Гальваническая коррозия - Galvanic corrosion

Коррозия железного гвоздя, обернутого яркой медной проволокой, показывающая катодная защита меди; а индикаторный раствор ферроксила показывает цветные химические признаки двух типов ионов, диффундирующих через влажную агар средний

Гальваническая коррозия (также называемый биметаллическая коррозия или же коррозия разнородных металлов) является электрохимический процесс, в котором металл разъедает предпочтительно, когда он находится в электрическом контакте с другим, при наличии электролит. Подобная гальваническая реакция используется в первичные клетки для генерирования полезного электрического напряжения для питания портативных устройств.

Обзор

Разные металлы и сплавы имеют разные электродные потенциалы, и когда два или более соприкасаются в электролите, один металл (это больше реактивный ) выступает в качестве анод а другой (это меньше реактивный ) в качестве 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 к подавлению коррозии на катоде. Наличие электролита и электропроводящего пути между металлами необходимо для возникновения гальванической коррозии. Электролит обеспечивает средство для ион миграция посредством чего ионы перемещаются, чтобы предотвратить накопление заряда, которое в противном случае остановило бы реакцию. Если электролит содержит только ионы металлов, которые трудно восстановить (например, Na+, Ca2+, К+, Mg2+, или Zn2+) катодная реакция - это восстановление растворенного H+ к H2 или O2 к ОН−.[1][2][3][4]

В некоторых случаях такая реакция поощряется намеренно. Например, недорогие бытовые батареи обычно содержат углеродно-цинковые элементы. В рамках закрытая схема (путь электронов), цинк внутри клетки будет преимущественно разъедать (путь ионов) как существенная часть батареи, вырабатывающей электричество. Другой пример - катодная защита заглубленных или затопленных конструкций, а также резервуары для хранения горячей воды. В этом случае, жертвенные аноды работают как часть гальванической пары, способствуя коррозии анода, 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. Ингибиторы коррозии Такие как нитрат натрия или же молибдат натрия могут быть введены в эти системы для уменьшения гальванического потенциала. Однако следует внимательно следить за применением этих ингибиторов коррозии. Если применение ингибиторов коррозии увеличивает проводимость воды в системе, потенциал гальванической коррозии может быть значительно увеличен.

Кислотность или щелочность (pH ) также является важным аспектом в отношении биметаллических циркуляционных систем с замкнутым контуром. Если pH и дозы ингибитора коррозии окажутся неправильными, гальваническая коррозия ускорится. В большинстве HVAC систем, использование расходуемых анодов и катодов не является вариантом, поскольку они должны быть применены в водопроводе системы и со временем будут разъедать и выделять частицы, которые могут вызвать потенциальные механические повреждения циркуляционных насосов, теплообменников, и Т. Д.[5]

Примеры коррозии

Типичный пример гальванической коррозии происходит в оцинкованное железо, лист железа или стали, покрытый цинком. Даже когда защитный цинк покрытие нарушено, нижележащий стали не атакован. Вместо этого цинк подвергается коррозии, потому что он менее «благороден»; только после его израсходования может произойти ржавчина основного металла. Напротив, с обычным консервная банка, возникает противоположный защитный эффект: потому что банка является более благородным, чем нижележащая сталь, когда оловянное покрытие разрушается, сталь под ним сразу же подвергается разрушению.

Статуя Свободы

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

Яркий пример гальванической коррозии произошел в Статуя Свободы когда регулярные профилактические осмотры в 1980-х годах показали, что между внешними медь кожа и кованое железо опорная конструкция. Хотя проблема была предвидена, когда структура была построена Гюстав Эйфель к Фредерик Бартольди конструкции 1880-х гг., изоляционный слой шеллак между двумя металлами со временем вышла из строя и привела к 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 Тревога

В 17 веке[нечеткий ] Сэмюэл Пепис (затем служа Адмиралтейство Секретарь) согласился на снятие свинцовой обшивки с английского Королевский флот судов, чтобы предотвратить таинственное разрушение их рулей и головок болтов, хотя он признался, что сбит с толку, почему свинец вызвал коррозию.[7]

Проблема повторялась, когда сосуды были обшиты медью для уменьшения накопления морских водорослей и защиты от корабельный червь. В ходе эксперимента Королевский флот в 1761 году попытался подогнать корпус фрегата. HMS Тревога с медным покрытием на 12 унций. 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, потому 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. При более внимательном рассмотрении выяснилось, что водостойкая коричневая бумага, застрявшая под головкой гвоздя, случайно 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 железо нельзя допускать прямого контакта с медью в морской воде.[9][10]

Морской боевой корабль ВМС США Независимость

Сообщалось о серьезной гальванической коррозии последнего ударного прибрежного боевого корабля ВМС США. USS Независимость вызвано стальными водометными двигательными 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]

Коррозионные светильники

Основная статья: Big Dig § Осветительные приборы

Неожиданное падение в 2011 году тяжелого светильника с потолка Big Dig автомобильный туннель в Бостон выяснилось, что коррозия ослабила его опору. Неправильное использование алюминия в контакте с нержавеющей сталью вызвало быструю коррозию в присутствии соленой воды.[12] Электрохимический разность потенциалов между нержавеющей сталью и алюминием находится в диапазоне от 0,5 до 1,0 V, в зависимости от конкретного используемого сплава, 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

А "лазанья ячейка »случайно образуется, когда соленая влажная пища, такая как лазанья, хранится в стальном противне и покрывается алюминиевой фольгой. Через несколько часов в фольге появляются маленькие отверстия в местах соприкосновения с лазаньей, и поверхность пищи покрывается небольшими пятнами. состоит 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 другим металлическим контейнером, 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

Обычная техника уборки столовое серебро путем погружения серебра или стерлингового серебра (или даже просто посеребренных предметов) в кусок алюминия (фольга предпочтительнее из-за ее гораздо большей площади поверхности, чем у слитков, хотя, если фольга имеет «антипригарную» поверхность, сначала необходимо удалить стальной ватой) в горячей электролитической ванне (обычно состоящей из воды и бикарбонат натрия, т.е. 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 элементарное серебро. При этом серебро не теряется.[16]

Предотвращение гальванической коррозии

Алюминиевые аноды, установленные на конструкции со стальной рубашкой
Электрическая панель 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. Это может быть достигнуто за счет использования непроводящих материалов между металлами с разным электропотенциалом. Трубопровод может быть изолирован катушкой с трубой, изготовленной из пластмассы или металлического материала с внутренним покрытием или футеровкой. Важно, чтобы катушка была достаточной длины для эффективной работы. По соображениям безопасности не следует пытаться система электрического заземления использует трубопровод для своего земля или имеет уравнивание потенциалов.
  • Металлические лодки, подключенные к береговой линии электропитания, обычно должны иметь заземленный корпус из соображений безопасности. Однако конец этого заземления, вероятно, будет медь стержень, закопанный в гавани, в результате чего получается стально-медная «батарея» примерно 0,5 В. В таких случаях необходимо использование гальванического изолятора, обычно двух полупроводниковые диоды последовательно, параллельно с двумя диодами, проводящими в противоположном направлении (антипараллельно). Это предотвращает ток, пока приложенное напряжение меньше чем 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 целесообразно, 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 ближе индивидуальные потенциалы совпадают, тем меньше разность потенциалов и, следовательно, меньше гальванический ток. Использование одного и того же металла для всей конструкции - это самый простой способ согласования потенциалов.
  • Гальваника или другое покрытие также может помочь. Это имеет тенденцию использовать больше благородные металлы которые лучше сопротивляются коррозии. Хром, никель, серебро и золото все можно использовать. Цинкование с цинк защищает стальной основной металл за счет анодного действия.
  • Катодная защита использует один или несколько жертвенные аноды изготовлен из металла, более активного, чем защищаемый металл. Сплавы металлов, обычно используемые для протекторных анодов, включают цинк, магний, и алюминий. Этот подход является обычным для водонагревателей и многих заглубленных или погруженных в воду металлических конструкций.
  • Катодная защита также может быть применена путем подключения постоянный ток (DC) электрический источник питания противодействовать коррозионному гальваническому току. (Видеть Катодная защита § Нажимаемый ток CP.)

Гальваническая серия

Кабельная лестница из гальванизированной мягкой стали с коррозией вокруг болтов из нержавеющей стали

Все металлы можно разделить на гальваническая серия представляющий 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 может заметно влиять на скорость процесса.

Анодный индекс

Жертвенный анод для защиты лодки

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

Для уменьшения гальванической коррозии металлов, хранящихся в обычных условиях, таких как складские помещения или в условиях без контроля температуры и влажности, не должно быть более 0,25 V разница в анодном индексе двух соприкасающихся металлов. Для контролируемой среды, в которой контролируются температура и влажность, 0,50 V можно терпеть. Для суровых условий окружающей среды, например на открытом воздухе, с высокой влажностью и соленой средой, должно быть не более 0,15. V разница в анодном индексе. Например: золото и серебро имеют разницу 0,15. V, поэтому два металла не будут подвергаться значительной коррозии даже в суровых условиях.[18][страница нужна ]

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][страница нужна ] 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 индекс[18][страница нужна ]
МеталлИндекс (V)
Самый катодный
Золото, твердые и покрытый; золото-платина сплав−0.00
Родий -покрытие на посеребренную медь−0.05
Серебро цельные или с покрытием; монель металл; сплавы с высоким содержанием никеля и меди−0.15
Никель цельнолитые или с покрытием; титан и его сплавы; монель−0.30
Медь цельнолитые или с покрытием; низкая латунь или бронза; серебряный припой; Немецкие серебристые сплавы с высоким содержанием меди и никеля; никель-хромовые сплавы−0.35
Латунь и бронзы−0.40
Высокие латунь и бронза−0.45
Коррозионно-стойкие стали с 18% -ным содержанием хрома−0.50
Хром покрытие; луженые; 12% -й хромовый коррозионностойкий стали−0.60
Банка -пластина; оловянно-свинцовый припаять−0.65
Свинец цельные или с покрытием; сплавы с высоким содержанием свинца−0.70
2000 серии кованый алюминий−0.75
Утюг, кованые, серые или податливый; низколегированные и простые углерод стали−0.85
Алюминий, деформируемые сплавы, кроме алюминия серии 2000, литые сплавы кремний тип−0.90
Алюминий, литые сплавы (кроме кремния); кадмий, плакированные и хроматные−0.95
Горячийцинк пластина; оцинкованный стали−1.20
Цинк кованый; цинковая основа литье под давлением сплавы; оцинкованная−1.25
Магний и сплавы на основе магния; литые или кованые−1.75
Бериллий−1.85
Самый анодный

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Деккер, Франко Лан (январь 2005 г.). "Вольта и куча"'". Энциклопедия электрохимии. Кейс Вестерн Резервный университет. Архивировано из оригинал 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, образующийся при гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
  3. ^ Гудисман, Джерри (2001). «Наблюдения за клетками лимона». Журнал химического образования. 78 (4): 516–518. Bibcode:2001JChEd..78..516G. Дои: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. ^ М. Хаузер, Corrosion Control Services, Inc., вводное руководство
  6. ^ "Переодевание первой леди металлов - детали ремонта". Ассоциация развития меди. Получено 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 Houston". Дата обращения: январь 2011 г.. Проверить значения даты в: | дата доступа = (помощь)
  10. ^ Trethewey, K.R .; Чемберлен, Дж. (1988). «Исторические уроки коррозии». Доктора Коррозии. Получено 2014-02-27.
  11. ^ Дэвид Акс. "Строитель обвиняет флот в том, что новый боевой корабль распадается".
  12. ^ Муллан, Джефф (6 апреля 2011 г.). "Обновление потолочного светильника безопасности туннеля" (PDF). Отчет перед советом директоров MassDOT. MassDOT. Получено 2012-04-09.
  13. ^ Мерфи, Шон П. (5 апреля 2012 г.). «Big Dig требует ремонта света на 54 миллиона долларов». boston.com. Бостон Глоуб. Архивировано из оригинал 6 апреля 2012 г.. Получено 2012-04-09.
  14. ^ Вода. Hemat, R.A.S. Редактор: Юротекст. 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. ^ Уилер, Герсон Дж., Разработка электронного оборудования: руководство по производству и производству, Прентис-Холл, 1972 г.
  18. ^ а б c «Справочник по инженерии коррозии». www.corrosion-doctors.org.

внешняя ссылка