Коррозия металла – причины появления и способы защиты

Из этого материала вы узнаете

:

• 3 признака коррозии металла
• Основные виды коррозии металлов в зависимости от типа агрессивной среды
• Виды коррозии металлов по характеру разрушений
• Защитные свойства оксидных пленок металлов
• 5 способов защиты от коррозии металлов

Существуют различные виды коррозии металлов. Классифицируются они как по типу воздействия агрессивной среды: атмосферная, подземная, током; так и по характеру разрушений: сплошная, избирательная, локальная. Каждый металл и сплав по-разному сопротивляется процессу коррозирования.

Если говорить о естественной защите, то это оксидная пленка. Также применяются различные технологии по профилактике и недопущению коррозии. Самый простой и широко распространенный – окрашивание. О том, какие бывают виды коррозии металлов и способы защиты, вы узнаете из нашего материала.

Основные виды коррозии металлов в зависимости от типа агрессивной среды

Среда, вызывающая скорый износ материалов и конструкций, называется агрессивной. В зависимости от ее типа рассмотрим, какие бывают виды коррозии металлов.

• Разрушение металла под воздействием воздуха или газа при условии высокой влажности называется атмосферной коррозией.
• Если влаги нет, но реакция происходит при участии газов, этот вид коррозии называется газовый. Важно понимать, что отсутствие влаги не единственная характеристика этого типа. Она может происходить и под воздействием повышенной температуры. Такой вид разрушения обычно наблюдается на заводах химической промышленности или при обработке продуктов нефтехимии.
• Под влиянием радиоактивных лучей рассматривают радиационные виды коррозии металлов с примерами. Металл может очень быстро разрушиться под действием интенсивной радиации.
• Конструкции и металлы, находящиеся глубоко в земле, чаще всего подвержены следующему виду коррозии – подземному.
• Еще один вид разрушения – контактная коррозия – наступает при взаимодействии разных металлов, различных по характеристикам стандартного потенциала.
• Биологическая коррозия – вид повреждений, вызванный реакцией на продукты жизнедеятельности бактерий, микроорганизмов, и других крупных живых организмов.
• Виды химической коррозии металлов и сплавов, находящиеся под влиянием тока от внешних источников или токов, возникающих в токопроводящей среде почвы, называются электрокоррозией. Ее также разделяют на два подвида: коррозию внешнего тока и коррозию блуждающего тока.
• Комбинированный тип влияния на металлы называется кавитационным изнашиванием. Здесь параллельно на объект воздействует коррозия внешней среды и ударная.
• Следующая смешанная характеристика воздействия на металлы и конструкции с помощью стандартного коррозионного влияния и переменных механических напряжений получила название – коррозия под напряжением, или коррозийное растрескивание. Она наступает в агрессивной окружающей среде под высокой нагрузкой или из-за чувствительности сплавов.
• Классификация видов коррозии металлов одновременно по коррозийному и вибрационному воздействию называется фреттинг-коррозия. Подвижность конструкций вызывает трение и вибрацию, поэтому, чтобы снизить негативные проявления, нужно особо тщательно выбирать материал изделий либо использовать специальные покрытия.

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ, ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Существуют многочисленные способы защитить металл от разрушений или ржавчины. Выбор того или иного способа определяется конкретными условиями работы и хранения металлических изделий. Наиболее широко применяются: легирование сталей, нанесение металлических покрытий, электрохимическая защита.

Легирование эффективнее всего в условиях воздействия механических напряжений и коррозийной среды. Легирование позволяет предотвратить и коррозийное растрескивание изделий.

Так, например, к группе сталей с особыми химическими свойствами относят коррозионно-стойкие стали. Их получают путем введения в углеродистые и низколегированные стали значительных добавок хрома или хрома и никеля. При содержании хрома 13, 17 и 25% хромистые стали являются не только коррозионно-, но и жаростойкими. Хромоникелевые стали обладают большей коррозионной стойкостью, чем хромистые, и находят широкое применение в химической промышленности.

Металлические покрытия наносят на поверхность изделия тонким слоем металла, обладающего достаточной стойкостью в данной среде. Такое покрытие придает также поверхностным слоям металлоизделий требуемую твердость, износостойкость. Различают два типа покрытий – анодное и катодное. Для железоуглеродистых сплавов таким анодным покрытием может служить покрытие из цинка и кадмия. В воде и во влажном воздухе цинк покрывается слоем основной углекислой соли белого цвета, защищающим его от дальнейшего разрушения. Широкое применение получили цинковые покрытия для защиты арматуры, труб и резервуаров от действия воды и горячих жидкостей.

Металлические покрытия наносят различными способами. Наиболее часто применяется горячий метод, гальванизация и металлизация.

При горячем методе изделие погружают в расплавленный металл, который смачивает его поверхность и покрывает тонким слоем. Затем изделие вынимают из ванны и охлаждают. Таким методом изделие покрывают слоем олова или цинка. Лужение применяют при изготовлении белой жести, при устройстве покрытий на внутренних поверхностях пищевых котлов и других изделий. Цинкованием предохраняют от коррозии, например, кровельное железо, водопроводные трубы.

При гальваническом способе металлические изделия помещают в гальваническую ванну. Под действием электрического тока на поверхности изделия происходит катодное осаждение пленки защитного металла. Толщину покрытия можно регулировать в широких пределах. Покрытия получают также распылением расплавленного металла с помощью специальных металлизационных пистолетов и напылением на его поверхность защищаемого металла. Этот вид защиты используют для крупногабаритных конструкций: ж/д мостов и т. д. В качестве защитного металла используют алюминий, цинк, хром, коррозионно-стойкие стали.

Неметаллические покрытия выполняются из лаков, красок, эмалей и др. веществ и изолируют изделие от воздействия внешней среды. Они легко наносятся на изделие, хорошо закрывают поры, не изменяют свойств металла и являются относительно дешевыми. При хранении и перевозке металлические изделия покрывают специальными смазочными материалами, минеральными маслами и жирами. Для защиты изделий, работающих в высокоагрессивных средах, применяют пластмассовые покрытия из винипласта, поливинилхлорида.

Химические покрытия – защитные оксидные и иные пленки – создаются при воздействии на металл сильных химических реагентов. Широко применяются также оксидирование и фосфатирование металлоизделий.

Оксидирование – создание на поверхности изделия оксидной пленки, обладающей большой коррозийной стойкостью. Наиболее широко применяется для защиты от коррозии изделий из алюминия и его сплавов.

Фосфатирование стальных изделий заключается в создании поверхностного слоя из фосфатов марганца и железа. Фосфатные покрытия используются в дальнейшем в качестве подслоя, часто в сочетании со смазочными материалами, для уменьшения трения при обработке металлов давлением, волочением, для хорошей приработки трущихся деталей машин.

В отдельных случаях прибегают к защите металлов от коррозии при помощи протекторов. Сущность протекторной защиты заключается в том, что к поверхности защищаемого изделия прикрепляют протекторы – куски металла. Образуется гальваническая пара, в которой анод – протектор, катод – изделие. В результате протектор разрушается, защищая изделие. Таким образом защищают, например, подводные металлические части кораблей, прикрепляя к ним пластины цинка.

Виды коррозии металлов по характеру разрушений

Несколько типов коррозии выделяют по характеру коррозионных поражений. Перечислим их:

• Сплошная – распределяется по всей плоскости металла. Она бывает равномерная, если скорость воздействия на всю поверхность одинакова. Если же скорость разрушения разная, такой вид будут называть неравномерной коррозией.
• Бывает так, что портится только одна конкретная составляющая сплава или определенный его компонент. Тогда говорим об избирательной коррозии.
• Небольшие точки, раковины, пятнышки, разной толщины углубления – все эти характеристики подтверждают, что в дело вступил следующий тип коррозии – местный.

• Частичная коррозия, которая начинается сначала на поверхности, а затем в некоторых местах проникает вглубь, называется подповерхностной. Эти виды химической коррозии металлов и сплавов приводят к расслоению.
• Один из самых опасных видов коррозии происходит по границам зерен. По сути, транскристаллитную или межкристаллитную коррозию трудно определить на глаз. Страдают от него больше всего сталь (хромистая и хромоникелевая), алюминиевые и никелевые сплавы. Продукция под воздействием коррозии становится очень хрупкая, значительно изменяются индикаторы прочности и пластичности.
• Щелевые коррозии – это виды коррозии металлов локального типа, которые появляются в промежутках между деталями, зазорах, в крепежных соединениях.

НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ БОРЬБЫ С КОРРОЗИЕЙ

Потери от коррозии можно разделить на прямые и косвенные. Прямые потери – это стоимость заменяемых изделий, затраты на защитные мероприятия и безвозвратные потери металла вследствие коррозии. По подсчетам специалистов, таковые в мировом масштабе составляют в настоящее время около 10…15% от объема производства стали. Косвенные – потери продукта в результате утечек, снижение производительности агрегата, загрязнение продуктами коррозии целевого продукта и т.п.

Значительная часть мощности предприятий черной металлургии затрачивается на восполнение потерь металла вследствие коррозии. Однако это далеко не полностью отражает действительный ущерб, связанный с выходом из строя изделий из металла. Значительные потери обусловлены авариями оборудования, его простоями, потерями и отходами в металлообработке, нарушениями качества продукции и в конечном счете повышением ее себестоимости и снижением производительности труда. Поэтому экономия металла, повышение качества исходного сырья и металлоизделий, уменьшение коррозионных потерь – непременное условие повышения эффективности производства и качества продукции, которое должно обеспечиваться в государственном масштабе.

Электрохимическая коррозия.

Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным типом коррозии металлов. По электрохимическому механизму коррозируют металлы в контакте с растворами электролитов (морская вода, растворы кислот, щелочей, солей) . В обычных атмосферных условиях и в земле металлы коррозируют также по электрохимическому механизму , т.к. на их поверхности имеются капли влаги с растворенными компонентами воздуха и земли. Электрохимическая коррозия является гетерогенным и многостадийным процессом. Ее причиной является термодинамическая неустойчивость металлов в данной коррозионной среде.

1. Термодинамика электрохимической коррозии металлов.

   Стремлением металлов переходить из металлического состояния в ионное для различных металлов различно. Вероятность такого перехода зависит также от природы коррозионной среды. Такую вероятность можно выразить уменьшением свободной энергии при протекании реакции перехода в заданной среде при определенных условиях.

   Следовательно, для электрохимического растворения металла необходимо присутствие в растворе окислителя (деполяризатора, который бы осуществлял катодную реакцию ассимиляции электронов), обратимый окислительно-восстановительный потенциал которого положительнее обратимого потенциала металла в данных условиях.

   Катодные процессы при электрохимической коррозии могут осуществляться различными веществами.

2. ионами

молекулами

3. оксидами и гидрооксидами (как правило малорастворимыми продуктами коррозии, образованными на поверхности металлов)
4. органическими соединениями

В коррозионной практике в качестве окислителей-деполяризаторов, осуществляющих коррозию, выступают ионы водорода и молекулы растворенного в электролите кислорода.

При увеличении активности ионов металла (повышение концентрации ионов металла в растворе), потенциал анода возрастает, что приводит к торможению растворения металла. Понижение активности металла, напротив, способствует растворению металла. В ходе коррозионного процесса изменяются не только свойства металлической поверхности, но и контактирующего раствора (изменение концентрации отдельных его компонентов). При уменьшении, например, концентрации деполяризатора, у катодной зоны может оказаться, что катодная реакция деполяризации термодинамически невозможна.

Металлические покрытия

Эти методы предотвращения коррозии заключаются в погружении стали в расплав металла, электрический потенциал которого меньше, чем железа (чем больше разница, тем эффективнее покрытие).

Практическое применение находят гальванические покрытия цинком или оловом, а также диффузионные покрытия никелем, хромом, кремнием или алюминием. По сравнению с другими методами защиты от коррозии гальванизация известна более низкими начальными затратами, устойчивостью и универсальностью.

Поскольку расход металла-протектора довольно велик, преимущество получают технологии, отличающиеся экономичностью используемых компонентов и прочностью создаваемых покрытий. Первым в этом списке находится цинкование. Железо в стали вступает в реакцию с цинком, образуя прочное покрытие из сплава, которое служит защитой.

Типы ржавчины

В большей степени коррозии подвержено железо. С точки зрения химии ржавчина — это окислительный процесс (как и горение). Элементы возникающие при окислении в кислородной среде называются Оксиды. Можно выделить 4 основных типа.

1. Желтая ржавчина — химическая формула FeO(OH)H2O (оксид железа двухвалетный). Возникает во влажной, недонасыщенной кислородом среде. Часто встречается под водой. В природе существует в виде минерала вюстита, при этом являясь монооксидом (те содержит 1 атом кислорода).

2. Коричневая ржавчина — Fe2O3 (двойной оксид железа): растет без воды и встречается редко.

3. Черная ржавчина — Fe3O4 (оксид железа четырех валентый). Образуется при малом содержании кислорода и без воды поэтому стабильна и распространяется очень медленно. Этот оксид является ферромагнетиком (при определенных условиях обладает намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля), поэтому потенциально применим для создания сверх-проводников.

4. Красная ржавчина — химическая формула Fe2O3•H2O (оксид железа трехвалентный). Возникает под воздействием кислорода и воды, самый частый тип, процесс протекает равномерно и затрагивает всю поверхность. В отличии от всех вышеперечисленных не столь опасных для железа видов окисления этот в своей толще образует гидроксид железа, который, начиная отслаиваться, открывает для разрушения все новые слои металла. Реакция может продолжатся до полного разрушения конструкции. Применяется при выплавке чугуна и как краситель в пищевой промышленности. Встречается в природе в естественном виде под названием гематид.

Несколько видов ржавления могут протекать одновременно, не особо мешая друг другу.

Химическая и электрохимическая коррозия

Железо ржавеет, если в нем есть добавки и примеси (например, углерод) и при этом контактирует с водой и кислородом. Если же в воде растворена соль (хлорида натрия и калия), реакция становится электрохимической и процесс ржавления ускоряется. Массовое применение этих солей как в бытовой химии так и для борьбы с льдом и снегом делают электрохимическую коррозию очень распространенным и опасным явлением: потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов. При одновременном воздействии воды и кислорода образуется гидроксид железа, который, в отличие от оксида, отслаивается от металла и никак его не защищает. Реакция продолжается либо до полного разрушения железа, либо пока в системе не закончится вода или кислород.

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.

Во второй части статьи мы расскажем, как вы можете защитить свои металлоконструкции от этой напасти или победить ее, если она уже атакует.

Защитные краски для металла

Нанесение на металлическую поверхность специальных защитных красок — одно из самых эффективных средств против коррозии. При высыхании они образуют твердую пленку с пигментами. Толщина этой пленки может варьироваться в зависимости от назначения металлического изделия. Толщина и характер взаимодействия краски с поверхностью определяют защитные свойства покрытия.

Антикоррозионные средства по металлу можно разделить на три группы:

• грунтовки;
• краски;
• средства для нанесения прямо поверх ржавчины.

Выбирая защитную краску, важно учитывать свойства металлической поверхности, на которую она будет наноситься. Например, для черных металлов, таких как сталь, лучше выбрать грунтовку, содержащую цинк. Дело в том, что оцинкованная поверхность в течение долгого времени способна противостоять разрушениям. Как правило, инструкция содержит информацию о том, для какого типа поверхности предназначается данный продукт.

Краска по ржавчине становится удачным решением в ситуации, когда поверхность невозможно качественно очистить от ржавчины. Она проста и удобна в использовании, ложится ровным плотным слоем. Покрытие, которое создает такая краска, отличается прочностью и устойчивостью к коррозии. Несмотря на то что на металлической поверхности уже имеются коррозионные очаги, краска по ржавчине не позволит им увеличиваться и распространяться.

Большинство средств подходят для того, чтобы наносить их вручную в бытовых условиях. Некоторые краски лучше ложатся, если их распылять. В составе красок учитывают то, что они будут использоваться в том числе для защиты конструкций, находящихся на улице. Средства можно наносить в уличных условиях. Как правило, антикоррозионные краски для лучшего эффекта наносят достаточно толстым слоем.

Окрашенная поверхность выглядит эстетично. При этом она надежно защищена от коррозии. Образовавшаяся в результате окрашивания пленка предотвращает отрицательное влияние света, влаги, примесей в атмосфере. Защита поверхности от окисления обеспечивается на срок до 8 лет.