KOROZE A POVRCHOVÉ ÚPRAVY

Transkript

1 1 KOROZE A POVRCHOVÉ ÚPRAVY 1.KOROZE A JEJÍ VÝZNAM Koroze kovů se definuje jako rozrušení kovů vlivem jejich chemické nebo elektrochemické reakce s okolním prostředím. Může probíhat v atmosféře nebo jiných plynech, ve vodě a jiných kapalinách, zeminách a různých chemických látkách, které jsou s kovem ve styku. Škody způsobené korozí se odhadují cca 3 % roční produkce oceli. Objasněním mechanizmů koroze vedlo k zavádění účinných metod ochrany proti korozi. DRUHY KOROZE Koroze má různé formy a rozlišuje se z různých hledisek: 1.Podle vnitřního mechanismu na korozi chemickou a elektrochemickou. 2.Podle druhu korozního prostředí na korozi atmosferickou, v kapalinách, půdní, různými chemickými látkami. 3.Podle kombinace s vnějšími činiteli na korozi při mechanickém namáhání, při únavě materiálu, vibrační korozi, korozní praskání a korozi bludnými proudy. 4.Podle druhu korozního napadení na korozi rovnoměrnou a nerovnoměrnou. CHEMICKÁ KOROZE Je to znehodnocení materiálu, které nastává přímým působením kovu a prostředí, jímž jsou nevodivé kapaliny a plyny.v praxi je to hlavně koroze oceli v prostředí přehřáté páry a chemické koroze při ohřevu oceli. V prostředí přehřáté páry nastává: 1.oxidace kovu přehřátou párou: Me + H 2 O > MeO + H 2 2.zkřehnutí oceli vlivem difúze vodíku, který vzniká při reakci vodní páry s kovem.dochází zde k tzv.vodíkové křehkosti,která zhoršuje mechanické vlastnosti oceli. Při ohřevu oceli se tvoří již při teplotě o C viditelná vrstva oxidů.zvyšuje-li se teplota ohřevu, tloušťka této vrstvy narůstá a rychlost koroze se zmenšuje.při teplotě 600 o C se vytvářejí na povrchu okuje, které zpomalují rychlost koroze až do 800 o C. Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Fe O + Fe 3 O 4 Fe O Ocel Schéma struktury okují na oceli Chemická koroze při ohřevu působí kromě ztráty materiálu i různé technologické potíže, jako zaválcování a zakování okují do povrchu, tvrdý povrch, který ztěžuje obrábění aj.

2 2 ELEKTROCHEMICKÁ KOROZE Definuje se jako rozrušování kovů, při kterém vzniká elektrický proud, který se mění v teplo.základním předpokladem pro průběh elektrochemické koroze je přítomnost elektrolytu, tj. elektricky vodivých roztoků nebo tavenin.elektrolytická disociace (štěpení molekul na ionty), hydratace iontů kovů (obalování iontů kovu molekulami vody) a elektrochemická řada napětí. Uvedená řada napětí řadí kovy podle velikosti jejich standartních potenciálů E o, měřitelných ve voltech. Standartní potenciály E o technických kovů Chemická značka a mocenství iontů kovu E o (V) Chemická značka a mocenství iontů kovu Hořčík Mg ,34 Cín Sn ,14 Hliník Al ,07 Olovo Pb - 0,12 Zinek Zn ,76 Vodík H + 0,00 Chrom Cr ,74 Měď Cu ,34 Železo Fe ,44 Měď Cu + + 0,52 Kadmium Cd ,40 Stříbro Ag + + 0,80 Nikl Ni ,25 Zlato Au ,50 Některé kovy se rozpouštějí v elektrolytu, vysílají kladné ionty a samy se nabíjejí záporně.mají proti vodíkové elektrodě záporné napětí a nazývají se neušlechtilé.jiné kovy v roztoku své soli ionty na sebe přitahují, nabíjejí se kladně a mají vůči vodíku kladné napětí.jsou to kovy ušlechtilé. Kovy s větším záporným potenciálem mají menší odolnost proti korozi než kovy s menším záporným nebo kladným potenciálem. Při ponoření dvou kovů s rozdílnými potenciály do elektrolytu vzniká galvanický článek. elektrony e - proud I E o (V) Zn - G + Cu zředěná H 2 SO 4 Zinková elektroda se rozpouští a uvolněnými elektrony se nabíjí záporně: Zn Zn e -. Probíhá zde oxidace zinku.měděná elektroda se jeví méně záporná a označuje se jako kladná. Spojí-li se vodivě obě elektrody, mohou elektrony volně

3 přecházet ze zinkové elektrody na měděnou. Na ní se pak neutralizují vodíkové ionty z roztoku a redukují se na vodík. Elektromotorické napětí tohoto článku bude: 3 U = E Cu - E Zn = 0,34 - (-0,76) = 1,10 V KOROZNÍ ČLÁNKY A KOROZNÍ REAKCE Podobný děj jako v galvanickém článku vznikne např. tehdy, jestliže do ocelové nádrže naplněné vodou se zašroubuje měděný šroub. Ocel, která má zápornější standardní potenciál než měď, se stane anodou a bude se rozpouštět, a měď šroubu se stane katodou.vznikne tzv. korozní makročlánek, který je v podstatě galvanickým článkem spojeným nakrátko. Rozdíl potenciálu mezi železem a mědí je podle- viz tabulka: U = E o Cu - E o Zn = 0,34 - (- 0,44) = 0,78 V Ocel Měď Korozní makročlánek Voda produkty koroze Podobné spojení jako v korozním makročlánku vzniká i ve struktuře technických kovů a jejich slitin. Je to dáno nehomogenní strukturou, v níž se stýkají mikroskopické strukturní složky různých kovů, z nichž se slitina skládá, nebo v technickém železe známé z rovnovážného diagramu železo - uhlík. Jelikož elektrochemické chování strukturních složek je rozdílné, vznikne při vlhkosti nebo ve vodě na povrchu kovu korozní mikročlánek. Model korozního mikročlánku Elektrolyt Uhlík C + železo Fe - Elektrochemická koroze probíhá vždy v elektricky vodivém prostředí, elektrolytu a skládá se ze dvou dílčích dějů, anodového a katodového. Obě reakce, anodická i katodická, jsou doprovázeny vznikem reakčních zplodin,tím se mění i původní potenciály anody a katody tak, že se sbližují.tento jev se nazývá polarizace.polarizace zmenšuje korozní proud, a tím i rychlost koroze.opačně působící děje nesou název depolarizace.ta korozi urychluje. Oba děje, polarizaci a depolarizaci lze ovládat a tím zmenšovat rychlost koroze. Průběh polarizace: potenciál (V)

4 4 čas (s) E 0a - počáteční potenciál anody E 0k - počáteční potenciál katody E a - polarizace anody E 0k E k E a E k - polarizace katody E V E V - potenciální rozdíl způsobující korozní proud ROZDĚLENÍ KOROZE PODLE PROSTŘEDÍ Atmosferická koroze Většina kovových výrobků je při své funkci umístěna ve vzdušné atmosféře; proto se tento druh koroze vyskytuje v největším rozsahu.první z vlivů jsou klimatické podmínky dané vlhkostí a teplotou vzduchu a jeho znečištěním. Korozní děj probíhá pod velmi tenkou vrstvou vody, nasycené rozpustnými složkami atmosféry, hlavně SO 2,CO, CO 2, amoniakem, chlorovodíkem a aerosoly.tento vodní film o tloušťce 50 až 150 µm vzniká kondenzací vodních par, obsažených ve vzduchu. Je-li povrch kovu drsný a pokrytý prachem a nečistotami, tvoří se vodní film při nižší hodnotě relativní vlhkosti, asi kolem 60%, a nazývá se kritická relativní vlhkost. Důležitý význam má i kyslík, který urychluje korozi. Pro konstruktéra je důležité znát rychlost koroze, měřenou úbytkem materiálu za určitou dobu a volil způsob ochrany navrhovaného zařízení. Hlavní vliv při tomto rozhodování mají korozní vlastnosti prostředí.proto ČSN provádí klasifikaci korozní agresivity atmosfér do 5 stupňů : 1. velmi málo agresivní - jde o klimatizované místnosti, v nichž nedochází ke kondenzaci vody. 2. málo agresivní - prostory, v nichž dochází k občasné kondenzaci. 3. středně agresivní - odpovídá suchým klimatům 4. silně agresivní - vlhké oblasti, které jsou znečištěny solemi 5. velmi agresivní - vlhké oblasti za působení nečistot průmyslových měst, přístavů aj. KOROZE V KAPALINÁCH Agresivita vod z hlediska koroze je kromě tvrdosti závislá na hodnotě ph, na množství plynů rozpuštěných ve vodě, hlavně kyslíku, na teplotě a proudění vody.kyslík se v průběhu elektrochemické koroze uplatňuje jako depolarizátor.vody pro průmyslové účely se změkčují, chemicky upravují a odplyňují. PŮDNÍ KOROZE Ve své podstatě je to koroze ve vodách různého složení. Půda se skládá z plynné, kapalné a tuhé fáze. Vlastním korozním prostředím je kapalná fáze půdy, která ji dává elektrickou vodivost. Z plynné fáze se uplatňuje opět kyslík jako depolarizátor. DRUHY KOROZE VLIVEM VNĚJŠÍCH ČINITELŮ

5 Koroze při mechanickém namáhání 5 Napětí se soustřeďuje ve vrubech nebo na hranicích zrn, kde se tím zmenšuje elektrodový potenciál.napadené místo zasahuje do značné hloubky materiálu, pevnost rychle klesá bez pozorovatelné změny na povrchu kovu. Korozní únava vzniká tehdy, je-li materiál namáhán jakýmkoli druhem střídavého namáhání za součastného vlivu korozního prostředí. Vibrační koroze vzniká, jestliže se po sobě tře ocel s jakýmkoli materiálem za součastného vibračního pohybu při mezních hodnotách součinitele tření.této koroze se čelí mazáním tuhými mazivy, jako grafit a oxid molybdeničitý. Korozní praskání kovů vzniká při součastném působení korozního prostředí a machanického namáhání tahem.projevuje se vznikem trhlin, které se rozkládají kolmo na směr působení tahových pnutí a mají mezikrystalový, transkrystalový nebo smíšený charakter. Koroze bludnými proudy vzniká všude, kde vzniká nekontrolovatelný bludný proud z kladného pólu do zařízení a v jiném místě je opět opouští. DRUHY KOROZE PODLE VZHLEDU (NAPADENÍ) 1. koroze rovnoměrná (probíhá po celé ploše) 2. koroze nerovnoměrná (zanechává některá místa bez napadení) 3. koroze bodová (místní napadení,postupující do hloubky) 4. koroze selektivní(projevuje se napadením jedné fáze slitin) 5. koroze mezikrystalová (postupuje po hranicích zrn do hloubky) 6. koroze transkrystalová (projevuje se lomem zrn napříč a do hloubky) 7. korozní trhliny a lomy (mají několik forem podle druhu mechan.namáhání) ZPŮSOBY PROTIKOROZNÍ OCHRANY Rychlost koroze výrobků či zařízení lze omezit několika způsoby již při jejich navrhování. Jsou to: 1, Volba materiálu 2, Konstrukční a technologické řešení 3, Ochrana úpravami korozního prostředí 4, Elektrochemická ochrana 5, Ochrana povlaky - kovové povlaky

6 - nátěry - povlaky z plastů VOLBA MATERIÁLU Různé kovové materiály korodují za stejných podmínek různou rychlostí. Proto volba materiálu poskytuje první možnost omezení rychlosti koroze. Využívá se specifických vlastností kovů a jejich slitin a to jejich stálosti v různých prostředích. Tuto stálost mají ušlechtilé kovy a jejich slitiny a korozivzdorné oceli. V úvahu přicházejí i plasty. 6 Slitiny všech kovů jsou za jistých podmínek náchylné k nebezpečným druhům koroze, tzv. strukturní korozi.proto v důležitých případech, kdy nelze spolehlivě zjistit nejvhodnější materiál, se provádějí korozní zkoušky, při kterých jsou modelově dodrženy podmínky, ve kterých výrobek či zařízení pracuje. ÚPRAVY KONSTRUKČNÍ A TECHNOLOGICKÉ K základním pravidlům, která by měla být vždy respektována při konstrukci patří: a) zkrácení doby styku povrchu s agresivním korozním prostředím; b) zrovnoměrnění korozních podmínek; c) přizpůsobení konstrukce povrchovým úpravám ad. a) Je důležité odstranit všechny styky stěn pod ostrými úhly, štěrbiny, uzavřené prostory a kouty, kde by docházelo k zadržování kapalin a usazování kalů či koncentrátů. V důsledku nestejných korozních podmínek, či různého složení prostředí a materiálu v různých místech konstrukce může dojít v elektrolytech především ke vzniku korozního makročlánku. Je proto nutné se vyvarovat spojení dvou kovů mající rozdílný korozní potenciál, nebo je oddělit vhodným izolátorem nebo povrchovou úpravou. OCHRANA PROTI KOROZI ÚPRAVAMI KOROZNÍHO PROSTŘEDÍ Zvýšené korozní odolnosti kovů lze dosáhnout i tím, že se korozní prostředí přizpůsobí korozním vlastnostem kovů. Upravují se tak kapalná i plynná prostředí, a to: 1. snížením koncentrace korozně aktivních látek nebo jejich odstraněním 2. přidáním látek, tzv. inhibitorů, které snižují rychlost koroze. V plynných prostředích je intenzivní koroze podmíněna určitým obsahem vlhkosti. Obsah vody lze snižovat jejím vázáním na hygroskopické látky (vysoušedla) - při skladování výrobků, nebo v prostoru obalů při transportech. Vysoušedlo udržuje v prostoru nízkou relativní vlhkost. Nejpoužívanějším vysoušedlem je silikagel, oxid hlinitý a oxid vápenatý.

7 Druhý způsob, inhibitory, se provádí hlavně u chladících systémů. Používají se inhibitory chromanové, dusitan sodný a borax. ELEKTROCHEMICKÁ OCHRANA Nejznámější a nejrozšířenější je ochrana katodická. V podstatě jde o umělé vytvoření stejnosměrného elektrického okruhu proti směru korozního proudu. Zdrojem elektrického stejnosměrného proudu je uměle vytvořený galvanický článek. Katodu tvoří chráněný kov, anodu kov s dostatečně zápornějším potenciálem. Tato anoda, zvaná protektor nebo obětovaná anoda, je vodivě připojena izolovaným vodičem na chráněný povrch, který se účinkem proudu stane katodou a nekoroduje. Anoda se pozvolna rozpouští. 7 vodič Zemina (půda) zdroj proudu obětovaná anoda chráněné potrubí chráněné potrubí pomocná anoda U druhého způsobu se použije zdroje stejnosměrného proudu, nejčastěji selenových, germaniových nebo křemíkových usměrňovačů s volitelnými parametry. Chráněný předmět se zapojí opět jako katoda, kladný pól se spojí s pomocnou anodou, která bývá jako odpadová uhlíková ocel, kolejnice apod. OCHRANA POVLAKY Je nejrozšířenější způsob protikorozní ochrany kovových výrobků. Je často i nezbytným doplňkem estetického řešení výrobků. Podle funkce jsou: 1. Povlaky, které úplně izolují základní materiál od korozního prostředí.musí být zcela souvislé a nepórovité.patří sem povlaky z keramických smaltů, povlaky na oceli z ušlechtilých kovů, povlaky z plastů a oxidické vrstvy na slitinách lehkých kovů. 2. Povlaky, které chrání základní materiál částečně na základě své elektrochemické funkce. Má-li kov vzhledem k základnímu materiálu zápornější potenciál, vytvoří v póru anodu, rozpouští se a korozní zplodiny zabraňují dalšímu pronikání korozního prostředí k základnímu kovu. Tuto schopnost má zinek, kadmium a hliník. 3.Povlaky z materiálů, které mají schopnost odstraňovat z pronikajícího prostředí jeho složky, urychlující korozi.do tohoto typu patří nátěry, které jsou vždy propustné pro vodu a kyslík. Ochranná schopnost nátěrů je v tom, že základní nátěrová hmota obsahuje různé pigmenty s inhibičními účinky. KOVOVÉ POVLAKY Pro hodnocení ochranných kovových povlaků je rozhodující tloušťka povlaku a jeho poréznost. 1. V technické praxi se uplatňují povlaky těchto kovů: Al, Ag, Au, Cd, Cu, Cr, Ni, Pb atd. 2. Podle použité technologie jsou povlaky vytvářené:

8 chemicky, elektrochemicky, ponořením do taveniny povlakového kovu, nástřikem roztaveného povlakového kovu, difúzí atomů povlakového kovu do chráněného kovu, odpařováním nebo sublimací povlakové látky ve vakuu Chemické kovové povlaky - niklové Galvanické kovové povlaky - proti atmosférické korozi Žárové povlaky - ochrana proti atmosférické korozi a pro vodná prostředí Metalizované povlaky - atmosférická koroze, vodná prostředí Difúzní povlaky - difúzní zinkování a chromování Kondenzační povlaky - při výrobě reflektorů, v optické výrobě a ve výrobě bižutérie. 8 NÁTĚRY Nátěr je hotový souvislý povlak požadovaných vlastností, vzniklých nanesením a zaschnutím jedné nebo několika nátěrových vrstvách na výrobek.podle počtu vrstev rozeznáváme jednovrstvé a vícevrstvé nátěry.aby se zabránilo korozi nátěrem, musí mít nátěrová hmota prvního základního nátěru takové vlastnosti, aby snížila rychlost koroze na minimum.tuto funkci konají v nátěru pigmenty. Nátěrová hmota je souhrnný název pro všechny výrobky, jejichž pojivem je organická filmotvorná látka, a která se nanáší v tekutém až těstovitém stavu vhodnou nanášecí technikou na předmět, aby na něm vytvořila nátěr předepsaných vlastností.nejdůležitější součástí každé nátěrové hmoty je filmotvorná látka.skládá se z filmotvorných látek organického původu a rozpouštědel. POVLAKY Z PLASTU A PRYŽÍ Vytvářejí se z řady polymerů, jako polyvinilchloridu, polyetylénu, polyamidu, teflonu, celulózy a různých směsí z přírodních a syntetických kaučuků. Jsou to většinou tytéž látky, které tvoří v nátěrových hmotách filmotvornou složku. Ta se však nerozpouští, ale natavuje ve formě prášků na chráněný povrch kovu. Povlaky se nanášejí buď na ohřátý povrch součásti nebo se žárově stříkají.