Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Петербургский государственный университет путей сообщения
министерства путей сообщения Российской Федерации
Кафедра «Инженерная химия и защита окружающей среды»
МАСЛЕННИКОВА Л.Л.
СОВРЕМЕННЫЕ ЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Методические указания
к лабораторным работам
С.-Петербург
2003
ВВЕДЕНИЕ
В данном практикуме изложены методики лабораторных работ, выполняемых студентами специальности ПТМ на занятиях по курсу «современные защитные материалы».
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение вопросов, связанных с влиянием некоторых факторов на скорость коррозии.
Опыт 1.Влияние примесей других металлов на скорость коррозии цинка
В две пробирки налить по 3-5мл 2Н. раствора серной кислоты и в каждую опустить по кусочку цинка. В одну из них добавить одну-две капли концентрированного раствора CuSO4
, другую оставить для сравнения в качестве контрольной.
Записать уравнения протекающих реакций, указать разницу в скоростях коррозии цинка. Объяснить наблюдаемые различия, учитывая значения величин перенапряжения восстановления водорода на цинке и меди (см. приложение 1, 2).
Опыт 2. Влияние концентрации окислителя на скорость коррозии. Коррозия при неравномерной аэрации.
На железную пластину, очищенную наждачной бумагой, нанести при помощи пипетки каплю диаметром 1-1,5см. Для этого использовать 3%-ный раствор хлористого натрия, к которому добавлен фенолфталеин (индикатор на ионы ОН-
) и железосинеродистый калий К3
[Fe(CN)6
] –(индикатор на ионы Fe2+
). Доступ кислорода через раствор к металлу происходит легче по переферии капли, чем в середине. Поэтому катодный процесс локализуется по периферии, а анодный – в середине капли.
Зарисуйте распределение окраски в капле через 10-15 минут. Дайте объяснение наблюдаемому явлению, запишите уравнения анодного и катодного процессов.
Опыт 3 Вытеснение одними металлами других из растворов солей :
В три пробирки налить по 2-3мл 1н растворов следующих солей:
1. Pb(NO3
)2
2. CuSO4
3. CuSO4
Опустить в растворы соответственно указанной нумерации кусочки или пластинки следующих металлов:
1. Zn
2. Fe
3. Zn
Отметить наблюдаемые изменения и написать в ионном виде уравнения реакций окисления и восстановления.
4. Решенить задачи:
Вариант1.
Возможна ли коррозия (Fe, Pb) в кислой среде с растворенным кислородом при рН=0, если да, то написать уравнения анодного и катодного процессов. При каких значениях рН возможна коррозия Pb в кислой среде?
Вариант2.
Возможна ли коррозия (Zn, Sn) в кислой среде с растворенным кислородом при рН=6, если да, то написать уравнения анодного и катодного процессов. При каких значениях рН возможна коррозия Sn в кислой среде?
Вариант3.
Возможна ли коррозия (Cr, Ag)в кислой среде с растворенным кислородом при рН=1, если да, то написать уравнения анодного и катодного процессов. При каких значениях рН возможна коррозия Cr в кислой среде?
Вариант4.
Возможна ли коррозия Ni в кислой среде с растворенным кислородом при рН=6, если да, то написать уравнения анодного и катодного процессов. При каких значениях рН возможна коррозия Ni в кислой среде?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ОКСИДНЫЕ ПЛЕНКИ
Теоретическая часть:
В процессе окисления на поверхности металла образуется твердая пленка оксидов. Скорость окисления определяется сплошностью и защитными свойствами поверхностной пленки и зависит от наличия в ней трещин и пор.
Образование оксидом устойчивой пленки, защищающий данный металл от коррозии, рассчитывается по коэффициенту А. (фактор Пиллинга-Бэдвордса).
Условия сплошности пленки,– когда объем окисла, возникающего из металла и кислорода больше объема израсходованного металла (в противном случае пленки окисла не хватит, чтобы покрыть весь металл)
n-это количество атомов металла в оксиде,
r-соответствующая плотность оксида и металла,
M-молярная масса оксида,
A-молярная масса металла.
Однако сплошность пленки – это необходимое, но недостаточное условие защитных свойств пленки. В пленке могут возникать внутренние напряжения, разрушающие ее, поэтому для образования устойчивой и сплошной пленки, защищающей металл от коррозии фактор А должен иметь значение 1,2<A<1.6. Исключение составляет Cr, он образует устойчивую пленку, хотя А для Cr не входит в этот диапазон.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение защитных свойств оксидных пленок.
Опыт 1.Влияние оксидной пленки на коррозионную стойкость алюминия.
Стойкость алюминия к воде и растворам кислот объясняется тем, что на его поверхности легко образуется защитная пленка, состоящая из окиси алюминия. Вещества, способствующие образованию защитной пленки (окислители – азотная кислота, сульфат – ионы и т. д.), повышают стойкость алюминия к кислотам, а вызывающие разрушение защитной пленки (ионы хлора) ускоряют растворение металла в воде и кислотах.
В три пробирки налить по 3-4мл. 2Н раствора серной кислоты и в каждую опустить по кусочку алюминия. Затем в одну из пробирок добавить несколько капель насыщенного раствора сульфата меди (II), в другую – хлорида меди (II), третью оставить в качестве контрольной.
Наблюдать происходящие изменения и сделать вывод о влиянии сульфат – ионов и ионов хлора на скорость коррозии алюминия в серной кислоте.
Опыт 2.Определение защитных свойств оксидной пленки.
Защитные свойства оксидной пленки на алюминии можно приближенно оценить по времени, по прошествии которого нанесенная на поверхность пленки капля раствора, состоящего из 3г. K2
Cr2
O7
, 25 мл. HCl (d=1,16) и 75мл.H2
O, зеленеет. Переход оранжевой окраски капли в зеленую наступает в результате восстановления алюминием шестивалентного хрома до трехвалентного после растворения пленки Al2
O3
. Процесс ратворения пленки и изменение цвета индикатора протекает в две стадии по реакциям:
Al2
O3
+ 6 H2
O = 2AlCl3
+ 3 H2
O
2Al + K2
Cr2
O7
+3 H2
O = 2Al(OH)3
+ 2KCrO2
(соль метахромистой кислоты)
Защитные свойства оксидной пленки считают достаточными, если время, после которого наступает позеленение капли, составляет не менее 5минут
С, не менее 3,5 минут при 22-260
С и не менее 2,5 минут при 27-320
С.
Наблюдать происходящие явления и сделать вывод о защитных свойствах оксидной пленки.
3 Решение задач:
Вариант 1.
Рассчитайте коэффициент А (фактор Пиллинга-Бэдвордса) для металла Cd и определите образует ли оксид этого металла сплошную и устойчивую пленку, защищающую металл от коррозии.
Плотность Cd = 8,64 г/см3
; плотность CdO= 8,15 г/см3
.
Вариант 2.
Рассчитайте коэффициент А (фактор Пиллинга-Бэдвордса) для металла Zr и определите образует ли оксид этого металла сплошную и устойчивую пленку, защищающую металл от коррозии.
Лабораторная работа №3 «Металлические покрытия»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с методами защиты металлов от коррозии при помощи металлических защитных покрытий.
Нанесение покрытий на металл обеспечивает долговременную защиту металлоконструкций от коррозии и придает поверхности важные эксплуатационные свойства (твердость, износоустойчивость и т. п.).
Опыт 1. Никелирование медного электрода.
Медный электрод очистить наждачной бумагой. Очищенный электрод опустить на 1-2 минуты в стаканчик с 15-20%раствором щелочи, после чего промыть ее водой из промывалки, держа за конец, к которому прикреплен провод. Не касаться руками электрода, так как жир, оставшийся на поверхности даже в ничтожных количествах, не дает металлу прочно пристать к предмету. Обезжиренный электрод опустить на 1-2 минуты в 4N раствор серной кислоты с целью освободить поверхность металла от оксидов. Снова обмыть электрод водой из промывалки и положить на кусочек фильтровальной бумаги.
В U-образную трубку налить заготовленный заранее электролит для никелирования и опустить в него медный и никелевый электрод. Соединить последние так, чтобы медный электрод был катодом, а никелевый – анодом. Через несколько минут наблюдать покрытие той части медного электрода, который был погружен в раствор электролита. Написать уравнения катодного и анодного процессов.
Опыт 2. Определение толщины слоя покрытия капельным методом.
Для определения толщины цинкового покрытия применяют раствор, содержащий 200г KI и 100г I2
в одном литре воды. Одна капля раствора в течении одной минуты растворяет при 100
С цинк толщиной 0,78 мкм, при 150
С – 1,245мкм.
Из капельницы наносят на образец одну каплю раствора и по секундомеру отмечают время. По истечении одной минуты каплю снимают, промокая ее фильтровальной бумагой, и на тоже место наносят вторую каплю раствора. И так до тех пор, пока не обнаружится участок основного металла, равный по величине половине поверхности, занимаемой каплей. По общему числу капель определяют толщину слоя.
Опыт 3. Значение различных металлических покрытий в защите стали от коррозии.
В две пробирки налить по 3-5 мл. воды и в каждую добавить по 5капель концентрированного раствора красной кровяной соли K3
[Fe(CN)6
] и по 5 капель 2Н раствора H2
SO4
. В одну из пробирок поместить пластинку оцинкованного железа, в другую – такую же пластинку белой жести. Перед погружением пластинок в раствор при необходимости сделать на их поверхности несколько глубоких царапин. Написать уравнения катодных и анодных процессов, объяснить изменение окраски металла на царапинах и поведении защитных покрытий в случае нарушения их сплошности.
4. Решить задачи:
Вариант 1.
Какой толщины , (мкм) оловянное покрытие может быть получено электролизом раствора соли олова(II) с оловянным анодом при плотности катодного тока 0,15 А/см2
за время 1 час.
Выход по току = 100%
Плотность олова = 7,3 г/см3
1мкм=10-4
см.
Вариант 2.
Какой толщины , (мкм) серебреное покрытие может быть получено электролизом раствора соли серебра с серебреным анодом при плотности катодного тока 0,268 А/см2
за время 2 часа.
Выход по току = 100%
Плотность серебра =10,5 г/см3
1мкм=10-4
см.
Лабораторная работа №4 «Определение условной вязкости лакокрасочных материалов»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с вискозиметром ВЗ-246 и определением условной вязкости (времени истечения) лакокрасочных материалов
Лакокрасочные покрытия, защищающие металл от коррозии, чаще всего наносятся на поверхность металла в жидком виде. Качество таких покрытий в значительной мере определяется свойствами лакокрасочных материалов, главное из которых – достаточная текучесть. Текучесть количественно представляет величину, обратную вязкости. Лакокрасочные материалы обычно характеризуют так называемой условной вязкостью, выражаемой временем истечения определенного объема лакокрасочного материала через отверстие заданного диаметра.
Вискозиметр ВЗ-246 предназначен для определения условной вязкости (времени истечения) лакокрасочных материалов и относящихся к ним продуктов (полуфабрикаты, смолы и т. д.) изготовляемых для нужд народного хозяйства и экспорта.
За условную вязкость принимается время истечения в секундах определенного объема испытуемого материала через калибровочное сопло вискозиметра.
Для индустриального масла использовать калибровочное сопло диаметром 2мм., для лаков- 4мм., для масленых красок и эмалей – 6мм.
Условия и подготовка работы.
1.Пробу испытуемого материала, выданную преподавателем, перед определением условной вязкости тщательно перемешивают, избегая образования в ней пузырьков воздуха. Испытуемый лакокрасочный материал должен быть однородным.
2.Испытание проводят при температуре окружающего воздуха 20±0.50
С, давлении 0.1 МПа .
3.Вискозиметр и особенно сопло тщательно очищают растворителем.
Ход работы
1. Вискозиметр помещают в штатив и устанавливают с помощью уровня в горизонтальном положении.
2. Под сопло вискозиметра ставят сосуд. Отверстие сопла закрывают пальцем, испытуемый материал наливают в вискозиметр с избытком, чтобы образовался выпуклый мениск над верхним краем вискозиметра.
3. Наполняют вискозиметр медленно, чтобы предотвратить образование пузырьков воздуха. Избыток материала и образовавшиеся пузырьки воздуха удаляют при помощи стеклянной пластинки, сдвигаемой по верхнему краю воронки в горизонтальном направлении таким образом, чтобы не образовалось воздушной прослойки.
4. Открывают отверстие сопла и одновременно с появлением испытуемого материала из сопла включают секундомер.
5. В момент первого прерывания струи испытуемого материала секундомер останавливают и отсчитывают время истечения.
Обработка результатов испытания
За результат испытания принимают среднее арифметическое из трех измерений времени истечения в секундах для каждого материала, выданного преподавателем, производят расчет относительной и абсолютной погрешности измерения.