8.1. Общие сведения о металлические элементы и металлы

8.1.4. Коррозия металлов

Коррозия (от лат. corrosio - разъедание) - это самопроизвольный процесс разрушения металлов при взаимодействии с окружающей средой. Различают несколько видов коррозии, из которых важнейшими являются химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия

Этот вид коррозии, вызванный взаимодействием металлов с коррозионно-активной средой - сухими газами и жидкостями, которые не проводят электрического тока (бензин, керосин). Например, разрушение металла осуществляется под воздействием кислорода, сероводорода и других агрессивных газов, когда нет влаги. Этой коррозии подвергаются металлы во время их термической обработки, она происходит в газовых турбинах, автомобильных двигателях, соплах ракетных двигателей и т.д.:

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки, которые защищают эти металлы от дальнейшей коррозии¹:

Такие плотные защитные пленки образует алюминий, хром, цинк, никель. У железа оксидная пленка хрупкая, легко отделяется от металла, поэтому не защищает его от коррозии. Процесс ржавления железа можно выразить уравнением:

Скорость химической коррозии зависит от температуры, црироди окружающей среды, активности металла, его чистоты (сверхчистое железо коррозии практически не подвергается²). С повышением температуры» обычно, интенсивность коррозии возрастает. Это предопределяется скоростью диффузии, в частности кислорода и металла сквозь оксидную пленку на поверхности металла и образованием трещин, сквозь которые кислород проникает глубже в металл и окисляет его.

При наличии некоторых веществ, которые разрушают защитную оксидную пленку, коррозия происходит особенно энергично. Вещества, которые ускоряют коррозию металлов и сплавов, называют активаторами коррозии. Энергичные активаторов принадлежат растворенный в воде кислород, хлорид-ионы Сl^-. Именно ионы Сl^-, которых много в морской воде, способствуют активной коррозии подводных частей кораблей.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия происходит при контакте металлических изделий с двух разных металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами) в коррозионной среде и сопровождается возникновением электрического тока. При контакте двух металлов, например цинка и меди, образуется гальванический элемент: происходит процесс окисления цинка как более активного металла и переход катионов Zn²⁺ в слой электролита. Свободные электроны присоединяют ионы Водорода Н⁺:

Кроме окисление более активного металла, наблюдается перенос электронов от более активного металла к менее активному - возникает ток. Такие электрохимические процессы происходят всегда при контакте двух различных металлов в растворе электролита. При этом более активный металл всегда разрушается.

Коррозионной средой может быть раствор электролита, грунтовая вода, вода естественных водоемов (особенно морская), обычная дождевая вода или конденсат (сконденсированная влага воздуха), в которых всегда растворено какое-то количество углекислого газа.

Защита металлов от коррозии

Выделяют три основные направления защиты от коррозии: конструкционный, активный и пассивный.

1. Конструкционный направление предусматривает использование конструкционных материалов, которые изготовлены из коррозионностойких материалов - нержавеющих³, легированных⁴ сталей, цветных металлов и их сплавов, других материалов (керамики, пластмассы), устойчивых к негативному воздействию окружающей среды, а также применения клеев, герметиков, прокладок и т.д.

2. Активная защита предполагает использование двух основных методов электрохимической защиты: протекторной и катодной:

а) протекторный: в подземных трубопроводов, корпусов судов и различных металлических конструкций, которые постоянно находятся в коррозионной среде, подсоединяют «жертвенный анод» из более активного металла (магния, цинка), что разрушается в первую очередь;

б) катодный: металлоконструкцию подсоединяют к катоду внешнего источника тока, что повышает электродный потенциал металла и предотвращает коррозию.

Также для уменьшения коррозии коррозионное среду подвергают специальной обработке:

• введение ингибиторов, которые замедляют процесс коррозии (сегодня известно более 5 тысяч таких ингибиторов);

• удаление растворенного в воде воздуха (деаэрация), например воды, которая поступает в котельных установок.

3. Самым распространенным способом защиты металла от коррозии является пассивный - покрытие защитным слоем⁵. Различают неметаллические, металлические и химические покрытия:

а) неметаллические покрытия: специальные лаки, краски, эмали, каучуки (гуммирование);

б) металлические покрытия - осаждения одного металла для защиты определенной детали, изготовленной из другого металла или сплава, проводят:

• хромирование, никелирование электролитическим методом (гальванизация);

• методами холодного, горячего и термодиффузионного цинкования⁶;

• методом газотермического напыления;

• методом лужения⁷;

в) к химическим относят искусственные покрытия - поверхностные пленки (оксидные, фосфатные, нитриды и др.), их наносят на поверхность металла, и процесс коррозии тормозится.

Следует отметить, что защиты от коррозии подвергают конструкции, изготовленные не только из железа, но и из других Металлов, например из алюминия оксидную пленку которого усиливают анодным окисненням (анодированием).

Несмотря на успехи в борьбе с коррозией, проблема постоянно обостряется из-за увеличения металлического фонда, усложнение условий эксплуатации металлоконструкций, а именно: использование высоко агрессивных сред (химическая промышленность, ядерная и геотермальная области энергетики, разработка шельфа и т.п.), повышение рабочих температур, давлений и скоростей потоков, загрязнение атмосферы SО₂ и другими газами, применение металлических конструкций под напряжением (коррозия под напряжением). Суммарный ущерб от коррозии и затраты на защиту от нее в промышленно развитых странах достигают 4 % национального дохода и более.

_______________________________________________________________

¹ Пассивация металлов - переход поверхности металла в неактивное (пассивное) состояние, связанное с образованием тонких поверхностных слоев соединений, предотвращают дальнейшее протекание реакции (коррозии).

² Иногда могут коррозировать и сверхчистые металлы. Обычно это обусловлено дефектами в кристаллах металла, царапинами на его поверхности, поэтому качественная механическая обработка металла тормозит преждевременную коррозию.

³ Содержание хрома в нержавеющей стали - не менее 12 %.

⁴ Пасиваційна пленка таких сталей является не рыхлой, а плотной.

⁵ На 80 % защиту от коррозии обеспечивают правильной подготовкой поверхности металлического изделия (очистка от окалины, ржавчины, остатков старой краски и т.п.) и лишь на 20 % -^; собственно покрытием (материал, качество, стиль).

⁶ На это тратят до 40 % добытого в мире цинка.

⁷ Горячее лужение (покрытие оловом) - древнейший способ защиты металлов от коррозии. Его использовали еще в V в. до н. э. Луженые листы стали 0,08-0,32 мм толщиной называют белой бляхою. их в основном применяют для изготовления консервных банок.