Коррозия металлов краткий конспект

Виды коррозии

Как уже говорилось, критериев классификация коррозионных процессов существует множество. Так, различают коррозию по виду распространения (сплошная, местная), по типу коррозионной среды (газовая, атмосферная, жидкостная, почвенная), по характеру механических воздействий (коррозионное растрескивание, явление Фреттинга, кавитационная коррозия) и так далее.

Но основным способом классификации коррозии, позволяющим наиболее полно объяснить все тонкости этого процесса, является классификация по механизму протекания.

По этому критерию различают два вида коррозии:

• химическую
• электрохимическую

Химическая коррозия

Химическая коррозия отличается от электрохимической тем, что протекает в средах, не проводящих электрический ток. Поэтому при такой коррозии разрушение металла не сопровождается возникновением электрического тока в системе. Это обычное окислительно-восстановительное взаимодействие металла с окружающей средой.

Наиболее типичным примером химической коррозии является газовая коррозия. Газовую коррозию еще называют высокотемпературной, поскольку обычно она протекает при повышенных температурах, когда возможность конденсации влаги на поверхности металла полностью исключена. К такому виду коррозии можно отнести, например, коррозию элементов электронагревателей или сопел ракетных двигателей.

Скорость химической коррозии зависит от температуры — при ее повышении коррозия ускоряется. Из-за этого, например, в процессе производства металлического проката, во все стороны от раскаленной массы разлетаются огненные брызги. Это с поверхности металла скалываются частички окалины.

Окалина — типичный продукт химической коррозии, — оксид, возникающий в результате взаимодействия раскаленного металла с кислородом воздуха.

Помимо кислорода и другие газы могут обладать сильными агрессивными свойствами по отношению к металлам. К таким газам относятся диоксид серы, фтор, хлор, сероводород. Так, например, алюминий и его сплавы, а также стали с высоким содержанием хрома (нержавеющие стали) устойчивы в атмосфере, которая содержит в качестве основного агрессивного агента кислород. Но картина кардинально меняется, если в атмосфере присутствует хлор.

В документации к некоторым антикоррозионным препаратам химическую коррозию иногда называют «сухой», а электрохимическую — «мокрой». Однако химическая коррозия может протекать и в жидкостях. Только в отличие от электрохимической коррозии эти жидкости — неэлектролиты (т.е. не проводящие электрический ток, например спирт, бензол, бензин, керосин).

Примером такой коррозии является коррозия железных деталей двигателя автомобиля. Присутствующая в бензине в качестве примесей сера взаимодействует с поверхностью детали, образуя сульфид железа. Сульфид железа очень хрупок и легко отслаивается, освобождая свежую поверхность для дальнейшего взаимодействия с серой. И так, слой за слоем, деталь постепенно разрушается.

Электрохимическая коррозия

Если химическая коррозия представляет собой не что иное, как простое окисление металла, то электрохимическая — это разрушение за счет гальванических процессов.

В отличие от химической, электрохимическая коррозия протекает в средах с хорошей электропроводностью и сопровождается возникновением тока. Для «запуска» электрохимической коррозии необходимы два условия: гальваническая пара и электролит.

В роли электролита выступает влага на поверхности металла (конденсат, дождевая вода и т.д.). Что такое гальваническая пара? Чтобы понять это, вернемся к ряду активности металлов.

Смотрим. Cлева расположены более активные металлы, справа — менее активные.

Если в контакт вступают два металла с различной активностью, они образуют гальваническую пару, и в присутствии электролита между ними возникает поток электронов, перетекающих от анодных участков к катодным. При этом более активный металл, являющийся анодом гальванопары, начинает корродировать, в то время как менее активный коррозии не подвергается.

Схема гальванического элемента

Для наглядности рассмотрим несколько простых примеров.

Допустим, стальной болт закреплен медной гайкой. Что будет корродировать, железо или медь? Смотрим в ряд активности. Железо более активно (стоит левее), а значит именно оно будет разрушаться в месте соединения.

Стальной болт — медная гайка (корродирует сталь)

А если гайка алюминиевая? Снова смотрим в ряд активности. Здесь картина меняется: уже алюминий (Al), как более активный металл, будет терять электроны и разрушаться.

Таким образом, контакт более активного «левого» металла с менее активным «правым» усиливает коррозию первого.

Коррозия некоторых металлов

Коррозия меди

Одним из ключевых химических элементов для отечественной промышленности является медь. Металл также подвержен деструкции, как и другие металлические поверхности, хотя медь больше защищена от коррозии.

Даже столь стойкий к разрушениям элемент подвержен негативным изменениям при воздействии окружающей среды. Коррозия меди имеет высокий показатель ухудшения свойств металла в аэрированных растворах, содержащих ионы, образовывающие комплексы с красным металлом, окислительных кислотах.

Медь стабильна в следующих условиях:

• в атмосферной среде;
• в морской и пресной водах;
• контактируя с галогенами в специальных условиях;
• в кислотах-неокислителях, слабых растворах Н₃РО₄, Н₂SO₄.

Медь нестабильна в следующих условиях:

• в ряде соединений серы, в том числе сероводороде, чистой сере;
• в кислотах-окислителях, аэрированной неокислительной среде, концентрате Н₂SO_4, например:

• растворах солей-окислителей тяжелых металлов, как то Fe₂(SO₄)₃, FeCl₃;
• агрессивной воды, аэрированной воды;
• амина, NH₄OH.

Атмосферная коррозия меди:

2Cu+H₂O+CO₂+O₂→ CuCO₃*Cu(OH)₂

Коррозия железа

Еще один распространенный элемент, подверженный ржавлению от коррозии – железо. Наибольший процент реакций по возникновению ржи на железе припадает на реакции по его окислению воздухом или кислотами из растворов.

При химической коррозии электроны переходят на окислитель, окисление металлов показано наглядно:

3Fe+2O₂→Fe₃O₄

Электрохимическая коррозия протекает в условиях токовой проводимости. Пример атмосферной и грунтовой реакции:

Fe+O₂+H₂O→Fe₂O₃∙xH₂O

Ржавеют… все!

Выше в статье упоминался такой известный центр борьбы с коррозией, как Шведский институт коррозии (ШИК) — одна из наиболее авторитетных организаций в данной области.

Раз в несколько лет ученые института проводят интересное исследование: берут кузова хорошо потрудившихся автомобилей, вырезают из них наиболее подверженные коррозии «фрагменты» (участки порогов, колесных арок, кромок дверей и т.д.) и оценивают степень их коррозионного поражения.

Важно отметить, что среди исследуемых кузовов есть как защищенные (оцинковкой и/или антикором), так и кузова без какой либо дополнительной антикоррозионной защиты (просто окрашенные детали). Так вот, ШИК утверждает, что наилучшей защитой автомобильного кузова является лишь сочетание «цинк плюс антикор»

А вот все остальные варианты, включая «просто оцинковку» или «просто антикор», по словам ученых — плохи

Так вот, ШИК утверждает, что наилучшей защитой автомобильного кузова является лишь сочетание «цинк плюс антикор». А вот все остальные варианты, включая «просто оцинковку» или «просто антикор», по словам ученых — плохи.

Газовая химическая коррозия

Эту разновидность причисляют к наиболее частым разрушающим процессам коррозии. Металл деформируется при взаимодействии с газами при влиянии повышенных температур. О чём сразу стоит подумать? Об арматуре, пошедшей на усиление печной кладки, арматурных стержнях присутствующих в двигателях, турбинах. Кроме этого, влияние сверхвысоких температур действует в момент обработки металлов, когда присутствует высокое давление. Во время нагревания перед прокаткой и штамповкой металлических изделий, при ковке, при термических и других схожих по типу изготовления процессах.

Скорость с которой развивается газовая химическая коррозия зависит от ряда показателей:

1. От атмосферной температуры;
2. От компонентов, содержащихся в металлическом сплаве или металле;
3. От параметров среды, в которой действуют газы;
4. От свойств, которыми обладают химические продукты, создающие коррозию.

Один из элементов в химии, защищающий металл от химической газовой коррозии — оксидная плёнка. Свойства и параметры, которые ей присущи позволяют ей считаться наиболее сильным защитным фактором, предупреждающим ржавление металлической поверхности. Окисление металла разделяют следующих друг за другом этапа:

1. Происходит процесс адсорбции. Молекулы кислорода концентрируются на поверхности металлического элемента на который воздействует внешняя среда.
2. Взаимодействие кислородных молекул с газом позволяет развиться разрушающей химической реакции, происходящей на поверхности металла. Оксидная плёнка затрудняет данный химический процесс проникновения металлических и кислородных реагентов друг к другу.

Оксидные плёнки классифицируются по трём разновидностям.

Они могут быть:

• тонкими (увидеть их можно только с помощью микроскопа);
• средними, образующими радужные цвета побежалости;
• толстыми, когда их видно невооруженными глазами.

У оксидной пленки есть защитные возможности тормозящие развитие химической коррозии. А иногда полностью останавливают возникновение ржавчины.

Какими темпами развивается химическая коррозия

Быстрота, с которой металл подвергается разрушению, напрямую связана с величиной температуры. Высокий уровень температуры ускоряет процессы окисления. Снижающийся нагрев не оказывает на данный процесс никакого влияния.

Металлы, на которые влияет газовая среда по-разному переносят её воздействие при соответствующей разнице температурных колебаний. Речь идёт о разности восприятия металлами компонентов газовой среды. Например, на медной поверхности коррозия образуется быстро, при контакте металла с кислородом. Если вместо кислорода источником воздействия является оксид серы, то медь становится устойчивой к химической коррозии. Совершенно наоборот обстоит дело с никелем. Влияние серного оксида для него губительно, а в кислородной среде или при воздействии диоксида углерода возникает устойчивость к коррозии.

По скорости образования химической коррозии в результате окислительной реакции, имеется зависимость от компонентов металлического сплава. Удачными в этом смысле сплавами являются соединения железа с кобальтом, медью, бериллием и титаном. Более устойчивым оказывается химическое соединение, создающее аустенитную структуру. Иначе говоря, высокотемпературное железо.

Дополнительным фактором, влияющим на быстроту образования химической коррозии, представляется состояние обработанной металлической поверхности. Если поверхность гладкая, то окисление проявляется медленнее. На неровной поверхности ржавление наступает быстрее.

Виды коррозийных процессов

Коррозия металлов имеет большое количество разновидностей. Но в основном все виды подразделяются на два основных типа:

1. Коррозия общего характера. Она называется равномерной, а встречается чаще всего. Причиной возникновения такой коррозии считаются химические и электрохимические реакции. Такая разновидность коррозии приводит к отрицательному воздействию на всю поверхность материала и металлической конструкции. При этом процесс может быть равномерным или неравномерным. При неравномерном распределении ржавчины, она на одном участке разъедает материала быстрее и сильнее, чем на соседнем.
2. Местный вид коррозии. Возникает на одном участке, где и развивается.
3. Местная пятнами. Возникает на отдельных участках материала.
4. Язвенная, ее еще называют питтинг.
5. Межкристаллитная — такая коррозия возникает на пограничных областях металлического кристалла. Чаще вспыхивает в тех материалах, которые содержат в составе никель и алюминий. Металл в кратчайшие сроки остается без первоначальных показателей прочности и эластичности.
6. Растрескивающая.
7. Подповерхностная.
8. Коррозия под током — возникает под воздействием блуждающего или постоянного тока.
9. Коррозийная кавитация — вариант разрушений, когда помимо ржавчины на металл воздействует и ударная сила.
10. Фреттинг-коррозия — одновременное воздействие ржавчины и вибрации, которые совместно приводят к разрушению металлических конструкций. варианты.

Есть еще различия и по механизму воздействия.

См.также: Самые дорогие металлы в мире

Химический вариант разрушения

Это разновидность процесса, при котором рушатся связи металлические, а между атомами веществ материала и окислителей возникает химическая взаимодействие. В такой ситуации не образуется электрический ток между различными областями материала. В свою очередь такой вид разрушения подразделяется еще на два типа:

1. Газовый вариант. Получается при воздействии агрессивных азов, а также паров в сочетании с высокими показателями температуры. Если материал относится к активным, то воздействие таких сред может привести к окончательному разрушению материала по всей поверхности. К таким средам относятся: сероводород, диоксид серы, пары воды, кислород. Такой вид разрушительного процесса чаще всего заметен в промышленности и на химическом производстве.
2. Жидкостный вариант ржавчины. Случается в неэлектролитических веществах. Если имеется даже небольшое содержание жидкости, то процесс становится электрохимическим.

Важно, что при химической разновидности коррозии металл разрушается со скоростью протекания химической реакции. См.также: Обработка металла давлением

См.также: Обработка металла давлением

Электрохимическая ржавчина

Этот вариант разрушительных процессов возникает в среде электролитов. Процесс сочетается с возникновением тока. В итоге из решетки вещества убирается атом и одновременно протекают два процесса:

1. Анодный — вещество материала в качестве ионов входит в раствор.
2. Катодный — те вещества, которые получаются в предыдущем процессе, связываются при помощи деполяризатора.

Собственно отвод электродов так и называется — деполяризация, а непосредственно вещества, которые способствуют данному процессу именуются деполяризаторами.

Наиболее часто возможно встретить вариант разрушения с водородной и кислородной деполяризацией.

Коррозия в неэлектролитных жидкостях

Общие сведения

К жидким неэлектропроводным средам (а точнее, неэлектролитным жидкостям) можно отнести такие органические вещества, к примеру:

• Керосин.
• Бензол.
• Бензин.
• Хлороформ.
• Нефть.
• Спирты.
• Фенол.
• Тетрахлорид углерода.

Еще к таким жидкостям причисляют малое количество жидкостей неорганического типа, к примеру, жидкий бром и сера, которая расплавлена. При этом следует  отметить, что растворители органического типа сами по себе не будут вступать в реакцию с металлами, но, при наличие маленького объема примесей появляется интенсивный процесс взаимодействий. Скорость коррозии увеличивают находящиеся в нефти элементов с содержанием серы.

Также, для усиления коррозийных процессов нужны высокие температуры. Влага будет интенсифицировать развитие коррозии по электромеханическому принципу. Еще одним фактором быстрого коррозийного развития – бром в жидком виде. При нормальной температуре он особенно разрушительно будет воздействовать на высокоуглеродистые стали, титан и алюминий. Менее существенно воздействие брома на никель и железо, а самую большую устойчивость к жидкому типу брома будут показывать тантал, свинец, платина и серебро.

Расплавленная сера будет вступать в агрессивные реакции практически со всеми металлами, и в первую очередь с оловом, свинцом и медью. На углеродистые марки титан и стали сера будет влиять меньше, а еще практически полностью разрушает алюминий. Защитные действия для металлических конструкций, которые находятся в неэлектропроводных средах жидкого типа, проводят добавлением устойчивым к определенной среде металлом (к примеру, сталей с большим содержанием хрома). Еще используются особые защитные покрытия (к примеру, в среде, где есть много серы, применяют алюминиевые покрытия).

Способы защиты от коррозии

Способы борьбы с коррозией будут включать в себя:

• Обработку главного металла защитным слоем (например, нанесение лакокрасочного материала).
• Применение ингибиторов (арсенитов или хроматов).
• Внедрение материалов, которые устойчивые к коррозийным процессам.

Подбор определенного материала будет зависеть от потенциальной эффективности (тут имеется виде финансовой и технологической) ее применения.

Современные принципы по защите металла от химической коррозии металла будут основаны на следующих методиках:

1. Улучшение споротивляемости химического типа. Себя смогли успешно зарекомендовать устойчивые материалы (стекло, высокополимерный пластик и керамика).
2. Изоляция материала от агрессивных сред.
3. Уменьшение агрессивности технологической среды – в роли примеров таких действий можно выполнить нейтрализацию и удалить кислотность в коррозионой среде, а еще применять различные ингибиторы.
4. Защита электрохимического типа (накладывание внешнего тока).

Указанные методики будут подразделяться на две группы:

• Повышение сопротивляемости химического типа и изолирование будет применяться до того, как металлическая конструкция запускается в использовании.
• Уменьшение агрессивности и защиты электрохимического типа применяется уже при применении изделий и металла. Использование обеих методик дает возможность внедрять новые защитные методы, и в результате защита будет обеспечиваться изменением эксплуатационных условий.

Одним из самых часто используемых методов защиты металла является антикоррозийное гальваническое покрытие, но это экономически нерентабельно при большой площади поверхности. Причина в больших тратах на процесс подготовки.  Ведущее место среди методов по защите будет занимать покрытие металла лакокрасочным материалом.

И все-таки, окрашенная поверхность защищает металлы от процессов коррозии даже при локальном повреждении пленки, тогда как несовершенные покрытия гальванического типы способны даже ускорить коррозию.

Виды

Коррозия может происходить в присутствии электролитов и неэлектролитов. Поэтому основными видами коррозии металлов по механизму возникновения являются:

• химическая – возникает в отсутствии электролита в сухой или влажной среде;
• электрохимическая – происходит в присутствии электролита.

Химическая коррозия связана с неэлектролитами – веществами, не проводящими электрический ток в растворах или расплавах. К неэлетролитам относятся многие простые неорганические (кислород, водород) и органические (эфир, бензол) вещества.

Химическая коррозия может происходить в присутствии газов (водорода, кислорода, хлора), органических кислот и солей. Молекулы металла соединяются с химическими элементами, и на металлической поверхности возникают плёнки – оксиды, сульфиды, гидриды. Внешне это заметно по изменению цвета. Железо, соединяясь с кислородом, образует Fe₂O₃ – оксид железа (III) – рыжую ржавчину.

Рис. 2. Оксид железа.

Если в расплаве или в растворе присутствуют вещества, проводящие электрический ток (электролиты), то появляется электрохимическая коррозия. Она возникает в присутствии солей, кислот, щелочей или при соприкосновении поверхностей двух металлов, между которыми находится влажная среда. Из-за разности окислительно-восстановительных потенциалов возникает гальванический элемент – источник электрического тока. Металл выступает в роли анода (восстановителя), электролит – катода (окислителя). Анод, отдавая электроны, окисляется или коррозирует.

Рис. 3. Схема электрохимической коррозии.

Классификация коррозии может проводиться по другим признакам. По очагу поражения коррозия бывает:

• местной;
• сплошной;
• точечной.

Коррозия может происходить в разных средах:

• газовой (безводной);
• атмосферной (влажной);
• жидкостной;
• грунтовой;
• радиационной.

Соль ускоряет процесс ржавления, поэтому корабли быстрее ржавеют в морской, чем в пресной воде.

Что мы узнали?

Коррозия – окисление и разрушение металла под воздействием окружающей среды. Процесс окисления может происходить в присутствии или в отсутствии электролитов. Коррозия, возникающая без воздействия электролитов, называется химической. На поверхности металлов возникают оксиды, гидроксиды, соли. Под действием электролитов возникает электрохимическая коррозия. Окислению подвергается металл, выступающий в роли анода.

Тест по теме

1. Вопрос 1 из 5

   Что происходит при коррозии?

   • Окисление металла и восстановление корозионной среды
   • Восстановление металла и окисление корозионной среды
   • Окисление металла и коррозионной среды
   • Восстановление металла и коррозионной среды

Начать тест(новая вкладка)

Методы защиты

Чтобы защитить металлические поверхности от образования коррозии, применяются разные методики. Каждая из них уникальна, имеет определенные особенности.

Нанесение защитного покрытия

Защитные покрытия могут быть двух видов — металлические, неметаллические. Виды неметаллических покрытий:

1. Химический слой. Чаще это оксидные пленки, которые образуются на поверхности под воздействием пара, воздуха. Один из вариантов оксидирования — погружение деталей в раствор азотной кислоты, нагретой до 140°C.
2. Лакокрасочные покрытия. Главный недостаток лакокрасочных покрытий — низкая устойчивость к перепадам температуры, механическому повреждению.
3. Порошковые краски. Наносятся специализированным оборудованием в закрытых покрасочных камерах.
4. Различные полимерные покрытия.

Нанесение порошковой краски (Фото: pixabay.com)

Легирование

К составу сплава добавляются разные легирующие добавки, которые изменяют свойства, технические характеристики материала, делают его устойчивым к разрушительному воздействию влаги.

Электрохимический метод

К металлической детали подключается источник тока. На поверхности материала образуется катодная поляризация, а ржавчина начинает разрушаться.

Покрытие металлами

Существуют разные способы покрытия металлом — термическая диффузия, металлизация, погружение в расплавленный металл, контактное осаждение.

Погружение в расплавленный металл

Специальная ванна заполняется расплавленным металлом с высокой устойчивостью к образованию коррозии. В емкость погружается деталь, которую нужно обработать.

Термическая диффузия

Термическую диффузию черных металлов чаще проводят с помощью цинка. Выполняется оно в газовой или паровой среде, при температуре до 850°C. Если обработка проходит в вакуумной среде, температура снижается до 250°C.

Металлизация

С помощью специального оборудование, которое создает мощную воздушную струю, на металлические поверхности наносится тонкий, равномерный слой расплавленного металла.

Контактное осаждение

Детали покрываются раствором солей железа или никеля. В результате обработки образуется прочная тонкая пленка. Контактное осаждение выполняется перед нанесением гальванического покрытия.

Этот метод защиты применяется реже других. Его малая популярность связан с нестабильностью, рядом сложностей. Метод подходит только для металлоконструкций, которые находятся в закрытом помещении. Внутри можно создать подходящую атмосферу (уровень влажности, температуру), при которой развитие коррозии будет невозможно.

Фосфатирование и хроматирование

Металлическую поверхность следует правильно подготовить к процессу защиты. То, какие методы будут использоваться, полностью зависит от типа поверхности. Например, черные металлы защищают при помощи фосфатирования. Цветные металлы можно обрабатывать обоими методами. В целом, если говорить о химической подготовке, необходимо уточнить, что она проходит в несколько этапов. Для начала поверхность обезжиривается. Затем промывается при помощи воды. Далее наносится конверсионный слой. После повторно промывается двумя типами воды: питьевой и деминерализованной соответственно. Далее осталось провести пассивацию. Химическую обработку следует проводить при помощи распыления, погружения, а также пароструйного и гидроструйного методов. Первые два способа необходимо применять при помощи специальных агрегатов, которые полностью подготовят поверхность к работе. То, какой метод выбрать, необходимо решать зависимости от размеров, конфигурации изделия и так далее. Для того чтобы лучше разобраться в этом вопросе, следует знать уравнения реакций коррозии металлов.