 |
Легирование металлов. Примеры решения задач
|
|
|
|
Легирование металлов
Легирование металловявляется эффективным методом повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят такие компоненты, которые на поверхности образуют устойчивые оксидные слои, а в растворах сдвигают потенциал легированного металла в положительную сторону. В качестве легирующих добавок применяют Cr, Ni, Al, Ti, Nb, W и др. Эти элементы при высокой температуре окисляются более энергичнее, чем железо, и образуют плотные защитные пленки оксидов (например, NiCr2O4, FeCr2O4), которые более устойчивы, чем просто оксид Cr2O3.
К коррозионно-стойким сплавам относятся нержавеющие стали, в которых легирующими компонентами служат хром, никель, титан и другие металлы. Например, аустенитная нержавеющая сталь должна содержать не менее 18% Cr, 10% Ni, 1, 5 % Тi. Такие стали используются в агрессивных газовых и жидких средах, а также при высоких температурах.
Легирование также применяется с целью снижения скорости электрохимической коррозии с водородной деполяризацией.
Примеры решения задач
Пример 7. 1. Обосновать, по какому механизму (химическому или электрохимическому) протекает коррозия железа, содержащего примеси меди в морской воде. Записать уравнения реакций коррозионного процесса и указать, какие образуются продукты коррозии.
Решение. Наличие примесей меди в железе приводит к возникновению микрогальванопар, а нахождение его в морской воде, являющейся электролитом, способствует коррозии по электрохимическому механизму.
Железо имеет более отрицательное значение стандартного элек-тродного потенциала (Е0Fe2+/Fe=- 0, 44 В), чем медь (Е0 (Cu2+/Cu) = +0, 337 В). Поэтому медь будет выступать в роли катода, а железо, в роли анода и, следовательно, корродировать. Окислителем в морской воде является растворенный кислород.
|
|
|
Записываем схему коррозионного гальванического элемента:
А ( - ) Fe | O2, H2O | Cu ( + ) К.
Реакции, протекающие при коррозии:
на аноде: Fe – 2e = Fe2+
на катоде (Cu): 2 H2O + O2 + 4e = 4 OH–
2Fe + 2H2O + O2 = 2Fe(OH)2
Продуктами коррозии с кислородной деполяризацией являются оксиды и гидроксиды. В данном случае образуется гидроксид железа (II), которой вследствие вторичных процессов с течением времени преобразуется в ржавчину FeO· Fe2О3 · nH2O.
Пример 7. 2. Марганец в контакте с оловом находится в растворе серной кислоты. Какой металл будет корродировать и какие при этом образуются продукты? Составить схему коррозионного гальванического элемента и записать реакции, протекающие при коррозии.
Решение. Контакт двух металлов приводит к образованию макрогальванопары. Исходя из значений стандартных электродных потенциалов: (Е0(Mn2+/Mn) = -0, 913 В, Е0(Sn2+/Sn) = -0, 136 В), определяем, что более активным является марганец, т. е. он будет выступать в роли анода, а олово – в роли катода. Схема гальванического элемента:
А ( - ) Mn | H2SO4| Sn ( + ) К.
Коррозия в кислой среде (H2SO4) протекает с водородной деполяризацией. Реакции, протекающие на электродах:
А (-): Mn - 2e = Mn 2+
К (+): 2Н+ + 2е = Н2
Mn +2H+ = Mn 2+ + H2
Продуктами коррозии с водородной деполяризацией являются соли корродирующего металла: в конкретном случае - MnSO4.
Пример 7. 3. Две железные пластины, одна из которых содержит примеси никеля, находятся в кислой среде (например, HCl). В каком случае скорость коррозии железа будет выше?
Решение. Коррозия железа в кислой среде протекает с водородной деполяризацией. Процессы, протекающие при коррозии:
|
|
|
Fe – 2ē 
Fe2+
2Н+ + 2ē → Н2
Fe + 2Н+ = Fe2+ +Н2
Восстановление ионов Н+ на железе происходит с перенапряжением h= -0, 7 В.
В случае железа, содержащего примеси никеля, имеются участки с разными потенциалами, т. е. возникают микрогальванопары Fe│ H+│ Ni. Сравнивая потенциалы железа и никеля (Е0Fe2+/Fe= -0, 44В, Е0Ni2+/Ni=-0, 25В), определяем, что никель является катодом, а железо – анодом. Процессы, протекающие на электродах при коррозии, можно записать следующим образом:
А: Fe – 2ē Fe2+
К: 2Н+ + 2ē → Н2
Fe + 2Н+ = Fe2+ +Н2
Протекающие реакции аналогичны процессам в первом случае, но восстановление водорода происходит на никеле с перенапряжением
h = -0, 63 В.
Скорость коррозии в целом определяется скоростью катодной реакции. Перенапряжение восстановления ионов Н+ на никеле меньше, следовательно, восстановление ионов Н+ на никеле протекает легче. Таким образом, скорость коррозии железа, содержащего примеси никеля, выше.
Пример 7. 4. В морской воде находятся две пластины из кадмия, одна из которых частично покрыта оловом. В каком случае кадмий будет корродировать с большей скоростью?
Решение. Коррозия кадмия в морской воде протекает с кислородной деполяризацией. Процессы, протекающие при коррозии:
Cd – 2ē 
Cd2+ ∙ 2
O2 + 2H2O + 4ē 4OH-
2 Cd + O2 + 2H2O = 2 Cd(OH)2
Восстановление кислорода на кадмии происходит с перенапряжением h=0, 45 В.
В контакте кадмия с оловом возникает гальванопара. Сравнивая потенциалы кадмия и олова (Е0Cd2+/Fe= -0, 403В, Е0Sn2+/Sn=-0, 136В), определяем, что олово является катодом, а кадмий – анодом:
Cd|O2, H2O│ Sn.
Процессы, протекающие при коррозии, аналогичны процессам в первом случае:
А: Cd – 2ē Cd2+ ∙ 2
К: O2 + 2H2O + 4ē 4OH-
2 Cd + O2 + 2H2O = 2 Cd(OH)2,
с той разницей, что восстановление кислорода происходит на олове с перенапряжением h=1, 21 В.
Катодный процесс в обоих случаях является самым медленным и определяет скорость всего коррозионного процесса в целом. Перенапряжение восстановления кислорода на олове больше, следовательно, восстановление кислорода на олове протекает с затруднением. Таким образом, коррозия кадмия в контакте с оловом будет происходить с меньшей скоростью.
|
|
|
|
|
|
