Лабораторная работа №1 кинетика газовой коррозии металлов

1. Теоретическая часть

Под химической коррозией подразумевают процессы взаимо­действия металлической поверхности с окружающей средой, иду­щие по механизму химических гетерогенных реакций. Примером химической коррозии является взаимодействие металла с жидки­ми неэлектропроводными средами (неэлектролитами) или сухими газами.

Процессы коррозии в атмосфере или газах при обычных тем­пературах, когда возможно образование хотя бы самых тонких слоев электролита на поверхности металла, относятся уже к ат­мосферной коррозии, механизм которой электрохимический.

Частным видом, химической коррозии, практически наиболее важным, является процесс окисления металла при высоких тем­пературах (взаимодействие с кислородом) или химическое вза­имодействие металлов с рядом других, активных газовых сред (сернистый газ, сероводород, галоиды, водяные пары, углекис­лота и др.).

Указанные процессы химической коррозии металлов при по­вышенных температурах носят название газовой коррозии. Борь­ба с газовой коррозией имеет большое значение для народного хозяйства и успешного развития новой техники. Многие ответ­ственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники и армату­ра печей и т. д.). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность при процессах горячей обработки металлов.

Подавляющее большинство металлов (исключая только бла­городные) термодинамически неустойчивы по отношению к кис­лороду и некоторым другим газовым средам при обычных температурах. С повышением температур степень термодинамиче­ской нестабильности хотя и несколько снижается, но скорость процесса сильно возрастает.

Большинство металлов на воздухе, а также в атмосфере дру­гих активных газов являются термодинамически неустойчивы­ми. По этой причине скорость газовой коррозии будет определяться в первую очередь кинетическими возможностями протекания химической реакции.

Рост окисной пленки во времени в значительной сте­пени зависит от защитных свойств образующейся пленки. Для незащитных пленок, например для несплошных пленок (для которых отношение < 1), скорость роста постоянная и контролируется, химической реакцией образования пленки. В этом случае действует линейный закон привеса пленки:

(1)

где: ∆g — привес образца, г/м²; k₁ — константа, г/м²·час; τ — продолжительность коррозии, час.

Для обладающих защитными свойствами сплошных пленок (для которых отношение>1) скорость их роста часто контролируется диффузией и сопровождается самотормо­жением: по мере утолщения пленки уменьшается скорость диф­фузии через нее металла и кислорода, а следовательно, и ско­рость коррозионного процесса. В этом случае пленка растет по закономерности квадратичной параболы:

(2)

где к₂ — константа(г²/м⁴·час.), для которых отношение<1 час.

Если скорость роста пленки контролируется как скоростью самой химической реакции окисления, так и скоростью встреч­ной двусторонней диффузии через пленку металла и кислорода, то этот процесс может быть выражен общим уравнением 2-й сте­пени Эванса (3):

к₁·∆g² + к₂∆g = к₁·к₂·τ, (3)

где: к₁ и к₂ — константы (см. выше)

или параболическим урав­нением (4):

∆gⁿ = k_n·τ (4)

где: n — показатель параболической зависимости, причем 1 < n < 2; k_n —константа, гⁿ/м²ⁿ · час.

В ряде случаев окисления металлов наблюдается торможе­ние процесса в большей степени, чем это следует из первого закона диффузии. В этих случаях происходит рост пленки по парабалической закономерности (4):

∆gⁿ = k_n·τ

где n – показатель параболической зависимости при n > 2;

∆g= k₃lgτ + k₄

где k₃ и k₄ — константы гⁿ/м²ⁿ · час.

В реальных процессах окисления металлов часто наблюдаются как нарушения приведённых выше зависимостей ∆g=f(τ) вследствие ряда факторов, осложняющих процесс (нарушение сплошости пленки за счет роста внутренних напряжений и др.), так и более сложные зависимости, которые описывают процесс роста окисной пленки во времени.

На основании опытных данных об изменении веса образца во времени может быть получено уравнение, которое дает возможность рассчитывать коррозионное разрушение металла при его окислении как функцию времени.