Pasywacja instrukcja.doc

1

Pasywacja biomateriałów metalicznych

1.Wstęp

Pasywacja jest to stan podwyższonej odporności korozyjnej metalu aktywnego
w wyniku utworzenia na powierzchni stabilnej, w określonych środowiskach, pH, oraz przy danym potencjale, warstewki produktów korozji. Są to najczęściej warstewki tlenkowe i wodorotlenkowe. Warstwy te tworzą się na metalach, jak np. chrom, nikiel, molibden, tytan, glin, żelazo i stopach tych metali, jak, np. stalach Fe-Cr-Ni.  Pasywację rozszerzono na warstewki solne trudno rozpuszczalne w danym ośrodku korozyjnym
i spełniające rolę warstewek barierowych. Przykładem może być w przypadku ołowiu warstewka siarczanu(VI) ołowiu(II) w kwasie siarkowym(VI). Tworzenie warstewek pasywnych jest w pewnych warunkach procesem samorzutnym, np. warstewka Al2O3 nH2O, która istnieje na powierzchni Al także na powietrzu i decyduje o jego odporności korozyjnej. W większości przypadków warstewki te otrzymuje się sztucznie. Jedną z metod pasywacji jest utlenianie metalu podatnego na pasywację w odpowiedniej kąpieli utleniającej. Wówczas reakcja utleniania (korozji) jest hamowana na etapie tworzenia warstewki, która może być odporna także w innych ośrodkach. Jako przykład można podać pasywację żelaza czy aluminium w kwasie azotowym(V), stężonym kwasie siarkowym(VI) lub roztworach chromianów(VI). Innym ze sposobów uzyskania stanu pasywnego jest wytworzenie warstewki poprzez polaryzację metalu pasywującego się w odpowiednim ośrodku.

Pojęcie polaryzacji oznacza przesunięcie potencjału metalu od potencjału własnego w danym środowisku. Tutaj przedstawimy zjawisko na przykładzie żelaza pasywującego się w rozcieńczonym 1M kwasie siarkowym(VI). Do pomiaru niezbędny jest specjalny układ elektrochemiczny, tzw. potencjostat, w którym obok możliwości zadawania potencjału pomiędzy żelazem i obojętną elektrodą platynową istnieje konieczność kontroli potencjału elektrody żelaznej za pomocą trzeciej elektrody.

W układzie przy braku potencjału zewnętrznego ustala się potencjał korozyjny, przy którym zachodzi samorzutny proces korozji żelaza w kwasie. Zwiększając potencjał żelaza wymuszamy procesy utleniania (polaryzacja w kierunku anodowym), co w układzie mierzone jest jako gęstość prądu i, czyli wielkością prądu na jednostkę powierzchni żelaznej anody lub log i. Gęstość prądu wzrasta stopniowo ze wzrostem potencjału, a przy powierzchni elektrody powstaje FeSO4 o rosnącym stężeniu. Przy potencjale około +0.6 V wzgl. NEW gęstość prądu spada, obniża się szybkość wymuszanego roztwarzania, utleniania żelaza w związku z powstaniem pasywnej warstewki utworzonej z Fe2O3nH2O. Warstewka ta istnieje na powierzchni do potencjału o wartości około 1.4 V, po czym ulega rozpuszczeniu, a szybkość roztwarzania żelaza ponownie wzrasta proporcjonalnie do gęstości prądu. Wynika z tego, że żelazo jest podatne na anodową pasywację w ośrodku o własnościach utleniających. Jeśli obniżymy stężenie kwasu żelazo roztwarza się w stanie aktywnym, ponieważ własności utleniające kwasu są zbyt słabe, aby pasywacja była możliwa.

Podobnie jak żelazo, pasywacji ulega chrom. Pasywacja tego pierwiastka jest łatwiejsza, tzn. zachodzi przy niższej wartości potencjału i przy niższej gęstości prądu, a szybkość roztwarzania w zakresie pasywnym jest także mniejsza. Możliwa jest, zatem pasywacja tego pierwiastka w ośrodkach o mniejszej zdolności utleniającej. Na tej zasadzie powstały stale nierdzewne i kwasoodporne, w których obok żelaza stosuje się ok. 18%Cr i 8%Ni. Są to stale łatwo pasywujące się i dlatego dobrze odporne na działanie dość agresywnych kwaśnych środowisk korozyjnych.

2. Przebieg ćwiczenia

1. Wyznaczenie wskaźników szybkości korozji.

1). Zmierzyć wymiary geometryczne próbek ze stali węglowej i kwasoodpornej typu.

2). Oczyścić powierzchnie stali papierem ściernym, odtłuścić alkoholem i wysuszyć suszarką.

3). Następnie próbki zważyć na wadze analitycznej z dokładnością 0,0001g

4). Umieścić w zlewce zawierającej kwas siarkowy(VI) o stężeniu 1M lub 0,1M.

Po upływie określonego czasu 0,5 – 1h próbki wyjąć, przemyć wodą, alkoholem, wysuszyć suszarką i ponownie zważyć. Wyniki zapisać w tabeli 1.

2. Pomiar potencjału nieodwracalnego, korozji stali

1). Próbki (elektrody) ze stali węglowej i kwasoodpornej oczyścić papierem ściernym, przemyć wodą, odtłuścić alkoholem i umieścić w naczyniu pomiarowym.

2). Do naczynia włożyć elektrodę odniesienia, którą jest elektroda kalomelowa.

3). Próbki oraz elektrody odpowiednio podłączyć do potencjostatu.

Pomiar wykonywać co 3 minuty do czasu ustalenia potencjału na przykład w ciągu 15 – 30 minut. Wyniki zapisać w tabeli 2.

3. Uwagi do sprawozdania

-          krótki wstęp teoretyczny

-          cel ćwiczenia

-          przebieg ćwiczenia

-     obliczyć wskaźniki szybkości korozji Vc [g/(m2doba)] znając

∆m próbki, czas pomiaru i powierzchnię korodującej próbki

-    porównać graficznie przebieg zależności potencjału korozyjnego od czasu dla    stali węglowej i kwasoodpornej na podstawie wyników z tablicy 2.

-          opracować wnioski

4. Literatura

[1]. „Ćwiczenia laboratoryjne z biomateriałów” wyd. Politechnika Śląska 1999, praca zbiorowa pod redakcją Jana Marciniaka

[2]. „Elektrochemia” Henryk Scholl, Tadeusz Błaszczyk, Paweł Krzyczmonik 1998

[3]. „Korozja materiałów -  teoria i praktyka „ Henryk Bala wyd. Politechniki Częstochowskiej 2002

4. Zagadnienia do kolokwium

Stan pasywny metali. Pasywacja.

Tabelki otrzymacie Państwo na zajęciach.