Что такое ржавление металла. Коррозия

Коррозия металла является широко распространенной причиной, приводящей в негодность различные детали из металла. Коррозией металла (или ржавлением) называют разрушение металла под воздействием физических и химических факторов. К факторам, вызывающим коррозию, относят природные осадки, воду, температуру, воздух, различные щелочи и кислоты и т.д.

1

Коррозия металла становится серьезной проблемой при строительстве, в быту и на производствах. Чаще всего конструкторы предусматривают защиту металлических поверхностей от ржавчины, но иногда ржавление происходит на незащищенных поверхностях и на специально обработанных деталях.

Металлические сплавы лежат в основе жизнедеятельности человека, они окружают его практически везде: в быту, на работе, в процессе отдыха. Не всегда люди замечают металлические вещи и детали, но они постоянно им сопутствуют. Различные сплавы и чистые металлы являются самыми производимыми веществами на нашей планете. Современная промышленность выпускает различные сплавы в 20 раз больше (по массе), чем все остальные материалы. Несмотря на то что металлы считаются одними из наиболее прочных веществ на Земле, они могут разрушаться и терять свои характеристики в результате процессов ржавления. Под воздействием воды, воздуха и других факторов происходит процесс окисления металлов, который и называют коррозией. Несмотря на то что корродировать может не только металл, но и каменные породы, ниже будут рассмотрены процессы, связанные именно с металлами. Здесь стоит обратить внимание на то, что некоторые сплавы или металлы больше подвержены коррозии, чем другие. Это обусловлено скоростью протекания процесса окисления.

Процесс окисления металлов

Самое распространенное вещество в сплавах - это железо. Коррозия железа описывается следующим химическим уравнением: 3O 2 +2H 2 O+4Fe=2Fe 2 O 3 . H 2 O. Полученный в результате оксид железа и является той рыжей ржавчиной, портящей предметы. Но рассмотрим виды коррозии:

1. Водородная коррозия. На металлических поверхностях практически не встречается (хотя теоретически возможна). В связи с этим описываться не будет.
2. Кислородная коррозия. Аналогична водородной.
3. Химическая. Реакция происходит из-за воздействия металла с каким-либо фактором (например, воздухом 3O 2 +4Fe=2Fe 2 O 3) и протекает без образования электрохимических процессов. Так, после воздействия кислорода с поверхностью появляется оксидная пленка. На некоторых металлах такая пленка достаточно прочна и не только защищает элемент от разрушительных процессов, но и повышает его прочность (например, алюминий или цинк). На некоторых металлах такая пленка очень быстро отслаивается (разрушается), например, у натрия или калия. А большинство металлов разрушаются достаточно медленно (железо, чугун и т.д.). Так, например, происходит коррозия чугуна. Более часто ржавление происходит при контакте сплава с серой, кислородом, хлором. Из-за химической коррозии ржавеют сопла, арматура и т.д.
4. Электрохимическая коррозия железа. Данный вид ржавления происходит в средах, которые проводят электричество (проводники). Время разрушения различных материалов при электрохимических реакциях разное. Электрохимические реакции наблюдаются в случаях контакта металлов, которые находятся на расстоянии в ряду напряженности. Например, изделие изготовленное из стали, имеет медные напайки/крепления. При попадании воды на соединения медные части будут катодами, а сталь - анодом (каждая точка имеет свой электрический потенциал). Скорость протекания таких процессов зависит от количества и состава электролита. Для протекания реакций нужно наличие 2 разных металлов и электропроводящей среды. При этом разрушение сплавов прямо пропорционально зависит от силы тока. Чем больше ток, тем быстрее реакция, чем быстрее реакция, тем быстрее разрушение. В некоторых случаях катодами служат примеси сплава.

Электрохимическая коррозия железа

Также стоит отметить подвиды, которые бывают при ржавлении (описывать не будем, только перечислим): подземная, атмосферная, газовая, при разных видах погружения, сплошная, контактная, вызываемая трением и т.д. Все подвиды можно отнести к химическому или электрохимическому ржавлению.

2

При строительстве часто встречается коррозия арматуры и сварных конструкций. Коррозия часто происходит из-за несоблюдения правил хранения материала или невыполнения работ по обработке прутьев. Коррозия арматуры довольно опасна, поскольку арматуру закладывают для усиления конструкций, и в результате разрушения прутьев возможен обвал. Коррозия сварных швов не менее опасно, чем коррозия арматуры. Это также значительно ослабит шов и может привести к разрыву. Есть достаточно много примеров, когда ржавчина на силовых конструкциях приводит к обрушению помещений.

Другие часто встречающиеся в быту случаи ржавления - порча бытовых орудий труда (ножей, столовых приборов, инструмента), порча металлоконструкций, порча средств передвижения (как наземных, так и воздушных и водных) и т.д.

Пожалуй, самые часто встречающиеся ржавые вещи - это ключи, ножи и инструменты. Все эти предметы подвергаются ржавлению из-за того, что трением снимается защитное покрытие, которое оголяет основу.

Основа подвергается процессам разрушения из-за контактов с агрессивными средами (особенно ножи и инструменты).

Разрушения из-за контактов с агрессивными средами

Кстати, разрушения вещей, которые часто используются в быту, можно наблюдать практически повсеместно и регулярно, в то же время некоторые металлические предметы или конструкции могут простоять ржавыми десятилетия и будут исправно выполнять свои функции. Например, ножовка, которой часто пилили бревна и оставили на месяц в сарае, быстро проржавеет и может сломаться в процессе работы, а столб с дорожным знаком может простоять десять, а то и более лет ржавым и не разрушится.

Поэтому все металлические вещи следует защищать от коррозии. Методов защиты несколько, но все это химия. Выбор такой защиты зависит от типа поверхности и действующего на нее разрушительного фактора.

Для этого поверхность тщательно очищают от грязи и пыли, для того чтобы исключить возможность непопадания защитного покрытия на поверхность. Затем ее обезжиривают (для некоторых типов сплава или металла и для некоторых защитных покрытий это является необходимым), после чего наносят защитный слой. Наиболее часто защиту обеспечивают лакокрасочные материалы. В зависимости от металла и факторов используются разные лаки, краски и грунты.

Другой вариант - нанесение тонкого защитного слоя из другого материала. Обычно этот способ практикуется на производстве (например, оцинковка). В итоге потребителю практически ничего не требуется делать после приобретения вещи.

Нанесение тонкого защитного слоя

Другой вариант - создание специальных сплавов, которые не окисляются (например, нержавейка), однако они не гарантируют 100% защиты, более того, некоторые вещи из таких материалов окисляются.

Важными параметрами защитных слоев являются толщина, срок службы и скорость разрушения под активным неблагоприятным воздействием. При нанесении защитного покрытия крайне важно точно вписаться в допустимую толщину слоя. Обычно производители лакокрасочных материалов указывают его на упаковке. Так, если слой будет больше максимально допустимого, то это вызовет перерасход лака (краски), и слой может разрушаться под сильным механическим воздействием, более тонкий слой может стираться и сократить срок защиты основы.

Правильно выбранный защитный материал и правильно нанесенный на поверхность гарантирует на 80% то, что деталь не будет подвержена коррозии.

3

Многие люди в быту не задумываются над тем, как защитить свои вещи ото ржи. И получают проблему в виде испорченного предмета. Как правильно решить эту проблему?

Удаление ржавчины с детали

Для того чтобы произвести восстановление вещи или детали от ржавчины, первым делом следует снять весь рыжий налет до чистой поверхности. Он снимается с помощью наждачной бумаги, напильников, сильными реагентами (кислотами или щелочами), но особую славу в этом заслужили напитки типа «Кока-Колы». Для этого вещь погружают полностью в емкость с чудо-жидкостью и оставляют на некоторое время (от нескольких часов до нескольких суток - время зависит от вещи и поврежденной площади).

Рыжие пятна на стальных изделиях

Согласно данным ООН, каждая страна в год теряет от 0,5 до 7-8% валового национального продукта из-за коррозии. Парадокс заключается в том, что менее развитые страны теряют меньше, чем развитые. А 30% всех выпускаемых стальных изделий на планете идет на замену проржавевшим. Поэтому настоятельно рекомендуется отнестись к этой проблеме серьезно.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ – физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.

Слово коррозия происходит от латинского «corrodo» – «грызу» (позднелатинское «corrosio» означает «разъедание»).

Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода , в том числе железо .

В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:

4Fe + 6H 2 O (влага) + 3O 2 (воздух) = 4Fe(OH) 3

Гидроксид железа(III) очень неустойчив, быстро теряет воду и превращается в оксид железа(III). Это соединение не защищает поверхность железа от дальнейшего окисления. В результате железный предмет может быть полностью разрушен.

Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.

Алюминий в обычных условиях устойчив к воздействию воздуха и воды, даже кипящей, однако если на поверхность алюминия нанести ртуть, то образующаяся амальгама разрушает оксидную пленку – выталкивает ее с поверхности, и металл быстро превращается в белые хлопья метагидроксида алюминия:

4Al + 2H 2 O + 3O 2 = 4AlO(OH)

Амальгамированный алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода:

2Al + 4H 2 O = 2AlO(OH) + 3H 2

Коррозии подвергаются и некоторые довольно мало активные металлы. Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.

Иногда при коррозии металлов происходит не окисление, а восстановление некоторых элементов, содержащихся в сплавах. Например, при высоких давлениях и температурах карбиды, содержащиеся в сталях, восстанавливаются водородом.

Разрушение металлов в присутствии водорода обнаружили в середине девятнадцатого века. Французский инженер Сент Клэр Девиль изучал причины неожиданных разрывов орудийных стволов. При их химическом анализе он нашел в металле водород. Девиль решил, что именно водородное насыщение явилось причиной внезапного падения прочности стали.

Много хлопот доставил водород конструкторам оборудования для одного из важнейших промышленных химических процессов – синтеза аммиака. Первые аппараты для этого синтеза служили лишь десятки часов, а затем разлетались на мелкие части. Только добавление в сталь титана, ванадия или молибдена помогло решить эту проблему.

К коррозии металлов можно отнести также их растворение в жидких расплавленных металлах (натрий, свинец, висмут), которые используются, в частности, в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

По стехиометрии реакции, описывающие коррозию металлов, довольно просты, однако по механизму они относятся к сложным гетерогенным процессам. Механизм коррозии определяется, прежде всего, типом агрессивной среды.

При контакте металлического материала с химически активным газом на его поверхности появляется пленка продуктов реакции. Она препятствует дальнейшему контакту металла и газа. Если сквозь эту пленку происходит встречная диффузия реагирующих веществ, то реакция продолжается. Процесс облегчается при высоких температурах. В ходе коррозии пленка продукта непрерывно утолщается, а металл разрушается. Большие убытки от газовой коррозии терпит металлургия и другие отрасли промышленности, где используются высокие температуры.

Наиболее распространена коррозия в средах электролитов. В некоторых технологических процессах металлы контактируют с расплавами электролитов. Однако чаще всего коррозия протекает в растворах электролитов. Металл не обязательно должен быть полностью погружен в жидкость. Растворы электролитов могут находиться в виде тонкой пленки на поверхности металла. Они нередко пропитывают окружающую металл среду (почву, бетон и др.).

Во время строительства метромоста и станции «Ленинские горы» в Москве в бетон добавляли большое количество хлорида натрия, чтобы не допустить замерзания еще не схватившегося бетона. Станция была сооружена в кратчайшие сроки (всего за 15 месяцев) и открыта 12 января 1959. Однако присутствие хлорида натрия в бетоне вызвало разрушение стальной арматуры. Коррозии оказались подвергнуты 60% железобетонных конструкций, поэтому станция была закрыта на реконструкцию, продолжавшуюся почти 10 лет. Лишь 14 января 2002 состоялось повторное открытие метромоста и станции, получившей название «Воробьевы горы».

Использование солей (обычно хлорида натрия или кальция) для удаления снега и льда с дорог и тротуаров также приводит к ускоренному разрушению металлов. Сильно страдают транспортные средства и подземные коммуникации. Подсчитано, что только в США применение солей для борьбы со снегопадами и гололедом приводит к потерям на сумму около 2 млрд. долл. в год в связи с коррозией двигателей и 0,5 млрд. долл. на дополнительный ремонт дорог, подземных магистралей и мостов.

В средах электролитов коррозия обусловлена не только действием кислорода, воды или кислот на металлы, но и электрохимическими процессами. Уже в начале 19 в. электрохимическую коррозию изучали английские ученые Гемфри Дэви и Майкл Фарадей. Первая теория электрохимической коррозии была выдвинута в 1830 швейцарским ученым Де ла Ривом. Она объясняла возникновение коррозии в месте контакта двух разных металлов.

Электрохимическая коррозия приводит к быстрому разрушению более активных металлов, которые в различных механизмах и устройствах контактируют с менее активными металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений правее. Использование медных или латунных деталей в железных или алюминиевых конструкциях, которые работают в морской воде, существенно усиливает коррозию. Известны случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками.

По отдельности алюминий и титан устойчивы к действию морской воды, но если они контактируют в одном изделии, например в боксе для подводной фототехники, алюминий очень быстро разрушается, и бокс протекает.

Электрохимические процессы могут протекать и в однородном металле. Они активизируются, если есть различия в составе зерна металла в объеме и на границе, неоднородное механическое напряжение, микропримеси и т.д. В разработке общей теории электрохимической коррозии металлических материалов участвовали многие наши соотечественники, в том числе Владимир Александрович Кистяковский (1865–1952) и Александр Наумович Фрумкин (1895–1976).

Одной из причин возникновения электрохимической коррозии являются блуждающие токи, которые появляются вследствие утечки части тока из электрических цепей в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду начинается растворение металла. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Эти токи могут достигать несколько ампер, что приводит к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение тока силой в 1 А в течение одного года вызовет растворение 9,1 кг железа, 10,7 кг цинка, 33,4 кг свинца.

Коррозия может возникать и под влиянием радиационного излучения, а также продуктов жизнедеятельности бактерий и других организмов. С развитием бактерий на поверхности металлических конструкций связано явление биокоррозии. Обрастание подводной части судов мелкими морскими организмами также оказывает влияние на коррозионные процессы.

При одновременном воздействии на металл внешней среды и механических напряжений все коррозионные процессы активизируются, поскольку при этом понижается термическая устойчивость металла, нарушаются оксидные пленки на поверхности металла, усиливаются электрохимические процессы в местах появления трещин и неоднородностей.

Коррозия приводит к огромным безвозвратным потерям металлов, ежегодно полностью разрушается около 10% производимого железа. По данным Института физической химии РАН, каждая шестая домна в России работает впустую – весь выплавляемый металл превращается в ржавчину. Разрушение металлических конструкций, сельскохозяйственных и транспортных машин, промышленной аппаратуры становится причиной простоев, аварий, ухудшения качества продукции. Учет возможной коррозии приводит к повышенным затратам металла при изготовлении аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ и т.д. Это увеличивает общие убытки от коррозии. Немалые средства приходится тратить на противокоррозионную защиту. Соотношение прямых убытков, косвенных убытков и расходов на защиту от коррозии оценивают как (3–4):1:1. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии достигает 4% национального дохода. В нашей стране он исчисляется миллиардами рублей в год.

Проблемы коррозии постоянно обостряются из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции, становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения. Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей. Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления.

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (5 в. до н. э.) и древнеримского ученого Плиния Старшего (1 в. до н. э.) уже есть упоминания о применении олова для предохранения железа от ржавления. В настоящее время борьбу с коррозией ведут сразу в нескольких направлениях – пытаются изменить среду, в которой работает металлическое изделие, повлиять на коррозионную устойчивость самого материала, предотвратить контакт между металлом и агрессивными веществами внешней среды.

Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде, например в атмосфере аргона, однако реально создать такую среду при эксплуатации конструкций и механизмов в подавляющем большинстве случаев невозможно. На практике для снижения коррозионной активности среды из нее стараются удалить наиболее реакционноспособные компоненты, например, снижают кислотность водных растворов и почв, с которыми могут контактировать металлы. Одним из методов борьбы с коррозией железа и его сплавов, меди, латуни, цинка, свинца является удаление из водных растворов кислорода и диоксида углерода. В энергетике и некоторых отраслях техники воду освобождают также от хлоридов, которые стимулируют локальную коррозию. Для снижения кислотности почвы проводят известкование.

Агрессивность атмосферы сильно зависит от влажности. Для любого металла есть некоторая критическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атмосферной коррозии. Для железа, меди, никеля, цинка она составляет 50–70%. Иногда для сохранности изделий, имеющих историческую ценность, их температуру искусственно поддерживают выше точки росы. В закрытых пространствах (например, в упаковочных коробках) влажность понижают с помощью силикагеля или других адсорбентов. Агрессивность промышленной атмосферы определяется, в основном продуктами сгорания топлива (см . ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ). Уменьшению потерь от коррозии способствует предотвращение кислотных дождей и устранение вредных газовых выбросов.

Разрушение металлов в водных средах можно замедлить при помощи ингибиторов коррозии, которые в небольших количествах (обычно менее 1%) вводят в водные растворы. Они способствуют пассивированию поверхности металла, то есть образованию тонкой и плотной пленки оксидов или других малорастворимых соединений, которая препятствует разрушению основного вещества. Для этой цели применяют некоторые соли натрия (карбонат, силикат, борат) и другие соединения. Если бритвенные лезвия погрузить в раствор хромата калия, они хранятся намного дольше. Часто используют органические ингибиторы, которые более эффективны, чем неорганические.

Один из способов защиты от коррозии основывается на разработке новых материалов, обладающих более высокой коррозионной стойкостью. Постоянно ведутся поиски заменителей коррозирующих металлов. Пластмассы, керамика, стекло, резина, асбест и бетон более устойчивы к воздействию окружающей среды, однако по многим другим свойствам они уступают металлам, которые по-прежнему служат основными конструкционными материалами.

Благородные металлы практически не поддаются коррозии, но для широкого применения они слишком дороги, поэтому их используют лишь в наиболее ответственных деталях, например для изготовления некорродирующих электрических контактов. Высокой коррозионной стойкостью обладают никель, алюминий, медь, титан и сплавы на их основе. Их производство растет довольно быстро, однако и сейчас наиболее доступным и широко используемым металлом остается быстро ржавеющее железо. Для придания коррозионной стойкости сплавам на основе железа часто используют легирование. Так получают нержавеющую сталь, которая, помимо железа, содержит хром и никель. Самая распространенная в наше время нержавеющая сталь марки 18–8 (18% хрома и 8% никеля) появилась в 1923. Она вполне устойчива к воздействию влаги и кислорода. Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране были выплавлены в 1924 в Златоусте. Сейчас разработано много марок таких сталей, которые, помимо хрома и никеля, содержат марганец, молибден, вольфрам и другие химические элементы. Часто применяют поверхностное легирование недорогих железных сплавов цинком, алюминием, хромом.

Для противостояния атмосферной коррозии на стальные изделия наносятся тонкие покрытия из других металлов, более устойчивых к воздействию влаги и кислорода воздуха. Часто используются покрытия из хрома и никеля. Поскольку хромовые покрытия нередко содержат трещины, их обычно наносят поверх менее декоративных никелевых покрытий. На защиту жестяных консервных банок от коррозии в органических кислотах, содержащихся в пищевых продуктах, расходуется значительное количество олова. Долгое время для покрытия кухонной утвари использовали кадмий, однако теперь известно, что этот металл опасен для здоровья и кадмиевые покрытия используются только в технике.

Для замедления коррозии на поверхность металла наносят лаки и краски, минеральные масла и смазку. Подземные конструкции покрывают толстым слоем битума или полиэтилена. Внутренние поверхности стальных труб и резервуаров защищают дешевыми покрытиями из цемента.

Чтобы лакокрасочное покрытие было более надежным, поверхность металла тщательно очищают от грязи и продуктов коррозии и подвергают специальной обработке. Для стальных изделий используют так называемые преобразователи ржавчины, содержащие ортофосфорную кислоту (Н 3 РО 4) и ее соли. Они растворяют остатки оксидов и формируют плотную и прочную пленку фосфатов, которая способна на некоторое время защитить поверхность изделия. Затем металл покрывают грунтовочным слоем, который должен хорошо ложиться на поверхность и обладать защитными свойствами (обычно используют свинцовый сурик или хромат цинка). Только после этого можно наносить лак или краску.

Одним из наиболее эффективных методов борьбы с коррозией является электрохимическая защита. Для защиты буровых платформ, сварных металлических оснований, подземных трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды.

Другой вариант такой защиты применяют для сравнительно небольших стальных конструкций или дополнительно покрытых изоляцией металлических объектов (например, трубопроводов). В этом случае используют протектор – анод из сравнительно активного металла (обычно это магний, цинк, алюминий и их сплавы), который постепенно разрушается, оберегая основной объект. С помощью одного магниевого анода защищают до 8 км трубопровода. Протекторная защита широко распространена; например, в США на производство протекторов ежегодно расходуется около 11,5 тыс. т алюминия.

Защита одного металла другим, более активным металлом, расположенным в ряду напряжений левее, эффективна и без наложения разности потенциалов. Более активный металл (например, цинк на поверхности железа) защищает от разрушения менее активный металл.

К электрохимическим методам борьбы с коррозией можно отнести и защиту от разрушения конструкций блуждающими токами. Одним из способов устранения такой коррозии является соединение металлическим проводником участка конструкции, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом, по которому движется трамвай или электропоезд.

Елена Савинкина

Известно, что большинство металлов содержится в рудах не в чистом виде, а в различных химических соединениях. Поэтому, чтобы извлечь металлы из этих соединений, приходится задействовать непростые и энергозатратные металлургические операции.

И все же немалую часть результатов этих процессов отнимает у нас коррозия – главный враг металла.

Что такое коррозия

Коррозия – это распад и уничтожение металлов под воздействием окружающей среды. Когда происходит коррозия – металлы снова возвращаются в положение химических соединений, похожих на те, в которых они находятся в рудах.

Коррозия приносит огромные убытки, ее разрушительное действие мы видим во всем, что нас окружает, из-за коррозии выходят из строя машины, механизмы, различное оборудование. Предохранение от коррозии и ее предупреждение – довольно трудоемкие и затратные мероприятия.

Коррозия различается по видам, но обычно она начинается на поверхности металла и затем проходит внутрь. Различные металлы реагируют на коррозию по-разному: одни поддаются ее разрушительному действию быстрее, другие медленнее, но не существует металла, обладающего полной защитой от коррозии. Такие благородные металлы, как платина, золото и другие, также подвержены разрушению при некоторых условиях. Например, они растворяются при погружении в раствор соляной и серной кислоты, известный как «царская водка».

Виды коррозии.

1. Химическая коррозия. В том случае, когда на металл оказывают воздействие газы – это и есть химическая коррозия. Например: следы ее заметны на серебряных предметах, которые со временем покрываются темным налетом. Это происходит вследствие, вступления в химическую реакцию с серебром, соединений серы, которые находятся в воздухе, и сульфид серебра, образующийся при этой реакции, откладывается на верхнем слое серебряных предметов.

Еще один пример такого вида коррозии – окалина, возникающая на железе, когда оно нагрето в воздухе. Это воздействие мы можем видеть во время ковки или прокатки. При этих процессах, возникают тонкие пленки или окислы, которыми покрываются металлы. Эти тонкие, но прочные пленки взаимодействуют с металлом, на котором они образуются, и предохраняют его от воздействия коррозии. При этом на некоторых других металлах корка возникает не такая прочная, и коррозия проходит внутрь металла. В наше время существует много способов увеличения действия защиты окисного слоя, они связаны внешней обработкой материалов.

2. Электрохимическая коррозия. Это — наиболее распространенный и вредоносный вид коррозии. Такая коррозия опасна и непредсказуема. Она может возникнуть в одном куске металла, который состоит из различных соединений. При этом на поверхности материала возникают различные гальванические структуры, а вода от дождя, росы, пара является электролитом.

Для возникновения коррозии благоприятны изменения температуры, так как они способствуют образованию влаги. Из-за резкой смены ночных и дневных температур опасность возникновения коррозии особенно велика в странах с субтропическим климатом. Еще одним фактором возникновения коррозии является сильное загрязнение окружающей среды пылью и газами, особенно в местах скопления промышленных объектов. В случае, когда коррозия проходит постепенно, ее еще можно контролировать, но она крайне опасна при локализации в частях деталей или материалов и здесь можно говорить о сквозной коррозии, возникающей в растворах, включающих в себя различные хлориды.

Возникает коррозия также под влиянием различных механических нагрузок, разрушая металл под действием напряжения. В этом случае на поверхности изделий образуются трещины, уходящие далее в тело материала. Этому виду коррозии подвержены многие металлы и сплавы, находящиеся в различных средах.

Защита от коррозии.

Для предотвращения коррозии или уменьшения ее действия необходимы огромные усилия и финансовые вложения. Одним из способов защиты является покрытие металлических изделий лакокрасочными материалами. Очевидно – лаки и краски защищают металл от воздействия окружающей среды и других металлов, но это средство не долговечно, так как краска постепенно уничтожается, что требует нового покрытия. Но пока это – один из самых распространенных способов защиты огнезащита металлических конструкций от коррозии. Существуют еще несколько методов защиты. Например, погружение изделия в расплав металла, когда на поверхности изделия образуется защитная пленка. Этот метод включает в себя плакирование, металлизацию и некоторые другие.

Гальванический способ защиты металлов также имеет широкое распространение. С помощью этого процесса многие предметы, изделия и механизмы эффективно защищаются от воздействия коррозии. Некоторые детали автомобиля, серебряная посуда и многое другое обрабатывается гальваническим способом.

Коррозия металлических материалов наносит значительный урон промышленности, требует огромных затрат на ее предупреждение и устранение. Но различные методы борьбы с коррозией, изложенные выше, помогают защитить и по возможности предупредить последствия этого разрушительного явления.

Коррозия — это разрушение твердых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимо-действии с внешней средой. Особенный ущерб приносит коррозия металлов. Распространенный и наиболее знакомый всем нам вид коррозии — ржавление железа. Термин «коррозия» применим к металлам, бетону, некоторым пластмассам и другим материалам. Коррозия — это физико-химическое взаимодействие металла со средой, ведущее к разрушению металла.

Трудно учесть более высокие косвенные потери от простоев и снижения производительности оборудования, подвергшегося коррозии, от нарушения нормального хода технологических процессов, от аварий, обусловленных снижением прочности металлических конструкций, и т. п. Точная оценка ущерба от коррозии железа и стали, конечно, невозможна. Однако на основе некоторых доступных данных по среднему ежегодному объёму замены гофрированных металлических крыш, проводов, трубопроводов, стальных вагонеток и других железных и стальных объектов, подверженных коррозии, можно сделать вывод, что из-за неправильной защиты ежегодные затраты на замену в среднем могут достигать 2 процентов от общего объёма используемой стали.

О коррозии металлов

Не следует путать понятия «коррозия» и «ржавчина». Если коррозия — это процесс, то ржавчина один из его результатов. Это слово применимо только к железу, входящему в состав стали и чугуна. В дальнейшем под термином «коррозия» мы будем подразумевать коррозию металлов. Согласно международному стандарту ISO 8044 под коррозией понимают физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их тех-нической системы. Ржавчина — это слой частично гидратированных оксидов железа, образующийся на поверхности железа и некоторых его сплавов в результате коррозии.

Кроме коррозии, металлические (в частности, строительные) конструкции подвергаются действию эрозии — разрушению поверхности материала под влиянием механического воздействия. Эрозию провоцируют дожди, ветры, песчаная пыль и прочие природные факторы.
Идеальная защита от коррозии на 80% обеспечивается правильной подготовкой поверхности под окраску и только на 20% качеством используемых лакокрасочных материалов и способом их нанесения (ISO).

Процесс коррозии

Коррозией металлов называется самопроизвольное их разрушение вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Среда, в которой металл подвергается коррозии (корродирует), называется коррозионной или агрессивной средой. В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют в виду нежелательный процесс взаимодей-ствия металла со средой.

Стадии коррозионного процесса:

• подвод коррозионной среды к поверхности ме-талла;
• взаимодействие среды с металлом;
• полный или частичный отвод продуктов от поверхности металла.

Классификация коррозионных процессов

По природе разрушения различают следующие виды коррозии:

Химическая коррозия — это процесс, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают в одном акте.
Химическая коррозия возможна в любой коррозионной среде, однако чаще всего она наблюдается в тех случаях, когда коррозионная среда не является элект-ролитом (газовая коррозия, коррозия в неэлектропро-водных органических жидкостях).

Электрохимическая коррозия — это разрушение металлов вследствие их электрохимического взаимодействия с электролитически проводящей средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента среды протекает не в одном акте и их скорости зависят от величины электродного потенциала металла. Этот вид коррозии наиболее распространен. При электрохимической коррозии химическое превращение вещества сопровождается выделением электрической энергии в виде постоянного тока.

Биохимическая коррозия — в случае, когда коррозия металла в морской воде усиливается под действием обрастания поверхности морскими организмами.
Электрокоррозия — усиление коррозии под действием анодной поляризации, вызванной внешним электрическим полем (например, при производстве сварочных работ на плаву, при наличии блуждающих токов в акватории).

По типу коррозионной среды

Некоторые коррозионные среды и вызываемые ими разрушения столь характерны, что по названию этих сред классифицируются и протекающие в них коррозионные процессы.
Как правило, металлические изделия и конструкции подвергаются действию многих видов коррозии — в этих случаях говорят о действии так называемой смешанной коррозии.

Газовая коррозия — коррозия в газовой среде при высоких температурах.

Атмосферная коррозия — коррозия металла в усло-виях атмосферы при влажности, достаточной для образования на поверхности металла пленки электролита (осо-бенно в присутствии агрессивных газов или аэрозолей кислот, солей и т. д.). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.

Жидкостная коррозия — коррозия в жидких средах.

Подземная коррозия — коррозия металла в грунтах и почвах. Характерной особенностью подземной коррозии является большое различие в скорости доставки кислорода к поверхности подземных конструкций в разных почвах (в десятки тысяч раз).

По характеру разрушения коррозию различают

Сплошная — Охватывает всю поверхность металла
Местная - Охватывает отдельные участки коррозии
Равномерная - Протекает с приблизительно одинаковой скоростью по всей поверхности
Точечная (питтинг) — В виде отдельных точек диаметром до 2 мм
Язвенная — В виде язв диаметром от 2 до 50 мм
Пятнами - В виде пятен диаметром более 50 мм и глубиной до2 мм
Подповерхностная — Вызывает расслоение металла и вспучивание слоев
Подпленочная — Протекает под защитным покрытием металла
Межристаллитная — В виде разрушения границ зерен
Селективная (избирательная) — В виде растворения отдельных компонентов сплава
Щелевая - Развивается в щелях и узких зазорах

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией. Коррозия металлов вызывается , в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

• Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
• Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
• Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов :

1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
2. Неравномерная
3. Избирательная
4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
5. Язвенная (или питтинг)
6. Точечная
7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
8. Растрескивающая
9. Подповерхностная

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют . Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов – может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга-Бэдвордса: (α = V ок /V Ме) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

α = V ок /V Ме = М ок ·ρ Ме /(n·A Me ·ρ ок) ,

где V ок — объем образовавшегося оксида

V Ме — объем металла, израсходованный на образование оксида

М ок – молярная масса образовавшегося оксида

ρ Ме – плотность металла

n – число атомов металла

A Me — атомная масса металла

ρ ок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α < 1 , не являются сплошными и сквозь них кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).

Оксидные пленки, у которых 1 < α < 2,5 являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.

При значениях α > 2,5 условие сплошности уже не соблюдается , вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

Ниже представлены значения α для некоторых оксидов металлов

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных , который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией .

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде

2H + +2e — = H 2 разряд водородных ионов

2H 3 O + +2e — = H 2 + 2H 2 O

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде

O 2 + 4H + +4e — = H 2 O восстановление растворенного кислорода

O 2 + 2H 2 O + 4e — = 4OH —

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии , можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их :

1. Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е 0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е 0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е 0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e — = Fe 2+

K: O 2 + 4H + + 4e — = 2H 2 O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO 2 , H 2 S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Методы защиты от коррозии металла

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлические покрытия.

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием . Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием .

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным .

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Неметаллические покрытия.

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия.

В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:

оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al 2 O 3 , ZnO и др.);

фосфатирование – получение защитной пленки фосфатов (Fe 3 (PO 4) 2 , Mn 3 (PO 4) 2);

азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;

воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;

цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором . Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.