Следы коррозии на металле. Теория коррозии металлов. Почему ржавеют автомобили? Влияние окружающей среды при эксплуатации
Основной материал для изучения темы:
§ 13, стр. 81.
Габриелян, О. С.
Химия. 9 класс: Дрофа, 2013.
Дополнительный материал по теме «Коррозия металлов»
Корро́зия , ржавление, ржа - это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево илиполимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример - кислородная коррозия железа в воде:
Гидроксид железа Fe(OH) 3 и является тем, что называют ржавчиной.
В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозииполимеров. Применительно к ним 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.
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;
подземная коррозия;
биокоррозия;
коррозия под воздействием блуждающих токов.
По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды:
контактная коррозия;
щелевая коррозия;
коррозия при неполном погружении;
коррозия при полном погружении;
коррозия при переменном погружении;
коррозия при трении;
межкристаллитная коррозия;
коррозия под напряжением.
По характеру разрушения:
равномерная;
неравномерная;
избирательная;
язвенная;
точечная;
сквозная;
межкристаллитная (расслаивающая в деформированных заготовках и ножевая в сварных соединениях).
сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность:
локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки:
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 распространённый 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
Различают 4 основных вида коррозии: электрохимическая коррозия, водородная, кислородная коррозия и химическая.
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.
Примером крупномасштабной электрохимической коррозии может служить происшествие, случившееся в декабре 1967 года с норвежским рудовозом «Анатина» (англ. Anatina ), следовавшим из Кипра в Осаку. Налетевший в Тихом океане тайфун привёл к попаданию в трюмы солёной воды и образованию большойгальванической 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.
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
Электрокоррозия полотенцесушителя
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:
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 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 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 . Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности перед дальнейшей защитой субстрата являетсяабразивоструйная очистка.
Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:
Конструкционный
Активный
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.
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, 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 нефтедобывающих компаний
Термодиффузионное цинковое покрытие
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.
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
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.
Хромирование
Коррозия ухудшает работутрубопроводов.
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 распространённых причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу 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 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.
Домашняя работа
Сплавы
Внимание!!!
Для получения оценки «3» достаточно выполнить только первую часть работы, для получения оценки «4», необходимо выполнить без ошибок всю часть работы на «3» и также без ошибок всю часть работы на оценку «4». Для получения оценки «5» необходимо выполнить всю работу без ошибок!!!
Оценка «3»
1. Какой из металлов как простое вещество более подвержен коррозии
1) 1s 2 2s 2 2p 6 3s
2) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1
3) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2
4) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
2. Химическую коррозию вызывают
1) вода и кислород
2) оксиды углероды и серы
3) растворы солей
4) все перечисленные факторы.
3. При контакте Ni и Fe в растворе кислоты
1) железо будет растворяться
2) железо будет восстанавливаться
3) никель будет растворяться
4) будет выделяться кислород
Оценка «4»
4. Способы защиты от коррозии, при котором в рабочую среду вводят вещества, уменьшающие агрессивность среды, называют
5. Способ защиты от коррозии, при котором железный лист покрывают слоем олова
6. Наиболее активно корродирует
1) химически чистое железо
2) железо, покрытое слоем олова
3) техническое железо
4) сплав железа с титаном
Оценка «5»
7. Легирующий элемент, сообщающий стали коррозионную стойкость
8. Масса меди, выделившейся на пластинке помещенной в растворе хлорида меди (II) если в реакцию вступил цинк массой 13г
8. Масса меди, выделившейся на железной пластинке помещенной в раствор сульфата меди (II), если в реакцию вступило железо массой 11,2 г.
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
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).
Думаете, что ржавчина - это проблема владельцев 15-летних "Жигулей"? Увы, рыжими пятнами покрываются и гарантийные авто, даже если кузов оцинкован. Разбираемся, как правильно ухаживать за металлом и можно ли защитить его от коррозии раз и навсегда.
Что такое кузов? Конструкция из тонкого листового металла, причем разных сплавов и со множеством сварных соединений. И еще не нужно забывать о том, что кузов используется как «минус» для бортовой сети, то есть постоянно проводит ток. Да он просто обязан ржаветь! Попробуем разобраться, что же происходит с кузовом машины и как с этим бороться.
Что такое ржавчина?
Коррозия железа или стали - процесс окисления металла кислородом в присутствии воды. На выходе получается гидратированный оксид железа - рыхлый порошок, который мы все называем ржавчиной.
Разрушения автомобильного кузова относят к классическим примерам электрохимической коррозии. Но вода и воздух - это лишь часть проблемы. Помимо обычных химических процессов важную роль в нем играют гальванические пары, возникающие между электрохимически неоднородными парами поверхностей.
Уже вижу, как на лицах читателей-гуманитариев возникает скучающее выражение. Не пугайтесь термина «гальваническая пара» - мы не на лекции по химии и сложных формул приводить не будем. Эта самая пара в частном случае - всего лишь соединение двух металлов.
Металлы, они почти как люди. Не любят, когда к ним прижимается кто-то чужой. Представьте себя в автобусе. К вам прижался помятый мужчина, вчера отмечавший с друзьями какой-нибудь День монтажника-высотника. Вот это в химии называется недопустимой гальванической парой. Алюминий и медь, никель и серебро, магний и сталь… Это «заклятые враги», которые в тесном электрическом соединении очень быстро «сожрут» друг друга.
Вообще-то, ни один металл долго не выдерживает близкого контакта с чужаком. Сами подумайте: даже если к вам прижалась фигуристая блондинка (или стройная шатенка, по вкусу), то первое время будет приятно… Но не будешь же так стоять всю жизнь. Особенно под дождем. Причем тут дождь? Сейчас все станет понятно.
В автомобиле очень много мест, где образуются гальванические пары. Не недопустимые, а «обычные». Точки сварки, кузовные панели из разного металла, различные крепежные элементы и агрегаты, даже разные точки одной пластины с разной механической обработкой поверхности. Между ними всеми постоянно есть разность потенциалов, а значит, в присутствии электролита будет и коррозия.
Стоп, а что такое электролит? Пытливый автомобилист вспомнит, что это некая едкая жидкость, которую заливают в аккумуляторы. И будет прав лишь отчасти. Электролит - это вообще любая субстанция, проводящая ток. В аккумулятор заливают слабый раствор кислоты, но не обязательно поливать машину кислотой, чтобы ускорить коррозию. С функциями электролита прекрасно справляется обычная вода. В чистом (дистиллированном) виде она электролитом не является, но в природе чистой воды не встречается…
Таким образом, в каждой образовавшейся гальванической паре под воздействием воды начинается разрушение металла на стороне анода - положительно заряженной стороны. Как победить этот процесс? Запретить металлам корродировать друг от друга мы не можем, но зато можем исключить из этой системы электролит. Без него «допустимые» гальванические пары могут существовать долго. Дольше, чем служит автомобиль.
Как с ржавчиной борются производители?
Самый простой способ защиты - покрыть поверхность металла пленкой, через которую электролит не проникнет. А если еще и металл будет хорошим, с низким содержанием примесей, способствующим коррозии (например серы), то результат получится вполне достойным.
Но не воспринимайте слова буквально. Пленка - это необязательно полиэтилен. Самый распространенный вид защитной пленки - краска и грунт. Также ее можно создать из фосфатов металла, обработав поверхность фосфатирующим раствором. Входящие в его состав фосфоросодержащие кислоты окислят верхний слой металла, создав очень прочную и тонкую пленку.
Прикрыв фосфатную пленку слоями грунта и краски можно защитить кузов машины на долгие годы, именно по такому «рецепту» готовили кузова на протяжении десятков лет, и, как видите, довольно успешно - многие машины производства пятидесятых-шестидесятых годов смогли сохраниться до наших времен.
Но далеко не все, ведь со временем краска склонна к растрескиванию. Сначала не выдерживают внешние слои, потом трещины добираются до металла и фосфатной пленки. А при авариях и последующем ремонте покрытия часто наносят, не соблюдая абсолютной чистоты поверхности, оставляя на ней маленькие точки коррозии, которые всегда содержат в себе немного влаги. И под пленкой краски начинает появляться новый очаг разрушения.
Можно улучшать качество покрытия, применять все более эластичные краски, слой которых может быть чуть надежнее. Можно покрыть пластиковой пленкой. Но есть лучшая технология. Покрытие стали тонким слоем металла, имеющего более стойкую оксидную пленку, использовалось давно. Так называемая белая жесть - листовая сталь, покрытая тонким слоем олова, знакома всем, кто хоть раз в жизни видел консервную банку.
Олово для покрытия кузовов машин уже давно не применяют, хотя байки про луженые кузова ходят. Это отголосок технологии выправления брака при штамповке горячими припоями, когда часть поверхности вручную покрывали толстым слоем олова, и иногда самые сложные и важные части кузова машины и правда оказывались неплохо защищены.
Современные покрытия для предотвращения коррозии наносятся в заводских условиях до штамповки кузовных панелей, и в качестве «спасателей» используется цинк или алюминий. Оба этих металла, помимо наличия прочной оксидной пленки, обладают еще одним ценным качеством - меньшей электроотрицательностью. В уже упомянутой гальванической паре, которая образуется после разрушения внешней пленки краски, они, а не сталь будут играть роль анода, и, пока на панели остается немного алюминия или цинка, разрушаться будут именно они. Этим их свойством можно воспользоваться иначе, просто добавив немного порошка таких металлов в грунт, которым покрывают металл, что даст кузовной панели дополнительный шанс на долгую жизнь.
В некоторых отраслях промышленности, когда стоит задача защитить металл, применяют и другие технологии. Серьезные металлоконструкции могут быть оборудованы и специальными пластинами-протекторами из алюминия и цинка, которые можно менять со временем, и даже системами электрохимической защиты. С помощью источника напряжения такая система переносит анод на какие-то части конструкции, не являющиеся несущими. На автомобилях подобные вещи не встречаются.
Многослойный бутерброд, состоящий из слоя фосфатов на поверхности стали или цинка, слоя цинка или алюминия, антикоррозийного грунта с цинком и нескольких слоев краски и лака, даже в очень агрессивной внешней среде вроде обычного городского воздуха с влагой, грязью и солью позволяет сохранить кузовные панели на десяток-другой лет.
В местах, где слой краски легко повреждается (например на днище) используют толстые слои герметиков и мастики, которые дополнительно защищают поверхность краски. Мы привыкли называть это «антикором». Дополнительно во внутренние полости закачивают составы на основе парафина и масел, их задача вытеснять влагу с поверхностей, тем самым еще улучшая защиту.
Ни один из способов по одиночке не дает стопроцентной защиты, но все вместе они позволяют производителям давать восьми-десятилетнюю гарантию на отсутствие сквозной коррозии кузова. Однако нужно помнить, что коррозия подобна смерти. Ее приход можно замедлить или отложить, но нельзя исключить совсем. В общем, что мы говорим ржавчине? Правильно: «Не сегодня». Или, перефразируя современного классика, «не в этом году».
<a href=»http://polldaddy.com/poll/8389175/»>Приходилось ли бороться с ржавчиной на кузове?</a>
Известно, что большинство металлов содержится в рудах не в чистом виде, а в различных химических соединениях. Поэтому, чтобы извлечь металлы из этих соединений, приходится задействовать непростые и энергозатратные металлургические операции.
И все же немалую часть результатов этих процессов отнимает у нас коррозия – главный враг металла.
Что такое коррозия
Коррозия – это распад и уничтожение металлов под воздействием окружающей среды. Когда происходит коррозия – металлы снова возвращаются в положение химических соединений, похожих на те, в которых они находятся в рудах.
Коррозия приносит огромные убытки, ее разрушительное действие мы видим во всем, что нас окружает, из-за коррозии выходят из строя машины, механизмы, различное оборудование. Предохранение от коррозии и ее предупреждение – довольно трудоемкие и затратные мероприятия.
Коррозия различается по видам, но обычно она начинается на поверхности металла и затем проходит внутрь. Различные металлы реагируют на коррозию по-разному: одни поддаются ее разрушительному действию быстрее, другие медленнее, но не существует металла, обладающего полной защитой от коррозии. Такие благородные металлы, как платина, золото и другие, также подвержены разрушению при некоторых условиях. Например, они растворяются при погружении в раствор соляной и серной кислоты, известный как «царская водка».
Виды коррозии.
1. Химическая коррозия. В том случае, когда на металл оказывают воздействие газы – это и есть химическая коррозия. Например: следы ее заметны на серебряных предметах, которые со временем покрываются темным налетом. Это происходит вследствие, вступления в химическую реакцию с серебром, соединений серы, которые находятся в воздухе, и сульфид серебра, образующийся при этой реакции, откладывается на верхнем слое серебряных предметов.
Еще один пример такого вида коррозии – окалина, возникающая на железе, когда оно нагрето в воздухе. Это воздействие мы можем видеть во время ковки или прокатки. При этих процессах, возникают тонкие пленки или окислы, которыми покрываются металлы. Эти тонкие, но прочные пленки взаимодействуют с металлом, на котором они образуются, и предохраняют его от воздействия коррозии. При этом на некоторых других металлах корка возникает не такая прочная, и коррозия проходит внутрь металла. В наше время существует много способов увеличения действия защиты окисного слоя, они связаны внешней обработкой материалов.
2. Электрохимическая коррозия. Это — наиболее распространенный и вредоносный вид коррозии. Такая коррозия опасна и непредсказуема. Она может возникнуть в одном куске металла, который состоит из различных соединений. При этом на поверхности материала возникают различные гальванические структуры, а вода от дождя, росы, пара является электролитом.
Для возникновения коррозии благоприятны изменения температуры, так как они способствуют образованию влаги. Из-за резкой смены ночных и дневных температур опасность возникновения коррозии особенно велика в странах с субтропическим климатом. Еще одним фактором возникновения коррозии является сильное загрязнение окружающей среды пылью и газами, особенно в местах скопления промышленных объектов. В случае, когда коррозия проходит постепенно, ее еще можно контролировать, но она крайне опасна при локализации в частях деталей или материалов и здесь можно говорить о сквозной коррозии, возникающей в растворах, включающих в себя различные хлориды.
Возникает коррозия также под влиянием различных механических нагрузок, разрушая металл под действием напряжения. В этом случае на поверхности изделий образуются трещины, уходящие далее в тело материала. Этому виду коррозии подвержены многие металлы и сплавы, находящиеся в различных средах.
Защита от коррозии.
Для предотвращения коррозии или уменьшения ее действия необходимы огромные усилия и финансовые вложения. Одним из способов защиты является покрытие металлических изделий лакокрасочными материалами. Очевидно – лаки и краски защищают металл от воздействия окружающей среды и других металлов, но это средство не долговечно, так как краска постепенно уничтожается, что требует нового покрытия. Но пока это – один из самых распространенных способов защиты огнезащита металлических конструкций от коррозии. Существуют еще несколько методов защиты. Например, погружение изделия в расплав металла, когда на поверхности изделия образуется защитная пленка. Этот метод включает в себя плакирование, металлизацию и некоторые другие.
Гальванический способ защиты металлов также имеет широкое распространение. С помощью этого процесса многие предметы, изделия и механизмы эффективно защищаются от воздействия коррозии. Некоторые детали автомобиля, серебряная посуда и многое другое обрабатывается гальваническим способом.
Коррозия металлических материалов наносит значительный урон промышленности, требует огромных затрат на ее предупреждение и устранение. Но различные методы борьбы с коррозией, изложенные выше, помогают защитить и по возможности предупредить последствия этого разрушительного явления.
Загрузка...
