Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Коррозия железного гвоздя, обернутого яркой медной проволокой, что свидетельствует о катодной защите меди; а раствор индикатор ferroxyl показывает цветные химические признаки двух типов ионов , диффундирующих через влажную агаровую среду

Гальваническая коррозия (также называемая биметаллической коррозией или коррозией разнородных металлов ) - это электрохимический процесс, при котором один металл корродирует предпочтительно, когда он находится в электрическом контакте с другим, в присутствии электролита . Подобная гальваническая реакция используется в первичных элементах для генерирования полезного электрического напряжения для питания портативных устройств.

Обзор [ править ]

Разные металлы и сплавы имеют разные электродные потенциалы , и когда два или более металла входят в контакт в электролите, один металл (который более реактивен ) действует как анод, а другой (который менее реактивен ) как катод . Разница электропотенциалов между реакциями на двух электродах является движущей силой для ускоренной атаки на металл анода, который растворяется в электролите. Это приводит к более быстрой коррозии металла на аноде, чем в противном случае, и подавлению коррозии на катоде. Наличие электролита и электропроводящего пути между металлами очень важно для возникновения гальванической коррозии. Электролит обеспечивает средство для ионного миграция, при которой ионы перемещаются, чтобы предотвратить накопление заряда, которое в противном случае остановило бы реакцию. Если электролит содержит только ионы металлов, которые трудно восстановить (например, Na + , Ca 2+ , K + , Mg 2+ или Zn 2+ ), катодная реакция представляет собой восстановление растворенного H + до H 2 или O. 2 к ОН - . [1] [2] [3] [4]

В некоторых случаях такая реакция поощряется намеренно. Например, недорогие бытовые батареи обычно содержат углеродно-цинковые элементы . Как часть замкнутого контура (путь электронов), цинк внутри элемента будет преимущественно разъедать (путь ионов) как важная часть батареи, вырабатывающей электричество. Другой пример - катодная защита заглубленных или затопленных конструкций, а также резервуаров для хранения горячей воды . В этом случае расходуемые аноды работают как часть гальванической пары, способствуя коррозии анода и одновременно защищая катодный металл.

В других случаях, таких как смешанные металлы в трубопроводах (например, медь, чугун и другие литые металлы), гальваническая коррозия будет способствовать ускоренной коррозии частей системы. В эти системы можно вводить ингибиторы коррозии, такие как нитрит натрия или молибдат натрия, для снижения гальванического потенциала. Однако за применением этих ингибиторов коррозии необходимо внимательно следить. Если применение ингибиторов коррозии увеличивает проводимость воды в системе, потенциал гальванической коррозии может быть значительно увеличен.

Кислотность или щелочность ( pH ) также является важным фактором в биметаллических циркуляционных системах с замкнутым контуром. Если pH и дозы ингибитора коррозии будут неправильными, гальваническая коррозия ускорится. В большинстве систем отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха использование расходуемых анодов и катодов не является вариантом, так как их нужно будет применять в водопроводе системы, и со временем они будут разъедать и выделять частицы, которые могут вызвать потенциальное механическое повреждение циркуляционных насосов. теплообменники и др. [5]

Примеры коррозии [ править ]

Типичным примером гальванической коррозии является оцинкованное железо , лист железа или стали, покрытый цинком. Даже при разрушении защитного цинкового покрытия лежащая под ним сталь не подвергается разрушению . Вместо этого цинк подвергается коррозии, потому что он менее «благороден»; только после того, как он будет израсходован, может произойти ржавление основного металла. Напротив, с обычной жестяной банкой происходит противоположный защитный эффект: поскольку олово более благородно, чем нижележащая сталь, когда оловянное покрытие разрушается, сталь под ним сразу же предпочтительно разрушается.

Статуя Свободы [ править ]

Гальваническая коррозия статуи Свободы
Регулярные проверки показали, что Статуя Свободы пострадала от гальванической коррозии.

Захватывающий пример гальванической коррозии произошло в Статуе Свободы , когда регулярно проверяет техническое обслуживание в 1980 - е годы показали , что коррозия имела место между наружной медной оболочкой и кованого железа опорной конструкции. Хотя проблема ожидались , когда структура была построена Gustave Eiffel , чтобы Фредерик Бартольди дизайн «ы в 1880 - х годах, изолирующий слой из шеллака между двумя металлами не удался в течение долгого времени , и в результате коррозии железных опор. Был проведен обширный ремонт, потребовавший полной разборки статуи и замены оригинальной изоляции на PTFE.. Строение было далеко не небезопасным из-за большого количества незатронутых соединений, но это было расценено как мера предосторожности для сохранения национального символа Соединенных Штатов. [6]

Королевский флот и HMS Alarm [ править ]

В 17 веке [ неопределенный ] Сэмюэл Пепис (тогда занимавший должность секретаря Адмиралтейства ) согласился удалить свинцовую обшивку с кораблей Королевского военно-морского флота Англии, чтобы предотвратить таинственное разрушение их рулей и головок болтов, хотя он признался, что сбит с толку, поскольку Причина, по которой свинец вызвал коррозию. [7]

Проблема повторялась, когда суда были обшиты медью для уменьшения накопления морских водорослей и защиты от корабельных червей . В ходе эксперимента Королевский флот в 1761 году попытался оснастить корпус фрегата HMS Alarm покрытием на 12 унций медью. По возвращении из путешествия в Вест-Индию было обнаружено, что, хотя медь оставалась в прекрасном состоянии и действительно отпугивала корабельного червя, она также во многих местах отделилась от деревянного корпуса из-за того, что железные гвозди, использованные при ее установке, "были найдено растворенное в виде ржавой пасты ». [8]Однако, к удивлению инспекционных групп, некоторые железные гвозди практически не были повреждены. Более внимательный осмотр показал, что водостойкая коричневая бумага, застрявшая под шляпкой гвоздя, непреднамеренно защитила некоторые ногти: «Там, где это покрытие было идеальным, железо было защищено от повреждений». Медная обшивка доставлялась на верфь завернутой в бумагу, которую не всегда удаляли до того, как листы были прибиты к корпусу. Таким образом, в 1763 году Адмиралтейство пришло к выводу, что нельзя допускать прямого контакта железа с медью в морской воде. [9] [10]

Независимость прибрежного боевого корабля ВМС США [ править ]

Сообщалось о серьезной гальванической коррозии последнего ударного прибрежного боевого корабля ВМС США USS Independence, вызванной стальными водометными силовыми установками, прикрепленными к алюминиевому корпусу. Без гальванической развязки между сталью и алюминием алюминиевый корпус действует как анод для нержавеющей стали, что приводит к агрессивной гальванической коррозии. [11]

Коррозия осветительных приборов [ править ]

Основная статья: Big Dig § Осветительные приборы

Неожиданное падение в 2011 году тяжелого осветительного прибора с потолка автомобильного туннеля Big Dig в Бостоне показало, что коррозия ослабила его опору. Неправильное использование алюминия в контакте с нержавеющей сталью вызвало быструю коррозию в присутствии соленой воды. [12] Электрохимическая разность потенциалов между нержавеющей сталью и алюминием находится в диапазоне от 0,5 до 1,0  В, в зависимости от конкретных сплавов, и может вызвать значительную коррозию в течение нескольких месяцев при неблагоприятных условиях. Придется заменить тысячи вышедших из строя фонарей, что оценивается в 54 миллиона долларов. [13]

Ячейка лазаньи [ править ]

« Ячейка лазаньи » случайно образуется, когда соленая влажная пища, такая как лазанья, хранится в стальном противне и покрывается алюминиевой фольгой. Через несколько часов в фольге появляются маленькие дырочки в местах соприкосновения с лазаньей, и поверхность продукта покрывается небольшими пятнами, состоящими из корродированного алюминия. [14]В этом примере соленая пища (лазанья) является электролитом, алюминиевая фольга - анодом, а стальная кастрюля - катодом. Если алюминиевая фольга соприкасается с электролитом только на небольших участках, гальваническая коррозия концентрируется, и коррозия может происходить довольно быстро. Если алюминиевая фольга не использовалась с контейнером из другого металла, реакция, вероятно, была химической. Фольга может разрушиться из-за высоких концентраций соли, уксуса или некоторых других кислотных соединений. Продуктом любой из этих реакций является соль алюминия. Это не вредит пище, но любой осадок может придать ей нежелательный вкус и цвет. [15]

Электролитическая очистка [ править ]

Обычная техника очистки столового серебра путем погружения в воду серебра или стерлингового серебра (или даже просто посеребренных предметов) и куска алюминия (фольга предпочтительнее из-за ее гораздо большей площади поверхности, чем у слитков, хотя, если фольга имеет " поверхность с антипригарным покрытием, ее сначала необходимо удалить стальной ватой) в горячей электролитической ванне (обычно состоящей из воды и бикарбоната натрия.(например, бытовая пищевая сода) является примером гальванической коррозии. Серебро темнеет и корродирует в присутствии переносимых по воздуху молекул серы, а медь в чистом серебре корродирует в различных условиях. Эти слои коррозии можно в значительной степени удалить за счет электрохимического восстановления молекул сульфида серебра: присутствие алюминия (который менее благороден, чем серебро или медь) в ванне с бикарбонатом натрия отделяет атомы серы от сульфида серебра и переносит их на и тем самым разъедает кусок алюминиевой фольги (гораздо более химически активный металл), оставляя после себя элементарное серебро. При этом серебро не теряется. [16]

Предотвращение гальванической коррозии [ править ]

Алюминиевые аноды, установленные на конструкции со стальной рубашкой
Электрощит системы катодной защиты

Есть несколько способов уменьшить и предотвратить эту форму коррозии.

  • Изолируйте два металла друг от друга электрически. Если они не находятся в электрическом контакте, гальванической связи не произойдет. Этого можно достичь, используя непроводящие материалы между металлами с разным электропотенциалом. Трубопровод может быть изолирован катушкой из пластмассы или металлического материала с внутренним покрытием или футеровкой. Важно, чтобы катушка была достаточной длины для эффективной работы. По соображениям безопасности этого не следует предпринимать, если система электрического заземления использует трубопровод для заземления или имеет эквипотенциальное соединение .
  • Металлические лодки, подключенные к береговой линии электропитания, обычно должны иметь корпус, заземленный по соображениям безопасности. Однако конец этого заземляющего соединения, скорее всего, будет медным стержнем, закопанным в гавани, в результате чего получится стально-медная «батарея» примерно 0,5 В. В таких случаях необходимо использовать гальванический изолятор, обычно два полупроводниковых диода. последовательно, параллельно с двумя диодами, проводящими в противоположном направлении (антипараллельно). Это предотвращает возникновение тока, пока приложенное напряжение меньше 1,4 В (т. Е. 0,7 В на диод), но допускает полный ток в случае электрического повреждения. По-прежнему будет происходить очень незначительная утечка тока через диоды, что может привести к более быстрой коррозии, чем обычно.
  • Убедитесь, что нет контакта с электролитом. Это можно сделать с помощью водоотталкивающих составов, таких как смазки, или путем покрытия металлов непроницаемым защитным слоем, например подходящей краской, лаком или пластиком. Если невозможно покрыть оба покрытия, покрытие следует наносить на более благородный материал с более высоким потенциалом. Это рекомендуется, потому что, если покрытие наносится только на более активный материал, в случае повреждения покрытия будет большая площадь катода и очень маленькая площадь анода, а для открытой анодной области скорость коррозии будет соответственно высокой. .
  • Использование антиоксидантной пасты полезно для предотвращения коррозии между электрическими соединениями меди и алюминия. Паста состоит из металла более низкого благородства, чем алюминий или медь.
  • Выбирайте металлы с аналогичным электропотенциалом. Чем точнее согласованы отдельные потенциалы, тем меньше разность потенциалов и, следовательно, меньше гальванический ток. Использование одного и того же металла для всей конструкции - самый простой способ согласования потенциалов.
  • Также может помочь гальваника или другое покрытие. Это имеет тенденцию использовать больше благородных металлов, которые лучше сопротивляются коррозии. Можно использовать хром , никель , серебро и золото . Гальванический с цинком защищает основной металл стал жертвенным анодным действием.
  • В катодной защите используется один или несколько расходуемых анодов, изготовленных из металла, который более активен, чем защищаемый металл. Сплавы металлов, обычно используемые для протекторных анодов, включают цинк, магний и алюминий . Такой подход является обычным для водонагревателей и многих заглубленных или погруженных в воду металлических конструкций.
  • Катодная защита также может быть применена путем подключения источника питания постоянного тока (DC) для противодействия коррозионному гальваническому току. (См. Раздел " Катодная защита" § Нажимаемый ток CP .)

Гальваническая серия [ править ]

Лестница для кабеля из гальванизированной мягкой стали с коррозией вокруг болтов из нержавеющей стали

Все металлы можно разделить на гальваническую группу, представляющую электрический потенциал, который они развивают в данном электролите относительно стандартного электрода сравнения. Взаимное расположение двух металлов в такой серии дает хорошее представление о том, какой металл с большей вероятностью подвергнется коррозии быстрее. Однако другие факторы, такие как аэрация воды и скорость потока, могут заметно влиять на скорость процесса.

Анодный указатель [ править ]

Жертвенный анод для защиты лодки

Совместимость двух разных металлов можно предсказать, учитывая их анодный индекс. Этот параметр является мерой электрохимического напряжения, которое возникает между металлом и золотом. Чтобы найти относительное напряжение пары металлов, достаточно вычесть их анодные индексы. [17]

Для уменьшения гальванической коррозии металлов, хранящихся в нормальных условиях, таких как складские помещения или в средах без контроля температуры и влажности,  разница в анодных индексах двух соприкасающихся металлов не должна превышать 0,25 В. Для контролируемой среды, в которой контролируются температура и влажность,  может быть допустимое значение 0,50 В. Для суровых условий окружающей среды, например на открытом воздухе, с высокой влажностью и соленой средой,  разница в анодном индексе не должна превышать 0,15 В. Например: золото и серебро имеют разницу в 0,15  В, поэтому два металла не будут подвергаться значительной коррозии даже в суровых условиях. [18] [ необходима страница ]

Когда по конструктивным соображениям необходимо, чтобы разнородные металлы соприкасались, разница в анодном индексе часто регулируется отделкой и покрытием. Выбранные отделка и покрытие позволяют контактировать разнородным материалам, одновременно защищая основные материалы от коррозии более благородными. [18] [ необходима страница ] Это всегда будет металл с самым отрицательным анодным индексом, который в конечном итоге пострадает от коррозии, когда имеет место гальваническая несовместимость. Вот почему никогда не следует класть посуду из стерлингового серебра и нержавеющей стали вместе в посудомоечную машину одновременно, так как стальные предметы, скорее всего, испытают коррозию к концу цикла (мыло и вода служат химическим электролитом, а тепло имеет ускорили процесс).

Анодный указатель [18] [ необходима страница ]
МеталлИндекс (V)
Самый катодный
Золото , цельное и гальваническое ; золото- платиновый сплав-0,00
Родий -plated на посеребренной меди-0,05
Серебро , сплошное или с покрытием; монель металлический; сплавы с высоким содержанием никеля и меди-0,15
Никель твердый или с гальваническим покрытием; титан и его сплавы; монель−0,30
Медь цельная или с гальваническим покрытием; низкая латунь или бронза; серебряный припой; Немецкие серебристые сплавы с высоким содержанием меди и никеля; никель-хромовые сплавы-0,35
Латунь и бронза-0,40
Высокие латунь и бронза-0,45
Коррозионно-стойкие стали с 18% -ным содержанием хрома-0,50
Хромирование ; луженые; Коррозионно-стойкие стали с содержанием 12% хрома−0,60
Жесть- плита; оловянно-свинцовый припой-0,65
Свинец цельный или с гальваническим покрытием; сплавы с высоким содержанием свинца-0,70
Кованый алюминий серии 2000-0,75
Железо кованое, серое или ковкое ; низколегированные и простые углеродистые стали-0,85
Алюминий, деформируемые сплавы, кроме алюминия серии 2000, литые сплавы кремниевого типа-0,90
Алюминий, литые сплавы (кроме кремния); кадмий , гальванический и хроматный-0,95
Горячий-DIP- цинка пластины; оцинкованная сталь-1,20
Цинк кованый; сплавы для литья под давлением на основе цинка ; оцинкованная−1,25
Магний и сплавы на основе магния; литой или кованый-1,75
Бериллий-1,85
Самый анодный

См. Также [ править ]

  • Коррозия
  • Гальванический анод
  • Гальваническая серия
  • Цинкование

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Декер, Франко Лан (январь 2005 г.). «Вольта и« Куча » » . Энциклопедия электрохимии . Кейс Вестерн Резервный университет. Архивировано из оригинала на 2012-07-16.
  2. ^ Тернер, Эдвард (1841). Либих, Юстус; Грегори, Уильям (ред.). Элементы химии: включая актуальное состояние и распространенные доктрины науки (7-е изд.). Лондон: Тейлор и Уолтон. п. 102. Во время действия простого круга, такого как цинк и медь, возбужденные разбавленной серной кислотой, весь водород, образовавшийся при гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
  3. ^ Goodisman, Джерри (2001). «Наблюдения за клетками лимона» . Журнал химического образования . 78 (4): 516–518. Bibcode : 2001JChEd..78..516G . DOI : 10.1021 / ed078p516 . Гудисман отмечает, что во многих учебниках химии используется неправильная модель ячейки с цинковыми и медными электродами в кислотном электролите.
  4. ^ Грэм-Камминг, Джон (2009). «Темпио Вольтиано». Атлас компьютерных фанатов: 128 мест, где оживают наука и технологии . O'Reilly Media. п. 97. ISBN 9780596523206.
  5. ↑ M. Houser, Corrosion Control Services, Inc., вводное руководство.
  6. ^ «Переодевание первой леди металлов - Детали ремонта» . Ассоциация развития меди . Проверено 16 августа 2019 .
  7. ^ Брайант, Артур (1935). Сэмюэл Пепис: Годы опасности . Кембридж: Макмиллан. п. 370.
  8. ^ «Гальваническая коррозия ... Что это такое и как с ней бороться» . Моторная лодка . Hearst Magazines Inc. 82 (1): 50. Июль 1948 г.
  9. ^ "CLI Хьюстон" . Проверено в январе 2011 года . Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
  10. ^ Trethewey, KR; Чемберлен, Дж. (1988). «Исторические уроки коррозии» . Доктора Коррозии . Проверено 27 февраля 2014 .
  11. ^ Дэвид Акс. "Строитель обвиняет флот в том, что новый боевой корабль распадается" .
  12. ^ Маллан, Джефф (6 апреля 2011). «Обновление потолочных светильников для туннелей» (PDF) . Отчет перед советом директоров MassDOT . MassDOT . Проверено 9 апреля 2012 .
  13. ↑ Мерфи, Шон П. (5 апреля 2012 г.). «Big Dig требует ремонта света на 54 миллиона долларов» . boston.com . The Boston Globe. Архивировано из оригинала на 6 апреля 2012 года . Проверено 9 апреля 2012 .
  14. ^ Вода . Хемат, Редактор РАН: Уротекст. ISBN 1-903737-12-5 . п. 826 
  15. ^ http://www.foodsafetysite.com/consumers/faq/?m_knowledgebase_article=185
  16. ^ "Гальваническая чистка серебряных монет - Учебное пособие" . www.metaldetectingworld.com .
  17. ^ Уиллер, Герсон Дж., Дизайн электронного оборудования: руководство по производству и производству, Прентис-Холл, 1972 г.
  18. ^ a b c "Справочник по инженерии коррозии" . www.corrosion-doctors.org .

Внешние ссылки [ править ]