Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф. В.В. Коробочкин

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
_____________________________________________________________________
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ХТФ
______________В.М. Погребенков
«______» _________________2008г.
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Контактная коррозия металлов
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое
сопротивление материалов и защита от коррозии» для студентов специальности
170500 «Машины и аппараты химических производств»
Томск 2008
УДК 620.197 (075.8)
Контактная коррозия металлов
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу
«Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии» для студентов
специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств»– Томск:
Изд. ТПУ. 2008 – 8 с.
Составитель
к.х.н., доц. каф. ОХТ
Рецензент к.т.н., доц. каф. ОХТ
Ю. Н. Обливанцев
О. И. Налесник
Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром
кафедры общей химической технологии “____”_________ 2008г.
Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф.
В.В. Коробочкин
2
Цель работы:
Изучить влияние контакта железа с другими металлами на скорость его коррозии.
1.Пояснения к работе
Термодинамическая возможность протекания процессов коррозии
определяется величиной и знаком изменения энергии Гиббса – G.
Чем более отрицательно значение G, тем больше термодинамическая возможность
протекания реакции окисления металла. С точки зрения электрохимического
механизма коррозии, термодинамическая возможность окисления металла может
быть описана напряжением коррозионного микро-гальванического элемента (или
макро-гальванического элемента) – E. Зависимость между G и Е выражается
уравнением
G = –nFE
(1)
где
E – напряжение, В;
F – число Фарадея, Кл/моль;
n – число электронов.
Таким образом, чем больше напряжение микрогальванического (макрогальванического) элемента, тем больше термодинамическая возможность
протекания его суммарной реакции.
Согласно классическим представлениям, коррозия металлов обусловлена
работой множества короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся
вследствие электрохимической гетерогенности металла.
Факторами, вызывающими электрохимическую гетерогенность металла являются
неоднородность металлической фазы, атомарная неоднородность поверхности
металла, неоднородность защитных пленок, неоднородность деформации и
внутренние напряжения; неоднородность коррозионной среды и физических
условий.
Наличие этих факторов приводит к тому, что разные точки поверхности
обладают различными значениями электродных потенциалов и по этой причине
образуется множество короткозамкнутых гальванических элементов.
Часть поверхности металла с более отрицательным значением электродного
потенциала будет окисляться (так называемые анодные участки поверхности), на
другой части будут идти реакции восстановления (катодные участки поверхности).
Сопряженность анодной и катодной электрохимических реакций при растворении
металлов и протекание их на различных энергетически более выгодных участках
коррозирующей поверхности напоминает работу гальванических элементов.
Принципиальная схема растворения металлов приведена на рис. 1. Символом D
обозначены компоненты среды, способные восстанавливаться в катодной реакции.
Скорость коррозии тем выше чем больше разность потенциалов катодных и
анодных участков поверхности металла. Исходя из значений электродных
потенциалов металлов, составляется электрохимический ряд потенциалов, по
которому судят о характере поведения металла в данных условиях, причем
электрохимических рядов может быть несколько из-за различных свойств среды, а
3
также склонности некоторых металлов к пассивации. При составлении ряда
используют потенциалы коррозии металлов в рассматриваемой среде.
Анод
Раствор
Металл
Ме+
D
D
Катод
Рис.1 Схема коррозионного процесса
E
Потенциал
Ikop
0
А2
А1
ТОК
kop
E2ст
Eст
E1ст
К2
–Е
К1
Рис.2 Поляризационные кривые Ст.3 и Сr – Ni стали в 5% Н2SO4
Но коррозионное поведение двух контактирующих металлов зависит не только
от того насколько они удалены друг от друга в электрохимическом ряду, но и от
соотношения их площадей, поляризации и электропроводности коррозионной
среды.
4
На рис. 2 представлены поляризационные кривые малоуглеродистой стали Ст.3
(образец 1) и нержавеющей стали 10Х18Н9 (образец 2) в 5% растворе H2SO4. При
погружении в раствор образца из Ст.3 устанавливается стационарный потенциал
E1ст. Смещая потенциал в положительную область получим анодную кривую (А1)
при смещении в отрицательную сторону – катодную кривую (K1). Нержавеющей
стали соответствует стационарный потенциал E2ст, анодная (А2) и катодная (K2)
кривые. При контакте этих двух образцов устанавливается компромиссный
потенциал Eст и соответствующий ему ток коррозии Iкор. На нержавеющей стали
будет идти выделение водорода, так как E1ст< Eст.
Следовательно, при контакте металла с металлом, имеющим более
положительный потенциал, наблюдается усиленное коррозионное разрушение
первого металла; при контакте же с более электроотрицательным металлом,
разрушается последний, а скорость коррозии основного металла замедляется. На
этом принципе основана протекторная защита металлов. Суть протекторной
защиты: металлическая конструкция, находящаяся в почве, морской или речной
воде соединительным проводником замыкается с протектором. Протекторами
служит электроотрицательные металлы или их сплавы: магний, алюминий, цинк.
При замыкании контакта начнет разрушаться протектор, а металлическая
конструкция корродирует незначительно.
Уровень грунта
Протектор
Защищаемая
конструкция
Рис.3 Схема протекторной защиты
Эффективность протекторной защиты характеризуется защитным эффектом Z
и коэффициентом защитного действия K3
П
Km  Km
z
 100%
(2)
Km
где Km – скорость коррозии образца без контакта с протектором;
П
K m – скорость коррозии образца в контакте с протектором.
5
Защитный эффект показывает процент снижения скорости коррозии за счет
работы протектора.
Коэффициент защитного действия показывает, во сколько раз скорость
коррозии уменьшается при использовании протекторной защиты
K
З

Km
(3)
Km
2.Методика эксперимента
2.1. Изучение влияния контакта железа с другими металлами на скорость
коррозии весовым методом.
При выполнении работы используются образцы из стали Ст.3, цинка,
алюминия, меди.
Образцы металлов обработать наждачной бумагой, обезжирить пастой из
“венской” извести, промыть и высушить. Высушенные образцы взвесить и
поместить в стакан с 5% раствором H2SO4 следующим образом: 1 стакан – пара Fe–
Al, 2 стакан – Fe–Zn, 3 стакан – Fe–Cu, 4 стакан – контрольный образец из Fe, 5
стакан – образец из Zn, 6 стакан – Al, 7 стакан – Cu. Образцы металлов в станах
1,2,3, соединить металлическим проводником с зажимами на концах. При
погружении металлов в раствор следить за тем, чтобы зажимы не касались раствора.
При погружении образцов в раствор засекают время. По истечению 1–2 часов
образцы вынимают из раствора, промывают дистиллированной водой из
промывалки, сушат и взвешивают.
Далее рассчитывается массовый показатель скорости коррозии Km
Fe, Zn, Al, Cu
Fe
Ме
Стакан № 4,5,6,7
Ме
стакан № 1,2,3
Рис.3 Схема расположения образцов
Km 
где
m
S
(4)
m – уменьшение массы образца, г.;
S – поверхность образца, м2;
 – время опыта, час.
Результаты занести в таблицу.
6
Таблица 1.
Таблица опытных данных
Масса образца
Время
№
Масса образца
Поверхность
Образец
после опыта, m
опыта,
Km
стакана
до опыта, г.mн
образца, м2
г.mk
час
Fe
1
Al
Fe
2
Zn
Fe
3
Cu
4
Fe
5
Zn
6
Al
7
Cu
В случае контакта Fe с электроотрицательными металлами рассчитываетcся
защитный эффект Z и коэффициент защитного действия KЗ по формулам 2 и 3. По
окончании работы делаются выводы о скорости коррозии металлов в данной среде,
о влиянии контакта металлов на скорость коррозии железа.
2.2. Влияние контакта металлов на поляризационные кривые.
Схема установки изображена на рис. 4.
Установка состоит из ячейки с раствором, в который погружены 2 образца,
замкнутых накоротко соединительным проводником; цепь размыкается и
замыкается ключом К, для измерения тока служит амперметр, переменным
сопротивлением R изменяем величину тока.
Электроды сравнения —хлорсеребряные электроды.
К
измерение
R
к высокоомному
вольтметру
А
потенциала
для измерения
потенциала
Fe
Al
Рис.4 Схема установки для измерения поляризационных кривых при контакте двух
металлов
7
Ход работы
В электрическую ячейку с коррозионной средой (5% H2SO4, влажный грунт)
помещают образцы 2-х металлов: Fe-Cu, Fe-Al, Fe-Zn (ключ К разомкнут) и
измеряют стационарные потенциалы обеих образцов: сопротивление R
максимально. Затем замыкают ключ К и изменяя сопротивление R измеряют
величину тока в цепи и потенциалы обеих образцов. При R = 0 в системе
устанавливается стационарный потенциал и соответствующий ему ток коррозии.
3.Требования к отчету
Отчет должен содержать: цель работы, описание и схему установки, методику
эксперимента, экспериментальные данные в виде таблицы и графиков,
качественную оценку коррозионных повреждений, выводы.
Литература
Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М.: Металлургия,
1976.- 472 с.
2. Семёнова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита
от коррозии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 336 с.
1.
Контактная коррозия металлов
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое
сопротивление материалов и защита от коррозии» для студентов специальности
170500 «Машины и аппараты химических производств»– Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 8
с.
Составитель
к.х.н., доц. каф. ОХТ
Ю.Н.Обливанцев
Подписано к печати
.08.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать RISO. Усл. печ. л.
. Уч.-изд. л.
Тираж
экз. Заказ
Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина 30.
8