Окисление металла при нагреве

Обновлено: 07.07.2024

Алюминий имеет отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (–1,66 В), а магний, его важный легирующий элемент, имеет даже более низкий потенциал (–2,38 В). Поэтому, как и большинство других металлов, алюминий встречается в природе только как очень стабильный оксид. Химически это означает наиболее стабильное состояние на самом низком энергетическом уровне. При электролизе металл вынуждают отделиться от кислорода путем подъема его энергетического потенциала. При контакте с кислородом алюминий стремится вернуться к более низкому энергетическому уровню в виде оксида алюминия. Из-за его высокого сродства к кислороду эта реакция происходит мгновенно.

Защита алюминия от коррозии

Алюминий и его сплавы отличаются отличной устойчивостью к разрушениям различного характера. Однако, несмотря на это — коррозия алюминия представляет собой не такое уж и редкое явление. Различные формы коррозии представляют собой основную причину порчи этих материалов. Для борьбы с разрушительными процессами необходимо обязательно понимать факторы, которые являются причиной их появления.

Коррозия алюминия представляет собой реакцию, которая имеет место между металлом и окружающей средой. Этот процесс может иметь как естественное, так и химическое происхождение. Самой распространенной формой разрушения металла можно назвать появление на его поверхности процессов ржавления.

Особенностью всех видов металлов можно назвать их свойство вступать в реакцию с водой и окружающей средой. Отличием для каждого вида металла считается только интенсивность данного процесса. К примеру, у благородных металлов типа золота скорость такой реакции не будет слишком быстрой, а вот железо, в том числе и алюминий, будут реагировать на воздействия такого характера достаточно быстро.

Можно выделить два фактора, которые оказывают непосредственное влияние на интенсивность протекания процесса коррозии. Одним из них можно назвать степень агрессивности окружающей среды, а вторым металлургическую или химическую структуру. Атмосфере, которая нас окружает, всегда характерен определенный уровень влажности. Кроме того, ей характерен определенный уровень загрязнений и отходов.

Если учесть, что свойства атмосферы часто определяются регионом и степенью индустриализации, на сегодняшний день можно выделить:

сельская местность (малая степень загрязнений и средний уровень влажности);
приморские области (средняя степень загрязнений и высокий уровень влажности);
городская местность (средний уровень влажности и средний уровень продуктов распадов жидкого топлива, серы и окислов углерода);
промышленные и индустриальные зоны (большое количество серы, окислов углеродов и кислот, а также средний уровень влажности)

Для большинства случаев, кислоты неорганического типа, даже при низкой концентрации смогут растворить алюминий. И даже натуральная пленка оксида алюминия не сможет стать достаточной защитой от возникновения коррозийных процессов.

Самыми мощными растворителями можно назвать фтор, калий и натрий. Кроме того, алюминию характерна довольно низкая сопротивляемость к соединениям хлора и брома. Весьма агрессивны к различным сплавам алюминиевых металлов, являются известковые и цементные растворы.

Можно выделить несколько разновидностей проявления коррозии алюминия и его сплавов:

Поверхностная. Данный тип разрушения встречается чаще всего и является наименее вредоносным. Его легче всего заметить на поверхности. Это дает возможность своевременно использовать предохранительные средства. Поверхностные разрушения очень часто встречаются на анодированных профилях для строительства.
Локальная. Такие разрушения проявляются в виде форм, углублений и пятен. Такой тип коррозии бывает поверхностного и междукристаллического типа. Разрушения такого характера являются особенно опасными, по причине того, что их достаточно сложно обнаружить. Такая коррозия очень часто разрушает именно труднодоступные части конструкций и узлов.
Нитеподобная или филигранная. Этот вид разрушения алюминия часто появляется под покрытиями органического типа, а также на граничных поверхностях обработки. Нитеподобная коррозия появляется в ослабленных местах повреждения органического покрытия или краях отверстий;

Толщина оксидной пленки на твердом алюминии

Толщина естественной оксидной пленки довольно тонкая – от 1 до 3 нм в зависимости от сплава и температуре образования оксида (до 300 °С). На рисунке 1 показано постепенное увеличение толщины оксидной пленки на чистом алюминии при ее образовании при температуре от комнатной до 400-500 °С. Затем происходит разрыв в скорости окисления и резкое увеличение толщины оксидной пленки до 20 нм. Причиной этого считается переход от аморфной структуры оксида алюминия к его кристаллической структуре. Именно поэтому при сушке измельченного алюминиевого лома и обжиге с него органических покрытий его не нагревают выше 400 °, чтобы избежать чрезмерного окисления.

В твердом состоянии алюминия оксид алюминия играет положительную роль, так как оксидная пленка имеет форму γ-Al2O3 и толщину несколько нанометров. Она надежно изолирует поверхность алюминия и останавливает дальнейшее окисление. При постоянной температуре толщина оксидной пленки растет сначала очень быстро, но затем скорость роста замедляется и сводится практически к нулю.

Коррозия алюминия на воздухе (атмосферная коррозия алюминия)

Алюминий при взаимодействии с воздухом переходит в пассивное состояние. При соприкосновении чистого металла с воздухом на поверхности алюминия мгновенно появляется тонкая защитная пленка оксида алюминия. Далее рост пленки замедляется. Формула оксида алюминия – Al2O3 либо Al2O3•H2O.

Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:

Толщина этой оксидной пленки составляет от 5 до 100 нм (в зависимости от условий эксплуатации). Оксид алюминия обладает хорошим сцеплением с поверхностью, удовлетворяет условию сплошности оксидных пленок. При хранении на складе, толщина оксида алюминия на поверхности металла составляет около 0,01 – 0,02 мкм. При взаимодействии с сухим кислородом – 0,02 – 0,04 мкм. При термической обработке алюминия толщина оксидной пленки может достигать 0,1 мкм.

Окисление алюминиевой стружки

С особенностью роста оксидной пленки, которая показана на рисунке 1, связан интересный феномен. Он происходит при хранении алюминиевых отходов в виде стружки. Этот вид алюминиевого лома возникает при механической обработке алюминия и поступает на переплав в основном в виде токарной и сверлильной стружки. Эта стружка имеет после механической обработке свежую, чистую поверхность, которая сразу же начинает окисляться. Так как стружка перед переплавом хранится в прессованных пакетах, то, казалось бы, окисляться должен только наружный их слой, а внутренние слои пакета сохраняться без окисления. Однако по изменению веса пакета было установлено, что окисление его в целом продолжается в течение длительного времени. Причина этого в том, что в пакете есть щели и полости, через которые воздух медленно, но уверено проникает во внутренние его слои. Большинство отдельных стружек очень тонкие, и оксидный слой, хотя и еще более тонкий, дает значительную долю в общем весе пакета. Поэтому при длительном хранении стружки потери металла возникают просто ниоткуда. Вывод из этого может быть только один – стружку необходимо переплавлять немедленно после ее поступления.

Чистка в домашних условиях

Чтобы вернуть алюминиевой посуде первозданный вид, требуется немало времени, проводить процедуры очистки следует осторожно, чтобы не повредить поверхность изделия. Для чистки алюминиевых кастрюль в домашних условиях чаще всего используют подручные средства:

Отмыть изделия из алюминия от нагара молока или от пригоревшего варенья можно с помощью активированного угля. Несколько таблеток измельчают и засыпают на дно кастрюли, по истечении получаса в емкость наливают холодную воду и оставляют еще на полчаса. После процедуры кастрюлю вымывают с помощью моющего средства.
Известковый налет, который образуется на стенках алюминиевой посуды, можно удалить с помощью лимонной кислоты. В емкость наливают воду и дают ей закипеть, затем добавляют несколько столовых ложек лимонной кислоты и кипятят еще около 10 минут, после того как кастрюля остынет, ее промывают средством для мытья посуды.
Свежие загрязнения с алюминиевой кастрюли можно убрать с помощью свежего лука. Несколько очищенных луковиц кладут в емкость, заливают водой и кипятят в течение получаса.
С остатками пригоревшей пищи справляется поваренная соль. Ее разбавляют небольшим количеством воды и полученной кашицей отмывают пригоревшую кастрюлю.
От жира очистить кастрюлю поможет горчичный порошок, его насыпают на губку и натирают им поверхность изделия.

Чистка от нагара

Нагар, который образуется во время эксплуатации, не только портит внешний вид алюминиевой посуды, но и делает ее непригодной для дальнейшего использования. Очистить алюминиевую кастрюлю можно следующими способами:

1. Дно алюминиевой емкости можно очистить с помощью зубной пасты. Поверхность изделия необходимо смочить и нанести на него густой слой пасты на 10 часов. После процедуры кастрюлю следует тщательно вымыть.
2. Уксус быстро удаляет сильный нагар с поверхности металла и полирует изделие. В емкость заливают один литр воды и добавляют одну столовую ложку уксуса, затем кастрюлю ставят на огонь и кипятят около получаса.
3. Кислые яблоки эффективно справляются с нагаром как снаружи, так и внутри, фрукт разрезают напополам и натирают поверхность алюминиевого изделия.
4. Силикатный клей. Его необходимо смешать с хозяйственным мылом и водой, поместить в алюминиевую емкость и включить слабый огонь. Когда нагар отойдет, смесь выливают, а остывшую кастрюлю тщательно вымывают. С помощью клея можно быстро и эффективно избавиться от нагара.
5. Перекись водорода и сода. Эти компоненты следует смешать с жидкостью для мытья посуды, нанести на поверхность изделия и хорошенько потереть жесткой стороной губки.

Кастрюли из алюминия очень удобны в использовании и не так капризны в уходе, как аналоги из других материалов. Несмотря на доступность таких изделий, нужно знать, как очистить алюминиевую кастрюлю, чтобы любимая посуда смогла прослужить максимально долго. Прежде, чем попытаться оттереть предмет до блеска с помощью абразивных средств, жестких губок или наждачной бумаги, следует изучить правила обращения с такими предметами. Существует немало менее опасных, но при этом очень эффективных методов восстановления посуды из алюминия в домашних условиях.

Удельная поверхность алюминиевого лома

Потеря алюминия из-за его окисления при переплаве в печи какой-нибудь загрузки лома пропорциональна удельной площади этого лома. Удельная площадь выражается соотношением

где m – общая масса партии лома, A – общая площадь поверхности всех кусочков лома, составляющих эту загрузку.

Удельная площадь поверхности алюминиевых отходов является критическим параметром. Ее величина увеличивается с уменьшением размеров частиц лома. Так, у куба со стороной 10 см площадь поверхности равна 600 кв. см, а у эквивалентных по массе 1000 кубиков со стороной 1 см – в 10 раз больше. Поэтому скорость окисления этих кубиков будет в 10 раз больше, чем большого куба.

Зависимость интенсивности окисления жидкого алюминия от температуры

С ростом температуры расплава скорость окисления алюминия возрастает. Она довольно медленно возрастает вплоть до интервала температуры от 760 до 780 °С, а затем следует резкое увеличение скорости окисления, как это показано на рисунке 2. Нагрев алюминиевого расплава выше этих температур приводит к повышенным потерям алюминия от его окисления. Эти потери часто называют «угар алюминия

Чем очистить алюминий от продуктов коррозии и окиси

Давайте посмотрим, как убирать коррозию, окисления, нагар, налет и прочие загрязнения:

Для борьбы с темными пятнами пойдет кислое молоко, кефир, а также рассол. Любым из этих средств заливают дно и оставляют на 12 часов. Затем нужно обильно промыть изделие под проточной холодной водой. Далее все потемнения отмоются обычной тряпкой.

Нагар хорошо убирает кислое яблоко, можно использовать и лимон. Для этого его разрезают пополам и трут половиной поверхность, которую нужно очистить. За счет воздействия кислот нагар можно очень быстро удалить.

Удалять окись можно с помощью соли и теплой воды. Раствор готовят в одинаковых пропорциях. Температура воды может быть любой, самое главное, чтобы соль в ней полностью растворилась. Далее при помощи этого раствора и губки можно очищать поверхность.

Уксус – эффективное средство

Данный метод ухода за алюминиевой посудой и изделиями достаточно простой и эффективный. Нужно взять уксус или уксусную эссенцию. В жидкости смачивают салфетки и очищают загрязненный участок. Уксус легко уберет окиси разной сложности.

Если грязь не поддается, то обрабатываете деталь в кипящем уксусе. Жидкость доводят до кипения, а затем остужают. Когда уксус остынет, то можно заняться очисткой обрабатываемой детали. Если загрязнение сильное, то изделие кипятят в уксусе.

Сода и клей против застарелых окислов

Чистить окислы и нагар можно при помощи этих веществ. В домашних условиях можно приготовить очень сильное средство, которое не только сделает алюминиевую деталь чистой, но и придаст ей новый вид. В емкость наливают горячую воду, а затем в нее добавляют пищевую соду и клей. Ингредиенты берут в следующих пропорциях – на 10 л воды нужно 100 г соды и 100 г канцелярского клея. Все компоненты нужно тщательно перемешать.

Также нужен небольшой брусок обычного мыла, натрите его на терке и добавьте в воду с клеем и содой. Обрабатываемую деталь кладут в готовый раствор на 2-3 час. Затем, когда пройдет время, нужно промыть изделие в воде и насухо вытереть салфетками. Этот способ позволит удалить окисную плёнку.

Что происходит с металлом при нагреве

Многие металлы и сплавы, нагретые до высокой температуры, становятся пластичными. Железо, сталь, медь, алюминий, магний, латунь, алюминиево-железистая бронза, дюралюмин и некоторые другие металлы и сплавы при нагревании приобретают способность коваться и изменять свою форму без разрушения. Другие металлы и сплавы, например, серый чугун, оловянистая бронза, цинковые сплавы в нагретом состоянии не приобретают способности деформироваться, при ударах и сдавливании становятся хрупкими и разрушаются. Для железа и стали обычно чем выше температура нагрева, тем выше пластичность. Так, например, для стали, нагретой до. 950°, усилие при ковке потребуется в 2,2 раза больше, чем для стали, нагретой до 1200°, а для стали, нагретой до 700°, усилие потребуется в 4,5 раза больше.
Между прочим, улучшение пластичности относится к температурам нагрева выше 600°, т. е. когда в стали начнут происходить внутренние превращения, о чем подробно будет сказано позднее. При нагреве же от комнатной температуры, т. е. от 15° до 600° прочность стали изменяется не одинаково, а именно: до температуры 300° предел прочности углеродистой стали на растяжение увеличивается и только при нагреве выше 300° он начинает уменьшаться. Ho, получая при температуре около 300° повышенный предел прочности, сталь при этих температурах становится хрупкой и приобретает, как говорят, синеломкость.
При температуре, близкой к 600°, предел прочности стали уменьшается очень резко. Так, если взять обычную углеродистую сталь марки 45, то предел ее прочности падает с 60 кг/мм2 при 15° до 25 кг/мм2 при 600°, т. е. больше чем в два раза. При температурах выше 600° уменьшение предела прочности идет медленнее, но все же очень значительно. Так, при температуре 700° сталь марки 45 имеет предел прочности 15 кг/мм2; при 1000°—5,5 кг/мм2; при 1200° — 2,5 кг/мм2; при 1300° — 2,0 кг/мм2. Таким образом, прочность стали, нагретой до температуры 1200—1300°, по сравнению с холодной сталью уменьшается примерно в 25—30 раз.
При нагреве цветных металлов и сплавов наблюдается сходная картина. Разница лишь только в том, что поскольку они имеют температуру плавления более низкую, чем сталь, то все критические температуры их смещаются вниз. Например, при нагреве до 800° прочность меди уменьшается в 6—7 раз, прочность алюминия при нагреве до 600° уменьшается в 30—35 раз.
Таким образом, нагретые металлы становятся в 25—35 раз менее прочными. Следовательно, в нагретом состоянии они требуют примерно во столько же раз меньше усилий и расхода энергии для их деформации.
Если сталь нагревать еще дальше, т. е. до еще более высокой температуры — выше 1300°, то зерна становятся очень крупными и может начаться их быстрое оплавление. Этому часто препятствует сама печь, которая не может дать температуры, необходимой для расплавления стали — более 1400° Когда зерна или кристаллы начинают оплавляться, то в межкристаллическое пространство будет проникать кислород воздуха, образуя там на гранях зерен хрупкую пленку окислов железа. Металл начинает разрушаться вначале на поверхности, а затем разрушения проникают в глубину заготовки. Это и есть пережог стали. Чтобы не допустить пережога, который является неисправимым браком, нужно знать точно, какую наивысшую температуру может дать печь, и следить за тем, чтобы при этой температуре заготовки нагревались в течение только положенного короткого времени.
С изменением структуры изменяются и механические свойства металла. Чем крупнее зерна, тем сталь имеет меньшую прочность и не только за счет собственного металла, а также и за счет меж-кристаллического пространства, в котором расположены различные, менее прочные неметаллические материалы, например, сера и фосфор, которые плавятся при низких температурах. Нагретый металл, с увеличенными кристаллами, легче растянуть, а следовательно, потребуется меньшее усилие и для сжатия.

Окисление металла при нагреве

Железо более, чем многие другие металлы, обладает способностью соединяться с кислородом, который в большом количестве содержится в воздухе. Поэтому на поверхности железных изделий появляется всем известная ржавчина, которая представляет из себя уже не железо, а совсем другое вещество, так называемый гидрат окиси железа, представляющий собой смесь железа с кислородом и водородом.
Особенно интенсивно железо соединяется с кислородом при высокой температуре, т. е. в процессе нагрева заготовок в печи. При этом образуется окалина, и слой ее тем толще, чем выше температура. Так, если мы примем толщину слоя окалины при температуре 900° за единицу, например 0,5 мм, то при 1000° слой окалины будет 1,0 мм — в два раза больше, при 1100° — 1,75 мм, т. е. в три с половиной, а при 1300° — 3,5 мм, т. е. в семь раз больше. Здесь, конечно, имеется в виду нормальная продолжительность нагрева.
Образование окалины обычно называют угаром металла — от слова гореть, сгорать, так как соединение любого вещества с кислородом есть горение. Металл, превращаясь в окалину, фактически сгорает, так как железа в ней содержится не больше 30% (остальное—кислород). Поэтому необходимо вести борьбу с образованием окалины — горением металла, уничтожающим ценный материал — железо.
Угар металла зависит от вида сжигаемого топлива, от способа нагрева и от конструкции печи. Для печей, работающих на мазуте, угар составляет от 2,5 до 4% от веса нагреваемого металла, т. е. на каждую тонну заготовок превращается в окалину от 25 до 40 кг. Окалина, вдавливаясь в тело поковки при ковке и штамповке, оставляет там вмятины. Учитывая это, приходится назначать на размеры поковки увеличенный припуск и превращать часть здорового металла в стружку. Потери металла на увеличенных припусках составляют примерно еще столько же. В масштабе нашей страны все эти потери в сумме выражаются в сотнях тысяч тонн. Вот почему кузнец и нагревальщик должны стремиться так нагревать заготовки, чтобы свести до минимума угар металла.
Для этого существует несколько способов. Одни из них направлены на предотвращение и уменьшение появления окалины, другие на удаление окалины с заготовки и готовой поковки. Чтобы уменьшить угар металла, нужно нагревать его так, чтобы горение топлива в печи происходило без избытка воздуха. Этого добиваются, во-первых, соответствующей регулировкой форсунок или горелок. При регулировке наблюдают за пламенем печи. Если пламя светлое, прозрачное, а при работе на газе — желтоватое, то горение топлива идет с избытком кислорода воздуха, если пламя коптящее, а в газовых печах — голубое, то воздуха недостаточно. Нужно выбрать какое-то среднее положение, так как, например, если работать с недостатком воздуха, то хотя окалины будет меньше, зато температура печи будет невысокая, что скажется на производительности труда. Во-вторых, нужно следить, чтобы в печь попадало поменьше воздуха через окна, щели и другие неплотности в печи. Особенно вреден воздух, подсасывающийся через рабочее окно печи. Он почти не смешивается с печными газами, стелется по поду печи, омывая и окисляя находящийся там металл (фиг. 28). Подсос воздуха, охлаждая металл и подину печи, вызывает, кроме того, неравномерный нагрев заготовок, излишний расход топлива и наросты на подине (окалина, соединившаяся с материалом кирпича).

Кузнецы и нагревальщики не должны допускать неисправностей в дверцах и окнах печи, открывать их при выдаче металла на меньшую высоту. Уменьшить угар металла можно также и путем строгого соблюдения режима нагрева, не допуская чрезмерной и ненужной выдержки заготовок в печи при высоких температурах — выше 900° Если при работе печей на мазуте возможно применить мазут хорошего качества, мало содержащий серы, то это будет способствовать уменьшению акалины, так как присутствие в мазуте серы увеличивает угар.
В настоящее время в технике еще не найдены способы для полного устранения угара металла при нагреве, но известны и широко применяются способы значительного его снижения. Например, при электронагреве угар металла составляет от 0,5 до 1%, т. е. в 5—10 раз меньше. Даже угар металла при газовом нагреве составляет 2—2,5%, т. е. на 25—50% меньше, чем при мазутном. Применение скоростных методов нагрева также способствует уменьшению угара. Все более начинает применяться безокислительный нагрев в печах, наполненных газом, не содержащим кислорода. Применение рекуператоров для подогрева воздуха, идущего к форсункам и к газовым горелкам, также способствует значительному снижению угара, так как повышается температура рабочего пространства печи и ускоряется нагрев заготовок.
Если в цеховых условиях нельзя предотвратить появление окалины, тогда необходимо принять меры к тому, чтобы она не снижала качества готовой поковки образованием вмятин и раковин. Легче всего бороться с окалиной при ковке и штамповке на молотах, ударное действие которых способствует сбиванию окалины. Ее остается только своевременно сдувать сжатым воздухом или паром. При ковке и штамповке на прессах, при штамповке на горизонтально-ковочных и других машинах для удаления окалины с нагретых заготовок приходится применять такие простые средства, как обивку, соскребывание, а также более сложные — гидравлическую очистку в специальных аппаратах водой высокого давления, вибрационную очистку и т. д.
Следует помнить, что окалина всегда быстрее образуется при подогреве заготовок, так как холодный металл имеет окисленную поверхность, предохраняющую его от дальнейшего окисления. По этой же причине при выдаче заготовок из печи не следует торопиться сбивать окалину, так как во время переноса их к молоту или прессу быстро образуется новая пленка окислов. Окалину нужно сбивать непосредственно перед ковкой и штамповкой. До ковки окалину сбивать не следует еще и потому, что она сохраняет тепло и является своего рода «шубой».
Для того чтобы окалина не оставалась на готовой поковке и не изнашивала режущий инструмент при механической обработке, применяют очистку поковок в барабанах, в дробеструйных и дробеметных аппаратах, а также путем травления в кислотах.

Борьба с окисление металла при нагреве

Термин «коррозия» произошёл от латинского «corrodere» – разъедать. Но коррозии подвержены не только металлы. Пластмассы, полимеры, дерево и даже камни также подвержены коррозии.

Коррозия – это результат химического воздействия окружающей среды. В результате коррозии металлы разрушаются самопроизвольно. Конечно, разрушаться металлы могут и под влиянием физического воздействия. Такие процессы называют износом, старением, эрозией.

Несмотря на то, что в промышленности и в быту широко используются полимеры, керамика, стекло, роль металлов в жизнедеятельности человека продолжает оставаться очень важной.

С коррозией металлов мы сталкиваемся очень часто. Ржавое железо – результат коррозии. Нужно сказать, что многие металлы могут подвергаться коррозии. Но ржавеет только железо.

Что же происходит с металлами во время коррозии с точки зрения химии?

Химическая коррозия

Поверхностный слой металла взаимодействует с кислородом воздуха. В результате образуется оксидная плёнка. На поверхностях разных металлов образуются плёнки разной прочности. Так, алюминий и цинк образуют при взаимодействии с кислородом прочную плёнку, которая препятствует дальнейшей коррозии этих металлов. Защитная плёнка алюминия – оксид алюминия Al2O3. Через неё не могут проникать ни кислород, ни вода. Например, в алюминиевом чайнике кипящая вода не действует на металл.

Но некоторые металлы и их соединения образуют рыхлые плёнки. Если отрезать кусочек металлического натрия, то можно увидеть, как на его поверхности появится плёнка, имеющая трещины. Такая плёнка свободно пропустит к поверхности кислород воздуха, пары воды и другие вещества. Коррозия натрия будет продолжаться.

Химическая коррозия – это химическое взаимодействие металла и внешней среды, в результате которой происходит реакция окисления металла и восстановления коррозионной среды.

Но во внешней среде содержатся не только кислород и пары воды. В воздухе встречаются оксиды азота, серы, углерода, а воде могут быть соли и растворённые газы. И процесс коррозии – довольно сложный процесс. Разные металлы корродируют по-разному. Например, бронза покрывается сульфатом меди (CuOH)2SO4, который похож на зелёную паутину.

Коррозия, которая происходит под воздействием электрического тока, не является химической. Её называют электрохимической.

5.2. Коррозия в различных средах

Некоторые коррозионные среды и вызываемые ими разрушения столь характерны, что по названию этих сред классифицируются и протекающие в них коррозионные процессы. Так, выделяют газовую

коррозию, т. е. химическую коррозию под действием горячих газов (при температуре много выше точки росы). Характерны некоторые случаи электрохимической коррозии (преимущественно с катодным восстановлением кислорода) в природных средах:
атмосферная
– в чистом или загрязненном атмосферном воздухе, при влажности, достаточной для образования на поверхности металла пленки электролита (особенно в присутствии агрессивных газов, например или аэрозолей кислот, солей и т. п.);
морская
– под действием морской воды, и
подземная
– в грунтах и почвах.

Коррозия под влиянием дополнительных факторов (воздействий).

Коррозия под напряжением развивается в зоне действия растягивающих или изгибающих механических нагрузок, а также остаточных деформаций или термических напряжений, и как правило ведет к
коррозионному растрескиванию
, которому подвержены например, стальные тросы и пружины в атмосферных условиях, углеродистые и нержавеющие стали в паросиловых установках, высокопрочные титановые сплавы в морской воде и т. д. При знакопеременных нагрузках может проявляться
коррозионная усталость
, выражающаяся в более или менее резком понижении предела усталости металла в присутствии коррозионной среды. Коррозионная эрозия представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.).

Электрическая коррозия (электрокоррозия)

является следствием блуждающих токов. Такие токи возникаю в грунте при функционировании заземленных электрических установок, работающих в режиме постоянного тока (в том числе электротранспорт). При работе таких установок часть электрического тока проходит по грунту и через подземные металлические сооружения, причем на последних появляются участки входа и выхода постоянного тока, т. е. катодные и анодные участки. Анодные участки металлического сооружения (рельсы, сваи и т. п.) и подвергаются коррозии. Сходные разрушения, локализуемые вблизи контакта, может вызывать соприкосновение в электролите двух разнородных металлов, образующих гальванический элемент. В таком случае происходит
контактная коррозия
. В узких зазорах между деталями, а также под отставшим покрытием или наростом, куда протекает электролит, но затруднен доступ кислорода, необходимого для пассивации металла, может развиваться
щелевая коррозия
, при которой растворение металла, в основном, происходит в щели, а катодные реакции частично или полностью протекают рядом с ней, на открытой поверхности.

Принято также выделять биологическую

коррозию (биокоррозию), идущую под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий и других микроорганизмов, и
радиационную коррозию
– при воздействии радиоактивного излучения.

Количественная оценка коррозии.

Скорость общей коррозии оценивается по убыли металла с единицы площади (
К
), например в г/м2×ч, или по скорости проникновения коррозии, т. е. по одностороннему уменьшению толщины нетронутого металла (
П
), например в мм/год.

При подборе материалов, стойких к воздействию различных агрессивных сред в конкретных условиях, пользуются справочными таблицами коррозионной и химической стойкости материалов или проводят лабораторные и натуральные (непосредственно на месте и в условиях будущего применения) коррозионные испытания образцов, а также промышленных узлов и аппаратов.

Почему железо ржавеет

Почему же всё-таки железо ржавеет?

В процессе коррозии металл окисляется и превращается в оксид.

Упрощённое уравнение коррозии железа выглядит так:

4Fe + 3O2 + 2H2О = 2Fe2O3·H2О

2Fe2O3·H2О — гидратированный оксид железа, или гидроксид железа. Это и есть ржавчина.

Как видно из уравнения реакции, ржавчина образуется на поверхности железа, если оно взаимодействует с кислородом в воде или во влажном воздухе. В сухом месте железо не ржавеет. Поверхность ржавчины не защищает железо от дальнейшего воздействия среды, поэтому в конце концов железо полностью превратится в ржавчину. Ржавчиной называют коррозию железа и его сплавов.

Химическая коррозия бывает газовая и коррозия в жидкостях-неэлектролитах.

Коррозия (окисление) стали

Окисление —это химический процесс, при котором два вещества обмениваются электронами. Атомы, которые образуют окисляемое вещество, отдают электроны. Эти электроны забирают атомы вещества-окислителя. Обратный процесс называется восстановлением. Вещество восстанавливается, когда получает электроны.

Сталь, из которой изготовлены автомобильные кузова, детали машин, элементы зданий и коммуникаций, должна быть защищена от окисления (коррозии). Поэтому на стальные панели наносят цинковое и лакокрасочное покрытие.

Свойство вещества отдавать или принимать электроны зависит от его химической формулы.

Определенные металлы, например, железо, склонны отдавать электроны. Поэтому железо окисляется. Некоторые металлы, например, медь, менее склонны к отдаче электронов и делают это только при контакте с сильным окислителем. Отдельные металлы, например, золото, могут отдать электроны только при определенных экстремальных условиях.

Если в контакт вступают два вещества с различной склонностью к окислению, возникает поток электронов между ними.

• Вещество, которое окисляется, называется анодом.

• Вещество, которое восстанавливается, называется катодом.

• Сочетание этих веществ называется гальваническим элементом.

Примером гальванического элемента является аккумуляторная батарея, где существует поток электронов от анода к катоду.

Защита от коррозии

Автомобильные кузова изготавливают преимущественно из склонной к окислению листовой стали.

Поэтому в автомобильном производстве применяют средства долговременной защиты кузовов от коррозии. Достигается оптимальный уровень защиты, который гарантирует работоспособность кузова на весь срок службы автомобиля.

Применяются в производстве два основных пути защиты от коррозии:

Цинк является широко распространенным защитным металлом. Цинку присуща еще большая склонность к окислению, чем стали. Сталь начинает окисляться лишь тогда, когда защитный слой цинка полностью окислился.

Оцинкованный стальной лист очень устойчив против окисления.

Сочетание цинкования с окраской дает оптимальную защиту кузова. Такое сочетание называется дуплекс-системой.

Защита от коррозии обеспечивается окислом цинка, который остается на листовой стали. Поэтому окисление идет значительно медленнее, чем в случае необработанной стали,когда окислы железа покидают основной металл, в результате чего все новые и новые слои металла открываются для окисления. Цинк начинает окисляться раньше, чем железо, но весь процесс идет много медленнее.

Виды химических коррозий

Газовой коррозией называют процесс разрушения поверхности металла под воздействием газов при высокой температуре. Больше всего известна коррозия при воздействии кислорода на металл.

Химическая коррозия металлов и их соединений может происходить в жидкостях-неэлектролитах. Жидкости-неэлектролиты — фенол, бензол, спирты, керосин, нефть, бензин, хлороформ, расплавленная сера, жидкий бром, и другие. Такие жидкости не проводят электрический ток. В чистом виде они не содержат примесей и не реагируют с металлами. Но если в них попадают примеси, то металлы в таких жидкостях начинают подвергаться химической коррозии.

Чтобы защитить металлические конструкции от химической коррозии, на поверхность наносят покрытия, которые обеспечат защиту от воздействия коррозионной среды.

Скорость коррозии металла

Скорость коррозии металла — полезная информация Слово «коррозия» уходит корнями в латинское “corrosion”, что переводится, как разрушать, разъедать. Собственно, эти 2 глагола хорошо передают суть того, что происходит с металлом, внутри которого проходят коррозийные процессы.

Интересные цифры: в год из-за коррозии пропадает 1-1,5% от общего количества металла, накопленного человечеством. Только представьте себе эти тысячи тонн преподающего металла!

Что же такое на самом деле коррозия? Без дремучих формул и высоколобой химии объяснить будет непросто, но попробуем все-таки обойтись человеческим языком. Коррозия – это процесс окисления металла. Возникает он в результате контакта железа с кислородом, растворенным в водной среде. Именно поэтому рекомендуют хранить металлические изделия в сухом месте.

Ржавчина – это окисел. Он образуется внутри капли, которая попала на металл. Именно поэтому вначале прозрачная вода на металле становится красноватой. После того, как капля испарится, образовавшиеся окислы осядут на поверхности металла, образуя красноватый слой ржавчины.

Что интересно, для появления ржавчины необходима вода, а вот уже начавшаяся коррозия может развиваться и в сухом воздухе. Так получается из-за того, что ржавчина притягивает и удерживает содержащуюся в воздухе влагу. Именно поэтому от ржавчины проще защититься, чем бороться с уже возникшей.

Скорость коррозии металла зависит от многих сложных факторов. Например, машина, которая большое количество времени прибывает в движении более стойка к коррозии, чем заброшенная в гараже. Итак, узнав врага в лицо, можно задуматься и о способах борьбы с ним.

Самая мощная методика для борьбы с ржавчиной – это химическая. Рассмотрим 2 направления: использование самодельных кислотных растворов и профессиональных нейтральных уничтожителей коррозии.

Самодельное средство против ржавчины можно получить, смешав 3 части ортофосфорной кислоты с 7-ю частями воды. Как показывают тесты, полученный раствор удаляет рыхлые части ржавчины, но не очищает металл до блеска. К тому же, полученное средство является довольно агрессивным и поэтому представляет опасность для некоторых видов металла.

Специализированное нейтральное средство состоит из экологических ингредиентов, таких как танины, ингибиторы коррозии. Они модифицируют оксиды железа в неактивные соединения и скорость коррозии металла снижается практически до нуля. Тесты показывают, что такие средства действуют намного эффективнее и очищают металл от ржавчины и темного налета почти добела. К тому же вещества, преобразованные из ржавчины, обеспечивают хорошую адгезию покрытий.

Компания Докер Кемикал ГмбХ Рус предлагает большой выбор средств для борьбы с коррозией.

Явления, сопутствующие нагреву металла. Угар металла. Обезуглероживание. Перегрев и пережог.

Обеднение стали углеродом, начинающееся с поверхности. Как правило, наружный слой стали почти полностью обезуглерожен. К этому слою примыкает область с пониженным содержанием углерода. При почти полном отсутствии углерода говорят о полном обезуглероживании, при уменьшенном содержании этого элемента — о частичном обезуглероживании.

Обезуглероживание у края поперечного сечения образца после его разрушения (на поперечном темплете — шлифе) обнаруживается с помощью локального химического анализа и анализа микроструктуры. Структура полностью обезуглероженной зоны представляет собой чистый феррит; Структура переходного слоя характеризуется посте-

пенно уменьшающейся к сердцевине долей феррита.

Причины возникновения.

Взаимодействие углерода, содержащегося в стали, главным образом с кислородом, а также с водородом окружающей среды, причем реакционная способность в системе металл — газ, так же как и диффузия кислорода и водорода, увеличиваются с ростом температуры. Поскольку диффузионный перенос контролируется, кроме того, временем, то и обезуглероживание увеличивается с ростом продолжительности нагрева. Основными причинами являются:

а) обезуглероживающая атмосфера при нагревах стали до температур горячей деформации и при отжиге (в печах без защитной или нейтральной атмосферы);

б) попадание в печь обезуглероживающей атмосферы при отжиге в печах с защитным газом (например, при светлом отжиге холоднодеформированных изделий);

в) недостаточное удаление окалины с поверхности термически обрабатываемых изделий, в частности при отжиге в печах с защитным газом;

г) обезуглероженная поверхность у исходных заготовок.

Предупреждение.

Создание надлежащей атмосферы, определяющей незначительное, обезуглероживание при нагревах исходных заготовок до температур горячей деформации или отжига.

Применение ускоренного нагрева.

Применение нагрева под деформацию или отжиг в защитной атмосфере с соответствующим регулированием ее состава.

Герметичность нагревательных устройств, предотвращающая подсос воздуха при отжиге в защитной атмосфере.

Использование очищенных от окалины полуфабрикатов при их отжиге в печах с защитной атмосферой.

В специальных случаях возможно применение науглероживающей атмосферы.

Использование исходных заготовок с необезуглероженной поверхностью.

Устранение.

В зависимости от типа изделий возможны огневая зачистка, шлифовка, обточка. В редких случаях применяют науглероживающий отжиг.

Примечание.

Обезуглероживание поверхностной зоны уменьшает ее прочность, твердость и соответственно сопротивление деформации и изнашиванию. Поэтому обезуглероживание поверхности особенно нежелательно для инструментальных, подшипниковых и износостойких сталей1.

К обезуглероживанию поверхности склонны практически все стали, содержащие >0,2% С. Необезуглероженную поверхность можно получить только при нагревах в соответствующих защитных атмосферах или при удалении обезуглероженных поверхностных слоев. Однако по экономическим и техническим соображениям это возможно только для ограниченного круга специальных изделий (например, сталей, к которым предъявляются требования повышенной отделки поверхности, тянутой стальной проволоки, горячекатаного стального прутка, предназначенного для волочения).

Поэтому обезуглероживание поверхности рассматривается как дефект только в том случае, если оно превышает допустимую величину. Электротехнические стали (трансформаторная, динамная) для уменьшения ваттных потерь специально для обезуглероживания отжигают в большинстве случаев в атмосфере водорода.

Источник: Атлас дефектов стали. Пер. с нем. М. «Металлургия», 1979.

Обезуглероживание металла

Исходные материалы и их подготовка

Главная / Свободная ковка / Исходные материалы и их подготовка / Обезуглероживание металла

При нагреве металла под ковку, а также при термической обработке вместе с процессом окисления при высокой температуре происходит выгорание углерода (обезуглероживание) из поверхностного слоя заготовки.

Сущность этого явления заключается в том, что от воздействия газов, входящих в состав окислительной печной атмосферы, под слоем окалины на поверхности металла выгорает часть углерода.

Глубина обезуглероженного слоя обычно достигает от 0,5 до 2,0 мм. Часто для сохранения механических свойств стали на поверхности ответственных деталей в поковках предусматривают припуски, со снятием которых при обработке резанием удаляется обезуглероженная часть металла.

Перегрев

Чем дольше остается в печи при высокой температуре заготовка, тем интенсивнее растут зерна, и чрезмерное их увеличение характеризуется явлением, называемым перегревом металла.

Из перегретой стали крупнозернистого строения получаются поковки пониженного качества, на восстановление нормальных механических свойств которых требуются дополнительные затраты.

Величина зерна в перегретой стали в отдельных случаях может быть уменьшена интенсивной ковкой. Структура перегретой стали может быть восстановлена также и соответствующей термической обработкой (отжигом). В случае значительного перегрева стали ее механические свойства сильно ухудшаются.

«Свободная ковка», Я.С. Вишневецкий

Продолжительное пребывание металла в печи при температурах, близких к началу плавления, приводит к оплавлению легкоплавких примесей, находящихся по границам зерен. При этом проникший в межзеренные прослойки кислород образует окисленные соединения примесей и металла, которые разобщают зерна друг от друга. Происходит так называемый пережог металла, при котором связь между отдельными зернами нарушается и появляются глубокие трещины….

Способы безокислительного нагрева

При ковке и штамповке поковок для деталей высокой точности, на поверхности которых не допускается окалина, а также в целях экономии металла применяют различные способы безокислительного нагрева, которые осуществляются в печах открытого пламени, муфельных и электрических. В кузнечных нагревательных печах с защитным газовым слоем на поде нагрев заготовок осуществляют при омывании их газами нейтрального или восстановительного…

Общие сведения о нагреве Для нагрева заготовок под ковку И термическую обработку поковок применяют в основном пламенные печи разных конструкций И размеров, работающие на твердом, жидком и газообразном топливе. Независимо от вида, топливо состоит из горючих и негорючих элементов. Теплотворная способность топлива, обозначаемая Qpн, характеризуется тем количеством тепла, которое выделяется при сгорании единицы объема (для…

Для безокислительного нагрева защитные газы поступают в рабочие камеры и на пол этих печей. В электрических печах сопротивления во время работы на этом режиме защитный газ практически не расходуется. Его подают в рабочее пространство лишь для компенсации расхода от утечек через неплотности затворов и при открывании садочного окна во время загрузки и выдачи заготовок из…

Общие сведения о нагреве (Горение углерода топлива)

Горение углерода топлива может быть полное и неполное. При подаче достаточного количества воздуха к очагу горения углерод топлива сгорает полностью, образуя углекислый газ по реакции: Для полного сгорания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода. В результате полного горения образуется 44 кг углекислого газа и при этом выделяется 97 650 ккал тепла, что можно записать…

Обезуглероживание

Уменьшение концентрации углерода в сталях и сплавах, возникающее при нагреве в окислительных средах, а также в водороде (сухом или влажном). О. стали и сплавов может оказывать как вредное, так и полезное действие. О. стали, происходящее при термической обработке, нагреве под прокатку или ковку, распространяется на большую или меньшую глубину внутрь металла (в зависимости от температуры и продолжительности нагрева) и приводит к ухудшению свойств поверхности готовой продукции и браку. О. — результат различных, часто сложных химических реакций: (C + 1/2O2= CO; С + O2 = CO2; (C + CO2 = 2CO; С + H2O = CO + H2; С + 2H2 = CH4; С + FeO = CO + Fe, начинающихся и протекающих с заметной скоростью при температурах выше 700 °С. О. может быть устранено при нагреве в печах с защитной атмосферой или в вакууме. При использовании открытых печей О. уменьшают, сокращая время пребывания металла при высоких температурах (например, в печах с шагающим подом) или применяя быстрый электроконтактный нагрев металла. Практикуется удаление уже образовавшегося в условиях производства обезуглероженного слоя механическим путём (на шлифовальных станках); находит применение отжиг металла в восстановительных газовых смесях, содержащих природный газ или др. углеводороды, в результате чего поверхность изделий обогащается углеродом (реставрационная Цементация).

О. как разновидность химико-термической обработки (См. Химико-термическая обработка) улучшает свойства металлов и сплавов, в которых углерод является вредной примесью (трансформаторная сталь, нержавеющие стали). Рафинирующее О. осуществляется при нагреве в газовых средах определённого состава, подобранного с таким расчётом, чтобы основной металл не вступал в химические реакции. Трансформаторную сталь отжигают в смесях N2—H2—H2O; отношение концентрации H2 к H2O при этом таково, что железо не окисляется, а углерод образует CO и удаляется. Нержавеющие стали и подобные им сплавы, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, подвергают рафинируюшему отжигу в сухом водороде.

Читайте также: