Гальваническая коррозия

Гальваническая коррозия (также называемая биметаллической коррозией или коррозией разнородных металлов ) — это электрохимический процесс, при котором один металл разъедает преимущественно, когда он находится в электрическом контакте с другим, в присутствии электролита . Подобная гальваническая реакция используется в первичных элементах для генерации полезного электрического напряжения для питания портативных устройств. Это явление названо в честь итальянского врача Луиджи Гальвани (1737–1798).

Обзор

Разнородные металлы и сплавы имеют разные электродные потенциалы , и когда два или более металла вступают в контакт в электролите, один металл (более реакционноспособный ) действует как анод , а другой (менее реакционноспособный ) — как катод . Разность электропотенциалов между реакциями на двух электродах является движущей силой ускоренного воздействия на анодный металл, который растворяется в электролите. Это приводит к тому, что металл на аноде разъедается быстрее, чем в противном случае, и коррозия на катоде подавляется. Наличие электролита и электропроводящего пути между металлами необходимо для возникновения гальванической коррозии. Электролит обеспечивает возможность ионов миграции , благодаря чему ионы движутся, предотвращая накопление заряда, которое в противном случае остановило бы реакцию. Если электролит содержит только ионы металлов, которые трудно восстанавливаются (например, Na ⁺, Как ²⁺, К ⁺, мг ²⁺, или Zn ²⁺), катодная реакция представляет собой восстановление растворенного H ⁺ на H ₂ или O ₂ на OH ⁻. ^[1]^[2]^[3]^[4]

В некоторых случаях такой тип реакции намеренно поощряется. Например, недорогие бытовые батареи обычно содержат углеродно-цинковые элементы . Будучи частью замкнутой цепи (электронный путь), цинк внутри элемента будет корродировать преимущественно (ионный путь), поскольку он является важной частью батареи, производящей электричество. Другим примером является катодная защита подземных или затопленных сооружений, а также резервуаров для хранения горячей воды . В этом случае жертвенные аноды работают как часть гальванической пары, способствуя коррозии анода, одновременно защищая катодный металл.

В других случаях, например при наличии в трубопроводах смешанных металлов (например, меди, чугуна и других литых металлов), гальваническая коррозия будет способствовать ускоренной коррозии частей системы. Ингибиторы коррозии, такие как нитрит натрия или молибдат натрия, могут вводиться в эти системы для снижения гальванического потенциала. Однако применение этих ингибиторов коррозии необходимо тщательно контролировать. Если применение ингибиторов коррозии увеличивает проводимость воды в системе, потенциал гальванической коррозии может значительно увеличиться.

Кислотность или щелочность ( pH ) также является важным фактором в отношении биметаллических циркуляционных систем с замкнутым контуром. Если pH и дозы ингибирования коррозии неправильны, гальваническая коррозия будет ускоряться. В большинстве систем отопления , вентиляции и кондиционирования использование расходных анодов и катодов недопустимо, поскольку их необходимо будет применять в водопроводной системе системы, и со временем они будут корродировать и выделять частицы, которые могут вызвать потенциальное механическое повреждение циркуляционных насосов. теплообменники и т.д. ^[5]

Примеры коррозии

Типичным примером гальванической коррозии является оцинкованное железо , лист железа или стали, покрытый цинковым покрытием. Даже когда защитное цинковое покрытие разрушается, лежащая под ним сталь не подвергается воздействию. Вместо этого цинк подвергается коррозии, поскольку он менее «благороден». Только после его израсходования может произойти ржавление основного металла. Напротив, в случае с обычной консервной банкой происходит эффект, противоположный защитному: поскольку олово более благородно, чем сталь под ним, при разрушении оловянного покрытия сталь под ним немедленно подвергается преимущественному воздействию.

Статуя Свободы

Яркий пример гальванической коррозии произошел на Статуе Свободы , когда регулярные проверки технического обслуживания в 1980-х годах показали, что коррозия произошла между внешней медной обшивкой и опорной конструкцией из кованого железа . построил конструкцию Хотя проблему можно было предвидеть, когда Гюстав Эйфель по проекту Фредерика Бартольди в 1880-х годах, изоляционный слой шеллака между двумя металлами со временем разрушился, что привело к ржавчине железных опор. Был проведен обширный ремонт с заменой оригинальной изоляции на ПТФЭ . Конструкция была далеко не небезопасной из-за большого количества незатронутых соединений, но ее рассматривали как меру предосторожности, направленную на сохранение национального символа Соединенных Штатов. ^[6]

Королевский флот и HMS Alarm

В 1681 году Сэмюэл Пепис (тогда занимавший пост секретаря Адмиралтейства ) согласился снять свинцовую обшивку с кораблей английского Королевского флота , чтобы предотвратить загадочное разрушение их рулей и головок болтов, хотя он и признавался, что был озадачен причиной появления свинца. вызвал коррозию. ^[7]^[8]

Проблема повторилась, когда суда были покрыты медью, чтобы уменьшить накопление морских водорослей и защитить от корабельных червей . В ходе эксперимента Королевский флот в 1761 году попытался оснастить корпус фрегата HMS Alarm медным покрытием толщиной 12 унций. По возвращении из путешествия в Вест-Индию было обнаружено, что, хотя медь оставалась в хорошем состоянии и действительно отпугивала корабельных червей, она также во многих местах оторвалась от деревянного корпуса, потому что железные гвозди, использованные при ее установке, «были найден растворенным в своего рода ржавой пасте». ^[9] Однако, к удивлению инспекционных групп, некоторые железные гвозди остались практически неповрежденными. Более тщательный осмотр показал, что водостойкая коричневая бумага, застрявшая под шляпкой гвоздя, случайно защитила некоторые ногти: «Там, где это покрытие было идеальным, утюг был защищен от повреждений». Медная обшивка была доставлена на верфь завернутой в бумагу, которую не всегда удаляли до того, как листы были прибиты к корпусу. Поэтому в 1763 году Адмиралтейству был сделан вывод, что нельзя допускать прямого контакта железа с медью в морской воде. ^[10]^[11]

Прибрежный боевой корабль ВМС США « Индепенденс»

Сообщалось о серьезной гальванической коррозии на последнем боевом прибрежном корабле ВМС США « Индепенденс », вызванной стальными водометными двигательными установками, прикрепленными к алюминиевому корпусу. Без электрической изоляции между сталью и алюминием алюминиевый корпус действует как анод для нержавеющей стали, что приводит к агрессивной гальванической коррозии. ^[12]

Коррозия осветительных приборов

Неожиданное падение в 2011 году тяжелого светильника с потолка автомобильного туннеля Big Dig в Бостоне показало, что коррозия ослабила его опору. Неправильное использование алюминия в контакте с нержавеющей сталью привело к быстрой коррозии в присутствии соленой воды. ^[13] Разность электрохимических 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 лампочек, ориентировочная стоимость которых составит 54 миллиона долларов. ^[14]

Ячейка для лазаньи

« Ячейка лазаньи » случайно образуется, когда соленая влажная пища, такая как лазанья, хранится в стальной форме для выпечки и накрыта алюминиевой фольгой. Через несколько часов в фольге появляются небольшие дырочки в местах соприкосновения с лазаньей, а поверхность продукта покрывается небольшими пятнами из проржавевшего алюминия. ^[15] В этом примере соленая пища (лазанья) является электролитом, алюминиевая фольга — анодом, а стальная кастрюля — катодом. Если алюминиевая фольга соприкасается с электролитом лишь на небольших участках, гальваническая коррозия носит концентрированный характер и коррозия может произойти довольно быстро. Если алюминиевая фольга не использовалась с другим металлическим контейнером, реакция, вероятно, была химической. Большие концентрации соли, уксуса или некоторых других кислотных соединений могут привести к распаду фольги. Продуктом любой из этих реакций является соль алюминия. Это не вредит пище, но любой осадок может придать нежелательный вкус и цвет. ^[16]

Электролитическая очистка

Распространенный метод очистки столового серебра путем погружения 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 необходимо сначала удалить стальной ватой) в горячей электролитической ванне (обычно состоящей из воды и бикарбоната натрия , т. е. бытовой пищевой соды) является примером гальванической коррозии. Серебро темнеет и корродирует в присутствии молекул серы, находящихся в воздухе, а медь в стерлинговом серебре корродирует при 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 удаляет атомы серы с сульфида серебра и переносит их на и тем самым разъедает кусок алюминиевой фольги (гораздо более химически активный металл), оставляя после себя элементарное серебро. Серебро при этом не теряется. ^[17]

Предотвращение гальванической коррозии

Алюминиевые аноды, установленные на конструкции со стальной рубашкой.

Существует несколько способов уменьшения и предотвращения этой формы коррозии.

Электрически изолируйте два металла друг от друга. Если они не находятся в электрическом контакте, гальваническая связь не возникнет. Этого можно достичь, используя непроводящие материалы между металлами с разным электропотенциалом. Трубопроводы можно изолировать с помощью катушки из пластика или металла с внутренним покрытием или футеровкой. Важно, чтобы катушка была достаточной длины для обеспечения эффективности. По соображениям безопасности этого не следует предпринимать, если система электрического заземления использует трубопровод в качестве заземления или имеет уравнивание потенциалов .
Металлические лодки, подключенные к береговой линии электропитания, обычно должны иметь заземленный корпус по соображениям безопасности. Однако конец этого заземления, скорее всего, представляет собой медный стержень, закопанный в пристани, в результате чего образуется стально-медная «батарея» напряжением около 0,5 В. Кроме того, корпус каждой лодки соединен с корпусом всех остальных лодок. что приводит к образованию дополнительных «батарей» между гребными винтами (которые могут быть изготовлены из бронзы) и стальным корпусом, что может вызвать коррозию дорогих гребных винтов. В таких случаях необходимо использование гальванического изолятора, обычно двух полупроводниковых диодов, включенных последовательно, параллельно с двумя диодами, проводящими в противоположном направлении (антипараллельно). Это устройство вставляется в соединение защитного заземления между корпусом и защитным проводом береговой линии. Это предотвращает возникновение тока в защитном проводнике, пока приложенное напряжение меньше 1,4 В (т. е. 0,7 В на диод), но обеспечивает полный ток в случае электрического повреждения. Через диоды все равно будет очень незначительная утечка тока, что может привести к несколько 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, покрытие следует наносить на более благородный материал с более высоким потенциалом. Это целесообразно, поскольку если покрытие наносится только на более активный материал, то при повреждении покрытия будет большая площадь катода и очень маленькая площадь анода, а для обнаженной анодной области скорость коррозии будет соответственно высокой. .
Использование антиоксидантной пасты полезно для предотвращения коррозии между медными и алюминиевыми электрическими соединениями. Паста состоит из металла более низкого благородства, чем алюминий или медь.
Выбирайте металлы, имеющие одинаковые электропотенциалы. Чем точнее согласованы отдельные потенциалы, тем меньше разность потенциалов и, следовательно, тем меньше гальванический ток. Использование одного и того же металла для всех конструкций — самый простой способ согласовать потенциалы.
Гальваника или другое покрытие также могут помочь. При этом обычно используются более благородные металлы , которые лучше противостоят коррозии. хром , никель , серебро и золото Можно использовать . Гальванизация цинком . защищает основной металл стали за счет жертвенного анодного действия
Катодная защита использует один или несколько расходуемых анодов, изготовленных из металла, который более активен, чем защищаемый металл. Сплавы металлов, обычно используемые для жертвенных анодов, включают цинк, магний и алюминий . Этот подход является обычным явлением в водонагревателях и многих заглубленных или погружённых металлических конструкциях.
Катодную защиту также можно применить путем подключения постоянного тока (DC) источника электропитания для противодействия коррозионному гальваническому току. (См. Катодная защита § Катодная защита по наложенному току (ICCP) .)

Гальваническая серия

Кабельная лестница из оцинкованной мягкой стали с коррозией вокруг болтов из нержавеющей стали.

Все металлы можно разделить на гальванический ряд, представляющий электрический потенциал, который они развивают в данном электролите по отношению к стандартному электроду сравнения. Относительное положение двух металлов в таком ряду дает хорошее представление о том, какой металл подвержен коррозии быстрее. Однако другие факторы, такие как аэрация воды и скорость потока, могут заметно влиять на скорость процесса.

Анодный индекс

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, необходимо лишь вычесть их анодные индексы. ^[18]

не должна превышать 0,25 Чтобы уменьшить гальваническую коррозию металлов, хранящихся в обычных условиях, например, на складах или в помещениях без контроля температуры и влажности, разница в анодном индексе двух металлов, находящихся в контакте, В. Для контролируемых сред, в которых контролируются температура и влажность, допустимо напряжение 0,50 В. не должна превышать 0,15 В суровых условиях, таких как открытый воздух, высокая влажность и соленая среда, разница анодного индекса В. Например: золото и серебро имеют разницу в 0,15 В, поэтому эти два металла не будут подвергаться значительной коррозии даже в суровых условиях. ^[19]^{[ нужна страница ]}

Когда конструктивные соображения требуют контакта разнородных металлов, разница в анодном показателе часто компенсируется отделкой и покрытием. Выбранная отделка и покрытие позволяют разнородным материалам контактировать, одновременно защищая более простые материалы от коррозии более благородными. ^[19]^{[ нужна страница ]} Всегда будет металл с наиболее отрицательным анодным индексом, который в конечном итоге будет страдать от коррозии при наличии гальванической несовместимости. Вот почему посуду из стерлингового серебра и нержавеющей стали никогда не следует помещать в посудомоечную машину одновременно, так как стальные предметы, скорее всего, подвергнутся коррозии к концу цикла (мыло и вода служат химическим электролитом, а тепло оказывает ускорил процесс).

Анодный индекс ^[19]^{[ нужна страница ]}
Металл	Индекс (В)
Самый катодный
Золото цельное и с покрытием ; золото -платиновый сплав	−0.00
Родиевое покрытие на посеребренной меди	−0.05
Серебро , цельное или с покрытием; монель металлический; сплавы с высоким содержанием никеля и меди	−0.15
Никель , твердый или плакированный; титан и его сплавы; монель	−0.30
Медь , твердая или плакированная; низкие латуни или бронзы; серебряный припой; немецкие серебристые сплавы с высоким содержанием меди и никеля; никель-хромовые сплавы	−0.35
Латунь и бронза	−0.40
Высокие латуни и бронзы	−0.45
Коррозионностойкие стали с содержанием хрома 18%	−0.50
Хромированный ; луженый; Коррозионностойкие стали с содержанием хрома 12%	−0.60
жестяная пластина; оловянно-свинцовый припой	−0.65
Свинец , твердый или плакированный; сплавы с высоким содержанием свинца	−0.70
Серия 2000 из кованого алюминия	−0.75
Железо кованое, серое или ковкое ; низколегированные и простые углеродистые стали	−0.85
Алюминий, деформируемые сплавы, кроме алюминия серии 2000, литейные сплавы кремниевого типа	−0.90
Алюминий, литейные сплавы (кроме кремния); кадмий , гальванический и хромат	−0.95
Плита горячего цинкования ; оцинкованная сталь	−1.20
Цинк кованый; на основе цинка для литья под давлением сплавы ; оцинкованный	−1.25
Магний и сплавы на его основе; литой или кованый	−1.75
Бериллий	−1.85
Самый анодный

См. также

Коррозия
Гальванический анод
Гальваническая развязка в электрических/электронных цепях
Гальваническая серия
Гальванизация
Диаграмма Пурбе - График термодинамически стабильных фаз водной электрохимической системы

Ссылки

^ Декер, Франко Лан (январь 2005 г.). «Вольта и «куча» » . Электрохимическая энциклопедия . Университет Кейс Вестерн Резерв. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 года.
^ Тернер, Эдвард (1841). Либих, Юстус; Грегори, Уильям (ред.). Элементы химии: включая фактическое состояние и распространенные учения науки (7-е изд.). Лондон: Тейлор и Уолтон. п. 102. При действии простого круга, например цинка и меди, возбужденного разбавленной серной кислотой, весь водород, образующийся при гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
^ Гудисман, Джерри (2001). «Наблюдения за лимонными клетками» . Журнал химического образования . 78 (4): 516–518. Бибкод : 2001ЖЧЭд..78..516Г . дои : 10.1021/ed078p516 . Гудисман отмечает, что во многих учебниках химии используется неверная модель ячейки с цинковым и медным электродами в кислом электролите.
^ Грэм-Камминг, Джон (2009). «Темпио Вольтиано» . Атлас компьютерных фанатов: 128 мест, где оживают наука и технологии . О'Рейли Медиа. п. 97. ИСБН 9780596523206 .
^ М. Хаузер, Corrosion Control Services, Inc., вводное руководство.
^ «Переодевание первой леди металлов – детали ремонта» . Ассоциация развития меди . Проверено 16 августа 2019 г.
^ Брайант, Артур (1935). Сэмюэл Пепис: Годы опасности . Кембридж: Макмиллан. п. 370.
^ «Защита от электрохимической коррозии» . www.corrosion-doctors.org . Проверено 25 мая 2023 г.
^ «Гальваническая коррозия... Что это такое и как с ней бороться» . Моторная лодка . 82 (1). Hearst Magazines Inc.: 50 июля 1948 г.
^ «CLI Хьюстон» . Архивировано из оригинала 26 декабря 2010 года . Проверено 15 января 2011 г.
^ Третеви, КР; Чемберлен, Дж. (1988). «Исторические уроки коррозии» . Коррозионные врачи . Проверено 27 февраля 2014 г.
^ Дэвид Экс. «Строитель обвиняет военно-морской флот в разрушении совершенно нового военного корабля» . Проводной .
^ Муллан, Джефф (6 апреля 2011 г.). «Обновление потолочного светильника безопасности туннеля» (PDF) . Отчет перед Советом директоров MassDOT . МассДОТ. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июля 2013 года . Проверено 9 апреля 2012 г.
^ Мерфи, Шон П. (5 апреля 2012 г.). «Большим раскопкам требуется ремонт освещения на сумму 54 миллиона долларов» . Бостон.com . Бостон Глобус. Архивировано из оригинала 6 апреля 2012 года . Проверено 9 апреля 2012 г.
^ Вода . Гемат, РАН Редактор: Уротекст. ISBN 1-903737-12-5 . п. 826
^ «Обучение безопасности пищевых продуктов | для потребителей | Часто задаваемые вопросы» . 20 января 2024 г.
^ «Гальваническая чистка серебряных монет – Учебное пособие» . www.metaldetectingworld.com .
^ Уилер, Герсон Дж., Проектирование электронного оборудования: руководство по производству и изготовлению, Прентис-Холл, 1972.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Справочник по коррозионной инженерии» . www.corrosion-doctors.org .

Внешние ссылки

[Decker-1] Декер, Франко Лан (январь 2005 г.). «Вольта и «куча» » . Электрохимическая энциклопедия . Университет Кейс Вестерн Резерв. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 года.

[Turner-2] Тернер, Эдвард (1841). Либих, Юстус; Грегори, Уильям (ред.). Элементы химии: включая фактическое состояние и распространенные учения науки (7-е изд.). Лондон: Тейлор и Уолтон. п. 102. При действии простого круга, например цинка и меди, возбужденного разбавленной серной кислотой, весь водород, образующийся при гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.

[Goodisman-3] Гудисман, Джерри (2001). «Наблюдения за лимонными клетками» . Журнал химического образования . 78 (4): 516–518. Бибкод : 2001ЖЧЭд..78..516Г . дои : 10.1021/ed078p516 . Гудисман отмечает, что во многих учебниках химии используется неверная модель ячейки с цинковым и медным электродами в кислом электролите.

[Graham-4] Грэм-Камминг, Джон (2009). «Темпио Вольтиано» . Атлас компьютерных фанатов: 128 мест, где оживают наука и технологии . О'Рейли Медиа. п. 97. ИСБН 9780596523206 .

[5] М. Хаузер, Corrosion Control Services, Inc., вводное руководство.

[6] «Переодевание первой леди металлов – детали ремонта» . Ассоциация развития меди . Проверено 16 августа 2019 г.

[7] Брайант, Артур (1935). Сэмюэл Пепис: Годы опасности . Кембридж: Макмиллан. п. 370.

[8] «Защита от электрохимической коррозии» . www.corrosion-doctors.org . Проверено 25 мая 2023 г.

[9] «Гальваническая коррозия... Что это такое и как с ней бороться» . Моторная лодка . 82 (1). Hearst Magazines Inc.: 50 июля 1948 г.

[10] «CLI Хьюстон» . Архивировано из оригинала 26 декабря 2010 года . Проверено 15 января 2011 г.

[corrdocs-11] Третеви, КР; Чемберлен, Дж. (1988). «Исторические уроки коррозии» . Коррозионные врачи . Проверено 27 февраля 2014 г.

[12] Дэвид Экс. «Строитель обвиняет военно-морской флот в разрушении совершенно нового военного корабля» . Проводной .

[Mullan-Light-13] Муллан, Джефф (6 апреля 2011 г.). «Обновление потолочного светильника безопасности туннеля» (PDF) . Отчет перед Советом директоров MassDOT . МассДОТ. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июля 2013 года . Проверено 9 апреля 2012 г.

[54m-fix-14] Мерфи, Шон П. (5 апреля 2012 г.). «Большим раскопкам требуется ремонт освещения на сумму 54 миллиона долларов» . Бостон.com . Бостон Глобус. Архивировано из оригинала 6 апреля 2012 года . Проверено 9 апреля 2012 г.

[15] Вода . Гемат, РАН Редактор: Уротекст. ISBN 1-903737-12-5 . п. 826

[16] «Обучение безопасности пищевых продуктов | для потребителей | Часто задаваемые вопросы» . 20 января 2024 г.

[17] «Гальваническая чистка серебряных монет – Учебное пособие» . www.metaldetectingworld.com .

[18] Уилер, Герсон Дж., Проектирование электронного оборудования: руководство по производству и изготовлению, Прентис-Холл, 1972.

[pierre-19] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Справочник по коррозионной инженерии» . www.corrosion-doctors.org .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]