Механизм химической коррозии и окисления металлов

Глава 2 ТЕОРИЯ ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ

Механизм химической коррозии и окисления металлов

Химический механизм протекания коррозии характерен для разрушения металлов при соприкосновении их с сухими газами при высоких температурах или с неэлектролитами. При этом окислительно-восстановительная реакция протекает в одном акте в отличие от электрохимической коррозии, когда сопряженные окислительная и восстановительная реакции происходят раздельно, иногда даже пространственно раздельно.

Теория химической коррозии рассматривает взаимодействие металлов с газами и, прежде всего, с кислородом при высоких температурах. Такой процесс называется газовой коррозией. Она возможна при операциях металлургического производства, при термической обработке металлов, при работе деталей и конструкций в турбореактивных и реактивных двигателях, в энергетических установках и др.

Первая теория в области окисления металлов создана на основании работ Ломоносова М. В. и Лавуазье. О том, что кислород способен при взаимодействии с металлом образовывать пленку из оксида металла, защищающую его от дальнейшего окисления, впервые бы

ло предположено Фарадеем (в 1836 г.).

Способностью металлов сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах называются жаростойкостью. Другая важная характеристика поведения металлов в условиях высоких температур – жаропрочность; она определяет способность материала сохранять в этих условиях высокие механические свойства. Металл может быть жаростоек, но не жаропрочен или наоборот. Так, например, алюминиевые сплавы жаростойкие, но не жаропрочные при температурах 400 – 450 ⁰С, быстрорежущая сталь Р18 при 600 – 700 ⁰С жаропрочна, но не жаростойка. Достаточно эффективное сочетание жаростойкости и жаропрочности достигается в сплавах системы Ni – Cr.

Взаимодействие металла с кислородом протекает по уравнению

(2.1)

Константу равновесия этой реакции можно выразить через равновесное значение давления кислорода , называемое упругостью диссоциации оксида:

(2.2)

При протекании реакции окисления (2.1) массы металла и кислорода будут убывать, а масса оксида – возрастать. Стандартное изменение энергии Гиббса связано с константой равновесия реакции зависимостью

(2.3)

Для любой реакции не находящейся в равновесии

Используя выражение (2.3) окончательно имеем

(2.4)

Последнее уравнение позволяет оценить возможность протекания процесса окисления. Если > , то процесс окисления возможен, ибо в этих условиях ΔG < 0. Если < то окисление невозможно, так как при этом ΔG > 0.

Упругость диссоциации оксида растет с повышением температуры. Поэтому, несмотря на то, что повышение температуры ускоряет химическую реакцию окисления, термодинамическая вероятность процесса снижается. Поэтому в обычной атмосфере, когда парциальное давление кислорода составляет примерно 20 кПа, при температуре более 400 ⁰К серебро становиться неокисляемым металлом. Тоже самое происходит с медью при температуре выше 2000 ⁰К и никелем при температуре более 2400 ⁰К. Если же снизить парциальное давление кислорода, то не будут окисляться и такие металлы как железо, никель, цинк.

Дата добавления: 2015-07-08