Курсовая работа (т): Дослідження протикорозійних властивостей електрометалізаційних алюмінієвих покриттів

Дослідження протикорозійних властивостей електрометалізаційних алюмінієвих покриттів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Кафедра хімії і технології неорганічних речовин

Курсова робота

з дисципліни “Технічна електрохімія”

на тему: “Дослідження протикорозійних властивостей електрометалізаційних алюмінієвих покриттів”

Виконала: Панасюк А.М

Керівник роботи: професор Хома М.С

Львів-2014

ЗМІСТ

Вступ

. Характеристика алюмінію

1.1 Фізичні властивості алюмінію

.2 Добування алюмінію

.3 Порошки алюмінію

.4 Застосування алюмінію

2. Методи нанесення алюмінієвих покриттів

2.1 Підготовка поверхні виробів перед нанесенням покриттів

.2 Знежирення

.3 Травлення

.4 Пасивування

3. Корозійно-електрохімічні властивості алюмінію (за різних pH)

3.1 Корозійна тривкість алюмінію

.2 Корозія алюмінію у водних середовищах

.2.1 Прісна вода

.2.2 Морська вода

.3 Контактна корозія

.4 Атмосферна корозія алюмінію

.5 Корозія алюмінію в кислотах

4. Методи дослідження, матеріали та середовище

. Дослідження електрохімічних властивостей алюмінієвих покриттів в сірководневих середовищах

5.1 Корозійна тривкість металізаційного алюмінієвого захисного покриття

.2 Електрохімічні дослідження алюмінієвих покриттів

Висновки

ВСТУП

Корозія - це процес руйнування металів унаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії їх із корозивним середовищем. Корозія призводить до значних збитків у всіх промислово розвинених країнах. Втрати від корозії складаються з вартості виготовлених металевих виробів (конструкцій), що стають непридатними у виробництві в результаті корозії, і незворотніх втрат металу у вигляді продуктів корозії. З розвитком промислового потенціалу у всіх країнах темп зростання корозійних втрат став перевищувати темп зростання металофонду. Це обумовлено двома основними причинами:

) зміною структури використання металу;

) значним підвищенням агресивності атмосфери і природних вод унаслідок забруднення їх промисловими викидами.

Електрохімічна корозія - це процес мимовільного руйнування металевих матеріалів унаслідок електрохімічної взаємодії їх з навколишнім середовищем, при якій іонізація атомів металу і відновлення окисного компонента корозивного середовища проходять не в одному акті, а їх швидкості залежать від величин електродного потенціалу металу, що кородує. Електрохімічні процеси - це сукупність двох процесів - анодного і катодного:

·        анодна реакція - іонізація металу: Ме → Meⁿ⁺ + nē ;

·        катодна реакція - процес відновлення окисного компонента корозійного середовища Ox + nē → Red

Алюміній використовується як захисне покриття для заліза і сталі, а також для деяких високо- і середньо- міцних алюмінієвих сплавів. У деяких випадках оптимальний захист досягається при використанні алюмінієвих сплавів для протекторних покриттів. Алюміній застосовують також як декоративне покриття металевих і неметалевих поверхонь. Існує кілька методів нанесення алюмінієвих покриттів, і вибір методу залежить значною мірою від того, які функції в основному має виконувати покриття - захисні чи декоративні. Алюмінієве покриття має низку цінних властивостей: відзначається пластичністю, механічною міцністю, високою корозійною тривкістю. Не руйнуючи алюмінієвого покриття, таку сталь можна витягувати, штампувати, пресувати.

Нанесення алюмінієвих покриттів здійснюється в різних цілях: для захисту від корозії, створення різних екранів з декоративними цілями і рідше для відновлення розмірів та усунення ливарних дефектів.

Незважаючи на малі енергетичні затрати (t =200^оС), нанесення алюмінієвих покриттів за низькотемпературного електролізу супроводжується певними складнощами: не завжди вдається досягти доброї адгезії, великих товщин і структури покриття. Для покращення адгезії, а також збільшення товщини покрить використовують неорганічні додатки: цинку, хрому, титану хлориди (до 0,4%). Поверхнево-активні органічні речовини спричиняють катодну поляризацію, що сприяє утворенню дрібнокристалічного непоруватого покриття. Так, введення карбаміду 0,1 моль % дає змогу одержати гладке покриття завтовшки до 60 мкм на різних основах.

Нанесення захисних металевих покриттів - один із найпоширеніших методів боротьби з корозією.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЮМІНІЮ

Алюміній (Al) - хімічний елемент III групи періодичної системи, його атомний номер 13, відносна атомна маса 26,9815. В природі існує єдиний стабільний ізотоп ²⁷Al. Третій за вмістом елемент (і найпоширеніший метал) земної кори (після кисню і кремнію). На його частку припадає 8% маси земної кори. Основна маса його зосереджена в алюмосилікатах - сполуках Алюмінію з Силіцієм. Продуктом руйнування цих гірських порід є глина, а з інших мінералів, утворених Алюмінієм, найбільше значення мають боксит, корунд, і кріоліт. Вперше чистий алюміній був отриманий Велером у 1827 році при взаємодії алюміній хлориду з металевим калієм. Однак, незважаючи на широку поширеність у природі, до кінця XIX століття алюміній належав до числа рідкісних металів. Сьогодні у промисловості алюміній одержують електролізом глинозему Аl₂0₃, у розплавленому кріоліті.

У періодичній системі Менделєєва Алюміній знаходиться в третьому періоді, у головній підгрупі третьої групи Заряд ядра +13 . Найбільш характерний ступінь окиснювання атома Алюмінію +3. Негативний ступінь окиснювання проявляється рідко. Електронна конфігурація атома Алюмінію:1s² 2s²2p⁶3s².

Алюміній - типовий амфотерний елемент, він утворює як аніонні, так і катіонні комплекси. У вигляді простої речовини алюміній - сріблясто-білий, досить щільний метал із густиною 2,7 г/см³ температурою плавлення 660 °С і температурою кипіння 2500 °С. Кристалічний алюміній має гранецентровану кубічну решітку. Характеризується високою тягучістю, високою тепло- електропровідністю. З цим пов'язане його використання у виробництві електричних дротів, при однаковій електричній провідності алюмінієвий дріт удвічі легший за мідний. На повітрі алюміній вкривається найтоншою (0,00001 мм), але дуже щільною плівкою оксиду Аl₂0₃, що вберігає метал від подальшого окиснення і надає йому матового вигляду. Алюміній легко витягується в дріт і сплощується в тонкі листи. Алюмінієва фольга (завтовшки 0,005 мм) застосовується для упакування в харчовій і фармацевтичній промисловості.

Основну масу алюмінію використовують для отримання різних сплавів, які крім високих механічних властивостей характеризуються своєю легкістю. Найважливіші і цих сплавів - дюралюміній (94 % Аl; 4 % Сu; по 0.5 % Mg,Mn, Fe, Si) і силумін (сплав Al-Si). Алюмінієві сплави застосовують в ракетній техніці, в приладобудуванні, виробництві посуду й у багатьох інших галузях промисловості. За широтою застосування сплави алюмінію займають третє місце після сталі й чавуну. Алюміній, крім того, застосовується й у вигляді добавки до багатьох сплавів з метою надання їм жаростійкості. При розжарюванні подрібненого алюмінію він енергійно згоряє на повітрі. Алюміній помітно розчиняється в розчинах солей, що мають внаслідок їхнього гідролізу кислу або лужну реакцію, наприклад, у розчині Na₂CO₃. В усіх своїх стійких сполуках Алюміній тривалентний, у ряді напруг він розташовується між Mg і Zn.

Реакція сполучення алюмінію і кисню супроводжується виділенням величезної кількості тепла. Ця властивість знайшла застосування у зварюванні сталевих частин, зокрема стиків трамвайних рейок. Ця суміш складається зазвичай з порошків алюмінію й феруму оксиду Fe₃0₄, а підпалюється вона за допомогою запалу із суміші Аl і Ва0₂. Основна реакція йде за рівнянням:

Аl + 3Fe₃0₄ -> 4Аl₂0₃, + 9Fe + 3350 кДж.

Температура при цьому сягає 3000 °С. Алюмінію оксид - це біла, дуже тугоплавка й нерозчинна у воді маса. Природний Аl₂0₃ (мінерал корунд) відрізняється великою твердістю й стійкістю до кислот. Він застосовується для виготовлення шліфувальних кругів, брусків, наждаку. Червоний рубін (корунд із домішкою хрому) і синій сапфір (корунд із домішками заліза й титану) - дорогоцінні камені. Їх одержують також штучно і використовують для технічних цілей, наприклад, для виготовлення деталей точних приладів, каменів у годинниках тощо. Кристали рубінів, що містять малу домішку Сr₂0₃, застосовують для створення лазерних випромінювачів. Алюміній гідроксид Аl(ОН)₃, - драглистий осад білого кольору, який майже не розчиняться у воді, але легко розчиняється в кислотах і лугах. Отже, він має аморфний характер. Однак і основні, і особливо, кислотні його властивості виражені досить слабко. При взаємодії його із сильними лугами утворюються відповідні солі - алюмінати:

+ Al(OH), -> Na[Al(OH)₄].

Алюмінати найбільш активних одновалентних металів у воді розчиняються добре, але через сильний гідроліз їхні розчини стійкі лише при наявності надлишку лугу. Алюмінати, шо походять від слабших основ, гідролізуються в розчині практично повністю і тому можуть бути отримані тільки сухим шляхом - сплавленням А1₂0₃ з оксидами відповідних металів. З кислотами Аl(ОН)₃, утворює солі. Солі Al більшості сильних кислот добре розчиняються у воді, при цьому досить сильно гідролізовані. Унаслідок цього сульфід, карбонат, ціанід і деякі інші солі. алюмінію з водних розчинів отримати не вдається. У водному середовищі аніон Аl³⁺ безпосередньо оточений шістьма молекулами води. Такий гідратований іон трохи дисоційований (тобто розділений на два більш простих іони) за схемою:

[Al(OH₂)₆]³⁺ + Н₂0 -> [А1(ОН₂)⁵]₂+ ОН^-

Унаслідок дисоціації цей іон є слабкою кислотою, близької за силою до оцтової.

Сполуки Алюмінію, Силіцію та Оксигену з лужними металами (алюмосилікати) утворюють польові шпати, на частку яких припадає більше половини маси земної кори. Головні їхні представники - мінерали: ортоклаз K₂Al₂Si₆0₁₆, альбіт Na₂Al₂Si₁O₁6, анортит CaAl₂Si₂O₈,а також мінерали групи слюд (наприклад мусковіт). Мінерал нефелін KNa₃[AlSiO₄]₄ використовується для виробництва цементу. Деякі алюмосилікати мають пухку структуру і здатні обмінюватися іонами з іншими сполуками. Такі алюмосилікати, природні й особливо штучні, застосовуються для пом'якшення водопровідної води. Крім того, завдяки своїй сильно розвинутій поверхні, їх використовуються як матеріали, що просочуються каталізаторами і застосовуються в хімічній промисловості. Сполуки Алюмінію з галогенами (галогеніди) у звичайних умовах - безбарвні кристалічні речовини. Серед них за властивостями сильно вирізняється алюмінію фторид AlF₃. Він мало розчиняється у воді, хімічно неактивний. Сполуки Алюмінію з Хлором, Бромом і Йодом, легкоплавкі, досить реакційноздатні і добре розчиняються не тільки у воді, але й у багатьох хімічних розчинниках. Взаємодія алюмінію галогенідів з водою супроводжується значним виділенням теплоти. Уводному розчині усі вони сильно гідролізовані. Унаслідок гідролізу алюмінію хлорид, бромід і йодид димлять у вологому повітрі. Вони можуть бути отримані прямою взаємодією простих речовин.

Алюміній сульфат Al₂(S0₄)₃ • 18Н₂0 отримують при дії гарячої сірчаної кислоти на алюміній оксид. Застосовується він для очищення води, а також при виготовленні деяких сортів паперу. Алюмокалієві галуни KAl(S0₄)₂ • 12Н₂0 застосовують у великих кількостях для дублення шкір, а також у фарбувальній справі, як травник для бавовняних тканин.

З інших сполук Алюмінію слід згадати його ацетат або оцтовокислу сіль Аl(СН₃СОО)₃, що використовується при фарбуванні тканин і в медицині. Алюміній нітрат легко розчиняється у воді. Алюмінію фосфат не розчиняється у воді й оцтовій кислоті, але розчиняється у сильних кислотах і лугах.

Як правило, рослини містять мало Алюмінію, хоча великі кількості цього елемента є в бруньках. Ще меншим є його вміст у тваринних організмах. У людини він складає лише десятитисячні частки відсотка за масою. Біологічна роль Алюмінію не з'ясована; відомо лише те, що його сполуки не отруйні ні для людини, ні для тварин.

Порошкоподібний алюміній при температурі вище 800 °C утворює з азотом алюмінію нітрид. При взаємодії атомарного водню з парами алюмінію при −196 °C утворюється гідрид (AlH)_x(x=1, 2). Вище 200 °C алюміній реагує з сіркою даючи сульфід Al₂S₃. З фосфором при 500 °C утворює фосфід AlP. При взаємодії розплавленого алюмінію з бором утворюються бориди AlB₂, AlB₁₂. При 1200 °C алюміній реагує з вуглецем утворюючи карбід алюмінію Al₄C₃. В присутності розплавлених солей (кріоліт та ін.) ця реакція протікає при меншій температурі - 1000 °C. Вище 800 °C можуть утворюватись сполуки одновалентного алюмінію, наприклад

З рядом металів і неметалів алюміній утворює сплави, які містять інерметалічні сполуки- алюмініди, зазвичай досить тугоплавкі і володіють високою твердістю і жаростійкістю.

Завдяки утворенню оксидної плівки алюміній досить стійкий не тільки на повітрі, а й у воді. З водою алюміній не взаємодіє навіть при нагріванні. Але коли оксидну плівку зруйнувати, алюміній енергійно взаємодіє з водою, витісняючи водень:

Алюміній має амфотерні властивості, він реагує з кислотами і лугами.

Він легко взаємодіє з розбавленими азотною і сільфатною кислотами:

У розчинах сильних лугів (NaOH, КОН) алюміній розчиняється з виділенням водню і утворенням алюмінатів:

.1 Фізичні властивості алюмінію

Алюміній - сріблясто-білий легкий метал, добрий провідник тепла і електрики, пластичний, легко піддається механічній обробці.

Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну гратку. Найближча відстань між двома атомами становить 2,863Å. Період кристалічної гратки алюмінію a = 4,0414 Å, при кімнатній температурі. Кристалічна ґратка стабільна при температурах від 4К до температури плавлення 933К. Параметр ґратки дуже слабо змінюється від наявності домішок. Атомний радіус алюмінію визначений як половина між найближчими атомами-сусідами в кристалічній структурі і рівний 1,43Å.

Теоретична густина алюмінію обрахована за параметрами його кристалічної гратки становить 2,69872 г/см³. Експериментальні дані густини для полікритсалічного алюмінію 99,996% чистоти становлять 2,6989 (при 20 °C) г/см³. Так, густина розплавленого алюмінію чистотою 99,996%, що на 6,6% менше, ніж у твердого металу, і при температурі 973 К становить 2357 кг/м³ і майже лінійно знижується до 2304 кг/м³ при температурі 1173 К. Термічне розширення відпаленого алюмінію чистотою 99,99% при температурі 293 К становить 23·10⁻⁶ і практично лінійно зростає до 37,3·10⁻⁶ К⁻¹ при температурі 900 К. Теплопровідність повністю відпаленого алюмінію в твердому стані знижується з ростом температури від 2,37 (298 К) до 2,08 Вт·см⁻¹·К⁻¹ (933,5 К) і при температурах вище 100 К вона малочутлива до чистоти металу. При нагріванні алюмінію і переході його з твердого стану в рідкий у нього різко зменшується теплопровідність: з 2,08 до 0,907 Вт·см⁻¹·К⁻¹, а далі з ростом температури вона збільшується і при температурі 1000 ^оС складає 1,01 Вт·см⁻¹·К⁻¹.

Питомий опір алюмінію високої чистоти (99,99%) при температурі 20 °C становить 2,6548·10⁻⁸. Провідність алюмінію сильно залежить від його чистоти, причому вплив різних домішок залежить не тільки від концентрації цієї домішки, а й від того чи вона знаходиться в твердому розчині чи поза ним. Найбільш сильно підвищують опір алюмінію домішки Хрому, Літію, Мангану, Магнію та Ванадію. Питомий опір ρ (мкОм·м) відпаленого алюмінієвого дротика в залежності від вмісту домішок (%) можна приблизно визначити за наступною формулою: