Титан и его сплавы

Кадмий

Цинк

Свинец

Полиморфное превращение олова явилось одной из причин гибели полярной экспедиции Р.Скотта в 1912 году. Канистры с керосином были запаяны оловом, а при температуре -330С белое пластичное олово превращается в серый порошок (оловянная чума). Горючее вылилось, испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива.

Олово обладает недостаточно высокими механическими свойствами, способность к пассивации выражена слабо. Оно устойчиво в природных водах, в растворах нейтральных солей, в пищевых средах. Олово широко применяется для защитных покрытий при изготовлении консервной жести.

В органических пищевых средах при отсутствии или недостатке кислорода олово имеет более отрицательный потенциал, чем железо. Поэтому в закрытых консервных банках не образуется ржав- чины. В атмосферных условиях, напротив, железо обладает более отрицательным потенциалом, поэтому открытые банки во влажной атмосфере быстро ржавеют.

Олово устойчиво в разбавленных растворах серной и соляной кислот, в органических кислотах. При повышении концентрации минеральных кислот ускоряется коррозия олова. В азотной кислоте олово сильно разрушается. Неустойчиво оно также в щелочах. Олово устойчиво в атмосферных условиях.

Олово как конструкционный материал практического применения не имеет вследствие высокой себестоимости и невысокой механической прочности. Олово применяется для получения бронзы и сплавов, обладающих антифрикционными свойствами. Наибольшее применение из последних получили оловянные баббиты. В их состав входит до 90 % олова. Мягкие легкоплавкие сплавы олова и свинца используются в качестве припоев.

Сплавы на основе олова широко применяются в электротехнике.

Станиол ь — материал, применяемый для электроконденсаторов. Он состоит на 95 % из олова.

Стандартный электродный потенциал свинца для процесса Рb2⁺ + 2е ↔Рb равен —0,126 В. ПДК в воде — 0,006 мг/л. Коррозионная стойкость свинца определяется во многом устойчивостью продуктов его коррозии.

Свинец — мягкий металл, имеющий невысокую температуру плавления 327,4 °С, низкую теплопроводность, высокую плотность (11,3) и плохие литейные свойства.

В качестве коррозионного материала применяется свинец чистоты не менее 99,2 %. Примеси Сu, Sn, As, Fe, Bi увеличивают прочностные показатели, но уменьшают пластичность. Примеси мышьяка придают свинцу хрупкость. Коррозионная стойкость свинца определяется растворимостью продуктов его коррозии. Растворимость солей свинца отличается на несколько порядков в зависимости от природы аниона (табл. 7.10). кислотах свинец неустойчив, так как нитраты и ацетаты свинца раствори- мы. Свинец неустойчив так же в щелочах, так как гидроксиды свинца легко расторяются в избытке щелочи с образованием плюмбитов — PbO₂^2- и плюмбатов — PbO₃^2-

Напротив, в серной и фосфорной кислотах свинец отличается высокой коррозионной стойкостью. Это относится и к растворам их солей. Нерастворимые продукты коррозии свинца осаждаются на поверхности и образуют беспористую, прочно связанную с металлом пленку, толщиной от тысячи до нескольких тысяч молекулярных слоев.

Добавки к свинцу 0,03-0,10 % Те улучшают коррозионную стойкость свинца как при более высоких концентрациях H2SO4, так и при более высоких температурах. Добавка теллура повышает сопротивление свинца усталости и коррозии, когда сплав эксплуатируется в качестве обкладочного материала и труб. Отмечается также способность теллуристого свинца нагартовываться при холодной обработке и повышенное сопротивление его вибрационным и механическим нагрузкам.

В соляной кислоте свинец стоек до концентрации 10 %. В жестких водах, содержащих CaSO4 и кремниевую кислоту, свинец устойчив. Но он корродирует в подземных водах, содержащих органические кислоты или большой процент углекислоты. В этих условиях образуются бикарбонаты свинца РЬ(НСОз)₂ обладающие существенной растворимостью. Свинец показывает высокую стойкость в атмосфере, особенно в индустриальных атмосферах, содержащих H2S, SO2, H2SO4.

Следует отметить высокую токсичность свинца.

Свинец находит применение в химической промышленности в виде листового материала для футеровки химических аппаратов, гальванических ванн, кристаллизаторов, для изготовления трубо- проводов и газоходов. Он применяется также для оболочек кабелей связи, для защиты от рентгеновского облучения, для изготовления аккумуляторов.

Свинец применяется в сернокислотной промышленности как об- кладочный материал для небольших емкостей (вакуум-сборники, мерники) и в сопряженных узлах аппаратов;для гомогенного свинцевания крышек аппаратов, как конструкционный материал для труб холодильников. Низкий коэффициент теплопроводности не позволяет эффективно использовать свинец в теплообменной аппаратуре, а высокая плотность приводит к утяжелению конструкций.

Верхний температурный предел применения свинца 120 °С. Для защиты от коррозии оборудования применяется рольный свинец марки С2 (ГОСТ 3778-56).

Сплав свинца, легированный 6-12% Sb, обладает повышенными механическими и литейными свойствами. Он известен под названием «твердый свинец» или гартблей (ГОСТ 1292-57). Из него изготавливают детали насосов промывных кислот и узлы аппаратов, испытывающие нагрузки

Цинк нашел широкое применение в качестве защитного покрытия железных и стальных изделий. Цинк—легкоплавкий (Тпл = 419° С), мягкий и малопрочный металл. ПДК в воде — 0,01 мг/л. Стандартный электродный потенциал цинка Zn²⁺ + 2е ↔ Zn равен —0,76 В. В 3 %-м растворе NaCl электродный потенциал цинка равен —0,83 В.

Цинк может корродировать как с водородной, так и с кислородной деполяризацией.

В кислых средах цинк корродирует с водородной деполяризацией. На скорость коррозии цинка существенно влияют даже незначительные примеси других металлов. Примеси кадмия, свинца, алюминия не влияют на скорость коррозии. Примеси с низким перенапряжением водорода, например, железо, медь в концентрации 0,002-0,005 % увеличивают скорость коррозии цинка в 10 и более раз.

В нейтральных растворах цинк корродирует с кислородной деполяризацией и имеющиеся в нем технические примеси не влияют на его коррозионную устойчивость. На поверхности металла обра- зуются защитные пленки из гидроксида цинка.

В щелочах цинк не стоек и переходит в раствор в виде цинкатов, например,Na2ZnO2

Цинк обладает максимальной устойчивостью в интервале рН между 9 и 11 (рис.). Применение цинковых покрытий нерационально, если рН среды заметно меньше 7 или более 12 из-за усиления коррозии цинка.

В воде цинк устойчив до 55 ° С (рис.). Скорость коррозии рез- ко повышается с увеличением температуры и достигает максимума при 70 °С, а затем снижается. Наблюдаемые закономерности связывают с тем, что при температурах до 50 °С и выше 95 °С, на цинке образуется плотная пленка с высокими защитными свойствами. В интервале температур E5-65) °С наблюдается образование рыхлых продуктов коррозии с низкими защитными свойствами. При 100° С продукты коррозии уплотняются, а также происходит уменьшение растворимости кислорода в коррозионной среде.

Рис. 7.16. Влияние рН на коррозию Zn. Растворы НС1 в кислой области и NaOH в щелочной

Рис. 7.17. Влияние температуры на скорость коррозии Zn в дистиллированной воде

В чистой и морской атмосферах цинк стоек, так как покрывается слоем продуктов коррозии из гидроксидов и основных углекислых солей цинка. В загрязненных SO2, SO3, HC1 средах индустриальных районов устойчивость цинка и цинковых покрытий заметно снижается.

Цинк используется для защиты стали от атмосферной коррозии.

Применяется для получения медных, никелевых, магниевых сплавов, в производстве аккумуляторов и как протектор при электрохимической защите железных сплавов.

Кадмий — серебристо-белый, мягкий металл. Плотность равна 8,65. Стандартный электродный потенциал кадмия Cd²⁺ + 2е ↔Cd равен —0,40 В, а стационарный потенциал в 0,5н. растворе NaCl — —0,52 В. ПДК в воде составляет 0,005 мг/л.

Кадмий — тягучий и ковкий металл, который легко прокатывается в листы и вытягивается в проволоку.

Способность к пассивации у кадмия невелика. Поэтому в контакте с железом, обладающим склонностью к пассивации, в большинстве случаев кадмий оказывается анодом. Кадмий употребляют в основном для нанесения анодных покрытий на сталь и на алюминиевые сплавы.

Кадмий сходен по коррозионному поведению с цинком. В нейтральных растворах кадмий корродирует с кислородной деполяризацией. В отличие от цинка скорость коррозии кадмия с увеличением рН понижается.

Вследствие менее отрицательного электродного потенциала кадмий имеет большую устойчивость в кислых и нейтральных растворах по сравнению с цинком. В щелочах он вполне устойчив.

Кадмий устойчив к морской воде и морской атмосфере. Присутствие в газах SO2 и SO3 приводит к быстрому разрушению кадмия.

Кадмий используется для получения сплавов с медью. Высокая токсичность кадмия ограничивает его применение в качестве защитного покрытия.

Титан — легкий (плотность 4,5) и тугоплавкий металл (Тпл = 1725 °С). Он сочетает достаточную прочность с высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Содержание титана в земной коре достигает 0,58 % и по своему распространению среди конструкционных металлов он находится на четвертом месте после алюминия, железа и магния. ПДК в воде — 0,06 мг/л. Стандартный электродный потенциал титана для процесса Ti2+ + 2е ^ Ti равен —1,63 В, а для процесса Ti³⁺ + Зе ↔Ti равен -1,21 В.

Таким образом, титан является термодинамически активным металлом. Однако титан склонен к пассивации и вследствие этого инертен во многих средах. Например, в морской воде при 25 °С потенциал титана близок к +0,09 В, т.е. положительнее, чем у цинка, железа, алюминия и меди в этой среде. Титан устойчив в средах, обладающих окислительными свойствами и содержащих хлорид-ионы. Так, титан устойчив в растворах: FеClз концентрации до 3 0 % и до 100 ° С, СuС12 — до 20 % и 100 °С, HgCl2 всех концентраций до 100 °С, А1С13 до 25% и до 60°С, NaCl всех концентраций до 100°С, в 100%-й хлоруксусной и дихлоруксусной кислотах до 100 °С. Он устойчив в царской водке, растворах гипохлорита натрия до 100° С, хлорной воде, газообразном хлориде до 75 °С. Таким образом, титан может применяться для изготовления аппаратов, насосов и коммуникаций для работы с указанными веществами. Титан стоек в азотной кислоте любых концентраций вплоть до температуры кипения. Скорость коррозии титана в дымящей азотной кислоте не превышает 0,1 мм/год.

В растворах соляной кислоты титан корродирует с выделением водорода. Он стоек только в разбавленных растворах НС1: при 60 ° С не выше 3% НС1, при 100 °С — не выше 0,5% НС1. С увеличением концентрации и повышением температуры соляной кислоты скорость коррозии увеличивается. Снизить скорость растворения Ti можно добавлением в раствор окислителей — К2Сr2О7, KMnO4, Н2О2, O2,HNO3.

Титан растворяется в растворах плавиковой кислоты тем интенсивнее, чем выше концентрация кислоты.

При средних температурах (до 35 °С) титан стоек в растворах фосфорной кислоты концентрации до 30 %. При 100 °С титан начинает корродировать в Н3РО4 3 %-й концентрации.

Сухой газообразный хлор вызывает сильную коррозию титана, так что возникает опасность воспламенения. При наличие в хлоре даже незначительных следов влаги порядка 0,005 %, коррозия титана в хлоре прекращается.

В разбавленных щелочах, до концентрации 20% NaOH, титан устойчив. В более концентрированных растворах и при нагреве он медленно реагирует с образованием соли титановой кислоты — Na2TiO3.

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих органических средах, в которых стали типа 12Х18Н9 корродируют

Исключительное свойство титана — это его полная коррозионная устойчивость в морской воде и морской атмосфере.

Более высокие физико-механические и коррозионные свойства титана могут быть достигнуты при его легировании такими металлами, как А1, Мо, Та, Nb, Zn, Си и т.д.

Сплавы титана с алюминием имеют более высокую прочность и коррозионную стойкость, но они менее пластичны.

Сплавы системы титан-цирконий представляют собой однофазный твердый раствор. Эти сплавы обладают прочностью, пластичностью и коррозионной устойчивостью. Так, при введении в Ti 5 % Zr устойчивость сплава в 15 % растворе НС1 при 60 ° С повышается в 2 раза, а при введении 50 % Zr — в 160 раз.

У сплавов титан-молибден наблюдается высокая коррозионная стойкость в соляной, серной и фосфорной кислотах. Так, в 5%-м растворе Н2 SO4 при 100 ° С скорость коррозии Ti при добавлении 3 % Мо уменьшается в 23,5 раза, а при добавлении 5 % Мо — в 117,5 раза.

Сплавы титан-тантал обладают повышенной коррозионной стойкостью. Сплав титана с 5 % Та имеет высокую коррозионную стойкость в 18 %-й НС1 при 90 °С, при обязательном присутствии Сl₂, как окислителя. Сплав титана с 20 % Та стоек в 5 %-й НС1 при 100 °С.

Титан и его сплавы применяются в химической промышленности для изготовления аппаратуры в производстве серной кислоты, хлора и ряда органических продуктов

При легировании титана палладием (от 0,01 % до 5,0%) и платиной повышается его коррозионная стойкость в растворах H2SO4, НС1, Н3РО4 и в органических кислотах.

Для существенного снижения скорости коррозии необходимо ввести в сплав (0,2-0,5)% Pd. Недостаточное легирование сплава палладием (0,05-0,1) % может привести к обратному эффекту — увеличению скорости его растворения.

Титан, легированный палладием или платиной, как конструкционный материал для химической промышленности обладает редким и ценным сочетанием свойств — коррозионной стойкостью в окислительных и неокислительных кислых средах. В таблице приведена сравнительная характеристика коррозионной стойкости титана и сплава титана с 0,2 % Pd.

Таблица

Дата добавления: 2013-12-13