Технические и коррозионные характеристики железа и его сплавов.

Наиболее распространенными конструкционными материалами являются чугуны и стали, получаемые на основе железа.

Железо существует в двух аллотропических формах: a-форма (феррит, имеет магнитные свойства) и g-форма (аустенит, не магнитен). Железо, также как хром и марганец, относят к черным металлам, в природе находится в окисленной форме в составе горных руд.

Другую группу составляют цветные металлы (называются так, потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро – белые, свинец – голубовато-белый, золото – желтое). Из сплавов цветных металлов нашли большое применение: бронза (сплав меди с оловом и другими металлами), латунь (сплав меди с цинком), баббит (сплав олова с сурьмой и медью) и другие. Деление на черные и цветные металлы условно.

Выделяют еще группу благородных металлов: Ag, Au, Pt, Ru, Os, Pd и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей

Возвратимся к свойствам железа. Стандартный потенциал для реакции Fe²⁺ + 2e → Fe⁰ равен -0, 44 В, а для реакции Fe³⁺ + 3e → Fe⁰ равен -0, 036 В. Однако измеряемый на практике потенциал значительно отличается от стандартного в связи со следующим:

1) реальные условия окружающей среды существенно отличаются от стандартных;

2) в присутствии атмосферного кислорода или других окислителей железо пассивируется и его стационарный потенциал приближается к +0, 1 В;

3) в кислых средах, т.е. в присутствии ионов водорода Н⁺, или в присутствии галоген-анионов (Сl^-, Br^-, I^-) потенциал железа сдвигается в более отрицательную область вплоть до -0, 6 В.

При коррозионном окислении железа, как правило, образуется катион Fe²⁺. В нейтральных средах образуется его гидроксид Fe(ОН)₂, который очень незначительно растворим в воде.

Кислород не только присутствует в атмосфере в значительном количестве, но и хорошо растворим в воде и других растворителях. Поэтому он практически всегда имеется в окружающей среде, и при его наличии идет окисление гидроксида Fe(II) по следующей реакции: 4Fe(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(ОН)_3. Образующийся гидроксид Fe(ОН)₃ уже практически нерастворим в воде.

В большинстве сред, за исключением раствором минеральных кислот, конечным продуктом коррозии железа является ржавчина. Это вещество светло-коричневого цвета, нерастворимо в воде и имеет переменный состав общей формулы

kFe(ОН)₂ ^. nFe(ОН)₃ ^. mН₂О

Упрощенно формулу ржавчины представляют в виде гидратированного оксида железа Fе₂O₃·H₂О, или Fe(O)OH. Ржавчина образуется в растворе в непосредственной близости от корродирующей поверхности и покрывает металл рыхлым слоем. Адгезионное сцепление между ржавчиной и металлом незначительно, доступ среды к поверхности металла остается свободным, поэтому ржавчина плохо защищает железо от коррозии (вопреки распространенному бытовому мнению).

Железо не является коррозионно стойким материалом. Так, в атмосферных условиях скорость его коррозии в 5-10 раз превышает скорость коррозии Zn, Ni, Cu.

Практически все конструкционные материалы на основе железа в тех или иных количествах содержат углерод, который находится в сплавах в основном в виде карбида железа, или цементита Fe₃C. Сплавы состава «Fe – Fe₃C» делятся на стали и чугуны в зависимости от содержания углерода. В сталях < 2, 3 % C, в чугунах > 2, 3 % C. Коррозионные свойства сталей от содержания углерода зависят незначительно. В процессе изготовления чугуна происходят переохлаждения, которые приводят к образованию в его составе графита. Существуют чугуны, в которых углерод находится в основном в виде графита.

Кроме углерода, в состав сталей входят многие другие химические элементы (т.н. примесные элементы), которые попадают в них из руды, или их специально вводят в качестве т.н. легирующих добавок (о них речь пойдет в последующих лекциях) для придания стали определенных свойств. Основную долю оборудования и металлоконструкций изготавливают из углеродистых, или низколегированных сталей, содержащих до 3-5 % легирующих добавок.

Примесные элементы могут образовывать с железом твердые растворы, т.е. сплавы, а при взаимодействии друг с другом образуют в структуре сталей неметаллические включения – оксиды, сульфиды и др.

Коррозионные свойства углеродистых сталей в некоторых агрессивных средах:

1. В соляной кислоте скорость растворения сталей экспоненциально растет с увеличением концентрации HCl.

2. В серной кислоте скорость коррозии возрастает по такому же закону до концентрации H₂SO₄, равной 47-50 %. В более концентрированных растворах скорость процесса уменьшается в следствие пассивации поверхности стали образующимися на ней оксидными и сульфатными пленками.

3. В азотной кислоте пассивация железа наступает при концентрации кислоты около 50 %. В среде 94-100 %-ной HNO₃ происходит перепассивация, вследствие чего стали сильно разрушаются.

4. В плавиковой кислоте (HF) низколегированные стали при ее концентрации до 50 % разрушаются очень быстро. В более концентрированных растворах железо устойчиво. В связи с этим допускается транспортировка плавиковой кислоты в стальных баллонах при ее концентрации не менее 60 %.

5. В растворах щелочей с концентрацией до 30 % железо достаточно устойчиво. При более высоких концентрациях защитные пленки на поверхности металла растворяются с образованием соответствующих солей – ферратов (Na₂FeO₄ и т.п.). В концентрированных щелочных растворах стали подвергаются коррозионному растрескиванию (рассмотрим в следующих лекциях), особенно при высокой температуре.

6. В спиртах, бензоле и органических растворителях железоуглеродистые стали коррозионно устойчивы.

7. Коррозии железа способствует наличие в нем соединений серы, в первую очередь, сульфидов FeS и др. В процессе коррозии сульфиды железа разлагаются с выделением сероводорода H₂S, который катализирует этот процесс.