Потускнение и коррозия металлов

17 Апреля в 8:55 3045 0


Потускнение — это изменение цвета поверхности, вызываемое образованием твердых и мягких отложений, например, сульфидов или хлоридов. Потускнение не ухудшает свойств материала, но вид его становится непривлекательным. Потускнение металлических поверхностей легко удаляется с помощью полирования металла. В отличие от потускнения коррозия возникает в результате химической реакции между материалом и веществами из окружающей среды, следовательно, ее появление связано с более серьезными проблемами.

 

Процесс коррозии начинается в результате снижения свободной энергии металла при взаимодействии с жидкостью или газом. Обычно коррозия металлов представляет собой электрохимический процесс, протекающий с потерей электронов (е~), вызванной реакцией окисления:

 

п+М -> М + пе"

 

В результате этой реакции металл становится положительно заряженным ионом. Участок, где происходит окисление, называется анодом. Электроны будут перемещаться или станут частью другого химического вещества в результате реакции восстановления. Например, если в растворе кислоты содержится растворенный кислород, то реакцию восстановления можно записать следующим образом:

 

02 + 4Н -> 2Н20

 

Участок, где происходит восстановление, называется катодом.

 

Все металлы могут подвергаться коррозии в условиях агрессивной среды. Коррозия металлов — явление весьма нежелательное, поскольку она ослабляет материал и может стать причиной разрушения. Более того, продукты коррозии могут вызвать неблагоприятную реакцию тканей живого организма, как правило, это приводит к ограничению использования металлов для стоматологических целей.

 

Сухая коррозия

 

В отличие от золота и еще нескольких благородных металлов, при контакте с кислородом воздуха на поверхности всех других металлов образуется поверхностная оксидная пленка (Рис. 1.9.2). Иногда эта тонкая поверхностная оксидная пленка хорошо видна, например, на поверхности титана она вызывает интерференцию света. Это свойство оксидной пленки титана используется при изготовлении ювелирных изделий.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.9.2.jpg

Рис. 1.9.2. Образование оксидов на поверхности металла

 

Так как образование поверхностного оксидного слоя связано с присоединением к поверхности металла дополнительных атомов кислорода, масса окисляемого материала увеличивается. Этот процесс можно проконтролировать. На Рис. 1.9.3 представлены три возможных результата этого эксперимента. В каком направлении будет протекать реакция окисления, зависит от стабильности образующейся оксидной пленки.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.9.3.jpg

Рис. 1.9.3. Изменение массы металлов при образовании оксидной пленки

 

 

Если оксидная пленка обладает высокой стабильностью, происходит самоограничение процесса коррозии за счет того, что в некоторой точке ионам металла придется настолько долго диффундировать к поверхности сквозь толщу оксидной пленки, чтобы вступить в химическую реакцию с кислородом, что процесс приостанавливается. В таких случаях быстрый поначалу набор массы постепенно замедляется, а кривая изменения массы в зависимости от времени окисления будет иметь параболический характер.

 

В других случаях оксидная пленка не обладает высокой стабильностью. Она растрескивается на поверхности металла или отслаивается, что приводит к обнажению чистого металла и образованию нового оксидного слоя. В таких случаях количество оксида металла будет постепенно увеличиваться, а кривая будет носить линейный характер.

 

В третьем случае наблюдается потеря массы металла, что встречается не так часто. Такое явление наблюдается при окислении металла при высоких температурах. Если температура нагрева будет достаточной высокой, это приведет к испарению оксидов металла сразу же после их образования. При этом на поверхности металла будет отсутствовать барьер, препятствующий дальнейшей окислению. Постепенно, по мере испарения оксидного слоя, металл будет терять свою массу.

 

Эти формы окисления металлов называются сухой коррозией. Многие металлы обладают устойчивостью к сухой коррозии за счет возникновения на их поверхности защитного оксидного слоя. Так, военные бомбардировщики резервной авиации хранятся в пустыне, где жарко, но, что более важно, очень сухо. Автомобили в жарком и сухом климате также меньше подвержены коррозии. Однако в присутствии влаги реакция металла на кислород существенно меняется.

 

Влажная коррозия 

 

Влажная коррозия может наблюдаться в нейтральной, кислой или щелочной среде. Когда металл помещают во влажную среду, ионы металла и его электроны выходят в воду (Рис. 1.9.4). Окислитель, кислород, растворенный в воде, оттягивает электроны от металла. Это явление называется катодным процессом. Потеря металлом электронов ведет к тому, что металл приобретает положительный заряд. Положительные ионы начинают выходить с поверхности металла в воду, что приводит к возникновению анодного тока.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.9.4.jpg

Рис. 1.9.4. Окисление металла в водной среде. Окислитель забирает электроны с металлической поверхности в процессе (а), называемом катодным. В результате металл становится положительно заряженным (Ь). Благодаря положительному заряду с поверхности металла выделяются металлические ионы, этот процесс называется анодным

 

Разные металлы имеют разную устойчивость к окислению во влажных средах. Относительная реакционная способность металлов называется гальваническим рядом. В Таблице 1.9.1 представлен гальванический ряд металлов, погруженных в морскую воду.

 

 stomatologicheskoe_materialovedenie_table_1.9.1.jpg

Наиболее инертные металлы находятся в верхней части этого ряда. Если выход ионов одинаков по всей поверхности металла, то процесс называют равномерной коррозией. Однако, большую опасность представляет локализованная (местная) коррозия, которая при определенных условиях развивается на отдельных участках металлической поверхности. Примерами локализованной коррозии являются электрохимическая (гальваническая) и щелевая коррозии.

 

 Гальваническая коррозия

 

Гальваническая коррозия возникает при соединении двух разнородных металлов. Это приводит к тому, что коррозия одного из этих металлов значительно усиливается.

 

Классическим примером гальванической коррозии является коррозия цинка в кислоте. Если цинк находится в гальванической паре с платиной, как показано на Рис. 1.9.5, то платина начинает быстро реагировать на ионы водорода, находящиеся в кислоте, и высвобождать электроны. В результате присоединения электронов к ионам водорода образуется газ водород (этот процесс является классическим примером катодного процесса). Между цинком и платиной возникает электрический дисбаланс. Электроны начинают переходить от цинка к платине. Этот переход приводит к образованию ионов цинка (анодный процесс), и цинк, находящийся в контакте с платиной, начинает быстро разрушаться в результате коррозии.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.9.5.jpg

Рис. 1.9.5. Схема процесса гальванической коррозии цинка при его контакте с платиной. Благородный металл (платина) легче окисляется, чем неблагородный металл (цинк), таким образом, на поверхности цинка возникает анодный процесс, и ионы цинка выделяются в водную среду

 

Степень, в которой разнородные металлы подвержены этой форме коррозии, зависит от относительной скорости их окисления. В частности, платина является эффективным окислителем. У других благородных металлов этот эффект будет менее выраженным, поэтому они не будут столь эффективными окислителями, как платина.

 

Сочетание двух разнородных металлов, ведущих себя подобно тому, как было описано выше, называется гальванической ячейкой. Гальваническая ячейка может возникать и в пределах одного сплава, если в его составе присутствует фаза, скорость окисления которой отличается от скорости окисления основного (доминирующего) компонента. Примером гальванической ячейки является взаимодействие между фазами у, и у2 в стоматологической амальгаме, где фаза у2 корродирует значительно быстрее, чем фаза у.

 

Щелевая коррозия

 

Если в материале имеется острая трещина или углубление, заполненное жидкостью (Рис. 1.9.6), то в этом пространстве обычно наблюдается недостаток кислорода. Ионы металла будут растворяться и поступать в это пространство, однако из-за отсутствия кислорода электроны не смогут вступать в реакцию. Реакция окисления может происходить там, где имеется достаточное количество кислорода. Кислород находится на основной поверхности металла, поэтому электроны будут перетекать туда через толщу металла.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.9.6.jpg

Рис. 1.9.6. На поверхности металла вокруг трещины возникает процесс коррозионного окисления (катодный процесс), а в самой трещине начинают высвобождаться ионы (анодный процесс)

 

Таким образом, основание трещины или углубления становится анодом, а поверхность металла — катодом. Материал начинает убывать из основания трещины. Образовавшиеся продукты коррозии накапливаются в трещине, ограничивая дальнейший доступ кислорода, что побуждает перемещаться электроны к поверхности металла. Эту реакцию невозможно остановить, и поэтому такой вид коррозии считается самым коварным. То же самое может произойти при разрушении отдельных участков оксидной пленки: подобный вид коррозии называется точечной коррозией.

 

Не следует допускать концентрированного воздействия нагрузки на одну из областей металла — это может привести к ослаблению металла в результате образования и распространения трещин. Но еще больший вред будет нанесен материалу последующим развитием процесса коррозии. Таким образом, локализованная коррозия представляет более серьезную угрозу для состояния металлов, чем равномерная.

 

Клиническое значение

 

При соответствующих условиях коррозия металлов может оказаться быстрым и очень разрушительным процессом.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Похожие статьи
показать еще
 
Стоматология и ЧЛХ