Коррозионные свойства титана и его сплавов
Министерство образования Российской Федерации
Уфимский государственный авиационный
технический университет
Факультет - АТС
Кафедра
химии
РЕФЕРАТ
по дисциплине: «Физические основы
коррозии»
Тема:
Коррозионные свойства титана и его сплавов.
Оценка __________
Выполнила: ст. гр. ФМ - 505 Каримова Л. Р.
Дата защиты _________
Проверил: Попов В.И.
Уфа - 2006 г
Содержание
Введение ………………………………………………………………………………………………………2
Общие представление о коррозии
металлов…………………………………………………………………3
Поведение титана и его сплавов различных
агрессивных средах………………………………………….5
Влияние легирующих элементов в титане на
коррозионную стойкость ………………………………….7
Электрохимическая коррозия под действием
внутренних макро – и микрогальванических пар ……….8
Особенности взаимодействия титана с воздухом
………………………………………………………….10
Взаимодействие титана с
кислородом………………………………………………………………………11
Газонасыщение титановых сплавов при
окислении………………………………………………………..12
Газонасыщение поверхности титанового сплава
ВТ6……………………………………………………..13
Явление коррозионного растрескивания……………………………………………………………………15
Защита конструкций и машин, выполненных из
титана и его сплавов, от коррозии……………………17
Список используемой
литературы…………………………………………………………………………..19
Введение
Создание новых технологий и производств приводит к
применению агрессивных сред. Использование последних ставит вопрос о
конструкционных материалах, стойких к их воздействию. Большой интерес в этом
плане представляют металлы подгрупп титана и ванадия. Они уже нашли применение
в современном приборостроении. Так, например, они широко используются в
ракетной и авиационной технике, а также при создании ядерных реакторов.
Титан и титановые сплавы широко применяются в
различных отраслях промышленности, благодаря высоким значениям удельной
прочности и коррозионной стойкости.
Сплав ВТ6 относится к
числу первых отечественных конструкционных титановых сплавов. В таблице 1
представлен химический состав сплава ВТ6.
Таблица 1 - Химический состав титанового
сплава ВТ6.
Основные
элементы
|
Al
|
V
|
Примеси
|
Fe
|
Si
|
O
|
C
|
N
|
H
|
Zr
|
Содержание,
%
|
6,0
|
4,0
|
Содержание
не более, %
|
0,3
|
0,1
|
0,2
|
0,1
|
0,05
|
0,015
|
0,3
|
Титан может участвовать во многих соединениях,
он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих
металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен
в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в
растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной
стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных
– золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые,
медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не
подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и
бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы
титан стоек к коррозии?
Общие представление о коррозии металлов
Получение металлов из их
природных соединений всегда сопровождается значительной затратой энергии.
Исключение составляют только металлы, встречающиеся в природе в свободном виде:
золото, серебро, платина, ртуть. Энергия, затраченная на получение металлов,
накапливается в них как свободная энергия Гиббса и делает их химически
активными веществами, переходящими в результате взаимодействия с окружающей
средой в состояние положительно заряженных ионов:
Меn++ nе ® Ме0 (G>0); Ме0
– ne ® Ме n+ (G <0).
металлургия коррозия
Самопроизвольно
протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей
средой, происходящий с выделением энергии и рассеиванием вещества (рост
энтропии), называется коррозией. Коррозионные процессы протекают необратимо в
соответствии со вторым началом термодинамики.
Подсчитано,
что около 20% ежегодной выплавки металлов расходуется в коррозионных процессах.
Большой вред приносит коррозия в машиностроении, так как из-за коррозионного
разрушения какой-нибудь одной детали может выйти из строя машина, стоящая
нередко десятки и сотни тысяч рублей. Коррозия снижает точность показаний приборов
и стабильность их работы во времени. Незначительная коррозия электрического
контакта приводит к отказу при его включении. Меры борьбы с коррозионными
процессами являются актуальной задачей современной техники.
Существенно влияет на
коррозионные процессы уровень внешних или внутренних (остаточных) напряжений и
их распределение в металле изделия.
Химической коррозии
подвержены детали и узлы машин, работающих при высоких температурах, — двигатели
поршневого и турбинного типа, ракетные двигатели и т. п. Химическое сродство
большинства металлов к кислороду при высоких температурах почти неограниченно,
так как оксиды всех технически важных металлов способны растворяться в металлах
и уходить из равновесной системы:
2Ме(т) + O2(г)
2МеО(т);
МеО(т) [МеО] (р-р)
В этих условиях
окисление всегда возможно, но наряду с растворением оксида появляется и
оксидный слой на поверхности металла, который может тормозить процесс
окисления.
Скорость окисления
металла зависит от скорости собственно химической реакции и скорости диффузии
окислителя через пленку, а поэтому защитное действие пленки тем выше, чем лучше
ее сплошность и ниже диффузионная способность. Сплошность пленки, образующейся
на поверхности металла, можно оценить по отношению объема образовавшегося
оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на
образование этого оксида металла (фактор Пиллинга—Бэдвордса).
Коэффициент a (фактор Пиллинга —
Бэдвордса) у разных металлов имеет разные значения и приведен в таблице 2.
Таблица 2. Значение коэффициента
a для некоторых металлов
Металл
|
Оксид
|
a
|
Металл
|
Оксид
|
a
|
Mg
|
MgO
|
0.79
|
Zn
|
ZnO
|
1.58
|
Pb
|
PbO
|
1.15
|
Zr
|
ZrO2
|
1.60
|
Cd
|
CdO
|
1.27
|
Be
|
BeO
|
1.67
|
Al
|
Al2O2
|
1.31
|
Cu
|
Cu2O
|
1.67
|
Sn
|
SnO2
|
1.33
|
Cu
|
CuO
|
1.74
|
Ni
|
NiO
|
1.52
|
Ti
|
Ti2O3
|
1.76
|
Nb
|
NbO
|
1.57
|
Cr
|
Cr2O3
|
2.02
|
Nb
|
Nb2O3
|
2.81
|
|
|
|
Металлы, у которых a<1, не могут
создавать сплошные оксидные слои, и через несплошности в слое (трещины)
кислород свободно проникает к поверхности металла.
Сплошные и устойчивые
оксидные слои образуются при a = 1,2—1,6, но при больших значениях a пленки получаются несплошные,
легко отделяющиеся от поверхности металла (железная окалина) в результате возникающих
внутренних напряжений.
Поведение титана и его сплавов в различных
агрессивных средах
Реакции титана со многими элементами происходят только
при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана
чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что
на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро
появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько
ангстрем (1А=10-10м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего
окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород
или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта
пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е.
защищает сам себя от дальнейшего разрушения.
Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных
средах: в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты
и щелочи.
В азотной кислоте, являющейся сильным
окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно
стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых
температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна
только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными
диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит
добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1–2% и более), как реакция заканчивается,
и коррозия титана прекращается.
В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в
0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана
не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии
достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С–0,58 мм/год. При нагревании
скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в
1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4
мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С – уже 29,8 мм/год. Это объясняется
тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую
пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость
коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у
нержавеющих сталей.
В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1% ) титан и большинство его
сплавов стойкие даже при температуре раствора до 50–95° С. Стоек титан и в
более концентрированных растворах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в
этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с
повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой
концентрации (10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии
достигает 9–10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную
пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить,
если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной,
хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые
быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его
дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не
растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10–20° С)
коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей
«царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как
золото, растворяются почти мгновенно.
Очень слабо корродирует титан в большинстве органических кислот (уксусной,
молочной, винной), в разбавленных щелочах, в растворах многих хлористых солей,
в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше
375° С титан взаимодействует очень бурно.
В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В
жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в
расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких
температурах расплавов (выше 300–400° С) скорость его коррозии в них может достигать
1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан
растворяется очень интенсивно.
Главный «враг» титана – плавиковая кислота
(HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в
более концентрированных растворах титан «тает», как лед в горячей воде. Фтор –
этот «разрушающий все» (греч.) элемент – бурно реагирует практически со всеми
металлами и сжигает их.
Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже
слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том
числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана
можно увеличить, если добавить различные окислители – так называемые
ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот – азотную и хромовую.
Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и
др.
В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и
сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в
титан 20–30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям
соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с
этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан
четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения.
Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в
кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует
отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если
добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих
конструкционных металлов не уменьшаются.
Влияние легирующих элементов в титане на
коррозионную стойкость
Страницы: 1, 2
|