Коррозия металлов и способы защиты

Определение и классификация коррозионных процессов. Коррозия (от лат. corrosion — разъедать, разрушать) представляет собой самопроизвольное разрушение металлов и их сплавов под влиянием окружающей среды, что приводит в конечном итоге и к разрушению металлических конструкций, аппаратов, трубопроводов и других изделий. Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует), называется коррозионной или агрессивной. Такой средой могут быть жидкости или газы. При этом образуются продукты коррозии - химические соединения, содержащие металл в окисленной форме.

Коррозия начинается с поверхности металла и при дальнейшем развитии этого процесса распространяется вглубь него. Металл при этом теряет блеск, а поверхность становится неровной (изъеденной). Наглядным примером коррозии является ржавчина на поверхности стальных и чугунных изделий и конструкций. Однако не следует отождествлять понятия «коррозия» и «ржавчина». Если коррозия — это процесс, то ржавчина — один из его результатов.

Согласно международному стандарту ISO 8044 под коррозией понимают химическое или физико-химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы. Ржавчина — это слой частично гидратарованных оксидов железа, образующийся на поверхности железа и некоторых его сплавов в результате коррозии.

В большинстве случаев коррозия легко обнаруживается визуально по вспучиванию лакокрасочного покрытия или по характерным для каждого металла продуктам коррозии. На стальных изделиях появляются бурые продукты ржавчины, на алюминиевых или магниевых — белые оксиды этих металлов, на изделиях из меди и ее сплавов — зеленый налет оксидов или черный налет сернистой меди, на изделиях с цинковыми покрытиями — розовые, а с кадмиевыми — желтые продукты коррозии.

В зависимости от условий, в которых происходит процесс коррозии, ее называют атмосферной, морской, почвенной, кислотной и щелочной. По характеру коррозионных процессов различают сплошную (общую), избирательную (местную), межкристаллитную и растрескивающую коррозию. Однако приведенная классификация является условной, потому что реальные формы коррозионных разрушений могут находиться между характерными типами.

В зависимости от окружающей среды и механизма протекания коррозия может быть химической, электрохимической и биологической.

Химическая коррозия возможна в любой коррозионной среде, однако чаще всего она протекает в средах, не проводящих электрический ток (например, в сухих газах, жидкостях органического происхождения — нефть, бензин, спирт и др.). Движущей силой такой коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в газовых средах при определенных давлении, температуре и активности газовой среды.

Металл при соприкосновении с воздухом, содержащим кислород, покрывается тонкой оксидной пленкой (окалиной). В ряде случаев она обладает хорошими защитными свойствами и предохраняет металл от дальнейшего окисления. При нормальной температуре газы медленно диффундируют через оксидные пленки к поверхности металла. Однако при повышении температуры скорость диффузии повышается, что приводит к более интенсивному окислению поверхности металла и увеличению толщины слоя окалины. Она, слабо сцепляясь с металлом, постепенно отпадает от него (осыпается), что и ускоряет процесс дальнейшего разрушения.

Наиболее распространенной является электрохимическая коррозия. Она происходит при взаимодействии металлов с жидкими средами, проводящими электрический ток (вода, водные растворы, соли, кислоты, щелочи) и сопровождается перемещением заряженных частиц. В таких средах на поверхности металла возникают участки с различным электрохимическим потенциалом, что приводит к возникновению микрогальванического коррозионного элемента. Участок с пониженным потенциалом в таком элементе является анодом и растворяется.

Изучение механизмов химической и электрохимической коррозии показывает, что резкого различия между ними не существует. В ряде случаев возможен постепенный переход химической коррозии в электрохимическую и, наоборот, механизм коррозии металлов в растворах электролитов может иметь двоякий характер.

Биохимическая коррозия – это процесс, связанный с воздействием микроорганизмов и пота рук человека на металл. При этом металл является либо питательной средой для микроорганизмов и разрушается, либо разрушение происходит под действием продуктов, образующихся в результате их жизнедеятельности. Биохимическая коррозия протекает, как правило, в растворах электролитов, поэтому параллельно может протекать и электрохимическая коррозия.

Методы защиты металлов от коррозии. Коррозия металлов происходит в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде (например, в атмосфере аргона). Однако реально создать такую среду при эксплуатации изделий и конструкций практически невозможно. Очень чистое железо, содержащее менее 0,01% примесей серы, углерода и фосфора, тоже устойчиво к коррозии. Подтверждением может служить железная колонна, воздвигнутая в IX в. до н. э. близ г. Дели в Индии и не имеющая в настоящее время никаких следов ржавчины.

На практике в зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные способы защиты металлических изделий и конструкций. Выбор того или иного способа определяется условиями эксплуатации, механизмом коррозии, его эффективностью в данном конкретном случае и экономической целесообразностью.

Методы защиты металла от коррозии условно можно разделить на несколько групп:

• изменение свойств самого металла и его оксидной пленки, т. е. повышение химического сопротивления металла (легирование, термообработка, поверхностная обработка – пассивация, аморфизация и др.);

• изменение характера взаимодействия конструкционного материала со средой на границе раздела сред, т. е. изоляция поверхности металла от агрессивной среды (нанесение защитных покрытий, катодная поляризация, устранение анодной поляризации, рациональное конструирование и проектирование и др.);

• изменение свойств окружающей и производственной среды, т. е. понижение ее агрессивности (создание микроклимата и защитной атмосферы, ингибирование и деаэрация среды, водоподготовка, снижение содержания агрессивных компонентов и др.);

• снижение коррозии наложением внешнего тока (электрохимическая защита).

Первые два метода обычно реализуются до начала производственной эксплуатации металлических изделий (выбор конструкционных материалов и их сочетаний еще на стадии проектирования и изготовления изделий, нанесение на них гальванических или иных защитных покрытий и т. д.). Последующие два метода могут быть осуществлены только в ходе эксплуатации изделий (пропускание тока для достижения защитного потенциала, введение в технологическую среду специальных добавок-ингибиторов и др.) и не связаны с какой-либо предварительной обработкой до начала их использования.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Приведите классификацию металлов.

2. Какие металлы относят к черным, а какие к цветным? В чем их различия?

3. Что такое сталь и чугун? Охарактеризуйте основные их виды.

4. В чем сущность доменного процесса получения чугуна?

5. Расскажите о производстве стали.

6. Назовите состав углеродистой стали.

7. Что такое легированные стали? Какую роль играют легирующие элементы?

8. Назначение и виды термической обработки стали.

9. Какие из цветных металлов имеют наибольшее применение в строительстве и каковы их свойства?

10. В чем сущность электрохимической, химической и биохимической коррозии стали?