Коррозия металла: почему ржавеет кузов и как с этим бороться. Виды коррозии металла и борьба с ней

Классификация видов коррозии

Коррозионные процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии.

По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения, коррозия может быть следующих видов:

• газовая коррозия;
• атмосферная коррозия;
• коррозия в неэлектролитах;
• коррозия в электролитах ;
• биокоррозия;
• коррозия под воздействием блуждающих токов.

По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды:

• контактная коррозия;
• коррозия при неполном погружении;
• коррозия при полном погружении;
• коррозия при переменном погружении;
• коррозия при трении;
• коррозия под напряжением.

По характеру разрушения:

Главная классификация производится по механизму протекания процесса. Различают два вида:

• химическую коррозию;
• электрохимическую коррозию.

Коррозия неметаллических материалов

По мере ужесточения условий эксплуатации (повышение температуры, механических напряжений, агрессивности среды и др.) и неметаллические материалы подвержены действию среды. В связи с чем термин «коррозия» стал применяться и по отношению к этим материалам, например «коррозия бетонов и железобетонов», «коррозия пластмасс и резин». При этом имеется в виду их разрушение и потеря эксплуатационных свойств в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Но следует учитывать, что механизмы и кинетика процессов для неметаллов и металлов будут разными.

Коррозия металлов

Ржавчина, самый распространенный вид коррозии.

Коррозия металла.

Коррозия металлов - разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса - «коррозионное разрушение». Образование гальванических пар с пользой применяют для создания батарей и аккумуляторов. С другой стороны, образование такой пары приводит к неблагоприятному процессу, жертвой которого становится целый ряд металлов, - коррозии. Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

Типы коррозии

Электрохимическая коррозия

Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. Не следует путать с электрохимической коррозией коррозию однородного материала, например, ржавление железа или т. п. При электрохимической коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуется наличие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды - либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т. п., электропроводность её повышается, и скорость процесса увеличивается.

Коррозионный элемент

При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO 2 , образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Этот вид коррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так, совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большим редокспотенциалом уже достаточно для возникновения коррозионного элемента. Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различными потенциалами, например, сварочные швы или заклёпки.

Если растворяющийся электрод коррозионно-стоек, процесс коррозии замедляется. На этом основана, например, защита железных изделий от коррозии путём оцинковки - цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такой паре железо восстанавливается, а цинк должен корродировать. Однако в связи с образованием на поверхности цинка оксидной плёнки процесс коррозии сильно замедляется.

Водородная и кислородная коррозия

Если происходит восстановление ионов H 3 O + или молекул воды H 2 O, говорят о водородной коррозии или коррозии с водородной деполяризацией. Восстановление ионов происходит по следующей схеме:

2H 3 O + + 2e − → 2H 2 O + H 2

2H 2 O + 2e − → 2OH − + H 2

Если водород не выделяется, что часто происходит в нейтральной или сильно щелочной среде, происходит восстановление кислорода и здесь говорят о кислородной коррозии или коррозии с кислородной деполяризацией:

O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −

Коррозионный элемент может образовываться не только при соприкосновении двух различных металлов. Коррозионный элемент образуется и в случае одного металла, если, например, структура поверхности неоднородна.

Химическая коррозия

Химическая коррозия - взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом:

4Fe + 3O 2 → 2Fe 2 O 3

При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде).

Виды коррозии

• Газовая коррозия
• Атмосферная коррозия
• Коррозия при неполном погружении
• Коррозия по ватерлинии
• Коррозия при полном погружении
• Коррозия при переменном погружении
• Подземная коррозия
• Биокоррозия
• Коррозия внешним током
• Коррозия блуждающим током
• Контактная коррозия
• Коррозия при трении
• Фреттинг-коррозия
• Сплошная коррозия
• Равномерная коррозия
• Неравномерная коррозия
• Местная коррозия
• Подповерхностная коррозия
• Точечная коррозия
• Коррозия пятнами
• Сквозная коррозия
• Послойная коррозия
• Нитевидная коррозия
• Структурная коррозия
• Межкристаллитная коррозия
• Избирательная (селективная) коррозия
• Графитизация чугуна
• Обесцинкование
• Щелевая коррозия
• Ножевая коррозия
• Коррозионная язва
• Коррозионное растрескивание
• Коррозия под напряжением
• Коррозионная усталость
• Предел коррозионной усталости
• Коррозионная хрупкость

Борьба с коррозией

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение этой проблемы является важной задачей. Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почему ежегодные потери от неё в промышленно развитых странах столь велики. Истинные убытки от неё нельзя определить, оценив только прямые потери, к которым относятся стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования, затраты на мероприятия по защите от коррозии. Ещё больший ущерб составляют косвенные потери. Это простои оборудования при замене прокорродировавших деталей и узлов, утечка продуктов, нарушение технологических процессов.

Идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материа­лов и способом их нанесения. . Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности перед дальнейшей защитой субстрата является абразивоструйная очистка .

Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

1. Конструкционный
2. Активный
3. Пассивный

Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали , кортеновские стали , цветные металлы . При проектировании конструкции стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки.

Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя . Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла. Другой метод - использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие.

В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия , которое препятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).

Кислородная коррозия оцинкованного железа

Кислородная коррозия железа, покрытого оловом

Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другими металлами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищает сталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательный потенциал и корродирует первым. Ионы Zn 2+ токсичны. При изготовлении консервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие от оцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно, начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другая возможность защитить металл от коррозии - применение защитного электрода с большим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этого специально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роли катода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод, называют, соответственно, анодом протекторной защиты. Этот метод применяют для защиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенных под землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепят цинковые пластинки.

Если сравнить потенциалы цинка и магния с железом, они имеют более отрицательные потенциалы. Но тем не менее корродируют они медленнее вследствие образования на поверхности защитной оксидной плёнки, которая защищает металл от дальнейшей коррозии. Образование такой плёнки называют пассивацией металла. У алюминия её усиливают анодным окислением (анодирование). При добавлении небольшого количества хрома в сталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющей стали - более 12 процентов.

Система холодного цинкования

Система холодного цинкования предназначена для усиления антикоррозионных свойств комплексного многослойного покрытия. Система обеспечивает полную катодную (или гальваническую) защиту железных поверхностей от коррозии в различных агрессивных средах

Система холодной оцинковки бывает одно-, двух- или трехупаковочной и включает:

• связующее - известны составы на хлоркаучуковой, этилсиликатной, полистирольной, эпоксидной, уретановой, алкидной (модифицированной) основе;
• антикоррозионный наполнитель - цинковый порошок («цинковая пыль»), с содержанием более 95 % металлического цинка, имеющего размер частиц менее 10 мкм и минимальную степень окисления.;
• отвердитель (в двух- и трех- упаковочных системах)

Одноупаковочные системы холодного цинкования поставляются готовыми к применению и требуют лишь тщательного перемешивания состава перед нанесением. Двух- и трехупаковочные системы могут поставляться в нескольких упаковках и требуют дополнительных операций по приготовлению состава перед нанесением (смешивание связующего, наполнителя, отвердителя).

После приготовления (двух- и трёхупаковочные системы), нанесения состава на защищаемую поверхность металла кистью, валиком, методом пневматического или безвоздушного распыления и высыхания на поверхности металла образуется цинкнаполненное противокоррозионное покрытие - полимерно-цинковая плёнка, сохраняющая все свойства полимерного покрытия, которое использовалось в качестве связующего, и одновременно обладающая всеми защитными достоинствами обычного цинкового покрытия.

Преимущества системы холодной оцинковки по сравнению со способом горячей гальванизации:

1. Простота и меньшая трудоёмкость технологии нанесения защитного цинкового покрытия. Для нанесения покрытия не требуется специальное оборудование.
2. Возможность антикоррозионной защиты металлоконструкций любых размеров, как в заводских так и в полевых условиях.
3. Возможность исправления непосредственно на месте абразивных повреждений покрытия и дефектов, возникающих при сварке металлоконструкций.
4. Экологически чистый процесс нанесения покрытия: нет необходимости производить работы в горячем цеху.
5. Создание на поверхности железа гибкого слоя цинка (не образующего микротрещин при изгибании металлоизделия).

Система холодного цинкования применяется во всех видах промышленности и в быту, где требуется надёжная и долговечная защита железных поверхностей от коррозии.

Помимо использования в качестве грунтовочного слоя в комплексном многослойном покрытии система холодной оцинковки может применяться как самостоятельное антикоррозийное покрытие металлических поверхностей.

Газотермическое напыление

Для борьбы с коррозией используют также методы газотермического напыления .
С помощью газотермического напыления на поверхности металла создается слой из другого металла/сплава, обладающий более высокой стойкостью к коррозии (изолирующий) или наоборот менее стойкий (протекторный). Такой слой позволяет остановить коррозию защищаемого металла. Суть метода такова: газовой струей на поверхность изделия на огромной скорости наносят частицы металлической смеси, в результате чего образуется защитный слой толщиной от десятков до сотен микрон. Газотермическое напыление также применяется для продления жизни изношенных узлов оборудования: от восстановления рулевой рейки в автосервисе до нефтедобывающих компаний .

Термодиффузионное цинковое покрытие

(ГОСТ 9.316-2006). Для эксплуатации металлоизделий в агрессивных средах, необходима более стойкая антикоррозионная защита поверхности металлоизделий. Термодиффузионное цинковое покрытие является анодным по отношению к чёрным металлам и электрохимически защищает сталь от коррозии. Оно обладает прочным сцеплением (адгезией) с основным металлом за счет взаимной диффузии железа и цинка в поверхностных интерметаллитных фазах, поэтому не происходит отслаивания и скалывания покрытий при ударах, механических нагрузках и деформациях обработанных изделий.

Диффузионное цинкование, осуществляемое из паровой или газовой фазы при высоких температурах (375-850 °C), или с использованием разрежения (вакуума) - при температуре от 250 °C, применяется для покрытия крепёжных изделий, труб, деталей арматуры и др. конструкций. Значительно повышает стойкость стальных, чугунных изделий в средах, содержащих сероводород (в том числе против сероводородного коррозионного растрескивания), промышленной атмосфере, морской воде и др. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры, времени, способа цинкования и может составлять 0,01-1,5 мм. Современный процесс диффузионного цинкования позволяет образовывать покрытие на резьбовых поверхностях крепёжных изделий, без затруднения их последующего свинчивания. Микротвёрдость слоя покрытия Hμ = 4000 - 5000 МПа. Диффузионное цинковое покрытие также значительно повышает жаростойкость стальных и чугунных изделий, при температуре до 700 °C. Возможно получение легированных диффузионных цинковых покрытий, применяемое для повышения их служебных характеристик.

Цинкование

Цинкование - это процесс нанесения цинка или его сплава на металлическое изделие для придания его поверхности определённых физико-химических свойств, в первую очередь высокого сопротивления коррозии. Цинкование - наиболее распространённый и экономичный процесс металлизации, применяемый для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. На эти цели расходуется примерно 40 % мировой добычи цинка. Толщина покрытия должна быть тем больше, чем агрессивнее окружающая среда и чем длительнее предполагаемый срок эксплуатации. Цинкованию подвергаются стальные листы, лента, проволока, крепёжные детали , детали машин и приборов, трубопроводы и др. металлоконструкции. Декоративного назначения цинковое покрытие обычно не имеет; некоторое улучшение товарный вид приобретает после пассивирования оцинкованных изделий в хроматных, или фосфатных растворах, придающих покрытиям радужную окраску. Наиболее широко используется оцинкованная полоса, изготовляемая на автоматизированных линиях горячего цинкования , то есть методом погружения в расплавленный цинк. Методы распыления и металлизация позволяют покрывать изделия любого размера (например, мачты электропередач, резервуары, мостовые металлоконструкции, дорожные ограждения). Электролитическое цинкование ведётся в основном из кислых и щёлочно-цианистых электролитов; специальные добавки позволяют получать блестящие покрытия.

Экономический ущерб от коррозии

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.

Обрушение Серебряного моста.

Ржавчина является одной из наиболее распространенных причин аварий мостов . Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к друга конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году , когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста. 15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Поинт Плезант, штат Западная Виржиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виржинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия.

Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

См. также

Примечания

Ссылки

• «Бластинг: Гид по высокоэффективной абразивоструйной очистке» - Екатеринбург: ООО "ИД «Оригами», 2007-216 с., ISBN 978-5-9901098-1-0

Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы. Коррозия безвозвратно разрушает металл , превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год. Ситуация с российским металлом выглядит примерно так — весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года.

Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно — ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться?

Что такое коррозия металлов

Разрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде — электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия).

Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе 2 O 3 ·H 2 О).

Химическая коррозия

Этот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости — нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры — в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка.

Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы — и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например — алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет — патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях — только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае — пленка ничем не поможет.

Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики.

Электрохимическая коррозия

Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период — особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов).

Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда — в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге). Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа — 9,1 кг, цинка — 10,7 кг, свинца — 33,4 кг.

Другие причины коррозии металла

Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название — биокоррозия.

Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов — снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия.

Меры защиты металлов от коррозии

Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания — процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.

Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию.

Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет — лужение (покрытие оловом)).

Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиями

Неметаллические покрытия — краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой.

Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» — во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов ; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями — их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность.

В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры — эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола.

Защита железа от коррозии покрытиями из других металлов

Существует два типа металлических покрытий-ингибиторов — протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом). Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая — большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо — кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов.

Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы — эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее неоцинкованных). Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты — цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелерование металлических поверхностей (покрытие никелем). Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы — нет устойчивого покрытия.

Лучшее решение для антикоррозийной защиты — алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит — меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист — алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне). Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время — оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу.

Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавок

Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла.

Меры противодействия электрохимической коррозии

Для ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами. Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию. С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность.

Защита от блуждающих токов

Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:

• участок конструкции, служащий источником блуждающего тока, необходимо соединить металлическим проводником с рельсом трамвайной дороги;
• трассы теплосетей должны размещаться на максимальном удалении от рельсовых дорог, по которым передвигается электротранспорт, свести к минимуму число их пересечений;
• применение электроизоляционных трубных опор для повышения переходного сопротивления между грунтом и трубопроводами;
• на вводах к объектам (потенциальным источникам блуждающих токов) необходима установка изолирующих фланцев;
• на фланцевой арматуре и сальниковых компенсаторах устанавливать токопроводящие продольные перемычки — для наращивания продольной электропроводимости на защищаемом отрезке трубопроводов;
• чтобы выровнять потенциалы трубопроводов, расположенных параллельно, необходимо установить поперечные электроперемычки на смежных участках.

Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода. Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) — он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию. Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода.

Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру

Слово коррозия произошло от латинского corrodere. Оно в переводе означает «разъедать». Чаще всего встречается коррозия металла. Однако есть случаи, когда от коррозии страдают и изделия из других материалов. Ей подвержены и камни, и пластмасса и даже дерево. Сегодня все чаще люди сталкиваются с такой проблемой, как покрытие коррозией памятников архитектуры, сделанных из мрамора и других материалов. Из этого можно сделать, что под такой процесс, как коррозия обозначает разрушение под воздействием окружающей среды

Причины коррозии металлов

Коррозии подвержены большая часть металлов. Данный процесс представляет собой их окисление. Оно приводит к распаду их на оксиды. В простонародии коррозия получила название ржавчина. Она представляет собой порошок мелкого помола светло-коричневого оттенка. На многих видах металлов во время процесса окисления появляется специальный состав в виде скрепленной с ними оксидной пленки. Она обладает плотной структурой, благодаря чему кислороду из воздуха и воде не удается проникнуть в глубокие слои металлов для дальнейшего их разрушения.

Алюминий относится к разряду очень активных металлов. При соприкосновении с воздухом или водой он с теоретической точки зрения должен легко расщепляться. Однако во время коррозии на нем образуется специальная пленка, которая уплотняет его структуру и делает процесс образования ржавчины практически невозможным.

Таблица 1. Совместимость металлов

Таблица 2. Совместимость стали с металлами

Виды коррозии металлов

Сплошная коррозия

Наименее опасно для различных предметов из металлов является сплошная коррозия. Особенно она не опасна для тех ситуаций, когда повреждения аппаратов и оборудования не нарушают технические нормы их дальнейшего использования. Последствия такого вида коррозии можно с легкостью предугадать и скорректировать с учетом этого оборудование.

Местная коррозия

Большую опасность представляет собой местный вид коррозии. В этом случае потери металла не являются большими, но при этом образуются сквозные поражения металлов, что приводит к выходу из строя изделия или оборудования. Такой вид коррозии встречается в изделиях, которые соприкасаются с морской водой или солями. Такое появление ржавчины способствует тому, что поверхность металлической основы разъедается частично и конструкция теряет свою надежность.

Большое количество проблем появляется в местах, где используется хлорид натрия. Данное вещество применяется для устранения снега и льда на дорогах в городских условиях. Данный вид соли заставляет их превращаться в жидкость, которая уже в разбавленном с солями виде попадает в городские трубопроводы. В этом случае не помешает защита металлов от коррозии. Все подземные коммуникации при попадании воды с солями начинают разрушаться. В Соединенных Штатах Америки подсчитано, что в год на проведение ремонтных работ в области дорожных коммуникации уходит примерно два миллиарда долларов. Однако от данного вида соли для обработки дорожного полотна коммунальщики пока не готовы отказаться из-за низкой его стоимости.

Способы защиты металлов от коррозии

С самых давних времен люди старались защитить металлы от появления коррозии. постоянные атмосферные осадки приводили в негодность металлические изделия. Именно поэтому люди смазывали их различными жирными маслами. Затем они стали использовать для этой цели покрытия из других металлов, которые не ржавеют.

Современные химики тщательно прорабатывают все возможные методы борьбы с коррозией металлов. Они создают специальные растворы. Разрабатываются способы уменьшения рисков образования на металлах коррозии. Примером может служить такой материал, как нержавеющая сталь. Для ее производства использовалось железо, дополненное кобальтом, никелем, хромом и другими элементами. При помощи добавленных к нему элементов удалось создать металл, на котором более длительное время не образуется налет ржавчины.

Для защиты различных металлов от коррозии разработаны различные вещества, которые активно применяются в современной промышленности. Лаки и краски активно сегодня используются. Они являются наиболее доступными средствами для защиты от ржавчины изделий из металлов. Они создают преграду для попадания на сам металл воды или воздуха. Это позволяет на время отсрочить появление коррозии. Следует при нанесении краски или лака учитывать толщину слоя и поверхность материала. Для достижения наилучшего результата покрытие металлов от коррозии должно производиться ровным и плотным слоем.

Химическая коррозия металлов

По сущности коррозия может быть двух видов:

• химическая,
• электрохимическая.

Химическая коррозия представляет собой образование ржавчины при определенных условиях. В промышленных условиях не редко приходится сталкиваться с данным типом коррозии. Ведь на многочисленных современных предприятиях металлы перед созданием из них изделий нагреваются, что приводит к образованию такого процесса, как ускоренная химическая коррозия металла. При этом образуется окалина, которая является продуктом его реакции на появление ржавчины во время нагревания.

Ученые доказали, что современное железо гораздо больше подвержено образованию ржавчины. В нем содержится большое количество серы. Она появляется в металле из-за того, что во время добывания железных руд используется каменный уголь. Сера из него попадает в железо. Современные люди удивляются то, что древние предметы их этого металла, которые находят на раскопках археологи, сохраняют свои внешние качества. Это связано с тем, что в древности для добычи железа использовался древесный уголь, который практически не содержит серы, которая могла бы попасть в металл.

Такие металлы подвергаются коррозии

Среди металлов встречаются различные виды. Чаще всего для созданий каких-либо предметов или объектов применяется железо. Именно из него изготовляется в двадцать раз больше изделий и объектов, чем из других металлов вместе взятых. Данный металл стали использовать активнее всего в промышленности в конце 18 начале 19 веков. Именно в этот период был построен первый чугунный мост. Появилось первое морское судно, для изготовления которого была использована сталь.

В природе самородки железа встречаются в редких случаях. Многие люди считают, что данный металл не является земным, его относят к космическим или метеоритным. Именно он является наиболее подверженным к образования коррозии.

Также есть и другие металлы, подверженные коррозии. Среди них выделяются медь, серебро, бронза.

Видео "Коррозия металлов, способы защиты от неё"

Статьи по теме

Современные технологии развиваются с молниеносной скоростью, благодаря чему на рынках появляется огромное количество разнообразной уникальной продукции, несущей декоративный эффект. Именно к такой продукции относится термохромная краска.

Ни для кого не секрет, что металлу не свойственна горючесть. Однако, не смотря на это, воздействие высоких температур приводит к изменению его твердости, в результате чего металл становится мягким, гибким и в результате способен деформироваться. Все это является причинами, по которым несущая способность металла утрачивается, что может стать причиной обрушения целого здания или его отдельной части во время пожара. Несомненно, это очень опасно для человеческой жизни. Для того, чтобы не допустить такого, при строительстве применяются разнообразные составы, способные сделать металлоконструкцию более устойчивой к высоким температурам.

Сегодня без разных видов трубопроводов невозможно представить себе жизнью Они находятся практически в каждом населенном пункте и обеспечивают коммуникации. Производств труб для прокладки под землей осуществляется из металлов самых разных типов.

Ингибитор не является каким-то конкретным веществом. Так называют целуют группу веществ, которые направлены на остановку или задержку протеканий каких-либо физических или физико-химических процессов.

Коррозия происходит под действием химически агрессивных сред - это вода, органические и неорганические кислоты. В результате на поверхностях деталей образуются оксиды металлов. Коррозия не только портит внешний вид поверхностей, но и снижает механические свойства металлов.

Причиной возникновения коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. Все металлы и сплавы, из которых изготовлен автомобиль, в условиях эксплуатации стремятся перейти в более устойчивое окисленное (ионное) состояние. Самопроизвольный переход металла в такое устойчивое состояние и составляет суть коррозии.

Многие проблемы, имеющие прямое отношение к коррозионной стойкости создаваемых изделий, могут быть решены на стадии их проектирования и изготовления. Например, если будет обеспеченно отсутствие в изделии узких зазоров, щелей или карманов, а там, где этого избежать нельзя, устроены дренажные отверстия, то тем самым будет ликвидирована щелевая коррозия. Следует исключить весьма опасную в коррозионном отношении возможность контакта различных металлов и сплавов, способных образовывать активные гальванические пары и стимулировать коррозию одного из них.

Потери от коррозии стали сравнимыми с вложениями в развитие крупных отраслей промышленности. В США например, в настоящее время эти потери значительно превышают 120 млрд долларов в год. Немалую часть составляют потери косвенные, связанные с вынужденным простоем оборудования, снижением мощности действующего оборудования, ухудшением условий труда. Известны случаи, когда коррозия средств транспорта являлась причиной серьезных аварий, сопровождающихся человеческими жертвами.

Для автомобильного транспорта характерно использование агрессивных средств, высоких температур и давлений, больших скоростей потоков, а также условий, когда изделия эксплуатируются при одновременном воздействии агрессивной среды и больших механических нагрузок, т.е. факторов, способствующих коррозии.

Вследствие коррозии теряется большое количество металла, на восполнение которого в автомобилестроении расходуется до 50% ежегодно производимого металла.

Коррозия многообразна в своем проявлении. Поверхность металла не всегда подвергается равномерному разрушению – так называемой общей коррозии. Чаще процесс сосредоточен на отдельных участках, разрушение носит локальный характер.

Использование металлов в напряженном состоянии, переход на высокопрочные стали и сплавы, характеризующиеся высокими внутренними напряжениями, привели к тому, что одним из опаснейших видов коррозии стало коррозионное растрескивание. Ему сильно подвержены нержавеющие стали, сплавы на основе меди, алюминия, магния. Склонность к коррозионному растрескиванию определяется и составом коррозионной среды. Присутствие отдельных компонентов служит необходимым условием для возникновения коррозионного растрескивания. Для нержавеющих сталей это хлориды и щелочи, и для сплавов на основе меди – аммиак.

Особенно уязвимыми для коррозии являются сварные швы. По характерному виду поражения коррозию этого типа называют ножевой.

Частный вид коррозионного растрескивания – коррозионная усталость, при которой появление трещин и ее развитие вызываются одновременным воздействием агрессивной среды и циклических механических нагрузок.

Сплавы на основе железа, высокопрочные сплавы проявляют склонность к межкристаллической коррозии, при которой разрушение идет по границам зерен и при этом теряется механическая прочность.

Весьма опасной коррозией является питтинговая с поражением отдельных очень небольших участков поверхности вплоть до сквозной перфорации изделий. При определенных условиях ей подвержены железо, никель, алюминий, магний, цирконий, медь, олово, цинк и особенно нержавеющие стали.

Для сплавов на основе железа распространенным и опасным видом локальной коррозии является щелевая коррозия под всевозможными прокладками, наростами, в щелях и узких зазорах. Весьма склонны к этому виду коррозии участки металла, контактирующие с неметаллическими материалами (древесина, пластик, стекло, бетон, асбест, ткани).

Для сплавов на основе меди опасно селективное вытравливание из них определенных компонентов (например – обесцинковывание латуни).

По механизму протекания коррозионные процессы делятся на химические, электрохимические и биохимические.

Химической коррозией называют такой тип коррозии, когда металл вступает в прямое химическое взаимодействие с компонентами окружающей среды. Химическая коррозия протекает в газовых средах при высоких температурах, когда образование пленки влаги на поверхности металла невозможно, а также в растворах, не проводящих тока.

Примером химической коррозии является газовая коррозия выпускного тракта автомобильного двигателя отработавшими газами. В топливной системе двигателя может происходить химическая коррозия металлов за счет их взаимодействия с такими примесями топлив, как сероводород, элементарная сера и меркаптаны. В результате окисления масла при работе двигателя могут образовываться продукты, вызывающие химическую коррозию металла вкладышей подшипников.

При высокотемпературной или газовой коррозии состав продуктов коррозии зависит от состава газовой среды, но чаще всего это оксиды металлов. В качестве агрессивных компонентов газовой среды выступают соединения серы, хлора, азота, а чаще всего кислород и его соединения.

Скорость коррозии обычной стали увеличивается в присутствии углекислого газа, паров воды, двуокиси серы и особенно их смесей. Продукты сжигания жидких топлив снижают защитные свойства пленок образующихся продуктов коррозии. Значительное влияние на скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей оказывает соотношение СО и СО 2 в выхлопных газах. С увеличением содержания СО скорость коррозии снижается и при 14-18% может прекратиться. Образующиеся продукты, как правило, создают на поверхности коррозирующего металла пленку, которая тормозит доставку агрессивных компонентов непосредственно к металлу, что снижает скорость коррозии. Защитные свойства образующихся пленок в первую очередь зависят от ее сплошности, толщины (более защитны - тонкие), сцепления с металлом, прочности, эластичности и т.п. С повышением температуры защитные свойства пленок в большинстве случаев ухудшаются. Увеличение давления и скорости движения газовой среды увеличивает скорость коррозии. Процесс коррозии может сопровождаться эрозионным изнашиванием.

Однако в общем процессе коррозионного разрушения автомобиля основное значение имеет электрохимическая коррозия, главным образом, в связи со значительно большей ее скоростью по сравнению с химической. Электрохимическая коррозия возможна только, когда на поверхности металла имеется электролит, т.е. водный раствор солей, кислот, щелочей, обладающих способностью проводить электрический ток. Электрохимическая коррозия протекает в обычных атмосферных условиях, в растворах и расплавах, проводящих ток.

Многочисленными исследованиями установлено, что на поверхности любого металла, находящегося в атмосфере, образуется тонкая пленка воды. Толщина такой пленки может быть различной в зависимости от температуры и влажности воздуха, а также других атмосферных условий. Газы, находящиеся в воздухе, растворяются в пленке воды и создают электролит на металлической поверхности. Так возникают условия для электрохимической коррозии. Таким образом, условия для этого вида коррозии на незащищенных металлических поверхностях существуют практически всегда.

В подавляющем большинстве случаев коррозия является электрохимической. В этом случае на поверхности металла образуются многочисленные микрогальванопары, работа которых и приводит к разрушению металла. На отдельных участках поверхности (примеси, добавки) локализуются катодные участки, на которых идет восстановление окислителей, находящихся в растворе. Чаще всего это растворенный кислород.

На остальной поверхности и особенно на выступах и искажениях кристаллической решетки локализуются анодные участки, на которых идет растворение металла. Таким образом, весь процесс электрохимической коррозии моделируется работой короткозамкнутого гальванического элемента.

Наряду с образованием многочисленных коррозионных микропар на поверхности одного металла, возможно образование макропар между сопряженными деталями из разных металлов. Металл с более отрицательным потенциалом в такой макропаре будет анодом, и скорость его коррозии при этом возрастает.

С увеличением температуры и электропроводности раствора скорость электрохимической коррозии возрастает. Внутренние напряжения и механические нагрузки, особенно знакопеременные, приводят к появлению коррозионной усталости, сопровождающейся снижением механической прочности и тем более, чем выше электропроводность раствора.

Есть еще биохимическая коррозия, которая происходит под действием микроорганизмов.

Суммарно процесс коррозии железа в большинстве случаев описывается следующим уравнением реакции:

и сводится к образованию гидрида закиси железа или гидратированной закиси железа .

На внешней поверхности образуется пленка, благодаря доступу кислорода происходит дальнейшее окисление

с образованием гидрата окиси железа или водной окиси железа .

Между образующимися гидратированными и часто образуется закись – окись железа . Пленки ржавчины обычно и состоят из этих трех слоев. При контакте железа с медью истинная глубина коррозионного разрушения железа повышается за счет локализации анодного процесса вблизи контакта.

Нержавеющие стали могут находиться в паре с медью, алюминием. Медь в большинстве водных растворов растворяется анодно с образованием двухвалентного иона

(3.6)

Медь в контакте инициирует коррозию железа, алюминия, являясь по отношению к ним катодом.

Алюминий при обычных условиях окисляется с образованием Al 2 O 3 , который резко тормозит дальнейшую коррозию алюминия.

Медь и железо значительно стимулируют растворение алюминия на ограниченных участках.

Сплошная коррозия менее опасна, чем местная, которая приводит к разрушению металлических частей кузова, утрате ими прочности.

По условиям, в которых происходит коррозия автомобилей, различаются следующие виды коррозии:

• газовая (в камерах сгорания на фасках тарелок выпускных клапанов, выпускной трубе, в глушителе и т.п.);
• в неэлектролитах (в топливной и масляной системах);
• атмосферная (в естественных условиях хранения, транспортировки и эксплуатации автомобиля);
• в электролитах (в местах задержки влаги в карманах кузова);
• структурная (в местах кузова автомобиля, подвергнутых газоплазменной или электрической сварке, в результате которых возникает неоднородность состава металлов);
• щелевая (в узких щелях и зазорах под действием разности рН-среды или различного содержания кислорода в электролите);
• под напряжением (на поверхности деталей, агрегатов и конструкций, находящихся под напряжением);
• при трении (в узлах трения при наличии коррозионной среды, сопровождается коррозионно-механическим износом);
• биологическая (протекает при участии продуктов, выделяемых микроорганизмами).

Коррозия кузова автомобиля при несвоевременной защите металла, рассматриваемая как совместный результат химической и электрохимической коррозии, проходит в следующей последовательности:

• подслойная коррозия развивается под лакокрасочным покрытием;
• шелушение и вспучивание в поврежденных коррозией местах;
• сквозная коррозия кузова, особенно на стыках;
• растрескивание сварных швов в местах соединений деталей пола, порогов, крыльев и попадание, как следствие, влаги, пыли и грязи в салон кузова;
• появление трещин в усилителях, лонжеронах и поперечинах с потерей жесткости кузова;
• деформация дверных проемов из-за потери жесткости стоек и порогов кузова;
• нарушение взаимного расположения агрегатов шасси автомобиля, приводящее к нарушению управляемости и равномерности торможения колес;
• повреждение металлических трубопроводов тормозного привода вследствие потери жесткости в основании кузова из-за коррозии мест крепления;
• механические повреждения пола кузова в местах крепления амортизаторов, рессор и других узлов автомобиля в результате коррозии мест их крепления, особенно при резком торможении и движении по пересеченной местности.

Действие коррозионных факторов, таких как влажность, концентрация солевых растворов и серных соединений, образующихся из отработавших газов, особенно сильно проявляется в местах, труднодоступных для осмотра и очистки, в небольших зазорах, а также в отбортовках и загибах кромок, где периодически попадающая в них влага может сохраняться длительное время.

С повышением температуры скорость коррозии возрастает (в особенности при наличии в атмосфере агрессивных примесей и содержания влаги).

Разрушительные процессы на кузове также часто интенсифицируются неблагоприятными условиями хранения автомобиля. Наблюдается усиление коррозионного износа в результате применения на дорогах песочно-солевых смесей для борьбы с гололедицей, а также из-за резких перепадов температуры в салоне и снаружи автомобиля.

Коррозионные разрушения на кузове встречаются к тому же в результате контакта стальных деталей с деталями, изготовленными из некоторых других материалов (дюралюминия, каучуков, содержащих сернистые соединения, пластмасс на основе фенольных смол и т.д.), а также в результате контакта металла с деталями, изготовленными из материала, содержащего заметное количество органических кислот (в частности муравьиную).

Теперь о причинах коррозии, обусловленных воздействием нефтепродуктов на детали автомобиля. Это связано, в первую очередь, с наличием в них воды и агрессивных химических соединений. Вода проникает в топливо, масла и смазки во время их производства, хранения и применения. Агрессивные химические соединения возникают, как правило, во время продолжительного хранения нефтепродуктов, в результате происходящих в них процессов старения, а также при эксплуатации двигателя.

Таким образом, среди причин, способствующих интенсивному развитию коррозии автомобилей, есть основные: неправильное конструктивное решение кузова, его деталей и узлов; технологические недостатки при изготовлении кузова; несоблюдение правил предпродажного хранения и транспортировки автомобиля; неправильный уход за кузовом во время эксплуатации.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЛИ ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Определение коррозии и причины её возникновения

Коррозия – это самопроизвольный процесс разрушения металлов и сплавов в условиях природной среды.

При коррозии металлы окисляются и образуются продукты, состав которых зависит от условий среды.

Согласно современным представлениям, все основные изменения в органическом и неорганическом мире связаны с окислительно-восстановительными процессами. Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе и коррозионных процессов.

Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов и сплавов в окружающей среде. Подавляющее большинство металлов в земной коре находится в виде оксидов, сульфидов и других соединений. При получении металлов в металлургии их переводят из такого стабильного состояния в элементарную форму, которая нестабильна. При контакте металла с внешней окислительной средой появляется движущая сила, стремящаяся превратить их в стабильные соединения, подобные тем, которые находятся в рудах. Примером этого является коррозия стали. В результате этого элементарное железо превращается в окисленное двух- и трёхвалентное, которое соответствует таким минералам, как магнетит (Fe 3 O 4) или лимонит (Fe 2 O 3 ˙H 2 O).

Термодинамическая неустойчивость металлов количественно оценивается знаком и величиной изобарно-изотермического потенциала ΔG (энергии Гиббса). Самопроизвольно протекают те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, то есть для которых ΔG<0. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, имеют по сравнению с водородом более отрицательный потенциал, их окисленное состояние термодинамически более устойчиво, чем восстановленное. Для металлов, расположенных после водорода, восстановленное состояние термодинамически более устойчиво, то есть для них ΔG>0. К этой группе металлов относятся коррозионно-стойкие золото, платина, серебро и др.

Классификация коррозионных процессов. Химическая и электрохимическая коррозия

Коррозионные процессы классифицируются:

1. По механизму реакций взаимодействия металла со средой;

2. По типу коррозионной среды;

3. По характеру коррозионных разрушений на поверхности и в объёме металла;

4. По характеру механических воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По первому признаку различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с окислителями в средах, не проводящих электрический ток. Механизм химической коррозии можно представить одностадийным процессом окисления металла, то есть взаимодействием поверхности металла с окислителем.

Химическая коррозия – это процесс самопроизвольного разрушения металла в среде окислительного газа (например, кислорода) при повышенной температуре. Скорость химической коррозии зависит от многих факторов, в первую очередь она определяется характером продуктов коррозии. При окислении на поверхности металла образуется твердая пленка оксидов. Скорость окисления определяется состоянием и защитными свойствами поверхностной плёнки. Это зависит от отношения объёмов оксидной плёнки V ок и прокорродированного металла V м, из которого она образовалась. Установлено, что для пористых плёнок, не предохраняющих металл от доступа агрессивных примесей воздуха . А для плёнок, обладающими защитными свойствами, .

Скорость химической коррозии возрастает с увеличением температуры из-за повышения коэффициента диффузии и изменения защитных свойств плёнки. Резкие изменения температуры часто вызывают быстрое разрушение защитной плёнки. Это связано с различными коэффициентами термического расширения металла и плёнки.

По условиям протекания коррозионного процесса различают газовую коррозию (протекающую в газах, парах при высокой температуре в отсутствие воды), и коррозию в жидкостях – неэлектролитах (нефть, фенол, бензин, бензол).

Электрохимическая коррозия

При электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем состоит из двух сопряженных реакций: анодного растворения металла и катодного восстановления окислителя. Эта коррозия может протекать в электролитах, атмосфере любого влажного газа, а также в почве.

Основным отличием электрохимической коррозии от химической является наличие влаги на поверхности металла, что приводит к контакту двух различных металлов через электролит. При этом возникают короткозамкнутые гальванопары, в результате чего появляется электрический ток. В этом случае процесс коррозии обусловлен работой гальванопары, то есть электрохимической реакцией. По этой причине электрохимическая коррозия более агрессивна по отношению к металлам, чем химическая.

Механизм электрохимической коррозии состоит в том, что происходит анодное окисление металла: M – ne = M n + и катодное восстановление окислителя (Ох) Ох+ne=Red.

Окислителями при коррозии служат молекулы кислорода, хлора, ионы Н + , Fe 3+ , NO 3 – и др. Наиболее часто при коррозии наблюдается ионизация (восстановление) кислорода в нейтральной (щелочной) среде О 2 +2Н 2 О+4е=4ОН – , в кислой среде – восстановление водорода 2Н + +2е=Н 2 .

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода или коррозией с кислородной деполяризацией. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода или коррозией с водородной деполяризацией.

Кроме первичных реакций, в растворе протекают вторичные реакции:

М х+ +хОН - =М(ОН) х

В результате взаимодействия металла с кислородом, как и при химической коррозии, образуется оксид металла: М(ОН) 2 =МО+Н 2 О.

Кроме анодных и катодных реакций при электрохимической коррозии происходит движение электронов в металле и ионов в электролите. Электролитами могут быть растворы солей, кислот и оснований, морская и атмосферная вода (содержащая кислород, углекислый, сернистый и др. газы). Основным отличием электрохимической коррозии от процессов в гальваническом элементе является отсутствие внешней цепи.

Равновесные потенциалы водородного и кислородного электродов в зависимости от рН среды находят на основании уравнения Нернста:

φ 2Н + /Н2 =-0,059рН;

φ О2/ОН =1,23-0,059рН.

Коррозия металлов в различных средах

Контактная коррозия

Контактная биметаллическая коррозия является разновидностью электрохимической коррозии, вызванной контактом металлов, имеющих разные электродные потенциалы в электролите. При этом коррозия металла с более отрицательным потенциалом обычно усиливается, а разрушение металла с положительным потенциалом замедляется или полностью прекращается. При конструировании учитывают возможность контактов различных металлов.

Атмосферная коррозия

На скорость атмосферной коррозии влияет влажность и газовый состав атмосферы. Влажность,температура и степень загрязнения атмосферы влияют на качество и состав образующихся на поверхности металла плёнок. Наиболее агрессивны среды, сильно загрязненные промышленными газами (СО 2 , SO 2 , NO 2 , NH 3 , HCl), частицами солей и угольной пылью. В промышленных районах атмосферную коррозию могут интенсифицировать так называемые «кислотные дожди», основными агрессивными компонентами которых являются серные и азотные кислоты. Кислотные дожди (рН<4) легко вызывают коррозию сплавов алюминия, железа и цинка.

В зависимости от влажности атмосферы различают несколько видов атмосферной коррозии: мокрую, влажную и сухую. Мокрая атмосферная коррозия при относительной влажности до 100% наблюдается при наличии адсорбционной капиллярной или химической плёнки влаги на поверхности металла. Её толщина составляет от 0,1 мм до 1 мм. Понижение температуры интенсифицирует процесс конденсации и приводит к появлению капель влаги на поверхности металла.

Влажная коррозия возникает при влажности в атмосфере ниже 100%. Толщина плёнки влаги от 100 А 0 до 0,1 мм. При влажности воздуха менее 60% наблюдается сухая атмосферная коррозия (коррозия под действием кислорода воздуха). Процесс разрушения металла подчиняется законам, характерным для газовой коррозии.

Подземная коррозия

Коррозионные разрушения металлических конструкций в почвах и грунтах вызываются подземной коррозией. Ей подвержены трубопроводы (водные, газовые, нефтяные), опоры электроконтактной сети и др. Скорость коррозии зависит от пористости и состава почвы, величины рН, наличия микроорганизмов. Подземная коррозия протекает по механизму электрохимической коррозии. Почвенная влага играет роль электролита и процесс коррозии протекает следующими образом:

Анодная реакция Fe-2e=Fe 2+

Катодная реакция О 2 +2Н 2 О+4е=4ОН –

Реакции в почве Fe 2+ +2OH - =Fe(OH) 2 , 4Fe(OH) 2 +2H 2 O+O 2 =4Fe(OH) 3 , 2Fe(OH) 3 +(n-3)H 2 O=Fe 2 O 3 nH 2 O.

Поверхность металла в местах ограниченного доступа кислорода выполняет роль катода.

Грунтовая коррозия металлических конструкций чаще всего происходит в условиях, характерных для нейтральных сред, с участием кислорода в качестве деполяризатора. В кислых почвах может происходить коррозия с водородной деполяризацией.

Исследование коррозионной активности грунтов позволили сделать вывод о том, что наиболее коррозионно-активными являются болотистые почвы, торфяники, ил. Песок и известняк практически не коррозионно-активны. Существенное влияние на скорость коррозии металлов оказывает рН почвы. В почвах с рН меньше 6,5 коррозионная активность по отношению к стали повышается. Наибольшей коррозионной активностью обладают почвы с рН<5,5. Нейтральные почвы с рН=6,5–7,5 и слабощелочные до рН=8,5 не коррозионно-активны.

На скорость коррозии влияет также величина удельного электрического сопротивления грунта. Коррозия металлических подземных конструкций зависит от содержания в почве и грунте различных солей. Так, с увеличением содержания хлоридов, сульфатов скорость коррозии возрастает. Повышение температуры также способствует повышению скорости грунтовой коррозии металлов.

Коррозия под действием блуждающих токов

Блуждающими токами называются электрические токи, протекающие в земле при использовании её в качестве токопроводящей среды. Попадая в металлические конструкции, расположенные в грунте, они вызывают коррозию. Источниками возникновения блуждающих токов в почве являются электрифицированные железные дороги постоянного тока, трамваи, линии электропередач.

Поскольку рельсы не достаточно изолированы от земли, а почва является проводником, то часть тока уходит в землю, встречая на своём пути подземные металлические сооружения. Так как контактный провод подсоединен к положительному полюсу тяговой подстанции, а рельс – к отрицательному, то в месте выхода тока из рельса образуется анодная зона, где коррозия разрушает подошву рельса и крепежные детали. При этом, чем меньше переходное сопротивление рельс-земля, тем большая часть тока возвращается к тяговой подстанции через землю и тем интенсивнее анодная зона на рельсе. Этот вид коррозии очень опасен, так как блуждающие токи нередко распространяются на несколько десятков километров и вызывают сильные повреждения металлических конструкций.

Виды коррозионных разрушений

По виду коррозионного разрушения коррозия делится на следующие виды.

1. Сплошная, или общая коррозия. Она может быть равномерной, если фронт коррозионного разрушения распределяется параллельно плоскости металла, и неравномерной, когда скорость коррозии на различных участках неодинакова.

2. Избирательная коррозия. Она характерна для сплавов и твердых растворов.

3. Локальная коррозия. Она связана с образованием и локализацией пораженных коррозией мест в виде «раковин» разной величины.

4. Питтинг - коррозия. Разрушение металла начинается в глубине, с образованием пор; часто приводит к образованию сквозных отверстий.

5. Межкристаллитная коррозия. Разрушение идет по границам металлических кристаллов.

6. Внутрикристаллическая коррозия. Наблюдается при коррозионном растрескивании под действием внешних механических нагрузок или внутренних напряжений.

Тема: Защита металлов от коррозии

Все методы защиты металлов от коррозии условно делятся на следующие группы: легирование металлов, защитные покрытия, электрохимическая защита, изменение свойств коррозионной среды, рациональное конструирование изделий.

Легирование металлов

Это эффективный метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию металла. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, вольфрам и другие металлы. Широкое применение нашло легирование для защиты от газовой коррозии. Введение некоторых добавок в стали (титана, меди, хрома и никеля) приводит к тому, что при коррозии образуется плотная плёнка продуктов реакции, предохраняющая сплав от дальнейшей коррозии. При этом обеспечивается жаростойкость и жаропрочность сплавов.

Жаростойкость обычно обеспечивается легированием металлов и сплавов (например, стали хромом, алюминием и кремнием). Эти элементы при высоких температурах окисляются энергичнее, чем железо, и образуют плотные защитные плёнки оксидов, например, SiO 2 , Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 . Хром и кремний также улучшают жаропрочность сталей. Легирование также используется с целью снижения скорости электрохимической коррозии, особенно коррозии с выделением водорода. К коррозионностойким сплавам относятся нержавеющие стали, в которых легирующими компонентами служат хром, никель и другие металлы.

Защитные покрытия

Слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий для предохранения их от коррозии, называются защитными покрытиями. Применяемые в технике покрытия подразделяются на металлические и неметаллические.

Металлические покрытия. Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, олово, хром, серебро), так и их сплавы (бронза, латунь и др.). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на анодные и катодные.

К катодным покрытиям относятся покрытия, потенциал которых в данной среде имеют большее значение, чем потенциал основного (покрываемого) металла. В качестве примеров катодных покрытий для стали можно привести медь, никель, кадмий, олово, серебро. При повреждении покрытия возникает коррозионный элемент, в котором основной материал (сталь) служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии лишь при отсутствии пор и повреждений покрытия.

Анодные покрытия имеют меньший потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия может служить цинк на стали. В этом случае основной металл будет катодом коррозионного элемента, поэтому он не корродирует.

Для получения металлических защитных покрытий применяются различные способы: электрохимический (гальванические покрытия), погружение в расплавленный металл, термодиффузионный и химический.

Неметаллические защитные покрытия. Они могут быть как неорганическими, так и органическими. Защитное действие этих покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды. В качестве неорганических покрытий применяют неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома, фосфора и др. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, полимерными плёнками, резиной.

Электрохимическая защита

Электрохимическую защиту используют для предотвращения разрушения подземных трубопроводов, кабелей, корпусов судов, резервуаров, подводных лодок и т.д.

Электрохимическая защита основана на замедлении катодных и анодных реакций микрогальванических элементов. Она осуществляется присоединением к конструкции источника постоянного тока или дополнительного электрода.

Электрохимическую защиту подразделяют на катодную и анодную.

Катодная защита – наиболее распространенный вид электрохимической защиты. Её используют для борьбы с коррозией таких металлов и сплавов, как сталь, медь, латунь, алюминий в условиях не очень агрессивных сред. Она эффективна для предотвращения коррозионного растрескивания, обесцинкования латуней, питтинга сталей в почвах и морской воде. Наибольшее применение катодная защита получила для борьбы с коррозией подземных сооружений – трубопроводов, газопроводов, кабельных установок.

Катодную поляризацию можно осуществить путём присоединения защищаемой конструкции к отрицательному полюсу (катоду) внешнего источника тока или к металлу, имеющему меньший электродный потенциал. Положительный полюс подсоединяется к вспомогательному электроду, аноду. В процессе защиты анод активно разрушается и подлежит периодическому обновлению. В качестве материла анода применяют лом чугуна, стали, графита и т.п.

Защитный эффект можно оценить по формулам:

, .

Здесь z – защитный эффект, к 1 – показатель скорости коррозии металла без катодной защиты, к 2 – при катодной защите, Δm 1 – уменьшение массы металла без катодной защиты, Δm 2 – при катодной защите, i k – катодная плотность тока.

Протекторная защита. К защищаемой конструкции присоединяют более электроотрицательный металл – протектор, который, растворяясь в окружающей среде, посылает электроны и катодно поляризует конструкцию. После полного растворения протектора или потери контакта его с защищаемой конструкцией протектор необходимо возобновлять. В качестве протектора чаще всего используют сплавы магния и цинка. Алюминий применяется реже, так как он быстро покрывается очень плотной оксидной плёнкой, которая пассивирует его и ограничивает токоотдачу. Протектор работает эффективно, если его переходное сопротивление (между ним и окружающей средой) невелико. В процессе работы протектор может покрываться слоем продуктов коррозии, которые изолируют его от окружающей среды и резко увеличивают переходное сопротивление. Для борьбы с этим протектор помещают в наполнитель (смесь солей), облегчающую растворение продуктов коррозии. Действие протектора ограничивается определенным расстоянием (радиусом действия). В настоящее время протекторную защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций в морской и речной воде, грунте и других нейтральных средах. Использование протекторной защиты в кислых средах ограничивается высокой скоростью саморастворения протектора.

Анодная защита. Скорость электрохимической коррозии металла может быть уменьшена и при его анодной поляризации, если она смещает потенциал защищаемого металла в пассивную область.

Метод анодной защиты имеет относительно ограниченное применение, так как пассивация эффективна в основном в окислительных средах при отсутствии активных ионов (например, ионов хлора для железа). Кроме того, анодная защита потенциально опасна: в случае прерывания подачи тока возможно активирование металла и его интенсивное анодное растворение. поэтому анодная защита требует тщательной системы контроля. Защитная плотность тока достаточно низкое и потребление электроэнергии невелико. Другое достоинство анодной защиты – высокая рассеивающая способность, то есть возможность защиты на более удаленном от катода расстоянии и в электрически экранированных участках.

Метод анодной защиты используют для металлов и сплавов, легко пассивирующихся при анодной поляризации; в химической промышленности – для снижения скорости коррозии низкоуглеродистой стали в серной кислоте и в растворах, содержащих аммиак и нитрат аммония.

Защита от коррозии блуждающими токами

Борьба с коррозией блуждающими токами заключается в их уменьшении. Это достигается:

1) Поддержанием в хорошем состоянии контактов между рельсами;

2) Увеличением сопротивления между рельсом и землей (использование шпал, применение щебёночного балласта);

3) Электродренажной защитой. Она обеспечивается путём отвода блуждающих токов от металлического сооружения в сторону их источника. Для этого подземное металлическое сооружение через дренажное устройство соединяется с отрицательной шиной или отсасывающей линией;

4) Применением токоотводов. С этой целью анодные зоны (например, на трубопроводе) с помощью медного проводника соединяют с чугунным ломом (анодом). В результате блуждающие токи вызывают коррозию только этого лома – анода.

Ингибиторы коррозии

Уменьшить коррозию металлической аппаратуры, например, в теплообменных трубках охлаждения дизелей на тепловозах, можно введением в агрессивную среду соединений, значительно снижающих коррозионный процесс. Такой способ снижения скорости коррозии называется ингибированием, а вводимые в среду вещества ингибиторами ил замедлителями коррозии.

Итак, ингибиторы – это такие вещества, введение небольших количеств которых в коррозионную среду, упаковочные средства и во временные защитные покрытия снижает скорость коррозии и уменьшает ее вредные последствия. Защитное действие ингибиторов связано с изменением в состоянии поверхности защищаемого металла и в кинетике реакций, лежащих в основе коррозионного процесса.

Скорость коррозии благодаря введению ингибитора может быть снижена в любое желаемое число раз, а степень защиты доведена почти до 100%. Эффективность ингибитора определяется как его природой, так и природой корродирующего металла, и зависит от температуры.

Ингибиторы коррозии можно классифицировать по различным признакам.

1. По составу их подразделяют на две группы: неорганические и органические. В последнее время широко применяют метало- и кремнийорганические ингибиторы.

2. По областям применения ингибиторы бывают: кислотной коррозии, щелочной коррозии и коррозии в нейтральных средах.

3. По условиям применения – существуют низкотемпературные и высокотемпературные ингибиторы.

4. По особенностям механизма действия ингибиторов бывают адсорбционные и ингибиторы пассивирующего действия.

Ингибиторы коррозии пассивирующего действия для нейтральных сред делятся на:

¨ Ингибиторы окислительного типа, которые проявляют своё действие и в отсутствие кислорода воздуха. Примеры: нитрит натрия NaNO 2 , нитрит аммония NH 4 NO 2 , хромат калия K 2 CrO 4 , дихромат калия K 2 Cr 2 O 7 , молибдат натрия Na 2 MoO 4 и др.

¨ Ингибиторы, не обладающие окислительными свойствами, которые для проявления своего действия нуждаются в кислороде воздуха. Примеры: гидроксид аммония NH 4 NO 3 , гидроксид натрия NaOH, карбонат натрия Na 2 CO 3 , силикат, ортофосфат и тетраборат натрия Na 2 SiO 3 , Na 3 PO 4 и Na 2 B 4 O 7 .

Ингибиторы пассивирующего действия в нейтральных средах окислительного типа при отсутствии хлоридов и сульфатов по отношению к низкоуглеродистым сталям обладают примерно в сто раз большей эффективностью, чем ингибиторы, не обладающие окислительными свойствами. Наименьшая защитная концентрация ингибиторов–окислителей составляет 10 –3 ¸ 10 –4 %, а ингибиторов, не обладающих окислительными свойствами – 0,1 ¸ 0,05%. Ингибиторы коррозии могут вводиться в жидкие среды любой кислотности и в твёрдые материалы: масла, топлива, различные органические жидкости, лакокрасочные, полимерные, фосфатные, оксидные и другие покрытия, а также в упаковочные материалы. Наиболее перспективным является внесение в упаковочные материалы летучих ингибиторов (бензоат аммония, бензоат триэтаноламина, уротропин в смеси с нитритом натрия, нитрит дициклогексиламмония), которые, испаряясь в атмосферу внутри упаковки и адсорбируясь на поверхности металла, переводят его в пассивное состояние.

Замедление скорости коррозии связано прежде всего с исключением из коррозионного процесса части поверхности из-за её экранирования ингибитором. При выборе ингибиторов следует исходить не только из того, как они уменьшают скорость перехода металла в окружающую среду, но и из того, как они влияют на металлические свойства. Поверхностно-активные органические вещества (ПАОВ) с преобладающей катионной функцией более предпочтительны, чем с анионной функцией. Применение подобранных ингибиторов может не только предотвратить растворение металла, но и улучшить его механические свойства.

Защитное действие пассивирующих ингибиторов основано на смещении потенциала металла в положительную сторону и переводе его в пассивное состояние. Такой эффект может быть достигнут различными путями, но во всех случаях причиной снижения скорости коррозии является образование поверхностного защитного слоя. Ингибиторы могут непосредственно участвовать в образовании этого слоя.

Ингибиторы кислотной коррозии применяют при травлении изделий из черных и цветных металлов для удаления с их поверхности окалины и ржавчины, кислотной промывке теплосилового оборудования, при производстве кислот.

Действие ингибиторов атмосферной коррозии так же, как и других типов ингибиторов, сводится прежде всего к изменению ими кинетики электрохимических реакций, лежащих в основе коррозии. Эффективность любых ингибиторов зависит от их концентрации в коррозионной среде, и при некоторых минимальных значениях падает до нуля. Объем окружающей нас воздушной атмосферы практически безграничен и содержание в ней защитной концентрации ингибитора представляется экономически бессмысленно. применение ингибиторов для защиты металлов от атмосферной коррозии возможно поэтому лишь в том случае, если удается ограничить пространство, в которое помещается защищаемый объект, и отделить его от остальной атмосферы. Для этого ингибиторы вводят в смазки, полимерные и другие покрытия; помещают металл в упаковочный материал с внесением ингибитора в свободное пространство между упаковочным материалом и металлическим изделием, или в сам упаковочный материал (например, бумагу).