Коррозионная характеристика алюминия

Алюминий широко используется в различных областях техники. Основными потребителями алюминия и его сплавов являются самолетостроение и авиационное моторостроение, а также химическая и пищевая промышленность.

Алюминий — легкий металл с удельным весом 2,7 г/см³. В чистом виде он имеет невысокую прочность 9−12 кг/мм², но обладает высокой пластичностью, хорошо прокатывается и штампуется, удовлетворительно обрабатывается резанием, хорошо сваривается. Сплавы алюминия обладают более высокой прочностью.

Стандартный потенциал алюминия в водных растворах равен -1,67 В. Несмотря на это, алюминий имеет достаточно высокую устойчивость в воде, в большинстве нейтральных и многих слабокислых растворах, в атмосфере воздуха и других водных средах вследствие большой склонности его поверхности к пассивированию. По устойчивости пассивного состояния в аэрированных растворах алюминий может быть поставлен на второе место после титана.

Кислород воздуха или кислород, растворенный в воде, а также сама вода являются по отношению к алюминию пассиваторами. Поэтому во всех нейтральных и слабокислых водных растворах при доступе кислорода или других окислителей, а также при отсутствии их алюминий находится в пассивном состоянии. В таком случае электродный потенциал алюминия становится более чем на 1 В положительнее его нормального электродного потенциала. Например, в 0,5 моль/л растворе NaCl потенциал алюминия равен -0,57 В.

Известно, что поверхность алюминия в пассивном состоянии покрыта защитной пленкой, состоящей из А1₂0^ или А1₂0₃ • Н₂0, которая в зависимости от условий имеет различную толщину: 50−100 А. В сухом воздухе на поверхности алюминия образуется защитная пленка толщиной 150−200 А.

Защитные пленки на алюминии имеют амфотерный характер растворяются в сильных кислотах (неокисляющих) и особенно легко в щелочах. Активирование алюминия можно произвести солями ртути или путем натирания его поверхности металлической ртутью. В этом состоянии алюминий неустойчив на воздухе и в нейтральных растворах растворяется с выделением водорода даже в чистой воде. Самопассивирование делает алюминий весьма устойчивым материалом в слабокислых органических кислотах. По этой причине устойчивость алюминия повышается также в растворах сильных окислителей и в окисляющих кислотах (азотная кислота). Поэтому алюминий считается одним из лучших материалов при изготовлении емкостей для хранения и транспортировки концентрированной азотной кислоты.

Устойчивость алюминия повышается в растворах, содержащих окислительные анионы (нитраты, хроматы, бихроматы). Хлориды и другие галогениды способны разрушать защитную пленку на алюминии, и устойчивость алюминия в таких растворах несколько понижается. В растворах НС1 алюминий и его сплавы неустойчивы. При контакте с электроположительными металлами (Си, Pt, Fe, Ni, Sn и др.) и их сплавами коррозия алюминия в водных растворах значительно усиливается.

Сравнительно высокая коррозионная устойчивость чистого алюминия и его сплавов во многих нейтральных растворах объясняется не только защитным действием пассивных пленок, но обусловлена также высоким перенапряжением выделения водорода на поверхности активного и пассивного алюминия (катодный контроль).

Оксидная пленка на поверхности алюминия неоднородна, т. е. в пленке имеются поры. Именно в порах в первую очередь и протекает анодный процесс растворения металла. При толщине 50−100 А пленка оксида алюминия обладает достаточно высокой электропроводностью. На поверхности такой электропроводной пленки и может осуществляться катодный процесс. Участки пленки большой толщины практически совсем не пропускают электроны и поэтому инертны. Обычно поры в оксидной пленке составляют малую часть всей поверхности алюминия. В связи с этим в гальванической паре пленка — пора алюминий в порах подвержен значительной анодной поляризации. Отсюда понятно, что толщина и характер оксидной пленки влияют на электрохимическое поведение алюминия.

В нейтральных растворах алюминий (99,86%) корродирует с кислородной деполяризацией. Вместе с тем для алюминия (99,74%) наряду с кислородной зафиксирована и водородная деполяризация. Отмечается, что по мере увеличения в алюминиевом сплаве присадок с низким перенапряжением водорода доля водородной деполяризации возрастает. Например, отожженный дуралюмин (сплав алюминия с медью) в 0,5 моль/л растворе NaCl корродирует уже при соизмеримых значениях кислородной и водородной деполяризаций. При потенциалах от -0,5 до -1,0 В восстановление кислорода на алюминии идет преимущественно до пероксида водорода, при -1,4 В и выше—до воды. Перемешивание раствора интенсифицирует процесс кислородной деполяризации на алюминии, что свидетельствует о ходе катодного процесса кислородной деполяризации с диффузионным ограничением. Поскольку анодный процесс протекает в норах, перемешивание в ряде случаев усиливает местную коррозию.

Алюминий стоек в разбавленной серной кислоте, но не стоек в серной кислоте средних и высоких концентраций, стоек в олеуме. Он устойчив в уксусной кислоте, а также в ряде органических сред. Заметно разрушают алюминий муравьиная, щавелевая, хлоруксусная кислоты. В атмосфере чистый алюминий также устойчив, за исключением атмосфер, сильно загрязненных хлором или другими галогенами, анионами галогенов и катодно-активной пылью (угольными частицами). Сероводород и сернистый ангидрид не вызывают повышенной коррозии алюминия в атмосфере воздуха. Устойчив алюминий к газовой коррозии вплоть до температуры плавления.

Вместе с тем при температурах выше 300 °C он уже имеет высокую ползучесть и совершенно недостаточную механическую прочность.

Электродные процессы в коррозионном элементе, возникающем при погружении алюминия в азотную кислоту, протекают поразному в зависимости от концентрации кислоты. В разбавленном растворе анодная кривая характеризуется активным растворением алюминия, так что на коррозионной диаграмме Эванса анодная поляризационная кривая почти параллельна оси тока (рис. 4.1, кривая 3). Катодный процесс контролируется разрядом водорода (рис. 4.1, кривая 1). Причем с ростом концентрации HNO, облегчается выделение водорода (рис. 4.1, кривая 2), коррозионный ток возрастает (/ ,).

Рис. 4.1. Коррозионная диаграмма алюминия в разбавленной азотной кислоте:

• 1 — парциальная кривая разряда ионов водорода в разбавленном растворе кислоты;
• 2 — парциальная кривая разряда ионов водорода в более концентрированном

растворе кислоты; 3 — парциальная кривая ионизации алюминия С повышением концентрации сильного окислителя HNO, алюминий окисляется с образованием прочных оксидных соединений. По мере того как поверхность анодных участков закрывается оксидами, не растворяющимися в кислоте и не пропускающими заряженные частицы через границу фаз, ток на анодной кривой быстро уменьшается и остается при дальнейшей поляризации очень малым.

Рис. 4.2. Коррозионная диаграмма алюминия в концентрированной.

азотной кислоте:

1 — парциальная кривая ионизации алюминия в более концентрированном растворе; 2 — парциальная кривая ионизации алюминия в концентрированном растворе кислоты; 3 — парциальная кривая разряда ионов водорода Интенсивный разряд водорода, который мог бы наблюдаться в концентрированном растворе кислоты, не реализуется, так как коррозионный потенциал достигается при малых токах / _ор 2 Дальнейшее повышение концентрации кислоты вызывает более быструю и более глубокую пассивацию алюминия и дальнейшее уменьшение коррозионного тока (/ ,).

Практическая часть

Цель работы — оценить коррозионное поведение алюминия в зависимости от концентрации азотной кислоты при 50 °C и в растворах с различной величиной pH.

1. Для оценки коррозионного поведения алюминия в зависимости от концентрации азотной кислоты провести коррозионные испытания. Для этого приготовить растворы азотной кислоты по 100 мл различной концентрации (10,30,50,70% (масс.)). Испытуемые образцы из алюминия в количестве 4 шт. с общей поверхностью 50 см² почистить, промыть водопроводной водой, просушить фильтровальной бумагой и взвесить на аналитических весах с точностью до ±0,0002 г. Подготовленные алюминиевые образцы поместить в стаканы с азотной кислотой разной концентрации. Для поддержания температуры рабочего раствора 50±2 °С стаканы установить в термостат с терморегулятором. Выдержать алюминиевые образцы в коррозионной среде в течение 2−4 ч.

По окончании коррозионных испытаний образцы вынуть из растворов, промыть проточной водой, просушить фильтровальной бумагой и взвесить.

По убыли массы рассчитать скорость коррозии (г/(м² • ч)) образцов:

где т_х и т₂ — масса алюминиевого образца исходная и после выдержки в растворе кислоты; S — площадь образца; t — время выдержки в растворе.

Сравнить полученные результаты расчета.

• 2. Для изучения скорости коррозии алюминия в зависимости от pH растворов провести коррозионные испытания. Для их проведения приготовить рабочие растворы:
  • — соляной кислоты концентрации 1; 0,01 и 10 ⁶ моль/л с добавкой 0,5 моль/л NaCl;
  • — гидроксида натрия концентрации 1; 0,01 и 10 ⁶ моль/л с добавкой 0,5 моль/л NaCl.

С помощью pH-метра измерить величину pH каждого раствора. Испытуемые образцы из алюминия в количестве 6 шт. с общей поверхностью 100 см² почистить, промыть водопроводной водой, просушить фильтровальной бумагой и взвесить на аналитических весах с точностью до ±0,0002 г. Подготовленные таким образом образцы поместить в стаканы с растворами с разным pH и выдержать в течение 3,5¹ ч.

По окончании коррозионных испытаний образцы вынуть из растворов, промыть проточной водой, просушить фильтровальной бумагой и взвесить.

По убыли массы рассчитать скорость коррозии (г/(м² • ч)) согласно выражению (4.1).

Оформление отчета

Описать коррозионное поведение алюминия в средах с различной величиной pH, а также характерные особенности процесса в зависимости от концентрации сильного окислителя.

Сформулировать цель исследования.

Основные результаты экспериментов привести в виде графиков зависимостей К_т—C_HN03 и К_т—pH (рис. 4.3 и 4.4 соответственно) и таблиц (табл. 4.1 и 4.2) с пояснением расчетов.

Таблица 4.1

Результаты исследования коррозии алюминия в растворах азотной кислоты различной концентрации

Таблица 4.2

Результаты исследования коррозии алюминия в растворах с различной величиной pH

Рис. 4.3. Зависимость скорости коррозии алюминия от концентрации

азотной кислоты.

Рис. 4.4. Зависимость скорости коррозии алюминия от pH раствора.

Сделать выводы о влиянии концентрации азотной кислоты и pH раствора на скорость коррозии алюминия, дать объяснение наблюдаемым зависимостям.

Вопросы к коллоквиуму

• 1. Электрохимические и коррозионные свойства алюминия.
• 2. Диаграмма Пурбе для алюминия.
• 3. Коррозия алюминия в азотной кислоте.
• 4. Порядок выполнения работы и обработки результатов эксперимента.