METODE DE PROTECŢIE ANTICOROZIVĂ A MATERIALELOR METALICE

Consideraţii teoretice

Protecţia împotriva coroziunii reprezintă totalitatea măsurilor care se iau pentru a proteja

materialele tehnice de acţiunea agresivă a mediilor corosive.

Deşi există metale şi aliaje care prezintă o bună rezistenţă la coroziune, acestea sunt de

obicei scumpe. De aceea s-au stabilit diferite metode pentru a proteja impotriva coroziunii

metalelor uzuale, uşor accesibile.

Cauzele coroziunii fiind variate şi metodele de protecţie sunt variate; ele se pot clasifica

în câteva categorii mari :

- Straturi protectoare

- Înhibitori şi pasivizatori

- Condiţionarea mediului coroziv

- Protecţia catodică

Straturile protectoare. Acestea sunt cele mai vechi şi mai aplicate metode de protecţie.

După natura lor, ele pot fi: metalice, anorganice şi organice.

a) Straturile metalice pot fi obţinute prin diferite procedee: galvanizare, metalizare, difuziune,

cufundare în metal topit, placare etc.

Galvanizarea - constă în depunerea unui strat prin electroliză. În general, pentru

acoperirea fierului se folosesc zincul, cromul şi plumbul.

Metalizarea - constă în aplicarea unui metal protector, în stare topită şi pulverizată pe

suprafaţa de protejat. Ea se face cu flacără oxiacetilenică în care se topeşte o sârmă din metalul ce

trebuie depus, pulverizarea fiind făcută cu aer comprimat.

Difuziunea – constă în tratarea suprafeţei unui metal cu un metal de protecţie; la

temperatură înaltă la care are loc operaţia, la suprafaţa metalului se formează un strat protector

alcătuit dintr-o soluţie solidă a celor două metale.

Cufundarea în metal topit – se face de obicei pentru acoperirea fierului cu un metal care

are punctul de topire mai mic, metale ca plumbul, staniul sau zincul.

Placarea - constă în presarea sau laminarea, la cald, a două metale diferite. Metalul care

trebuie placat se toarnă într-o formă căptuşită cu metalul protector, după care se laminează.

Aderenţa stratului protector la metalul de bază se face datorită forţelor mecanice şi datorită

difuziunii.

b) Straturile anorganice sunt şi ele de diferite tipuri. Astfel, suprafaţa obiectului metalic se poate

supune unor tratamente chimice pentru obţinerea unei pelicule ce prezintă o bună rezistenţă la

coroziune.

Oxidarea - constă în formarea pe suprafaţa metalică a unei pelicule din oxidul metalului,

sub acţiunea aerului. Adeseori stratul natural de oxid creşte când metalul este supus unor

tratamente speciale cu oxidanţi puternici sau pe cale electrochimică.

Fosfatarea – constă în formarea pe suprafeţele obiectelor metalice a unei pelicule

protectoare formată din fosfatul metalului respectiv. Acesta se realizează prin introducerea

metalului în soluţii acide de fosfaţi de fier, de zinc sau de mangan.

c) Straturile organice formează un izolant între metal şi mediul coroziv. Ele trebuie să fie

adezive, continue şi impermeabile.

Înhibitori şi pasivizatori. Înhibitorii sunt substanţe care, adăugate mediului corosiv,

micşorează sau chiar anulează viteza de coroziune. Nu există reguli generale asupra naturii

înhibitorului. Pasivizatorii acţionează asupra metalului modificându-i potenţialul faţă de soluţia în

care este introdus.

Condiţionarea mediului coroziv. Uneori coroziunea metalelor poate fi atenuată dacă se

îndepărtează componentele corozive din mediul cu care vine în contact metalul.

Protecţia catodică. O nouă metodă de protecţie contra coroziunii o reprezintă îndrumarea

fluxului de electroni în direcţia opusă aceleia în care are loc coroziunea metalului, prin crearea în

mod artificial a unui cuplu galvanic special.

Prin aplicarea metodelor moderne de protecţie împotriva coroziunii se economisesc anual

mii de tone de materiale metalice, care altfel ar fi distruse. De aceea, dezvoltarea tehnicii

moderne pune în faţa tehnicienilor şi a oamenilor de ştiinţă nu numai sarcina de îmbunătăţire a

calităţiilor materialelor existente, ci şi aceea de descoperire a celor mai eficiente mijloace de

protecţie a acestora.

1.1 Protecţia catodică cu anozi de sacrificiu

Scopul lucrării

În lucrarea experimentală se vor măsura cu un instrument universal tensiunile

electromotoare ale fierului neprotejat şi ale Zn, Al, Cu suprapuse pe rând pe fier faţă de

electrodul de referinţă Cu/CuSO4. Comparând semnele şi valorile potenţialului de electrod al

fierului singular şi al fierului legat cu Zn, Al şi Cu faţă de electrodul de referinţă, se vor pune în

evidenţă ce metale pot fi utilizate ca anozi de sacrificiu.

Introducere

Protecţia catodică cu anozi de sacrificiu este o metodă electro-chimică de protecţie

împotriva coroziunii ce se aplică la construcţiile metalice în contact cu solul, apa mărilor sau

atmosfera (conducte de oţel pentru transportul fluidelor, stâlpi metalici de susţinere, rezervoarele,

cazanele, coloanele de extracţie, cablurile etc).

Principiul metodei de protecţie catodică constă în modificarea potenţialului de coroziune

al sistemului metalic de protejat spre valori atât de negative încât coroziunea să nu mai poate

avea loc.

Protecţia catodică cu anozi de sacrificiu se realizează practic prin fixarea pe suprafaţa

metalică de protejat a unor bare, plăci, benzi metalice speciale denumite anozi de sacrificiu, anozi

solubili sau anozi activi. Anozii de sacrificiu sunt alcătuiţi dintr-un metal sau aliaj cu potenţial de

coroziune în mediul dat mai negativ decât al metalului de protejat. De exemplu: pentru protecţia

sistemelor pe bază de Fe se folosesc Zn, Al, Mg şi aliajele lor.

Reacţiile chimice în coroziunea cu depolarizare de hidrogen sunt:

În medii acide: Reacţie de ionizare a metalului (oxidare), MM+z +ze-

(Fe Fe+2 + 2e-)şi Reacţie de depolarizare (reducere), zH++ze- z/2 H2

(2H+ + 2e- H2)Reacţie globală: M+ zH+ M+z + z/2 H2,

(Fe + 2H+ Fe+2 + H2)În medii neutre şi alcaline: Reacţie de oxidare, MM+z +ze-

(Fe Fe+2 + 2e- )Reacţie de depolarizare (reducere), zH2O+ze- zOH- + z/2 H2

(2H2O+2e- 2OH- + H2)Reacţie globală: M + zH2O M+z + zOH- + z/2 H2,

(Fe + 2H2O Fe+2 + 2OH- + H2)Coroziune cu depolarizare de oxigen:

În medii acide:Reacţie de oxidare, MM+z +ze-

Fe Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare, zH++z/4 O2 +ze- z/2H2O 2H++1/2 O2 +2e- H2O

Reacţie globală: M+ zH++z/4 O2 M+z +z/2H2O,Fe+ 2H++1/2 O2 Fe+2 +2H2O

În medii neutre şi alcaline: Reacţie de oxidare, MM+z +ze-

Fe Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare (reducere), z/2 H2O +z/4O2+ze zOH- H2O +1/2O2+2e- 2OH-

Reacţie globală: M+z/2 H2O +z/4O2 M(OH)z,Fe+ H2O +1/2O2 Fe(OH)2

Eficienţa protecţiei catodice cu anozi de sacrificiu este asigurată de menţinerea constantă

a potenţialului de protecţie impus. Controlul protecţiei catodice se realizează prin măsurarea

potenţialului de coroziune al sistemului metalic de protejat faţă de un electrod de referinţă prin

intermediul unui voltmetru electronic.

Aparatură şi substanţe: electrozi de Fe, Cu, Zn, Al şi electrodul de referinţă Cu/CuSO4, medii

corozive: acid, neutru şi alcalin, instrument universal de măsură.

Mod de lucru

Plăcuţele (electrozii) de Zn, Fe, Al, Cu se curăţă cu hârtie de şmirghel înaintea fiecărei

măsurători. Se alcătuiesc următoarele pile galvanice de coroziune:

(-) Fe/mediu coroziv//electrod de referinţă (+)(-) Fe+M /mediu coroziv//electrod de referinţă (+),

unde: M este Zn, Fe, Al, Cu, iar mediul coroziv va fi: NaCl 1N, NaOH 0.1N, H2SO4 0,1N

succesiv.

Pilele electrochimice de mai sus se realizează introducând electrodul de Fe şi electrodul

de referinţă (Cu/CuSO4) în vasul conţinând soluţia corozivă. Electrozii pilei electrice se leagă la

bornele aparatului de măsură astfel încât t.e.m. să fie pozitivă (Fig. 4.6.3.1)

1. celula electrolitică; 2. M - Zn, Al sau Cu; 3. punte electrolitică; 4. electrod de Cu/CuSO4;

5. multimetru.

Fig. 4.6.3.1. Celulǎ electrochimicǎ

Rezultate şi calcule:

Se notează pentru fiecare pilă electrică indicată în tabelul de mai jos mărimea

tensiunii electromotoare, (Eexp), după două minute când se atinge o valoare relativ constantă;

Se calculează potenţialul de electrod al fierului şi al sistemului Fe+Zn, Fe+Al,

Fe+Cu pe baza relaţiei:

în care =0.34 [V], iar sistemul metalic este Fe, Fe+Zn, Fe+Al, Fe+Cu.

Deci = 0.34 – Eexp

Rezultatele obţinute din măsurătorile experimentale şi din calcule se înscriu într-un tabel

conform modelului:

Nr. det.

Pila galvanică de coroziuneEexp.

[V]sistem

[V]

Zn, Al, Cu poate (nu poate) fi anod de

sacrificiu

1 (-)Fe/NaCl//CuSO4/Cu (+)

2 (-)Fe+Cu/NaCl//CuSO4/Cu (+)

3 (-)Fe+Zn/NaCl//CuSO4/Cu (+)

4 (-)Fe+Al/NaCl//CuSO4/Cu (+)

5 (-)Fe/H2SO4//CuSO4/Cu (+)

6 (-)Fe+Cu/H2SO4//CuSO4/Cu (+)

7 (-)Fe+Zn/H2SO4//CuSO4/ Cu (+)

8 (-)Fe+Al/H2SO4//CuSO4/Cu (+)

9 (-)Fe/NaOH//CuSO4/Cu (+)

10 (-)Fe+Cu/NaOH//CuSO4/Cu (+)

11 (-)Fe+Zn/NaOH//CuSO4/Cu (+)

12 (-)Fe+Al/NaOH//CuSO4/Cu (+)

Interpretarea rezultatelor:

Dacă potenţialul sistemului metalic Fe + alt metal (Zn, Cu, Al) este mai negativ decât

potenţialul Fe, într-un mediu coroziv dat, atunci metalul cu care s-a asociat Fe este anod de

sacrificiu. În caz contrar, metalul de asociere nu este anod de sacrificiu. De asemenea, în funcţie

de valoarea potenţialului sistemului metalic (Fe + alt metal) se apreciază care metal este cel mai

bun protector pentru Fe, într-un mediu coroziv dat.