Korozijsko ponašanje metala

1. Korozijsko ponašanje metala Predavanje 6

2. 1. Željezo Legura željeza s niklom (20-30% Ni) je otporna prema atmosferskoj koroziji i koroziji u elektrolitima, naročito prema vrućim rastaljenim lužinama. Nikleno lijevano željezo specijalno se priređuje u antikorozivne svrhe. Sastoji se od 18-22% Ni i 1,5-4,5% Cr ili 13,5-17,5% Ni, 5,5-7,5% Cu i 1,5-3,5% Cr. Legura željeza sa silicijem (14—15% Si) ima izvrsna antikorozivna svojstva. Predmeti se proizvode uglavnom samo lijevanjem (dijelovi centrifugalnih crpki, ventila, isparivača i sl.). Ova je legura stabilna prema vodi i kiselinama zbog nastajanja SiO2-sloja na površini.

3. Legure čelika s kromom (12-16% Cr), povisuju njegovu otpornost prema kemijskoj koroziji na povišenim temperaturama, jer se stvara zaštitni film kromnog oksida. Nazivamo ih nehrđajućim čelicima jer ne hrđaju na vlažnoj atmosferi. Nerđajući čelici su pasivizirani zbog utjecaja kisika, no ako dođu u kontakt s reduktorima (SO42–) i aktivnim anionima (kloridi, fluoridi), razara se zaštitni film. Dodatak nikla u kromne čelike utječe na poboljšanje antikorozivnih svojstava. Legura čelika sa 16% Cr i 2% Ni stabilnija je prema moru i morskoj atmosferi od kromnog čelika bez Ni. Upotrebljava se za dijelove ventila i crpke za hladnu i toplu morsku vođu. Ova je legura uvedena jer čelik sa 16 do 18% Cr ima manju čvrstoću i žilavost.

4. Daljnje povišenje nikla u kromnom čeliku s više od 16% Cr daje leguru s vrlo povoljnim antikorozivnim svojstvima koja se danas mnogo upotrebljava kao austenitni Cr-Ni-čelici. Ova legura sadrži 18% Cr i 8% Ni ili češće 25% Cr i 12-20% Ni. Cr-Ni-čelici žare se i naglo hlade, a dodavanjem titana ili niobija (5 - 9 puta više od C) sprečava se interkristalna korozija. Cr-Ni-čelici stabilniji su od običnog tehničkog željeza prema nafti i njenim derivatima koji sadrže sumporne spojeve. Kromni čelici i Cr-Ni-čelici mogu sadržavati i mangan, koji je jeftiniji od nikla, pa se dobiju Cr-Mn i Cr-Ni-Mn čelici. Cr-Mn čelici imaju korozivna svojstva koja stoje između kromnih i Cr-Ni čelika. Maksimalna korozivna stabilnost postiže se žarenjem uz naglo hlađenje. Vatrostalni Cr-Ni čelici imaju sličan sastav kao i nehrđajući. Cr-Ni 25-20 otporan je do 1150°C.

5. 2. Krom Čisti se krom upotrebljava jedino kao prevlaka, a služi za galvansko kromiranje željeza radi zaštite od korozije ili za dobivanje tvrde i mehanički otporne površine. Ima veliku tvrdoću, pa je otporan prema abraziji i eroziji. U korozivnom pogledu u cijelosti odgovara kromnim nehrđajućim čelicima koji su prije opisani. Brzo se pasivizira, pa je otporan u atmosferi i raznim plinovima na visokim temperaturama (do oko 980°C). Sumporni spojevi na njega ne djeluju korozivno, pa se upotrebljava u rafinerijama nafte.

6. 3. Nikal Nikal je poput željeza koje mu je srodno, može se lako polirati, kovati, zavarivati, valjati i izvlačiti u žicu; magnetičan je, ali manje nego željezo. Nikal može, kao i željezo, biti piroforan, tj. spontano se zapaliti (prašci) na zraku pri sobnoj temperaturi. Nikal je korozivno prilično otporan. Vodi, atmosferilijama, lužinama i mnogim organskim tvarima dobro odolijeva - prevlači se postepeno smeđim, crnim ili zelenkastim slojem niklenog bazni sulfat NiSO4 ∙ 3 Ni(OH)2, koji ga površinski zaštićuje.

7. Legure nikla sa željezom sadrže iznad 35% Ni i slične su po svojim korozivnim osobinama čistom niklu. Legure nikla s bakrom - najvažnije su one pod nazivom monel. Monel-legure sadrže 63-68% Ni i 29-30% Cu, kao i manje količine Fe, Mn i Si. Monel-legure se upotrebljavaju za izradu vijaka, osovina i pokretnih dijelova crpki za morsku vodu. Legure nikla s kromom u sastavu imaju 60-80% Ni i 12-20% Cr, dok ostatak sačinjava željezo i nešto Si, Mn, Cu i B (bor). Ni-Cr legure ujedinjuju dobra svojstva nikla i kroma. Njihova se vatrostalnost može povisiti dodatkom manjih količina Si, Ca i Al. Najbolja antikorozivna svojstva ima legura, koja se primjenjuje u SAD pod nazivom Inconel (Ni 78,72%, Cr 14,00%, Fe 6,50%, te malo Si, Mn, Cu i C). Povećanjem silicija ili smanjenjem mangana može se još povećati otpornost prema koroziji.

8. 4. Kobalt Kobalt je po korozivnim osobinama sličan niklu. Skup je i primjenjuje se samo u legurama. Najpoznatije su legure kobalta steliti, naročito pod oznakom Haynes [Heinz]. Sve stelitne legure otporne su prema: • temperaturi, koroziji i habanju, • prema kiselinama kod određenih koncentracija i temperature. Ove se legure obično prerađuju lijevanjem, a mogu se i navarivati na druge metale. Primjenjuju se navarivanjem na sjedišta ventila automobilskih i avionskih motora, lopatica parnih turbina i sl.

9. 5. Bakar Bakar je prilično otporan prema utjecaju atmosferske korozije, jer na njegovoj površini nastane zaštitni film (patina) korozivnih produkata, koji sadrže bakreni bazni sulfat CuSO4 ∙ 3 Cu(OH)2. U blizini mora zaštitni se sloj sastoji od bakrenog baznog klorida. U morskoj vodi bakar korodira neznatno i njegovi ioni sprečavaju obraštanje metala organizmima. Kontakt bakra s čelikom, Zn, Al i Mg prouzrokuje jaku koroziju tih metala. Bakar korodira u: • aeriranim kiselinama bez oksidativnih svojstava, • otopinama koje sadrže amonijeve, cijanidne, sulfidne, kromatne, stani (kositar Sn 4+), merkuri (Hg 2+) i feri (Fe 3+) ione, • organskim sumpornim spojevima koji se nalaze u gumi i nafti.

10. Legure bakra sa cinkom To su razne vrste mjedi koje se u vlažnoj atmosferi prevlače patinom. Korozivna svojstva mjedi slična su svojstvima bakra. Mjed teži specifičnoj formi korozije, koja nastaje u raznim elektrolitima pod nazivom decinkacija. Legure s dodatkom Sn (kositar), As (astat), Sb (antimon) ili P sprečavaju decinkaciju. Druga je pojava korozije mjedi tzv. sezonsko pucanje, koje nastaje na hladno vučenim predmetima. Pukotine nastaju naglo i može doći do loma komada uslijed unutrašnjeg naprezanja. Povećanjem sadržaja Cu naglo raste otpornost prema ovoj pojavi korozije.

11. Legure bakra s kositrom - kositrene bronce Sadrže oko 4-10% Sn uz nešto Zn (cinka) i Pb (olova). Korozivna su im svojstva slična bakru. Sn bronce otpornije su prema atmosferskoj koroziji nego bakar i prevlače se zaštitnim slojem (bakreni bazni karbonat). Sn bronce otpornije su prema koroziji pri naprezanju i korozivnom zamoru nego mjed. Legure bakra sa silicijem - silicijeve bronce u sastavu imaju do 4% Si uz dodatak Mn, Zn, Fe ili Sn. Po korozivnim svojstvima slične su bakru. Legure bakra s aluminijem - aluminijske bronce sadrže do 10% Al. Imaju dobra antikorozivna svojstva i otpornije su od bakra u vrućim plinovima i ako sadrže H2S. Legure bakra s niklom - novo srebro otpornije su prema atmosferskoj koroziji nego bakar i druge njegove legure, kao i prema amonijaku, organskim kiselinama i lužinama. Nestabilne su prema djelovanju sulfidnih otopina i plinova koji sadrže H2S.

12. 6. Olovo Olovo je stabilno u vlažnoj atmosferi, u prirodnim vodama i raznim kemikalijama, jer se na njegovoj površini stvori zaštitni film (npr. olovnog baznog karbonata ili sulfata) koji sprečava dalju koroziju. Zato se u teškoj kemijskoj industriji može olovo upotrijebiti kao antikorozivni materijal u obliku obloga. Olovne legure imaju uglavnom ista korozivna svojstva kao i olovo. Legure olova s kositromsadržavaju do 50% Sn. Najvažnija je legura za lemljenje koja sadrži 25-50% Sn. Legure olova s antimonom - tvrdo olovo - sadržaj antimona iznosi 4-10% uz tragove arsena, koji u većim količinama prouzrokuje koroziju olova. U korozivnom pogledu legure olova s antimonom (Sb) slične su čistom olovu. Ove se legure upotrebljavaju za izradu akumulatora, te za izradu ležaja.

13. 7. Kositar Niska temperatura utječe na fizikalno razaranje kositra, pa nastaje tzv. kositrena kuga (prijelaz iz bijele metalne modifikacije u sivu praškastu). Kadmij i olovo te 5% bizmuta ili antimona sprečavaju ovu pojavu. Kositar je vrlo otporan prema djelovanju atmosferske korozije. Ne korodira u: • slatkoj i morskoj vodi, • nafti, • kiselinama bez oksidativnog djelovanja i bez kisika, organskim kiselinama, te • slabo alkalnim otopinama (amonijevom hidroksidu, natrijevu karbonatu).

14. 8. Cink Cink je jako elektronegativan metal (lako daje elektrone) pa koroziju može ubrzati svaki njegov kontakt s drugim metalom osim s magnezijem. Na visokim temperaturama njegova mehanička svojstva slabe. Cink služi za galvaniziranje željeznih i čeličnih proizvoda radi zaštite od korozije - pocinčavanje, za stvaranje legura (mjed, alpaka) i u industriji boja. Kod određenih uvjeta na površini mu se stvara zaštitni film od cinkovog baznog karbonata, pa je otporan u vlažnoj atmosferi. Cink je otporan u: • slatkoj i morskoj vodi, ako nije u kontaktu s plemenitijim metalima, • nafti i njenim derivatima kao i • nekim suhim plinovima.

15. 9. Kadmij Kadmij je mek, srebrnast metal, sličan i srodan cinku, koji ga redovito prati u mineralima. U korozivnom pogledu sličan je cinku, ali je ipak nešto postojaniji. Kadmij se upotrebljava kao sastojak nekih legura i kao zaštitna prevlaka na željezu i čeliku. Spojevi kadmija vrlo su otrovni.

16. 10. Aluminij Otpornost aluminija prema koroziji ovisi o zaštitnom oksidacionom filmu. Drugi metali u elektrolitima loše djeluju na aluminij zbog njegove neplemenitosti. Aluminij nije otporan u morskoj vodi, u lužinama jer je izrazito amfoteran metal. Najvažnije legure aluminija nastaju legiranjem sa Cu, Mn, Mg, Cr, Si i Zn. One su mehanički čvršće, ali zato manje korozivno postojane. Duraluminij sadrži oko 0,5% Mg, 3—4% Cu, 0,25—1% Mn, dok je ostatak aluminij. Legura je korozivno postojana. Silumin je legura sa silicijem, kojega sadrži 12—13,5%. Otporan je prema koroziji.

17. 11. Magnezij Magnezij je vrlo neotporan prema koroziji, pa se upotrebljava samo legiran. Korodira već u vrućoj vodi. Magnezij se legira sa Mn, Al, Zn (do 3% Mn, do 10% Al i do 3% Zn) radi povišenja čvrstoće i poboljšanja korozivnih svojstava. Prisutnost Fe, Cu, Ni, Cd u Mg pogoršava njegova korozivna svojstva. Magnezijeve legure postojane su u morskoj atmosferi, slatkoj vodi, u nafti i njenim derivatima.

18. 12. Srebro Elementarno srebro (Ag) jest bijel, kovak, vrlo rastezljiv plemenit metal, topljiv u nitratnoj i vreloj sulfatnoj kiselini. U kontaktu sa živom brzo se razara. U prirodi se nalazi samorodno, najčešće u društvu sa zlatom i bakrom.

19. 13. Zlato Zlato (Au) je kemijski vrlo postojano. Otapa se jedino u zlatotopci, tj. u smjesi kiselina HCl : HNO3 (3 : 1). Korozivno djeluju i druge smjese ovih kiselina, kao i elementarni klor, brom i jod, zatim cijanidne otopine. Živa ga brzo amalgamira. Zlato se legira sa Ag, Cu, Zn, Ni, Pd (paladij) i Pt, pa se dobiju legure korozivno slabije postojane i s lošijim fizikalnim svojstvima.

20. 14. Platina Platina (Pt) je kemijski također vrlo otporan metal. Otapa se u zlatotopci i u vrućoj bromovodičnoj i jodovodičnoj kiselini, elementarnom bromu, vrućem kloru, vrućoj otopini cijankalija i talinamalužina, cijanidnim i sulfidnim talinama. Prema svim ostalim agresivnim uplivima postojana je i pri visokim temperaturama.

21. Pitanja za ponavljanje • Najvažnija svojstva kroma, nikla, kobalta, bakra, cinka, aluminija i magnezija (korozivna i mehanička)? • Kemijski simboli za obrađene metale (željezo, nikal, bakar…)! • Što je pirofornost? • Što su mjedi? Kojim vrstama korozije su sklone? • Što je kositrena kuga? • Navedite metal koji je elektronegativniji od cinka.