Что вызывает коррозию металла

Что вызывает коррозию металла

Сегодня наша статья посвящена самому страшному врагу железа. Коррозия металла или ржавчина, как ее еще нередко называют, способна в кратчайшие сроки практически полностью уничтожить такой крепкий и основательный, казалось бы, материал. Более того, этот процесс происходит ежедневно и ежеминутно по всему миру.

Согласно статистике, 10% произведенного в мире железа превращается в оранжевую труху в течение года. В России этот показатель достигает 16-17%. Материальный ущерб, который наносится процессом коррозии, составляет около 4% годового государственного дохода в развитых странах. У нас, как вы понимаете, ситуация еще хуже.

Так почему же возникает коррозия металла?

Причины возникновения и типы коррозии металла

Коррозия металла, чаще всего, бывает:

— электрохимическая (нахождение в избыточно влажной среде);

— химическая (взаимодействие с агрессивными химическими элементами и сплавами);

— биокоррозия (под воздействием бактерий (например, морских микроорганизмов на днище корабля)).

По степени поражения также выделяют:

— местную коррозию (поражены лишь отдельные участки поверхности);

— равномерную коррозию (охвачена вся поверхность);

— межкристаллитную коррозию (разрушение металла по границам зерен).

Наиболее распространенной причиной возникновения электрохимической коррозии являются неправильные (излишне влажные) условия хранения или эксплуатации металлических конструкций. Автомобили, а также наземные и подземные коммуникации часто страдают из-за активного применения бытовой и технической соли для борьбы с ледяным покровом на дорогах (потери США из-за этого составляют около 2,5 млрд долларов в год).

Химическая коррозия, в свою очередь, возникает под воздействием среды, не способной проводить эклектический ток. Это могут быть сухие газы, а также различные нефтепродукты, спирты и многое другое. При этом с возрастанием температуры воздействия интенсивность коррозийных процессов также увеличивается.

Как защитить металл от коррозии?

Как показывает практика, полностью защититься от коррозийных процессов невозможно. Однако существует ряд приемов, которые позволят максимально их замедлить.

Перечислим наиболее действенные:

1. Защита слоем неметаллического покрытия.

Для этого прекрасно подходит краска, лак и некоторые другие полимеры, блокирующие доступ влаги.

2. Защита слоем другого металла.

Обычно применяют цинк, алюминий, кадмий, серебро, медь, никель, хром или свинец.

3. Добавление в сплавы легирующих элементов

Сталь в высокими антикоррозийными показателями получают при помощи добавления в сплав марганца, меди, никеля, хрома или титана.

Корро́зия — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Разрушение по физическим причинам не является коррозией, а характеризуется понятиями «эрозия», «истирание», «износ». Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

Пример — кислородная коррозия железа в воде:

4 F e + 6 H 2 O + 3 O 2 → 4 F e ( O H ) 3 <displaystyle <
m <4Fe+6H_<2>O+3O_<2>
ightarrow 4Fe(OH)_<3>>>>

Гидроксид железа Fe(OH)3 и является тем, что называют ржавчиной.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление» — коррозия железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состоящих из гидратированных остатков железа.

На неметаллические материалы определение коррозии не распространяется. Применительно к полимерам существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия.

Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.

Содержание

Классификация видов коррозии [ править | править код ]

Коррозионные процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии [1] .

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

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

По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды:

По характеру разрушения:

  • сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность:
  • равномерная;
  • неравномерная;
  • избирательная;
  • локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки:
    • пятнами;
    • язвенная;
    • точечная;
    • сквозная;
    • межкристаллитная (расслаивающая в деформированных заготовках и ножевая в сварных соединениях).
    • Главная классификация производится по механизму протекания процесса. Различают два вида:

      • химическую коррозию;
      • электрохимическую коррозию.

      Коррозия неметаллических материалов [ править | править код ]

      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 [ править | править код ]

      Коррозия металлов — разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой [2] . Для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса — «коррозионное разрушение».

      Читайте также:  Машинно аппаратурная схема производства сыра

      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 [ править | править код ]

      Различают 4 основных вида коррозии: электрохимическая коррозия, водородная, кислородная коррозия и химическая.

      Электрохимическая коррозия [ править | править код ]

      Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. При электрохимической 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.

      При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO2, 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 редокс-потенциалом 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.

      Примером крупномасштабной электрохимической коррозии может служить происшествие, случившееся в декабре 1967 года с норвежским рудовозом «Анатина» [3] (англ. Anatina ), следовавшим из Кипра в Осаку. Налетевший в Тихом океане тайфун привёл к попаданию в трюмы солёной воды и образованию большой гальванической пары: медного концентрата со стальным корпусом судна, который вскоре размягчился, и судно подало сигнал бедствия. Экипаж был спасён подоспевшим немецким судном, а сама «Анатина» еле-еле добралась до порта [4] [5] .

      Водородная и кислородная коррозия

      Если происходит восстановление ионов H3O + или молекул воды H2O, говорят о водородной коррозии или коррозии с водородной деполяризацией. Восстановление ионов происходит по следующей схеме:

      2 H 3 O + + 2 e ¯ → 2 H 2 O + H 2 <displaystyle <
      m <2H_<3>O^<+>+2<ar >
      ightarrow 2H_<2>O+H_<2>>>>

      2 H 2 O + 2 e ¯ → 2 O H − + H 2 <displaystyle <
      m <2H_<2>O+2<ar >
      ightarrow 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 + 2 H 2 O + 4 e ¯ → 4 O H − <displaystyle <
      m <2>+2H_<2>O+4<ar >
      ightarrow 4OH^<->>>>

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

      Химическая коррозия [ править | править код ]

      Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисления 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:

      4 F e + 3 O 2 → 2 F e 2 O 3 <displaystyle <
      m <4Fe+3O_<2>
      ightarrow 2Fe_<2>O_<3>>>>

      Виды коррозии [ править | править код ]

      • Послойная коррозия
      • Нитевидная коррозия
      • Структурная коррозия
      • Межкристаллитная коррозия
      • Избирательная 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 [ править | править код ]

      Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и решение 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 [6] . Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности перед дальнейшей защитой субстрата является .

      Читайте также:  Oled дисплей что это такое

      Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

      Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали, кортеновские стали, цветные металлы.

      При добавлении небольшого количества хрома в сталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющей стали — более 12 процентов.

      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.

      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).

      Газотермическое напыление [ править | править код ]

      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, например цинк, 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 агрегатов нефтедобывающих компаний [7] .

      Термодиффузионное цинковое покрытие [ править | править код ]

      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 интерметаллидных фазах, поэтому не происходит отслаивания и скалывания покрытий при ударах, механических нагрузках и деформациях обработанных изделий [8] .

      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.

      Кадмирование [ править | править код ]

      Покрытие стальных деталей кадмием производится методами, аналогичными цинкованию, но даёт более сильную защиту, особенно в морской воде. Применяется значительно реже из-за значительной токсичности кадмия и его дороговизны. Также покрывают тонким слоем оксида меди, что предотвращает дальнейшее размножение коррозии.

      Химические и физико-химические реакции, возникающие в момент взаимодействия окружающей среды с металлами и сплавами, в большинстве случаев приводят к их самопроизвольному разрушению. Процесс саморазрушения имеет собственный термин – «коррозия». Результатом коррозии является существенное ухудшение свойств металла, вследствие чего изделия из него быстро выходят из строя. Каждый металл обладает свойствами, позволяющими ему сопротивляться разрушению. Коррозийная стойкость или, как ее еще называют, химическое сопротивление материала, является одним из главных критериев, по которым осуществляется отбор металлов и сплавов для изготовления тех или иных изделий.

      Читайте также:  Газобетонные блоки на монтажную пену

      В зависимости от интенсивности и длительности коррозийного процесса металл может быть подвергнут как частичному, так и полному разрушению. Взаимодействие коррозийной среды и металла приводят к образованию на поверхности металла таких явлений, как окалина, оксидная пленка и ржавчина. Данные явления отличаются друг от друга не только внешним видом, но еще и степенью адгезии с поверхностью металлов. Так, например, в процессе окисления такого металла, как алюминий, его поверхность покрывает пленка оксидов, отличающаяся высокой прочностью. Благодаря этой пленке разрушительные процессы купируются и не проникают вовнутрь. Если говорить о ржавчине, то результатом ее воздействия является образование рыхлого слоя. Процесс коррозии в данном случае очень быстро проникает во внутреннюю структуру металла, что способствует его скорейшему разрушению.

      Показатели, по которым осуществляется классификация коррозийных процессов:

      • вид коррозийной среды;
      • условия и механизм протекания;
      • характер коррозийных разрушений;
      • вид дополнительных воздействий на металл.

      По механизму коррозийного процесса различают как химическую, так и электрохимическую коррозию металлов и сплавов.

      Химическая коррозия – это взаимодействие металлов с коррозийной средой, в процессе которого наблюдается единовременное осуществление окисления металла и восстановление окислительного компонента среды. Взаимодействующие между собой продукты не разделены пространственно.

      Электрохимическая коррозия – это взаимодействие металлов с коррозийно-активной средой, представляющей собой раствор электролита. Процесс ионизации атомов металла, а также процесс восстановления окислительного компонента данной коррозийной среды протекают в разных актах. Электродный потенциал раствора электролита оказывает существенное влияние на скорость этих процессов.

      В зависимости от типа агрессивной среды существует несколько видов коррозии

      Атмосферная коррозия представляет собой саморазрушение металлов в воздушной атмосфере, либо в газовой атмосфере, отличающейся повышенной влажностью.

      Газовая коррозия – это коррозия металлов, происходящая в газовой среде, содержание влаги в которой минимально. Отсутствие влаги в газовой среде не единственное условие, способствующее саморазрушению металла. Также коррозия возможна и при высоких температурах. Наиболее часто встречается данный вид коррозии в нефтехимической и химической промышленности.

      Радиационная коррозия представляет собой саморазрушение металла под воздействием на него радиоактивного излучения разной степени интенсивности.

      Подземная коррозия – это коррозия, происходящая в почвах и различных грунтах.

      Контактная коррозия представляет вид коррозии, образованию которого способствует контакт нескольких металлов, отличающихся друг от друга стационарными потенциалами в конкретном электролите.

      Биокоррозия – это коррозия металлов, происходящая под воздействием различных микроорганизмов и их жизнедеятельности.

      Коррозия током (внешним и блуждающим) – еще один вид коррозии металлов. Если на металл воздействует ток от внешнего источника, то это коррозия внешним током. Если же воздействие осуществляется посредством блуждающего тока, то это коррозия блуждающего тока.

      Коррозийная кавитация представляет собой процесс саморазрушения металлов, возникновению которого способствует как ударное, так и коррозионное воздействие внешней среды.

      Коррозия под напряжением представляет собой коррозию металла, причиной появления которой является взаимодействие коррозийно-активной среды и напряжений механического типа. Данный вид коррозии представляет существенную опасность для конструкций из металла, которые подвергаются сильнейшим механическим нагрузкам.

      Фреттинг-коррозия — вид коррозии металлов, к которой приводит совокупность вибрации и воздействие коррозийной среды. Чтобы минимизировать вероятность возникновения коррозии при трении и вибрации, необходимо внимательно подходить к выбору конструкционного материала. Также необходимо применять специальные покрытия и по возможности снизить коэффициент трения.

      По характеру разрушений коррозия разделяется на сплошную и избирательную

      Сплошная коррозия полностью покрывает поверхность металла. Если скорость разрушений на всей поверхности одинакова, то это равномерная коррозия. Если разрушение металла на различных его участках происходит с разной скоростью, то коррозия называется неравномерной.

      Избирательная коррозия подразумевает разрушение одного из компонентов сплава или же одной структурной составляющей.

      Местная коррозия, проявляющаяся в виде отдельно разбросанных по поверхности металла пятен, представляет собой углубления разной толщины. Разрушения могут представлять собой раковины или точки.

      Подповерхностная коррозия образуется непосредственно на поверхности металла, после чего активно проникает вглубь. Данный вид коррозии сопровождается расслоением изделий из металла.

      Межкристаллитная коррозия проявляется в разрушении металла по границам зерен. По внешнему виду металла ее достаточно сложно определить. Однако очень быстро меняются показатели прочности и пластичности металла. Изделия из него становятся хрупкими. Наиболее опасен этот вид коррозии для хромистых и хромоникелевых видов стали, а также для алюминиевых и никелевых сплавов.

      Щелевая коррозия образуется на тех участках металлов и сплавов, которые находятся в резьбовых креплениях, различных зазорах и под всевозможными прокладками.

      Ссылка на основную публикацию
      Adblock detector