым ежегодно перекачивается более 21000 тыс. м 3 агрессивной жидкости, проблема борьбы с коррозией водоводов принимает актуальное значение.
Ежегодно разрабатывается комплексная "Программа ингибиторной защиты нефтепромыслового оборудования и трубопроводов от коррозии", которая включает в себя: проведение научно-исследовательских работ по выбору способов борьбы с коррозией и поиску наиболее эффективных ингибиторов коррозии, применительно к условиям нефтяных месторождений Оренбургской области; проведение опытно-промысловых работ на скважинах; разработку нового оборудования и высокоэффективных технологий.
Кейс №2. Японский булат
Японский булат обладал каким-то необыкновенным качеством железа, которое после целого ряда проковок приобретало даже более высокую твердость и прочность, чем дамасская сталь. Мечи и сабли, приготовленные из этого железа, отличались удивительной вязкостью и необыкновенной остротой.
Уже в наше время был сделан химический анализ стали, из которой изготовлено японское оружие XI–XIII веков. И древнее оружие раскрыло свою тайну: в стали был найден молибден. Сегодня хорошо известно, что сталь, легированная молибденом, обладает высокой твердостью, прочностью и вязкостью. Молибден - один из немногих легирующих элементов, добавка которого в сталь вызывает повышение ее вязкости и твердости одновременно. Все другие элементы, увеличивающие твердость и прочность стали, способствуют повышению ее хрупкости.
Естественно, что в сравнении с дамасскими клинками, сделанными из железа и стали, содержащей 0,6–0,8 % углерода, японские мечи и сабли казались чудом. Но значит ли это, что японцы умели в то далекое время делать легированную сталь? Конечно, нет. Что такое легированная сталь, они даже не знали, так же как и не знали, что такое молибден. Металл молибден был открыт значительно позднее, в самом конце XVIII века шведским химиком К. В. Шееле.
По-видимому, дело обстояло так. Японские мастера получали кричное (восстановленное) железо из железистых песков рассыпных месторождений. Эти руды были бедны железом, и содержание вредных примесей в получаемой из них стали было довольно высокое. Но пески, кроме окислов железа, содержали легирующие элементы. Они-то и обеспечивали металлу высокий уровень свойств.
Очевидно, японские мастера случайно заметили: если брать руду в каком-то определенном месте, то сталь, сделанная из нее, обладает особым качеством, а клинки из такой стали получаются крепкими и острыми. Они и не подозревали, что это явление наблюдалось потому, что в железных рудах, которые они использовали, содержалась окись молибдена - молибденит - и примеси редкоземельных металлов.
Выплавленное из «песков» кричное железо проковывалось в прутья и закапывалось в болотистую землю. Время от времени прутья вынимали и снова зарывали, и так на протяжении 8–10 лет. Насыщенная солями и кислотами болотная вода разъедала пруток и делала его похожим на кусок сыра. Мастера именно к этому и стремились. Но зачем это им было надо?
Дело в том, что в процессе коррозии пористого железного прутка прежде всего разъедались и выпадали в виде ржавчины частички металла, содержащие вредные примеси. Железо с растворенными в нем легирующими добавками дольше противостояло коррозии и поэтому сохранялось. Кроме того, полученный ноздреватый пруток обладал развитой поверхностью и при последующем науглероживании обеспечивал еще до ковки сложное переплетение углеродистой стали и мягкого железа. Это переплетение еще больше усложнялось в процессе последующей многократной деформации в горячем состоянии.
Раскованный в полосу сплав мастер сгибал, складывал вдвое, расковывал в горячем состоянии и снова складывал, как слоеное тесто. В конечном счете число тончайших слоев в «слоеном пироге» достигало порой нескольких десятков тысяч. Мы уже знаем, насколько такая операция упрочняет металл за счет образования колоссального количества клубков дислокации и громадного увеличения их плотности. Последующая закалка клинков закрепляла высокие свойства, присущие молибденовой стали. Так на заре металлургии в Японии получали природно-легированную сталь, упрочненную пластической деформацией и термомеханической обработкой.
Кейс № 3 Эйфелева башня.
В 1889 году французский инженер А. Эйфель создал проект своей знаменитой башни в Париже, которую должны были соорудить из стальных ферм. Решение о ее строительстве долго не принималось, поскольку многие металлурги предсказывали, что она простоит всего 25 лет, а потом рухнет из-за коррозии стали. Эйфель же гарантировал прочность сооружения только на 40 лет. Как известно, Эйфелева башня в Париже стоит уже около 100 лет, но это только потому, что фермы ее постоянно покрыты толстым слоем краски. На покраску башни, которая производится раз в несколько лет, уходит 52 тонны краски. Стоимость ее давно превысила стоимость самого сооружения!
Покраска строительных конструкций, работающих в атмосферных условиях, - дорогое удовольствие и отвлекает много малопроизводительного рабочего времени. В то же время известны случаи, когда железные изделия очень долго служили без покраски и не подвергались никакой коррозии. О стальных балках церкви в уральском городе Катав-Ивановске мы уже рассказывали. Широко известны также перила лестниц на набережной реки Фонтанки в Ленинграде. Сделанные в 1776 году из русского сварочного железа, они простояли неокрашенными под открытым небом в условиях влажного климата более 160 лет. Академик А. А. Байков, который исследовал железные детали этих перил, пришел к выводу, что вероятной причиной высокой коррозионной стойкости металла является тонкий поверхностный слой окислов.
Аналогичное сварочное железо найдено в Свердловске. Крыша одного из зданий этого города, выложенная кровельным железом еще во времена Демидова, ни разу не обновлялась, а само железо длительное время почти не подвергалось коррозии. Химическим анализом было установлено, что ленинградские перила содержат повышенное содержание фосфора, а свердловская кровля - фосфора и меди!
Подобное железо находили и в Западной Европе. Так, в стокгольмском соборе Сторкиркан, построенном во второй половине XV века, бронзовое «семисвечье» поддерживает железный стержень. Длина его 3,5 м, поперечное сечение у основания 50Х50 мм. Стержень изготовлен из отдельных кусков кричного железа, сваренных горячей ковкой под силикатным шлаком. Исследованные образцы железа от этого стержня характеризовались высокой концентрацией фосфора (до 0,074 %). В областях с повышенной концентрацией фосфора обнаружена высокая твердость металла.
(Ю.Г. Гуревич. Загадка булатного узора)
Кейс № 4
Знаменитая железная колонна в Дели. Как известно, она создана индийскими металлургами в 415 году нашей эры в честь победы одного из императоров династии Гупта. Ее высота - 7,2 м, диаметр у основания - 420 мм и у вершины - 320 мм. Колонна стоит уже более 1500 лет, и следов коррозии (окисления) на ней не видно. Аналогичная колонна еще больших размеров, построенная в III веке, возвышается в индийском городе Дхар.
Каких только догадок ни делали металлурги, чтобы объяснить необыкновенную атмосферостойкость железа, из которого сделаны индийские колонны! Высказывалось предположение, что колонны изготовлены из цельных кусков метеоритного железа. Известно, что оно хорошо сопротивляется коррозии. Но в метеоритном железе всегда находили никель, а в железе индийских колонн никеля не обнаружили. Тогда предположили, что колонна сделана из чистейшего железа, полученного на особом топливе. Действительно, содержание железа в делийской колонне - 99,72 %, дхарской - гораздо меньше, но и она сотни лет не подвергается коррозии.
Высказывалось мнение, что стойкость индийских железных колонн объясняется сухим и чистым воздухом местности, где они установлены. Другие исследователи утверждали, что в атмосфере когда-то было повышенное содержание аммиака, которое в субтропическом климате Индии позволило получить на поверхности колонны защитный слой нитридов железа. Другими словами, колонны якобы азотированы самой природой.
Известны и более оригинальные точки зрения: поскольку колонны считались священными, их обливали благовонными маслами, и поэтому они не ржавели. Есть даже предположение, что на колонны испокон веков залезали голые индийские ребятишки, а позднее о них «терлись» туристы. Поэтому колонны постоянно смазывались кожным жиром!
По-видимому, все гораздо проще. В индийских колоннах найдено немного меди и повышенное содержание фосфора. В железе делийской колонны его 0,114–0,180 % а в дхарской еще больше - 0,280 %. В обычном сварочном железе фосфора бывает не более 0,05 %, в то время как атмосферостойкая фосфористая сталь (читатель уже знает) содержит до 0,15 % фосфора. Уж очень близко содержание фосфора в индийских колоннах к содержанию его в современной атмосферостойкой стали. Не этим ли объясняется тот факт, что на поверхности колонн образовались устойчивые окисные пленки, предохраняющие железо от дальнейшей коррозии?
Есть данные, что верхняя, не доступная человеку часть колонны имела бронзовый оттенок, благодаря чему некоторые наблюдатели принимали даже материал колонны за медный сплав. Другие говорят о синевато-коричневой или синевато-черной пленке окислов, покрывающих верх колонны. Таким образом, и окисные пленки по своему внешнему виду очень напоминают защитную оболочку атмосферостойкой стали "кор-тен".
Из приведенных фактов следует: японский булат - не единственная природно-легированная сталь, изготовлявшаяся в прошлом. Индийские и русские металлурги тоже находили железные руды, из которых получали природно-легированные чугуны и стали. Но отличаются ли механические свойства природно-легированной стали от современных сталей, легирующие элементы которых вносятся во время плавки путем добавки в жидкий металл необходимого количества твердых ферросплавов? Оказывается, отличаются. Свойства природно-легированных сталей гораздо выше.
(Ю.Г. Гуревич. Загадка булатного узора)
Кейс № 5
Морская вода – отличный электролит. Морская вода хорошо аэрирована (около 8 мг/л кислорода). Среда – нейтральная (рН = 7,2 – 8,6). В морской воде присутствуют соли кальция, калия, магния, сульфаты натрия, хлориды.
Именно из-за наличия в морской воде растворенных хлоридов (ионов-активаторов Cl - ) она обладает депассивирующим действием, по отношении к металлической поверхности (разрушает и предотвращает появление пассивных пленок на поверхности металла). Морской коррозии подвергаются: металлическая обивка днищ судов, подводные трубопроводы, морская авиация, различные металлоконструкции, находящиеся в воде, металлические конструкции в портах, прокатные валки на блюминге, которые охлаждаются морской водой и т.п.
Почти все книги, особенно популярные, по коррозии металлов описывают случай, произошедший в 20-х годах текущего столетия в США. Один из американских миллионеров, не жалея денег, решил построить самую шикарную яхту. Ее днище было обшито дорогим монель металлом (сплав 70% никеля и 30% меди), а киль, форштевень и раму руля изготовили из стали. В морской воде в подводной части яхты образовался гальванический элемент с катодом из монель металла, а анодом из стали. Он настолько энергично работал, что яхта еще до завершения отделочных работ вышла из строя, ни разу не побывав в море. Интересно, что яхте было дано имя «Зов моря».
Ватерлиния
Ватерлиния – зона периодического смачивания водой. Морская коррозия вблизи ватерлинии всегда носит усиленный характер. Это связано с облегченным доступом кислорода к поверхности (усиленной аэрацией поверхности металла); агрессивным влиянием брызг (на месте высохших брызг остаются кристаллики соли, которые препятствуют образованию защитных пленок); поверхностный слой морской воды более прогретый солнечными лучами и в условиях усиленной аэрации идет усиление .
(okorrozii.com Морская коррозия)
Кейс № 6
С точки зрения коррозии автомобиль - это некая субстанция, изготовленная из тонких листов железа невысокого . Конструкционные особенности данного сооружения таковы, что по окончании сборки в нем образуется большое количество скрытых, плохо проветриваемых полостей, способных прекрасно накапливать влагу, пыль, грязь - это раз! Вся машина сверху донизу насквозь испещрена сварными и вальцованными соединениями, крепежными и дренажными отверстиями - это два! При этом не стоит забывать и про тяжело нагруженные участки конструкции, испытывающие на себе постоянное воздействие знакопеременных и пульсирующих механических напряжений, приводящих к появлению в этих местах преждевременной усталости металла с неминуемым коррозионо-ржавым финалом - три! Ну разве можно не любить автомобиль за все это? Разумеется, ржавчине и исключительно в гастрономическом смысле этого слова.
Итак, из всего вышесказанного однозначно следует то, что, даже не принимая во внимание фактор агрессивной дорожной среды, кузов любого автомобиля изобилует «слабыми» с точки зрения коррозионной устойчивости местами и требует защиты. А после того, как он отправится в путь, где его встретят грязь, вода, соль, летящие из-под колес камни, выбоины на , когда он будет вынужден стойко переносить все экологические и климатические превратности того или иного региона, справляться со всевозможными механическими и температурными перегрузками, все это вместе взятое да с учетом фактора времени способно «укатать» абсолютно любую технику.
IV . Этап обобщения и систематизации знаний.
На данном этапе обсуждаются вопросы заданий. Группы выступают с предложениями по защите металлов от коррозии.
Этап рефлексии.
Обучающиеся индивидуально отвечают на вопрос: Могут ли пригодиться знания, полученные сегодня на уроке в вашей жизни? Приведите примеры.
Этап подведения итогов.
На данном этапе обучающиеся и учитель оценивают работу групп.
Этап информации о домашнем задании.
Домашнее задание. Продолжите работу по расширению кейса «Коррозия металлов»: найдите в СМИ или в сети Интернет реальный факт, в котором описывается действие коррозии на металлы. Предложите действия по предупреждению коррозии и защите металлов от коррозии.
Под коррозией металла следует понимать процесс самопроизвольного разъедания металла под влиянием соприкасающейся с ним среды. Процесс коррозии металла надо отличать от процесса эрозии металла; эрозия металла есть его разрушение с поверхности под влиянием механического действия (например, струи воды, несущей крупинки песка, и т. п.).
На процесс коррозии металлов человечество уже давно обратило внимание. Так, ещё Плиний (первый век нашей эры) писал: «на железо обрушилась месть человеческой крови, так как оно скорее ржавеет, когда соприкасается с нею». Народная мудрость не оставила без внимания вопросы коррозии металлов, что отражено и в литературе: например, в произведениях Горького встречается такая поговорка: «ржа ест железо».
Само собой очевидно, что от высказывания Плиния и от констатации того, что «ржа ест железо», должен был быть пройден большой путь, прежде чем действительно процессы коррозии металлов получили теоретическое объяснение. Лавуазье рассматривал, например, ржавление железа как процесс простого окисления. Когда М. Пайен (1837 г.) показал, что железо не ржавеет ниже 200"С в атмосфере сухого кислорода, то пришлось отойти от взглядов Лавуазье на процесс ржавления, и тогда стали объяснять этот процесс как обусловливаемый кислотностью раствора, соприкасающегося с железом. Надо заметить, что до тех пор, пока не была выдвинута электро-химическая теория коррозии металлов, не было по существу достаточно серьёзной теории коррозии металлов.
Масштабы потерь от коррозии в мировом хозяйстве чрезвычайно велики. Буквально миллиардные суммы тратятся в развитых индустриально странах на борьбу с коррозией металлов и на замену выведенных из строя коррозией металлических конструкций и аппаратов. Ввиду большого масштаба производства и промышленного использования металлов, вопрос о коррозии металлов является одним из серьёзнейших вопросов.
Коррозия металлов в той или иной степени происходит повсюду: в воздухе, на земле, под землёй и в воде. Вспомним, что многие ответственные детали самолётов готовятся из лёгких сплавов, содержащих главным образом в их составе магний. Подобные сплавы не так-то просто могут быть защищены от коррозии, в особенности в приморской атмосфере, содержащей взвешенные частички солей.
Вспомним, что очень много энергии надо затрачивать, чтобы предохранять от коррозии оборудование металлообрабатывающих заводов и металлоизделия этих заводов. Весьма неприятно даёт о себе знать коррозия во многих отраслях химической промышленности. Например, много беспокойства причиняет коррозия резервуаров для хранения нефти и продуктов, из неё получаемых. Коррозия проникает и на. транспорт (котлы паровозов, фермы потолочных перекрытий, страдающие от дымовых газов, и др.). Под землёй от коррозии страдают всякие нефтепроводы, водопроводы и т. д. В воде коррозия угрожает металлическим корпусам кораблей. Нет возможности перечислить все те неприятности, которые коррозия приносит во всех областях народного хозяйства.
Наиболее типичные случаи коррозии металлов
1. Наиболее типичным случаем коррозии при высоких температурах является окисление металла при высоких температурах . При окислении железа образуются, согласно современным экспериментальным данным, три оксидных слоя: закись железа FeO, магнетит Fe3О4 и оксид железа Fe2O3. В зависимости от условий охлаждения после нагревания самый глубокий слой закиси железа может уменьшаться по толщине и даже может совсем отсутствовать (например, при медленном охлаждении).
Окисление металлов на воздухе ускоряется при добавлении к воздуху сернистого газа, углекислого газа и водяных паров. По всей вероятности, при наличии упомянутых примесей в воздухе на поверхности металла образуются сульфаты, сульфиты или сульфиды, карбонаты и, возможно, гидроксиды, которые после их образования быстро разлагаются, давая некоторое количество вторичных оксидов, являющихся более пористыми и менее защищающими металл от коррозии, чем оксиды, получаемые непосредственным соединением кислорода и металла.
В настоящее время имеется большое количество сплавов, содержащих хром и никель и являющихся устойчивыми против окисления при высоких температурах.
2. При действии воздуха или некоторых газов на металл будет происходить изменение состояния поверхности металла ; характер и степень изменения будут определяться как свойствами металла, так и свойствами и составом газовой среды, соприкасающейся с металлом. В некоторых случаях при воздействии газа на металл на поверхности последнего будут образовываться только очень тонкие слои продуктов коррозии (потускнение, потемнение, побежалость). В других случаях процесс коррозии при воздействии газа на металл может пойти весьма далеко и привести к сильному разъеданию металла (например, процесс ржавления железа во влажном воздухе).
Наибольшее практическое значение, понятно, имеет процесс коррозии железа в атмосферных условиях при обычных температурах (ржавление). Ржавление железа практически не идет в сухом воздухе и весьма интенсивно может протекать во влажном воздухе. Образование на поверхности железного или стального предмета плёнки влаги, так же как и образование капелек влаги вследствие конденсации, весьма ускоряет процесс ржавления.
Сама ржавчина имеет, вероятнее всего, как это вытекает из работ проф. Н. А. Изгарышева и др., структуру геля. Оранжево-жёлтая первоначально образовавшаяся ржавчина не остаётся долго в виде геля, и постепенно происходит образование кристаллического O=Fe-0H. Кристаллизация начинается внутри слоя ржавчины, при этом внешняя оболочка геля, который в сухом состоянии очень хрупок, разрушается.
Необходимо отметить роль активных в химическом отношении газов (SO2, пары кислот, пары галоидов и т. д.). Такие газы могут в весьма сильной степени усиливать интенсивность коррозии металлов в атмосферных условиях. Растворяясь в плёнке влаги, присутствующей на поверхности металла благодаря адсорбции влаги из воздуха, такие газы создают электролит, способствующий усилению электрохимического процесса коррозии металла во влажной атмосфере.
Чрезвычайно велика роль контакта металла с другими металлами или вообще твёрдыми телами. В особенности резко сказывается присутствие пыли на поверхности металла. В пыльном воздухе коррозия идёт значительно интенсивнее, чем в свободном от пыли воздухе. Интересен, например, такой факт. Железные фермы мостов чаще всего претерпевают более интенсивное разрушение от коррозии на поверхностях, обращённых кверху, в сторону от воды. Понятно, что именно на этих поверхностях, а не на поверхностях, обращённых к воде, садится пыль, ускоряющая коррозионный процесс.
3. Коррозия в растворах электролитов , т. е. в растворах солей или кислот, во многих случаях протекает весьма интенсивно; на некоторые металлы (Al, Zn, Pb) оказывают коррозионное воздействие и растворы щелочей, железо в щелочных растворах практически не корродирует.
Железо, погружённое в раствор поваренной соли или в морскую воду, корродирует интенсивно, но в зависимости от быстроты подачи кислорода воздуха к корродирующим участкам. Наиболее интенсивно коррозия железа протекает в условиях полупогружения в раствор соли. В этом- случае коррозионному разрушению (вследствие образования гальванического элемента на поверхности железного образца) будет подвергаться участок поверхности образца железа, расположенный ниже уровня раствора. Анодом этого элемента будет часть поверхности образца, расположенная ниже уровня раствора, а катодом - часть поверхности образца непосредственно на уровне раствора и в участке, покрытом раствором, приподнятом несколько над уровнем раствора в сосуде капиллярными силами. Очень интенсивно протекает коррозия металлов также при попеременном смачивании раствором электролита и высушивании. В этих условиях доступ кислорода воздуха к поверхности образца ведет к его усиленной коррозии.
Нужно отметить, в особенности для образцов металлов, целиком погружённых в растворы электролитов, влияние движения раствора. движение раствора ускоряет коррозию как за счёт облегчения доступа кислорода воздуха к поверхности металла, так и за счёт удаления с поверхности образца продуктов коррозии, в некоторых случаях в известной степени противодействующих коррозии. Вообще же говоря, движение раствора не всегда влияет в одном направлении на коррозию находящегося в растворе металла.
Контакт корродирующего в растворе электролита металла с другими металлами или твёрдыми и жидкими телами существенно влияет на интенсивность процесса коррозии.
В некоторых случаях, например при растворении металла в растворах кислот, добавки к таким средам некоторых органических веществ (желатина, крахмал и т. д.) могут значительно снизить интенсивность коррозионного процесса.
Коррозия металлических, стальных, чугунных и железных труб, уложенных в почве, представляет сложную разновидность коррозии. Здесь играют роль как химические, так и физические свойства почв. Здесь, так же как и при полном погружении металла в раствор соли, очень важную роль играет кислород, диффундирующий через слой почвы к металлу. Химический состав находящегося в земле металла, повидимому, оказывает слабое влияние на интенсивность коррозионного процесса в почве.
Большую роль в процессах подземной коррозии металлов играют так называемые блуждающие токи, т. е. токи от посторонних по отношению к заложенному в землю металлическому сооружению (нефтепроводу, .водопроводу и т. д.) источников. В том случае, когда попадающий в подземное металлическое сооружение ток далее выходит из него, в местах выхода тока - анодах - будет наблюдаться очень интенсивная коррозия. Коррозия под влиянием блуждающих токов - «электрокоррозия» - часто приводит к полному разрушению заложенных и землю металлических сооружений в местах выхода тока. Переменный ток оказывает значительно более слабое влияние, чем постоянный ток. Во всяком случае действие переменного тока находится в зависимости от числа периодов его в секунду.
4. В некоторых случаях продукты жизнедеятельности бактерий в почве оказывают влияние на коррозию соприкасающихся с такий почвой металлических предметов.
Факторы, определяющие интенсивность коррозии металлов
1. Химический состав металла играет очень большую роль в процессах коррозии его в тех или иных условиях. В настоящее время имеется целый ряд сплавов железа (нержавеющие стали, медистые стали и т. д.), которые лучше противостоят коррозии, чем чистое железо. Устойчивость нержавеющих стилей против коррозии объясняется прочностью и однородностью пленки окислов, образующихся на их поверхностях.
В сильно восстановительных средах нержавеющие стали не являются устойчивыми против коррозии. Медистые стали при соприкосновении их с растворами солей не являются более устойчивыми, чем обычные стали. Но медистые стали устойчивы и атмосферных условиях. Повышенная стойкость медистых сталей против атмосферной коррозии обусловлена меньшей гигроскопичностью продуктов коррозии медистых сталей по сравнению с продуктами коррозии обычных сталей.
2. Структура металла также в известной степени определяет устойчивость металла против коррозии. Сплавы с однородной структурой устойчивее против коррозии, чем сплавы, неоднородные по структуре. Например, сплавы, содержащие кристаллиты различных составов, менее устойчивы против коррозии, чем сплавы, представляющие однородные твёрдые растворы. Устойчивость нержавеющих сталей против коррозии определяется их однородной структурой, в свою очередь обеспечивающей прочность и однородность поверхностной плёнки окислов.
3. Механическая деформация металла вызывает в нём внутренние напряжения, так как атомы в некоторых кристаллических зёрнах металла уже не будут расположенными в таком порядке, какой характерен для нормального металла. Поэтому понятно, почему металл в состоянии механического напряжения (в кислых средах) корродирует интенсивнее, чем тот же металл в нормальном состоянии. В растворах нейтральных солей напряжения металла практически не оказывают влияния на интенсивность его коррозии (здесь всё определяется доступом кислорода воздуха). То же самое справедливо и в отношении процессов коррозии железа и стали в атмосферных условиях. В некоторых случаях коррозия стали в напряжённом состоянии даже меньше, чем в ненапряжённом. Это объясняется тем, что ржавчина пристаёт лучше к ненапряжённой стали, чем к напряжённой; поэтому первая имеет условия для того, чтобы оставаться.влажной, между тем как вторая остаётся сухой.
4. Поверхность металла представляет собой определённую микроскопическую структуру. Она покрыта бесчисленными микроскопическими выступами, объясняющимися структурой кристаллической решётки металла. Согласно воззрениям акад. В. А. Кистяковского, такая поверхность металла должна из воздуха адсорбировать атомы кислорода. В качестве первой стадии такого процесса будет образование одноатомного слоя кислорода, покрывающего металл. На поверхности благородных металлов, по-видимому, образуется слой адсорбированного кислорода, на других металлах связь кислорода с находящимися на поверхности атомами металла будет более прочной.
Металл в активном состоянии обладает повышенной способностью корродировать. Проделаем такой опыт. Возьмём листочек алюминия, почистим его наждачной бумагой. На поверхности листочка алюминия будет тончайший слой его окиси, однако достаточный, чтобы сделать алюминий неактивным для многих веществ, приводимых с ним в контакт. Такой алюминий не амальгамируется. Если же алюминий поцарапать под ртутью и затем вынуть из ртути, то по месту царапины алюминий амальгамируется, будет поддерживаться в активном состоянии и интенсивно корродировать на воздухе с образованием хлопьев окиси алюминия.
В настоящее время имеется очень большое количество экспериментальных доказательств существования плёнок окислов на поверхности металлов.
5. Неодинаковый доступ воздуха к различным участкам поверхности металла приводит к образованию гальванического элемента, в котором участок, хуже снабжаемый кислородом, будет разъедаться, а участок, интенсивнее снабжаемый кислородам, разъеданию подвергаться не будет. Этот принцип «дифференциальной аэрации» справедлив лишь в том случае, если сопротивления ячейки и внешней цепи невелики и если все части аэрируемого электрода хорошо снабжаются кислородом. Для меди констатировано, что аэрируемый электрод является анодом, а неаэрируемый - катодом. Здесь удаление медных ионов производит больший эффект, чем аэрация.
6. Свойства и химический состав соприкасающейся с металлом среды , естественно, определяют особенности и интенсивность коррозии металла, помещённого в данную среду. В общем можно сказать, что действие каждой среды является специфическим по отношению к каждому металлу и определяется тем, как данная среда действует на поверхностную плёнку, являющуюся барьером между металлом и внешней средой. Искусственное укрепление этого барьера (применением окислителей и т. д.) уменьшает интенсивность коррозии. Неоднородность среды, соприкасающейся с металлом, благоприятствует усилению коррозии за счёт «эффекта дифференциальности», обусловливающего образование гальванических пар между участками металла, находящимися в контакте с разными веществами. Контакт в некоторых случаях обусловливает вторичные явления, усиливающие коррозионный процесс. Например, железные образцы, подвешенные на стеклянные крючки и сохраняемые во влажном воздухе, корродируют в местах контакта со стекляннымн крючками (замедление доступа кислорода).
В некоторых случаях влияние контакта металла с другим твёрдым телом может быть объяснено тем, что в месте контакта концентрация иона водорода будет другая, чем в отдалении от контакта. Разница в концентрациях иона водорода обусловит образование «местного гальванического элемента».
7. Повышение температуры увеличивает интенсивность коррозии металла. В случае коррозии металла в растворе необходимо отметить, что повышение температуры способствует нарушению пассивирующего слоя и благодаря этому усиливает интенсивность коррозии.
Коррозия - это самопроизвольное разрушение металла под действием внешних факторов. Проблема коррозии существует с тех самых пор, как человек научился выплавлять металл. Из-за коррозии разрушаются, а иногда и безвозвратно гибнут металлические конструкции, станки, оборудование, механизмы машин и т.д., что наносит вред экономике.
Виды коррозии
В зависимости от среды, которая воздействует на металл, различают атмосферную, подземную и подводную коррозии.
В зависимости от того, как протекает процесс коррозии, её делят на химическую и электрохимическую. При химической коррозии происходит химическая реакция, в результате которой и разрушается металл. А в процессе электрохимической коррозии реакции протекают под воздействием электрических импульсов.
Защита от коррозии
В связи с тем, что от действия коррозии ежегодно теряется 20–30% металлов, остро стоит вопрос о защите металла. Один из популярных способов антикоррозийной защиты - защитные покрытия. Различают металлические и неметаллические покрытия, изолирующие металл от агрессивной среды. К неметаллическим покрытиям относятся покрытие лаком и краской, резиной, пластмассой, фосфатной плёнкой и т.д.
Металлические покрытия наносят тремя способами:
1. Погружение деталей в расплавленный цинк. Такой способ называется горячим цинкованием. Подробнее почитать об этом способе защиты металла можно, набрав в поисковике «горячее цинкование екатеринбург ». Такое покрытие не имеет декоративного вида, но надёжно защищает изделие в производственных условиях.
2. Металлизация или распыление. Металл распыляется в электрической дуге и сжатым воздухом или инертным газом наносится на поверхность изделия.
3. Блокирование - метод защиты металла от коррозии другим металлом, который устойчив к агрессивной среде. Два вида металла подвергают прокатке с последующей термообработкой, и в результате диффузии на границе металлов возникает прочное сцепление.
Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.
Причины ржавления
Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, и магний - добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.
Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы - они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.
Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.
Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.
Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.
Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.
Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.
Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.
Пути защиты от коррозии
Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.
Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.
Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.
Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.
Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.
Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.
Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.
Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.
Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.
В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.
Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.
Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, - применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.
Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.
Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.
Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?
Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, - станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.
Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..
Текущее положение дел
Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.
Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.
Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.
Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.
Андрей Повный
