Коррозия металлов и методы защиты от нее

Коррозия - это процесс разрушения металла под воздействием внешней среды. Установлено, что в результате коррозии ежегодно безвоз­вратно теряется около 10 % всех производимых металлов. Эти потери про­исходят как в процессе производства заготовок при прокате, ковке, штам­повке, так и в процессе эксплуатации конструкций.

Особенно велики потери металла и убытки от коррозионного разру­шения пролетных строений мостов, железнодорожного пути, контактной сети, подвижного состава, металлических конструкций зданий (крыш, кар­касов). Их замена сопряжена с большими трудностями, а в ряде случаев - с остановкой движения поездов или с временным прекращением производ­ственных процессов. Поэтому борьба с коррозией является очень важной государственной задачей.

Все распространенные металлы встречаются в природе в виде соедине­ний с кислородом и другими элементами: железо — в виде Ре₂О_э, Ре₃0₄, РеС0₃, алюминий - в виде А1₂0₃, медь - в виде СиРе8₂, Си₂8 и т. д. При выплавке металлов имевшиеся в природных условиях связи нарушаются, а во время коррозии вновь восстанавливаются - образуются те же соединения, на­пример железа и алюминия с кислородом, меди с серой и т. д. В этом и заклю­чается причина возникновения коррозии.

Различают следующие виды коррозии: сплошную (рис. 23, а), если кор­розия распространяется на всю поверхность изделия; местную (рис. 23, б), ко­гда коррозионное разрушение происходит на отдельных участках поверхно­сти; межкристаллитную (рис. 23, в), протекающую по границам зерен, в ре­зультате которой ухудшаются механические свойства металлов

Рис. 23. Виды коррозии (разрез): а) сплошная; б) местная (1 - пятнами; 2 - точечная; 3 - подповерхностная); в) межкристаллитная

В зависимости от характера протекающих физико-химических про­цессов различают два вида коррозии - химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия - это разрушение, которое протекает при на­хождении металла в сухих газах при повышенной температуре (газовая коррозия) и в неэлектролитах (бензине, сернистой нефти, расплавах солей). Суть газовой коррозии состоит в образовании на поверхности металла тон­кой пленки окислов и в диффузии газов через эти пленки. При повышении температуры, например при нагреве заготовок под ковку, диффузионные процессы усиливаются и химическая коррозия протекает с образованием окалины - толстого слоя окислов. Коррозия в неэлектролитах также со­провождается образованием пленки. В некоторых случаях эта пленка мо­жет защищать лежащий под ней металл от дальнейшей коррозии. Сравни­тельно плотные пленки оксидов образуются на поверхности алюминия, свинца, олова, никеля, хрома.

Наиболее распространенным видом разрушения металлов является электрохимическая коррозия - разрушение под воздействием водных рас­творов электролитов — солей, кислот, щелочей. К этому виду коррозии от­носят и атмосферную коррозию, при которой влага из воздуха конденсиру­ется на поверхности металла, а в ней растворяются агрессивные газы. На­личие на поверхности металла пыли и других загрязнений усиливает адсорбцию влаги и газов, а влажная пленка на поверхности представляет собой электролит.

Электрохимическая коррозия протекает следующим образом. Металлы и сплавы всегда являются химически и физически неоднородными. Компо­ненты сплава, различные фазы структуры, чистый металл и окисная пленка, два соседних участка с разной напряженностью образуют комплекс анодных и катодных участков, представляющих собой микроскопические гальванические пары, это приводит к тому, что на границе «металл - электролит» происходит растворение анодных участков. Таким образом, электрохимическая коррозия — это разрушение сплава, сопровождающееся появлением электрического тока в результате работы множества микрогальванических элементов на корроди­рующей поверхности металла.

Структура стали в равновесном состоянии состоит из двух фаз - феррита и цементита. При электрохимической коррозии цементит остается неизменным, а феррит растворяется и с веществом электролита образует ржавчину.

В гальванической паре разрушается тот металл, который выделяет большее количество положительно заряженных ионов и, следовательно, сам получает высокий отрицательный заряд. Если металлы расположить в следующий ряд: Аи, Р1, А§, Си, Вц БЬ, РЬ, Бп, Со, Ее, Сг, Ъх\, Мл, П, А1, М|>, то окажется, что всякий металл, расположенный правее, будет разру­шаться в контакте с металлом, расположенным левее, и тем сильнее, чем дальше эти металлы находятся друг от друга в ряду. Так, в паре «железо - цинк» будет разрушаться цинк, а в паре «железо - никель» разрушаться будет железо.

На скорость растворения металла в электролите влияют примеси, способы обработки металла, концентрация электролитов. Металл, находя­щийся под нагрузкой, корродирует значительно быстрее нанагруженного, так как

нарушается целостность защитной пленки и образуются микро­трещины (коррозионное растрескивание). Разрушение металла одновре­менным воздействием знакопеременных нагрузок и коррозионной среды называют коррозионной усталостью.

В зависимости от характера окружающей среды электрохимическая коррозия может быть подводной, атмосферной, почвенной, вызванной блуж­дающими токами. Электрохимическая коррозия металлов в воде обусловли­вается присутствием в ней растворенного кислорода. При атмосферной корро­зии электролитом служит тонкая пленка влаги, сам же процесс ничем не отли­чается от коррозии в воде.

В результате коррозии стали на ее поверхности появляется смесь раз­личных гидратированных оксидов железа, имеющих состав пРеО • рН₂0 + + тРе₂0з • цН₂0 (ржавчина).

Активному протеканию процесса коррозии способствуют углекис­лый и в особенности сернистый газ, хлористый водород, различные соли.

Защиту от коррозии следует начинать с правильного подбора хими­ческого состава и структуры металла. При конструировании необходимо избегать форм, способствующих задержке влаги.

Для защиты металла от коррозии применяют различные способы. Легирование стали повышает ее антикоррозионные свойства. Например, совершенную стойкость к атмосферной коррозии показывают нержавею­щие легированные стали, содержащие в большом количестве хром (более 12 %), который, образуя на поверхности оксидные пленки, приводит сталь в пассивное состояние (хромистые стали марок 08X13).

Стойкость к коррозии хромистых сталей повышается при введении в их состав никеля. Поэтому различают нержавеющие стали хромистые и никелевые. Например, хромистые стали марок 08X13, 12X17, 15Х25Т хо­рошо свариваются, пластичны и потому широко используются в промыш­ленности, технологичны и хромоникелевые сплавы марок 17Х18Н9, 12Х18Н10Ти др.

Существенно (в 1.5...3 раза) повышается коррозионная стойкость строительных сталей при введении в их состав меди (0,2...0,5 %). Повы­шенной стойкости нержавеющих сталей против коррозии способствуют также их однородность и небольшое содержание вредных примесей.

Для защиты металла от коррозии на его поверхности создают пле­ночные покрытия:

• металлические (анодное или катодное) путем оксидирования, фосфатирования, плакирования или металлизации;

• лакокрасочные.

Для анодного покрытия используют металлы, обладающие большим отрицательным электродным потенциалом, чем основной металл (напри­мер, цинк, хром). Для катодного покрытия выбирают металлы, имеющие меньшее отрицательное значение электродного потенциала, чем основной металл (медь, олово, свинец, никель и др.). Металлические покрытия нано­сят горячим методом, гальваническим и металлизацией.

При горячем методе покрытия изделия погружают в ванну с рас­плавленным защитным металлом (цинк, олово, свинец), с соответствую­щей температурой плавления изделия.

Гальванический метод защиты состоит в том, что на поверхности изделия путем электролитического осаждения из растворов солей образу­ется тонкий слой защищаемого металла. Покрываемое изделие при этом служит катодом, а осаждаемый металл - анодом.

Металлизация - покрытие поверхности детали расплавленным ме­таллом, распыленным при помощи сжатого воздуха. Преимуществом этого метода защиты металла является то, что покрывать расплавом можно уже собранные конструкции. Недостаток заключается в том, что поверхность получается шероховатой.

Металлические покрытия можно наносить также посредством диф­фузии металла покрытия в основной металл (алитирование, силицирова- ние, хромирование), а также способом плакирования, т. е. наложения на ос­новной металл тонкого слоя защитного металла (биметалл) и закрепления его путем горячей прокатки (например, железо - медный сплав, дюралю­миний - чистый алюминий).

Оксидирование — защита оксидными пленками. Для этого естествен­ную оксидную пленку, всегда имеющуюся на металле, делают более проч­ной путем обработки сильным окислителем, например концентрированной азотной кислотой, растворами марганцевой или хромовой кислот и их со­лей. Частным случаем оксидирования является воронение стали. В этом случае на поверхности также создается оксидная пленка, но более слож­ными приемами, связанными с многократной термической обработкой при температуре 300.. .400 °С с использованием древесного угля.

Фосфатирование состоит в получении на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца в результате погру­жения металла в горячие растворы кислых фосфатов железа или марганца.

Лакокрасочные покрытия (пленка из различных красок и лаков) спо­собствуют механической защите металла. К примеру, ванны, раковины, декоративные изделия для защиты от коррозии покрывают эмалью, т. е.

наплавляют на металл при температуре 750...800 °С различные комбина­ции силикатов.

Для временной защиты металлических изделий от коррозии (при транспортировании, складировании) для покрытия металла используют невысыхающие масла (технический вазелин, лак этиноль), а также ингиби­торы, т. е. вещества, замедляющие реакции (нитрит натрия с углекислым аммонием, с уротропином, ингибиторную бумагу и др.).

Для защиты от коррозии подводных частей кораблей и гидросамоле­тов применяют протекторную защиту металлов. Суть метода состоит в следующем: к защищаемому изделию прикрепляют металлические пла­стины, которые в гальванической паре являются анодами. Анод разруша­ется, а катод - основной металл конструкции - сохраняется. Такой метод защиты называется протекторным.

Библиографический список

1. ГОСТ 19281-89. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия. - [Б. г.: б. и.], 2009.

2. ГОСТ 6713-91 Прокат низколегированный конструкционный для мостостроения. Технические условия. — [Б. г.: б. и.], 1992.

3. ГОСТ 10884-94. Сталь арматурная термомеханически упрочнен­ная для железобетонных конструкций. — [Б. г.: б. и.], 1985.

4. СНиП 2.05.03-84.Строительные нормы и правила. Мосты и тру­бы.-М. : Стройиздат, 1985.

5. Арзамасов В. Б. Материаловедение и технология конструкционных ма­териалов: учебник для вузов / В. Б. Арзамасов, А. Н. Волочков, А. А. Черепа- хин. - М : Академия, 2007. - 448 с.

6. Горчаков Г. И. Строительные материалы: учебник для вузов / Г. И. Горчаков, Ю. М. Баженов. — М. : Стройиздат, 1986. - 688 с.

7.Домокеев А. Г. Строительные материалы: учебник для вузов / А. Г. До- мокеев. — М.: Высшая школа, 1989. — 485 с.

8. Комохов П. Г. Арматурные стали для железобетонных конструк­ций: учеб. пособие / П. Г. Комохов, Ю. А. Беленцов. - СПб, : Петербург­ский гос. ун-т путей сообщения, 2008. - 39 с.

9. Комохов П. Г. Конструкционные сплавы, стали и чугуны: учеб. по­собие / П. Г. Комохов, Т. М. Петрова, Н. Н. Шангина. - СПб. : Петербург­ский гос. ун-т путей сообщения, 2005. - 58 с. ¹

10. Лахтин Ю. М. Сеталловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов. - М. : Металлургия, 1983. - 360 с.

11.Мадатян С. А. Арматура железобетонных конструкций / С. А. Мада- тян. - М.: ООО «Воентехлит», 2000.

12. Мамлин Г. А. Производство конструкций стальных мостов / Г. А. Мамлин. -М. : Транспорт, 1994.

13. Фетисов Г. П. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов / Г. П, Фетисов, М. Г. Карпман, В. М. Митюнин. - М. : Высшая школа, 2008. - 877 е.; илл.

14. Яковлева Т. Г. Железнодорожный путь / Т. Г. Яковлева. - М. : Транспорт, 1999.

Содержание

Введение.................................................................................................................... 3

1. Классификация металлов и сплавов............................................................. 4

2. Основы строения металлов и сплавов.......................................................... 5

2.1.Кристаллическое строение металлов................................................. .—

2.2.Строение металлических сплавов........................................................ 10

2.3. Диаграмма состояния двойных сплавов 12

2.4.Методы механических испытаний металлов и сплавов................. 19

3. Сплавы на основе железа.............................................................................. 23

3.1.Основы технологии производства стали и чугуна.............................. -

3.2.Обработка металла давлением.............................................................. 28

3.3. Диаграмма состояния железнодорожных сплавов 33

3.4. Углеродистые стали 38

3.4.1. Классификация углеродистых сталей -

3.4.2. Основы термической обработки стали 44

3.5. Легированные стали 52

3.6. Чугуны 58

4. Применение стали в различных областях строительства.................... 61

4.1. Виды сталей, используемых в строительстве -

4.2.Стали, применяемые в мостостроении................................................ 64

4.3.Стали для верхнего строения пути....................................................... 66

4.4. Арматурные стали для железобетонных конструкций 69

5. Коррозия металлов и методы защиты от нее........................................... 75

Библиографический список 80

Учебное издание

Петрова Татьяна Михайловна, Попова Ольга Сергеевна

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Учебное пособие

Редактор и корректор И. А. Шабранская Компьютерная верстка Л. А. Каратановой

План 2009 г., № 33 Подписано в печать с оригинал-макета 12.03.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Усл. печ. л. 5,2. Тираж 300 экз. Заказ 253.

Петербургский государственный университет путей сообщения. 190031, СПб., Московский пр., 9. Типография ПГУПС. 190031, СПб., Московский пр., 9

Дата добавления: 2014-07-14; просмотров: 562; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!