Как защитить железо от коррозии химия

Основные способы защиты металлов от коррозии

Для защиты металлов от коррозии применяются различные способы, которые условно можно разделить на следующие основные направления: легирование металлов; защитные покрытия (металлические, неметаллические); электрохимическая защита; изменение свойств коррозионной среды; рациональное конструирование изделий.

Легирование металлов. Это эффективный метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава или металла вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден и др.), вызывающие пассивность металла. Пассивацией называют процесс перехода металла или сплава в состояние его повышенной коррозионной устойчивости, вызванное торможением анодного процесса. Пассивное состояние металла объясняется образованием на его поверхности совершенной по структуре оксидной пленки (оксидная пленка обладает защитными свойствами при условии максимального сходства кристаллических решеток металла и образующегося оксида).

Широкое применение нашло легирование для защиты от газовой коррозии. Легированию подвергаются железо, алюминий, медь, магний, цинк, а также сплавы на их основе. В результате чего получаются сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем сами металлы. Эти сплавы обладают одновременно жаростойкостью и жаропрочностью.

Жаростойкость – стойкость по отношению к газовой коррозии при высоких температурах. Жаропрочность – свойства конструкционного материала сохранять высокую механическую прочность при значительном повышении температуры. Жаростойкость обычно обеспечивается легированием металлов и сплавов, например, стали хромом, алюминием и кремнием. Эти элементы при высоких температурах окисляются энергичнее, чем железо, и образуют при этом плотные защитные пленки оксидов, например Al₂O₃ и Cr₂O₃ .

Легирование также используется с целью снижения скорости электрохимической коррозии, особенно коррозии с выделением водорода. К коррозионностойким сплавам, например, относятся нержавеющие стали, в которых легирующими компонентами служат хром, никель и другие металлы.

Защитные покрытия. Слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий для защиты их коррозии, называются защитными покрытиями. Нанесение защитных покрытий – самый распространенный метод борьбы с коррозией. Защитные покрытия не только предохраняют изделия от коррозии, но и придают поверхностям ряд ценных физико-химических свойств (износостойкость, электрическую проводимость и др.). Они подразделяются на металлические и неметаллические. Общими требованиями для всех видов защитных покрытий являются высокая адгезионная способность, сплошность и стойкость в агрессивной среде.

Металлические покрытия. Металлические покрытия занимают особое положение, так как их действие имеет двойственный характер. До тех пор, пока целостность слоя покрытия не нарушена, его защитное действие сводится к изоляции поверхности защищаемого металла от окружающей среды. Это не отличается от действия любого механического защитного слоя (окраска, оксидная пленка и т.д.). Металлические покрытия должны быть непроницаемы для коррозионных агентов.

При повреждении покрытия (или наличии пор) образуется гальванический элемент. Характер коррозионного разрушения основного металла определяется электрохимическими характеристиками обоих металлов. Защитные антикоррозионные покрытия могут быть катодными и анодными. К катодным покрытиям относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла. Анодные покрытия имеют наиболее отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла.

Так, например, по отношению к железу никелевое покрытие является катодным, а цинковое – анодным (рис. 2.).

При повреждении никелевого покрытия (рис. 2,а) на анодных участках происходит процесс окисления железа вследствие возникновения микрокоррозионных гальванических элементов. На катодных участках — восстановление водорода. Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии лишь при отсутствии пор и повреждения покрытия.

Местное повреждение защитного цинкового слоя ведет к дальнейшему его разрушению, при этом поверхность железа защищена от коррозии. На анодных участках происходит процесс окисления цинка. На катодных участках — восстановление водорода (рис. 2,б).

Электродные потенциалы металлов зависят от состава растворов, поэтому при изменении состава раствора может меняться и характер покрытия.

Для получения металлических защитных покрытий применяются различные способы: электрохимический(гальванические покрытия);погружение в расплавленный металл(горячее цинкование, лужение);металлизация(нанесение расплавленного металла на защищаемую поверхность с помощью струи сжатого воздуха);химический(получение металлических покрытий с помощью восстановителей, например гидразина).

Рис. 2. Коррозия железа в кислотном растворе с катодным (а) и анодным (б) покрытиями: 1 – основной металл; 2 – покрытие; 3 – раствор электролита.

Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, хром, серебро и др.), так и их сплавы (бронза, латунь и др.).

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, соединение хрома, фосфора и др. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, пластмассами, полимерными пленками, резиной.

Неорганические эмали по своему составу являются силикатами, т.е. соединениями кремния. К основным недостаткам таких покрытий относятся хрупкость и растрескивание при тепловых и механических ударах.

Лакокрасочные покрытия наиболее распространены. Лакокрасочное покрытие должно быть сплошным, газо -и водонепроницаемым, химически стойким, эластичным, обладать высоким сцеплением с материалом, механической прочностью и твердостью.

Химические способы очень разнообразны. К ним относится, например, обработка поверхности металла веществами, вступающими с ним в химическую реакцию и образующими на его поверхности пленку устойчивого химического соединения, в формировании которой принимает участие сам защищаемый металл. К числу таких способов относится оксидирование, фосфатирование, сульфи-дирование и др.

Оксидирование — процесс образования оксидных пленок на поверхности металлических изделий.

Современный метод оксидирования – химическая и электрохимическая обработка деталей в щелочных растворах.

Для железа и его сплавов наиболее часто используется щелочное оксидирование в растворе, содержащем NaOH, NaNO₃, NaNO₂ при температуре 135-140 О С. Оксидирование черных металлов называется воронением.

На анодных участках происходит процесс окисления:

Fe Fe 2+ + 2

На катодных участках происходит процесс восстановления:

2 Н₂О + О₂ + 4 4ОН —

На поверхности металла в результате работы микрогальванических элементов образуется Fe(OH)₂, который затем окисляется в Fe₃O₄. Оксидная пленка на малоуглеродистой стали имеет глубокий черный цвет, а на высокоуглеродистой стали – черный с сероватым оттенком.

Fe 2+ + 2OH — Fe(OH)₂;

12 Fe(OH)₂ + NaNO₃ 4Fe₃O₄ + NaOH + 10 H₂O + NH₃

Противокоррозионные свойства поверхностной пленки оксидов невысоки, поэтому область применения этого метода ограничена. Основное назначение – декоративная отделка. Воронение используется в том случае, когда необходимо сохранить исходные размеры, так как оксидная пленка составляет всего 1,0 – 1,5 микрона.

Фосфатирование — метод получения фосфатных пленок на изделиях из цветных и черных металлов. Для фосфатирования металлическое изделие погружают в растворы фосфорной кислоты и ее кислых солей (H₃PO₄ + Mn(H₂PO₄)₂) при температуре 96-98 о С.

На поверхности металла в результате работы микрогальванических элементов образуется фосфатная пленка, которая имеют сложный химический состав и содержит малорастворимые гидраты двух- и трех замещенных фосфатов марганца и железа: MnHPO₄ , Mn₃(PO₄)₂ , FeHPO₄ , Fe₃(PO₄)₂  n H₂O.

На анодных участках происходит процесс окисления:

Fe Fe 2+ + 2

На катодных участках происходит процесс восстановления водорода:

2Н + + 2 Н₂ (рН < 7)

При взаимодействии ионов Fe 2+ с анионами ортофосфорной кислоты и ее кислых солей образуются фосфатные пленки:

Fe 2+ + H₂PO — ₄ FeHPO₄ + H +

3Fe 2+ + 2 PO₄ 3- Fe₃(PO₄)₂

Образующаяся фосфатная пленка химически связана с металлом и состоит из сросшихся между собой кристаллов, разделенных порами ультрамикроскопических размеров. Фосфатные пленки обладают хорошей адгезией, имеют развитую шероховатую поверхность. Они являются хорошим грунтом для нанесения лакокрасочных покрытий и пропитывающих смазок. Фосфатные покрытия применяются в основном для защиты металлов от коррозии в закрытых помещениях, а также как метод подготовки поверхности к последующей окраске или покрытию лаком. Недостатком фосфатных пленок является низкая прочность и эластичность, высокая хрупкость.

Анодирование – это процесс образования оксидных пленок на поверхности металла и прежде всего алюминия. В обычных условиях на поверхности алюминия присутствует тонкая оксидная пленка оксидов Al₂O₃ или Al₂O₃ ∙ nH₂O, которая не может защитить его от коррозии. Под воздействием окружающей среды алюминий покрывается слоем продуктов коррозии. Процесс искусственного образования оксидных пленок может быть осуществлен химическим и электрохимическим способами. При электрохимическом оксидировании алюминия алюминиевое изделие играет роль анода электролизера. Электролитом служит раствор серной, ортофосфорной, хромовой, борной или щавелевой кислот, катодом может быть металл, не взаимодействующий с раствором электролита, например нержавеющая сталь. На катоде выделяется водород, на аноде происходит образование оксида алюминия. Суммарный процесс на аноде можно представить следующим уравнением:

2 Al + 3 H₂O Al₂O₃ + 6 H + + 6

Коррозия металлов и способы защиты от нее

Коррозионная стойкость металла зависит от его природы, характера среды и температуры.

• Благородные металлы не подвергаются коррозии из-за химической инертности.
• Металлы Al, Ti, Zn, Cr, Ni имеют плотные газонепроницаемые оксидные плёнки, которые препятствуют коррозии.
• Металлы с рыхлой оксидной плёнкой – Fe, Cu и другие – коррозионно неустойчивы. Особенно сильно ржавеет железо.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Как правило, химическая коррозия металлов происходит при действии на металл сухих газов, её также называют газовой.

При химической коррозии также возможны процессы:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Как правило, такие процессы протекают в аппаратах химических производств.

Электрохимическая коррозия – это процесс разрушения металла, который сопровождается электрохимическими процессами. Как правило, электрохимическая коррозия протекает в присутствии воды и кислорода, либо в растворах электролитов.

В таких растворах на поверхности металла возникают процессы переноса электронов от металла к окислителю, которым является либо кислород, либо кислота, содержащаяся в растворе.

При этом электродами являются сам металл (например, железо) и содержащиеся в нем примеси (обычно менее активные металлы, например, олово).

В таком загрязнённом металле идёт перенос электронов от железа к олову, при этом железо (анод) растворяется, т.е. подвергается коррозии:

Fe –2e = Fe 2+

На поверхности олова (катод) идёт процесс восстановления водорода из воды или растворённого кислорода:

2H + + 2e → H₂

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH –

Например, при контакте железа с оловом в растворе соляной кислоты происходят процессы:

Анод: Fe –2e → Fe 2+

Катод: 2H + + 2e → H₂

Суммарная реакция: Fe + 2H + → H₂ + Fe 2+

Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, в ней участвует кислород и происходят процессы:

Анод: Fe –2e → Fe 2+

Катод: O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH –

Суммарная реакция:

Fe 2+ + 2OH – → Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂ + O₂+ 2H₂O → 4Fe(OH)₃

При этом образуется ржавчина.

Методы защиты от коррозии

Защитные покрытия

Защитные покрытия предотвращают контакт поверхности металла с окислителями.

• Катодное покрытие – покрытие менее активным металлом (защищает металл только неповреждённое покрытие).
• Покрытие краской, лаками, смазками.
• Создание на поверхности некоторых металлов прочной оксидной плёнки химическим путём (анодирование алюминия, кипячение железа в фосфорной кислоте).

Создание сплавов, стойких к коррозии

Физические свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств чистых металлов. Добавление некоторых металлов может приводить к повышению коррозионной стойкости сплава. Например, нержавеющая сталь, новые сплавы с большой коррозионной устойчивостью.

Изменение состава среды

Коррозия замедляется при добавлении в среду, окружающую металлическую конструкцию, ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии — это вещества, подавляющие процессы коррозии.

Электрохимические методы защиты

Протекторная защита: при присоединении к металлической конструкции пластинок из более активного металла – протектора. В результате идёт разрушение протектора, а металлическая конструкция при этом не разрушается.

Коррозия металлов. Виды коррозии металлов

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.

Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

• Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
• Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
• Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
2. Неравномерная
3. Избирательная
4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
5. Язвенная (или питтинг)
6. Точечная
7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
8. Растрескивающая
9. Подповерхностная

Основные виды коррозии металлов

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.

Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Виды химической коррозии

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Фактор Пиллинга-Бэдворса

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = V_ок/V_Ме) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

где V_ок — объем образовавшегося оксида

V_Ме — объем металла, израсходованный на образование оксида

М_ок – молярная масса образовавшегося оксида

ρ_Ме – плотность металла

n – число атомов металла

A_Me — атомная масса металла

ρ_ок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов

Металл	Оксид	α	Металл	Оксид	α
K	K2O	0,45	Zn	ZnO	1,55
Na	Na2O	0,55	Ag	Ag2O	1,58
Li	Li2O	0,59	Zr	ZrO2	1.60
Ca	CaO	0,63	Ni	NiO	1,65
Sr	SrO	0,66	Be	BeO	1,67
Ba	BaO	0,73	Cu	Cu2O	1,67
Mg	MgO	0,79	Cu	CuO	1,74
Pb	PbO	1,15	Ti	Ti2O3	1,76
Cd	CdO	1,21	Cr	Cr2O3	2,07
Al	Al2­O2	1,28	Fe	Fe2O3	2,14
Sn	SnO2	1,33	W	WO3	3,35
Ni	NiO	1,52

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:

2H + +2e — = H₂ разряд водородных ионов

Кислородная деполяризация

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:

O₂ + 4H + +4e — = H₂O восстановление растворенного кислорода

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е 0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е 0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е 0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e — = Fe 2+

K: O₂ + 4H + + 4e — = 2H₂O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO₂, H₂S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Методы защиты от коррозии металла

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлические покрытия

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Неметаллические покрытия

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия

В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:

оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al₂O₃, ZnO и др.);

азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;

воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;

цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла и коррозионной среды

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов

Способы защиты металлов от коррозии

Изделия из металлов, если их не защищать, под действием различных природных, физико-химических и биологических факторов разрушаются или теряют свои потребительские качества.

Такое разрушение изделий получило название коррозия.

Слово «коррозия» имеет латинские корни и происходит от словосочетания cum+roda, что означает разгрызать.

Явление коррозии известно с древнейших времен, однако, сам термин появился только в 1667 году в английском журнале, где описывалось локальная коррозия бронзовых пушек на острове Ямайка.

В России явление коррозии металлов первым стал исследовать Михаил Ломоносов. Сам термин коррозия появился в русском языке только в начале 20 века, до этого времени данное явление описывали словом «ржавление»

Коррозия – процесс разрушения стенки металла, который приводит к негативным последствиям в виде истончения или полного разрушения.

На протяжении века ученые стараются подчинить процесс коррозии и защитить металлические конструкции.

На данном этапе разработано множество способов защиты от всех видов коррозии, под нужды каждого вида промышленности.

Виды коррозии металлов

Процесс коррозии – совокупность химических и электрических процессов, которые оказывают негативное воздействие на металл. В зависимости от типа воздействия коррозию классифицируют по нескольких признакам.

Коррозионные процессы различаются по:

• Механизму реакций взаимодействия металла со средой:

а) химическое – процесс распада металла происходит в результате химической реакции с жидкостью, которая не проводит электрический ток или сухим газом.

Газовая коррозия возможна только в условиях высоких температур.

Например, если заводскую автомобильную выхлопную трубу заменить незащищенной стальной, то, когда машина заведется, начнется процесс ржавления, так как температура выхлопа составляет 500 ⁰С

б) электрохимическое – процесс, когда на металл действует электрический ток, либо электролит.

При взаимодействии электрического тока с металлом происходит процесс «выбивания» частиц последнего, в результате повреждается только та часть конструкции, которая была в контакте;

г) микробиологическое – процесс ржавления происходит в результате воздействия на металл агрессивных микроорганизмов. Данный вид коррозии характерен для подземных коммуникаций.

Но стоит отметить, что отходы жизнедеятельности птиц, также могут привести к началу процесса ржавления, так как в них содержится большое количество бактерий.

• Виду коррозионной среды:

а) почвенная – характерна для трубопроводов, кабелей, опорных конструкций, то есть всего металла, который погружен в землю.

Основными характеристиками коррозионной активности почвы являются ее электропроводность, то есть способность проводить электрический ток, и влажность.

Наиболее активно проводят ток влажные, пористые грунты.

Например, если песок в сухом состоянии практически не проводит ток, то при увлажнении его на 2-3%, его проводимость увеличивается в 20 раз, а после высыхания возвращается в исходное состояние.

Для этого типа коррозионной среды характерны язвенные разрушения металла.

б) атмосферная – данный тип ржавления происходит при нахождении металлов на воздухе.

Быстрота протекания процесса коррозии зависит от типа климата и состава сплава.

В случае если влажность климата ниже 60% происходит сухая коррозия, то есть металл начинает окисляться.

Стоит отметить, что чем жарче климат, тем быстрее протекает сухая коррозия.

Если влажность выше 60%, то процесс разрешения металла происходит быстрее, так как влага проникает в микротрещины и зазоры, что приводит к образованию окисей.

в) морская – самый опасный тип коррозии.

В морской воде ржавление металла происходит под воздействием солей, микроорганизмов и большого количества кислорода, что приводит к быстрому разрушению большинства сплавов.

Стоит отметить, что процесс разрушения будет проходить интенсивнее выше ватерлинии, так как там происходит периодический контакт с водой;

3) Характеру дополнительных воздействий:

а) коррозионное растрескивание – ржавление, которое развивается в местах, стороннего воздействия на металл тяжелых весов;

б) эрозионная коррозия – разрушение, которое происходит при трении в условиях агрессивной среды;

в) кавитационная коррозия – разрушение, которое происходит при ударных воздействиях в условиях агрессивной среды.

Виды поражения металлов коррозией

По характеру изменения поверхности металла или его свойств, независимо от того, какое взаимодействие проходило со средой, коррозионные разрушения подразделяют на несколько видов:

• Сплошная – коррозией охвачена вся поверхность металлической конструкции. Она подразделяется на:

а) равномерную (а) – разрушение идет однородно;

б) неравномерную (б) – разрушение в разных частях конструкции имеет разную глубину.

2. Местная – коррозия захватывает отдельные участки металлической конструкции. В зависимости от степени разрушения происходит деление на:

а) пятна (в) – разрушение отдельных участков металла на небольшую глубину. Например, коррозия латуни в морской воде;

б) язвы (г) — разрешение отдельных участков на большую глубину. Например, ржавление стали в грунте;

г) питтинг (д) – точечный процесс разрушения. По мере прогрессирования коррозия становится сквозной. Например, нержавеющая сталь в морской воде.

д) подповерхностная (е) – возникает, когда антикоррозийные покрытия разрешены на отдельных участках. Поэтому металл разрушается под поверхностью защиты, и разрешения сосредоточены внутри металла;

е) межкристаллитная (ж) – самый опасный вид коррозии. Разрушаются не частицы сплава, а из границы, то есть самые тонкие места;

ж) структурно – избирательная – происходит, когда сплав состоит из нескольких металлов, которые имеют разные коррозионные свойства. Металл, у которого свойства будут ниже начнет разрушаться, при этом остальные элементы сплава останутся целыми.

Способы защиты металлов от коррозии

В процессе совершенствования науки и техники разрабатываются разные способы защиты металлов от разрушения.

В XXI веке способы защиты сплавов условно разделяются на: легирование, физические методы защиты, электрохимические методы, методы замещения материалов и методы уменьшения агрессивных свойств среды.

Легирование

Легирование – изменение изначального состава сплава для усиления определенных свойств.

Метод основан на введении в сплав пассивных металлов, таких как хром, титан, стронций, молибден.

В результате введения легирующих материалов на поверхности сплава образуется плотная пленка, которая обладает большой устойчивостью к агрессивным воздействиям.

Наиболее востребован процесс легирования при защите сплавов от газовой коррозии. Например, все части двигателей машин, производятся из легированных сплавов, которые кроме защиты от агрессивной среды, повышают стойкость металлов к высоким температурам.

Наиболее оптимальными пассивными материалами для увеличения температурной стойкости являются алюминий и хром.

При повышении температур выше 200⁰С в сплавах начинается процесс окисления и образования защитной оксидированной пленки.

Легирование так же применяется для повышения коррозионной защиты от химических воздействий. Например, хром является пассивным элементом, который блокируют появление коррозии в сильнокислых средах.

Защитные покрытия

Защитные покрытия являются оптимальным видом изоляции для подземных и наземных конструкций.

Изоляционные защитные материалы используются во всех сферах строительно – монтажных работ, для защиты металлических конструкций от разрушающих природных и искусственных факторов.

В зависимости от состава изоляционные покрытия подразделяют на две больших группы: металлические и неметаллические.

Неметаллические покрытия

Неметаллические покрытия – органические и неорганические материалы, которые являются изоляторами металлов как от агрессивной среды, так и от действия электрического тока.

Изоляционные материалы применяются в зависимости от назначения металла.

Например, при проектировании подземных конструкций используются материалы на основе резины, битумы и полилены, так как они обладают диэлектрическими, и антикоррозионными свойствами. Проверку износостойкости этих материалов проводят раз в 25 лет.

По результатам проверки, если нет механических повреждений, покрытие оставляют еще на 25 лет.

Если механические повреждения есть, то производится замена поврежденного участка изоляции.

В случаях, когда необходимо обезопасить металл, находящийся на поверхности земли или над ней, используются специальные краски и эмали, в состав которых входит пассивный элемент или стойкий к внешним воздействиям оксид хрома, оксид кремния и т.д.

Такая защита не имеет срока износа и замены, единственное ее необходимо раз в 12 месяцев или по мере истирания подновлять.

Коррозия железа в кислотном растворе с катодным (а) и анодным (б) покрытиями: 1 – основной металл; 2 – покрытие; 3 – раствор электролита

В качестве защиты от электрохимической коррозии используют пластмассы, которые являются диэлектриками с пассивным элементом в составе.

Металлические покрытия

Главной особенностью металлической изоляции является то, что она работает даже в случае нарушения целостности покрытия.

Пока изоляция не нарушена ее свойства такие же, как и у неметаллических покрытий: полная защита металла от агрессивных воздействий среды и электрического тока.

В случае повреждения изоляции происходит образования гальванического элемента.

Гальванический элемент – это источник тока, который создается за счет химической реакции кислой или щелочной среды с металлом.

В зависимости от типа металла, используемого в изоляции, покрытия подразделяются на:

• катодные – материалы, имеющие потенциалы в положительных значениях в сравнении со сплавом;
• анодные – материалы с более отрицательными потенциалами.

Например, изолируя железо необходимо учитывать, что его потенциал равен -0,44 В. Это означает, что при использовании как изолятор никеля (-0,234В) покрытие будет являться катодным, а при использовании цинка (-0,763В) – анодным.

Если железо, изолированное никелевым покрытием, будет находиться в кислой среде и произойдет повреждение материала (а), то оно начнет окисляться, а покрытие восстанавливаться, так как создастся гальванический элемент.

В результате такого процесса покрытие потеряет свой защитные свойства и начнется процесс коррозии.

Если железо изолировать цинковым покрытием и поместить в ту же среду, то процесс будет идти по-другому.

Потенциал цинка выше, чем потенциал железа, поэтому при повреждении защитного слоя и создании гальванического элемента цинк начнет окисляться, а железо – восстанавливаться.

Данный процесс приводит к тому, что несмотря на разрушающееся защитное покрытие металл продолжит оставаться защищенным.

Металлические покрытия могут быть получены несколькими способами:

• электрохимический – покрытие наплавляют на металл с использованием кислой или щелочной среды, в которую погружены электроды;
• лужение и цинкование – погружение металла в расплавленное покрытие;
• химическое восстановление.

Химические способы

Современные технологии позволили создать десятки способов химической защиты от коррозии.

Существуют уникальные, дорогостоящие методы, такие как покрытие металла золотом и платиной. Их используют в микроэлектроники и машиностроении.

В массовом производстве используются более экономически выгодные методы. Самыми распространёнными являются:

Оксидирование

В основе метода заложено создание на металле специальной защитной пленки – оксида.

Оксидная пленка создается при помещении металла в концентрированный раствор щелочи или кислоты, который нагревается от 130 до 350⁰С, в зависимости от элементов сплава.

Самой распространённой щелочью в оксидировании является едкий натр, а кислоты – нитрат натрия и нитрит натрия.

При помещении металла в раствор концентрированной щелочи, он начинает окисляться, то есть высвобождать электроны:

Ме 0 ↔ Ме n+ + n e,

где n – количество окисленных электронов.

Одновременно с этим процессом происходит восстановление щелочи, что приводит к высвобождению гидроксильной группы:

Высвободившиеся электроны и гидроксильная группа вступают в реакцию с образованием оксида:

При окислении малоуглеродистой стали оксидная пленка окрашивается в иссиня черный цвет, а у высокоуглеродистой в серо-черный.

Метод оксидирования широко используется в декоративных работах и в ковке.

Фосфатирование

Данный метод основан, как и оксидирование, на создании защитной пленки с использованием высококонцентрированных растров фосфорной кислоты и дигидроортофосфосфата марганца (II) кислоты при невысоких температурах, до 100⁰С.

В результате химической реакции, основанной на окислительно – восстановительных процессах, на поверхности металла образуется пленка, состоящая из пассивных солей: гидрортофосфата марганца (II), дигидроортофосфосфата марганца (III), ортофосфата и фосфата фосфатированного металла.

При рассмотрении окислительно – восстановительного процесса на железе (II), видно, что

Железо в растворе окисляется:

В самом растворе, происходит восстановление водородной группы:

Высвободившиеся электроны взаимодействуют между собой, образуя фосфатные пленки:

Фосфатные пленки имеют высокий показатель адгезии, что позволяет легко наносить на них лаки и краски.

Однако данный вид защиты от коррозии можно использовать только в закрытых помещениях или как вспомогательный, так как повредить фосфатную пленку достаточно легко.

Анодирование

Метод является разновидностью оксидирования, когда на поверхность металла наносится алюминиевый слой оксида алюминия.

В качестве восстановителя используются концентрированные: серная, хромовая, бороводородная, щавелевая кислоты.

В качестве окислителя выступает алюминий, как восстановитель – водород, из кислоты.

Данный метод используется для покрытия декоративных металлов.

Электрохимические способы защиты от коррозии

Электрохимические способы защиты от коррозии широко используются в строительстве наземных и подземных сооружений.

В основе электрохимической защиты заложен закон сохранения заряда, то есть перехода заряда из одного состояния в другое.

В качестве заряда используется постоянный переход дополнительных электронов для восстановительного процесса металла с катода или анода, в зависимости от типа конструкции. Переход электронов происходит за счет создаваемой связки гальванического элемента.

Катодная защита

Этот тип защиты широко используют для защиты от коррозии подземных газопроводов, сооружений, резервуаров, а также для защиты аппаратуры промышленных предприятий.

Сущность метода заключается в катодной поляризации защищаемого металла: защищаемая конструкция подключается к отрицательному полюсу источника тока, а положительный полюс подключается к болванке металла, то есть к аноду.

Схема катодной защиты

1 – стальной провод с изоляцией; 2 – грунт; 3 – выпрямитель; 4 – засыпка; 5 – вспомогательный анод; 6 – защищаемая конструкция (трубопровод).

При таком подключении защита конструкции происходит за счет постоянных восстановительных процессов, а окислительные процессы будут проходить на аноде (металлической болванке), то есть все разрушающие воздействия будут переходить на анод.

Если монтаж защиты осуществляется в агрессивный грунт, то около анода создается дополнительный токопроводящий слой из смеси кокса, хлорида натрия и сульфата кальция.

Катодная защита хорошо показывает себя для защиты конструкций в средне агрессивных грунтах

Протекторная защита

Универсальная защита трубопроводов, которая не требует стороннего источника питания.

В основу метода положены окислительно – восстановительные реакции.

Протектор (металлическая болванка) является анодом и со временем окисляется, то есть высвобождает электроны. Защищаемая конструкция находится в непрерывном процессе восстановления, так как является катодом.

Пока анод полностью не разрушится, конструкция будет в безопасности.

Схема протекторной защиты

1 – защищаемая конструкция (трубопровод); 2 – стальной наконечник; 3 – грунт; 4 – засыпка (суспензия бентонита и алебастра); 5 – протектор; 6 – стальной провод с изоляцией.

Эффективность защиты определяется расстоянием, на котором может находиться протектор от защищаемой конструкции. Расстояние зависит от токопроводимости грунта, чем она выше, тем дальше можно расположить протектор.

Протекторную защиту как самостоятельный метод борьбы с коррозией используют редко, в основном она идет дополнением к неметаллическим изоляторам.

Анодная защита

Анодная защита используется в тех случаях, когда конструкция состоит из компонентов, которые могут при определенных условиях переходить в пассивное состояние.

За счет создание окислительно – восстановительной цепочки, в которой анодом будет конструкция, а катодом – металлическая болванка. Активатором процесса является источник постоянного тока, который будет создавать поляризацию.

Анодная защита используется в агрессивных средах с хорошей электрической проводимостью.

К пассивным компонентам слава относятся:

• хром;
• никель;
• титан;
• цирконий;
• железные сплавы.

Изменение свойств коррозионной среды

Скорость коррозии конструкций из коррозийных металлов можно снизить изменением состава грунта.

Это достигается удалением коррозийно – активных веществ из почвы. Основными способами удаления являются:

• обдувка инертными газами;
• химическая обработка среды;
• обезвоживание влажных грунтов;
• обескислочивание почвы;
• удаление агрессивных компонентов с помощью абсорбции.

Самым распространённым способом является введение в агрессивную среду ингибиторов, то есть компонентов, которые замедляют вредоносные процессы.

Видов коррозии металлов, как и способов защититься от нее достаточно много.

Для длительного служения конструкции необходимо правильно выбирать способ защиты от коррозии исходя не только из свойств того или иного металла, но и внимательно изучая грунты, климат и атмосферу в месте строительства.

Если пренебречь сбором информации и расчетами, даже самая качественная конструкция прослужит недолго.