Какой вред наносит коррозия металлов

— разрушение металлов и сплавов под действием веществ, содержащихся в окружающей среде.

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа и его сплавов (стали и чугуна), поверхность которых постепенно покрывается .

Рис. (1). Ржавчина

Процесс ржавления железа во влажном воздухе или в воде можно выразить уравнением:

Состав ржавчины переменный, часто его записывают так:

Другим примером коррозии может служить образование (зелёного налёта) на поверхности предметов, изготовленных из меди или её сплавов (бронзы, латуни и др.).

Рис. (2). Патина

Медь реагирует с водой, кислородом и углекислым газом. При этом образуется основной карбонат:

У металлов разная устойчивость к действию окружающей среды. Наиболее подвержены коррозии щелочные и щёлочноземельные металлы (натрий, калий, кальций и т. д.). На воздухе эти металлы очень быстро превращаются в соединения, поэтому хранятся под слоем керосина. Практически не подвергаются коррозии платина и золото.

Скорость коррозии зависит от состава металла или сплава, от состава среды и от температуры. Повышение температуры ускоряет коррозию так же, как и все химические реакции.

Коррозия ускоряется, если металл неоднородный или соприкасается с менее активным металлом. Коррозия замедляется, если металл содержит легирующие добавки и контактирует с более активным металлом. Замедляет коррозию также введение в среду ингибиторов.

Коррозия может происходить при контакте металла с сухими газами (кислородом, галогенами, сернистым газом, углекислым газом) или растворами неэлектролитов. Такую коррозию называют . Коррозию могут вызывать также растворы электролитов. В этом случае говорят об коррозии.

При химической коррозии поверхность металла контактирует с молекулами вещества-окислителя и происходит окислительно-восстановительная реакция.

Наиболее распространена химическая коррозия с участием кислорода воздуха, приводящая к образованию оксидов:

При контакте металла с воздухом его поверхность покрывается слоем оксида. В некоторых случаях происходит металла — образуется сплошная оксидная плёнка, которая выполняет защитную функцию. Сквозь неё молекулы кислорода больше не проникают к поверхности металла, и дальнейшее окисление не может происходить. Такие плёнки возникают на поверхности алюминия, никеля, цинка, хрома, титана и других металлов. Эти металлы устойчивы к коррозии.

Рис. (3). Пассивация поверхности хрома

С другими металлами дела обстоят иначе. Их оксидная плёнка рыхлая, и она не защищает поверхность от дальнейшего разрушения. Например, если кусок кальция оставить на воздухе, то его поверхность быстро покрывается белым налётом продуктов коррозии.

Химическая коррозия происходит в химических реакторах, в трубопроводах, двигателях внутреннего сгорания, при термической обработке металлов, т. е. там, где металл соприкасается с агрессивными веществами. Примеры химической коррозии:

Электрохимической коррозией называются процессы с участием растворов электролитов, которые протекают с возникновением электрического тока.

Такая коррозия происходит в воде, содержащей растворённые вещества-электролиты.

Причиной электрохимической коррозии служит наличие контакта двух разных металлов (или металла и неметалла, обладающего свойствами проводника). Электрохимическая коррозия возникает также в металлах, содержащих примеси электропроводных веществ.

Более активный металл выполняет роль анода. На нём происходит окисление металла и образование катионов (растворение):

Катодом является менее активный металл. На нём происходит восстановление ионов водорода или кислорода. Роль окислителя в нейтральной и щелочной среде выполняет вода или кислород:

В кислой среде окислителем являются катионы водорода:

Рассмотрим процессы электрохимической коррозии, возникающие при контакте железа с металлами разной активности.

Пример (1). Контакт железа и меди.

Рис. (4). Коррозия при контакте меди и железа

Железо легче отдаёт электроны, чем медь. Оно окисляется, его ионы переходят в раствор:

На железе возникает избыток электронов, и они перемещаются к меди. Возникает электрический ток.

В кислой среде на поверхности меди восстанавливается водород:

Продукт коррозии железа в этом случае — соль железа.

В нейтральной или щелочной среде на поверхности меди идут процессы восстановления воды или растворённого в ней кислорода:

Продукты коррозии в этом случае — гидроксиды железа:

Коррозии подвергается более активный металл железо.

Пример (2). Контакт железа и цинка.

Рис. (5). Коррозия при контакте железа и цинка

В этом случае окисляется более активный цинк:

Продукты коррозии — соль цинка (в кислой среде) или гидроксид цинка

(в нейтральной и слабощелочной среде).

Коррозии подвергается более активный металл цинк.

Рис. 1. Ржавчина, https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/close-on-corroded-steel-pipe-corrosion-729799126. Дата обращения: 08.02.2023.

Рис. 2. Патина, https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/vintage-metal-crypt-door-that-green-1466991548. Дата обращения: 08.02.2023.

18 декабря 2019

Необходимость защиты металлов от коррозии возникла вместе с появлением первых металлических изделий.

В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют ввиду нежелательный процесс взаимодействия металла со средой. Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии, является окисление металла.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металла.

Химическая коррозия – это разрушение металла окислением его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. Большой вред наносит разновидность химической коррозии – газовая коррозия. Металл реагирует с определенными газами, содержащимися в воздухе — кислородом, диоксидом углерода, диоксидом серы или сероводородом, образуя на поверхности металла оксид. Когда металл коррозирует, на его поверхности появляются маленькие углубления, и прочность металла уменьшается.

Наибольший вред наносит электрохимическая коррозия. В этом случае наряду с химическими процессами происходят и электрические процессы. Электрохимическую коррозию вызывают главным образом примеси других металлов и неметаллических веществ или неоднородность поверхности. Согласно теории электрохимической коррозии, в этих случаях при контакте металла с электролитом (электролитом может быть влага, адсорбированная из воздуха) на его поверхности возникают гальванические микроэлементы. При этом металл с более отрицательным потенциалом разрушается. Его ионы переходят в раствор, а электроны переходят к менее активному металлу. На скорость коррозии влияет и характер электролита. Чем выше его кислотность (то есть меньше pH), тем быстрее происходит коррозия. Также коррозия растет при повышении температуры.

Ещё в древние времена для защиты меди применялось горячее лужение, растительные масла, коррозионностойкие сплавы (оловянная бронза, латунь), для защиты железных и стальных изделий — полирование, воронение, лужение.

Основные методы антикоррозионной защиты

В начале 19 века был открыт электрохимический метод антикоррозионной защиты с помощью протекторов. В середине 19 в. была установлена принципиальная возможность получения металлических покрытий электролитическим способом. Наиболее интенсивно антикоррозионная защита развивается в связи с изобретением нержавеющих сталей, новых коррозионностойких сплавов, полимерных покрытий и др.

Система антикоррозионной защиты определяется условиями эксплуатации и механизмом коррозии металлов (электрохимическим или химическим). Все методы антикоррозионной защиты можно разделить на 2 основные группы: электрохимические, оказывающие влияние на потенциал металла и механические, изолирующие металл от воздействия окружающей среды созданием защитной плёнки и покрытий.

Применение различных методов защиты металлов от коррозии позволяет в какой-то степени свести к минимуму потери металла от коррозии.
Электрохимические методы защиты применяют для предотвращения коррозии морских судов, подземных и гидротехнических сооружений, а также химической аппаратуры, работающей с агрессивными электропроводными средами. Путём катодной или анодной поляризации от постороннего источника тока или присоединением к защищаемой конструкции протекторов потенциал металла смещается до значений, при которых сильно замедляется или полностью прекращается его коррозия.

Антикоррозионные защитные покрытия

Для антикоррозионной защиты широко применяют защитные покрытия. Они делятся на металлические (чистые металлы и их сплавы) и неметаллические. В зависимости от потенциала металла покрытия могут быть анодными и катодными по отношению к защитному металлу.

Неметаллические защитные покрытия — лакокрасочные, пластмассовые, каучуковые.

Всё больше распространяются пластмассовые покрытия из полиэтилена, полиизобутилена, фторопласта, найлона, поливинилхлорида и др., обладающих высокой водо-, кислото- и щёлочестойкостью. Многие пластмассы используют как футеровочный материал для химических аппаратов и гальванических ванн (винипласт, фаолит и др.). Для защиты деталей радиоаппаратуры служат заливочные полимерные компаунды. Эффективно защищают от действия кислот и др. реагентов покрытия на основе каучука (гуммирование).

Лакокрасочные покрытия имеют ряд преимуществ по сравнению с другими видами защитных покрытий:

• простота нанесения;
• возможность получения покрытия любого цвета;
• возможность обработки металлоконструкций больших габаритов и сложной конфигурации;
• экономичность по сравнению с другими видами защитных покрытий
• высокие защитные свойства;
• возможность восстановления в процессе эксплуатации.

Наиболее часто антикоррозионная защита заключается в нанесении на поверхность защищаемых конструкций слоев защитных покрытий на основе органических и неорганических материалов, в частности, лакокрасочных материалов.

Антикоррозионное защитное покрытие должно соответствовать следующим требованиям:

• повышать сопротивляемость конструкции внешнему вредному воздействию;
• должно подбираться с учетом специфики защищаемого материала;
• должно обеспечивать изоляцию материала от негативной среды.

Выбор антикоррозионного покрытия и схемы антикоррозионной защиты металла (включая марку ЛКМ, количество наносимых слоёв и общую толщину покрытия) осуществляется с учётом характеристики среды эксплуатации металлической конструкции, а также с учётом условий при нанесении антикоррозионного покрытия.

Лакокрасочные материалы для антикоррозионной защиты металлоконструкций
Существуют различные антикоррозийные материалы и покрытия, применение которых зависит от агрессивности окружающей среды и особенностей эксплуатации.

Одними из наиболее распространенных лакокрасочных материалов используемых для антикоррозионной защиты металлоконструкций являются материалы на основе эпоксидных смол.

Практически всегда эпоксидные лакокрасочные материалы двухупаковочные. Основой эпоксидных лакокрасочных материалов служат эпоксидные смолы, которые представляют собой линейные простые полиэфиры, молекулярные цепи которых имеют реакционно-способные эпоксидные группы на обеих концах и вторичные гидроксильные группы, расположенные вдоль всей цепи.

Образование пространственных полимеров (отверждение смол) происходит в результате сшивки линейных молекул при взаимодействии их с органическими азотосодержащими соединениями (отвердителями). В процессе реакции происходит отверждение смолы и превращение ее в нерастворимое, неплавкое соединение трехмерного строения без выделения побочных продуктов реакции, поэтому почти не происходит усадки покрытия.

Перспективные разработки — лакокрасочные материалы без растворителей
Одним из наиболее перспективных лакокрасочных материалов являются материалы, не содержащие растворителей. Их получают на основе жидких эпоксидных смол. Для снижения вязкости в них вводят активные разбавители, которые придают лакокрасочному материалу малярные свойства без использования летучих растворителей. Особенно важно использовать лакокрасочные материалы без растворителей при окрашивании различных цистерн и других замкнутых объемов. Это позволяет резко снизить токсичность, пожаро- и взрывоопасность окрашивания.

Эпоксидные материалы для наружной и внутренней защиты магистральных трубопроводов
Основное достоинство покрытий на основе эпоксидных смол — сочетание хороших физико-механических и электроизоляционных свойств. Покрытия на основе эпоксидных смол обладают хорошей адгезией к металлу, дереву и другим материалам, высокой твердостью и химической стойкостью, отличной водостойкостью; они устойчивы к воздействию нефти и нефтепродуктов и многих растворителей.

Хорошая стойкость к щелочам и кислотам, алифатическим и ароматическим углеводородам, маслам, топливу, воде позволяют использовать эпоксидные материалы для наружной и внутренней защиты магистральных трубопроводов. Используя их можно получить покрытия с одинаково хорошей твердостью,  эластичностью и ударной прочностью.

Поэтому антикоррозионные покрытия на основе эпоксидных смол с каждым годом становятся всё более востребованными в самых разных отраслях промышленности.

Химическая коррозия металлов – это опасное явление, способное привести к их полному разрушению. Процесс напрямую связан со способностью материала вступать во взаимодействие со средой, представляющей повышенную химическую опасность.

Среди важных свойств протекания химической коррозии металла – параллельный процесс окисления и восстановления. Ученые не отмечают прямой связи с электрическим током, который потенциально может образовываться или воздействовать на участвующие в реакции материалы.

Если рассматривать первопричину распространения такого процесса, то мы быстро придем к выводу – она кроется в термической нестабильности металлов разных типов.

Они склонные под воздействием окислительных компонентов среды быстро переходить в устойчивое состояние и зачастую это происходит полностью непроизвольно.

Процесс окисления и восстановления при протекании химической коррозии происходит на фоне уменьшения потенциала системы. При этом нужно учитывать знаки  изменения потенциала, чтобы предсказать риск произвольного запуска такого процесса и его интенсивного протекания внутри материала.

Ученые определяют основным критерием, который стимулирует самопроизвольный процесс, такой показатель, как изобарно-изотермический потенциал G.

Когда реакция начинает протекать произвольно, он значительно убывает. При этом скорость уменьшения может меняться в зависимости от типа материалов, условий коррозионной среды и ряда других ключевых параметров.

Основные виды химической коррозии

Ученые выделяют два основных типа химической коррозии. Газовая протекает при контакте поверхности металла с газами. Она усиливается по мере изменения температуры среды.

Также химическая коррозия способна активно протекать в жидкостях-электролитах, если для этого формируются необходимые внешние условия.

Рассмотрим особенности обоих описанных процессов более подробно, чтобы понять, как можно создать дополнительную защиту от них.

Газовая коррозия металлов

Научная статистика показывает, что газовая коррозия металлов протекает наиболее часто. При рассмотрении химической порчи она значительно более распространена, чем жидкостное ржавение при контакте с электролитами.

Важный фактор здесь – высокая температура. Если металл сильно нагрет и на него начинает воздействовать газ, происходит разрушение.

Так как уровень температур должен быть достаточно высок, а при обычном использовании создать условия для протекания такой химической коррозии довольно сложно, процесс часто наблюдается в металлургии.

Из-за этого страдает оборудование, используемое при штамповке, ковке, горячей прокатке и других процессах. Без дополнительной защиты длительность использования подобной техники станет значительно меньше.

Опасность представляет и контакт металла с кислородом. Формула реакции, которая запускается в таком случае, выглядит следующим образом: Ме + 1/2О2 – МеО.

Эта реакция имеет четкое окислительное направление, потому напрямую связана с показателями парциального кислородного давления. Стоит обратить внимание на то, что реакция может быть равновесной, смещенной к образованию оксида, либо протекающей в обратном направлении.

Очень важно понимать, с какой газовой смесью контактирует металл в той области, где вы его используете. Хорошее понимание парциального давления кислорода в смеси даст нам температурный интервал.

Именно в нем будет запускаться окислительный процесс, приводящий к разрушению материала или значительному ухудшению уровня его качества.

Факторы скорости протекания газовой химической коррозии

По мере исследования особенностей процесса протекания химической коррозии, ученые смогли определить важные факторы, которые влияют на ее скорость и другие особенности. К ним относятся такие, как:

• Температура среды, в которую погружен металл.
• Состав сплава и другие особенности металла.
• Особенности газовой среды, ее состав, преобладающие элементы.
• Длительность контактирования материала с коррозийной средой.
• Появляющийся продукт коррозии.

Как и в случае с другими типами коррозийных поражений, большое значение имеет тип и особенности создающейся на поверхности оксидной пленки.

Особенности формирования оксидных пленок при газовой коррозии

Весь процесс формирования оксидной пленки на поверхности металла можно разделить на две крупные стадии:

Абсорбирование молекул кислорода на поверхности металлического изделия

Это происходит на тех участках, которые находятся в непосредственном контакте с атмосферой. Заметно появление ионной связи – атом кислорода забирает у металла по два электрода.

Можно предположить, что формирование очень сильной и стабильной связи при протекании такой реакции связано с попаданием кислорода в особое поле атомов металла.

Когда поверхность материала будет полностью наполнена окислителем, окажется сформирована мономолекулярная пленка. Она имеет склонность к утолщению со временем. Это уменьшает дальнейший контакт с кислородом, но сам опасный коррозийный процесс уже оказывается запущен.

Формирование химического соединения

Это явление характерно для ситуации, в которой происходит активное взаимодействие металла и газа. Из-за воздействия окислительных компонентов сплав начинает активно терять валентные электроны. Стремительно формируются и накапливаются продукты коррозии.

Дальнейшее протекание процесса будет во многом характеризоваться особенностями оксидной пленки. Так если она отличается повышенным уровнем защиты, сам коррозийный процесс будет замедляться.

Виды оксидных пленок

Когда химическая коррозия происходит под действием температуры и газовой среды, могут сформироваться три вида пленок:

• Тонкие. Со стороны заметить их будет невозможно. Они одни из самых не прочных, могут легко стираться под действием механического давления.
• Средние. Могут быть замечены, потому что со стороны металл слегка меняет цвет.
• Толстые. Хорошо заметны невооруженным глазом.

Чтобы не допустить протекание опасных процессов разрушения материала, важно сделать пленку защитной.

Факторы формирования защитной пленки

Оксидная пленка способна оказывать выраженное защитное воздействие на материал. Но для этого требуется, чтобы она соответствовала нескольким важным требованиям:

• Сплошность. На поверхности пленка распределяется ровным слоем, без пор и участков, которые не затронуты ею.
• Хорошее сцепление с поверхностью материала. Это требуется для удержания подобного защитного барьера на месте и исключения ухудшения его свойств.
• Химическая инертность. Пленка будет защищать металл только в том случае, если она вступает в химические реакции с окружающей средой. В противном случае, есть большая опасность, что весь защитный эффект окажется сведен к нулю.

Так как материал будет использоваться на протяжении длительного времени и сложно предсказать, что станет воздействовать на него, большое значение имеет стойкость к износу и повышенный уровень твердости.

Не менее важен и тот факт, чтобы пленка не была пористой и рыхлой. Когда она плохо контактируется с поверхностью, риск протекания разрушающих процессов становится значительно выше.

При изучении различных свойств оксидных пленок, ученые особенно пристально рассматривают сплошность. Отмечается, что на нее влияет молекулярный объем. Его показатели должны быть выше атомного объема металла.

Сплошность не ставится на первое место при определении защитных свойств оксидной пленки только для небольшой группы металлов. В их числе щелочно-земельные и щелочные.

При проведении работ по защите от химической коррозии, большое внимание уделяется методу замера толщины. Анализ характеристик происходит на разных стадиях формирования. Большое значение имеют получаемые показатели скорости окисления металла и характер протекания подобного процесса.

Когда окислы оказываются сформированными, специалисты рекомендуют проверить, какую пленку они создали на поверхности, обладает ли она нужными защитными свойствами.

Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах

Хотя газовая коррозия считается наиболее распространенной, порчу металла при контакте с различными жидкостями-электролитами также не стоит сбрасывать со счетов. Большую опасность представляет контакт материала с веществами, способными проводить электричество.

Их делят на две крупные группы – органические и неорганические. Электролитов, представляющих большую опасность для металла, много – от расплавленной серы и бензола до жидкого брома, спирта, керосина, нефти и других.

Большое значение при протекании химической реакции играет чистота электролита. Когда он полностью чист, взаимодействия не наблюдается. Но стоит только попасть в состав небольшому количеству примесей, реакция начинает развиваться особенно стремительно.

Еще один дополнительный фактор риска – присутствие влаги. Тогда к опасности химической коррозии также прибавляется и угроза электрохимической.

Стадии протекания коррозии в жидкостях-неэлектролитах

Если рассматривать весь процесс более подробно и анализировать, что влияет на скорость химической коррозии, можно выделить несколько стадий ее протекания:

• Контакт окислителя с поверхностью материала.
• Запуск процесса хемосорбции реагента на поверхности.
• Протекание реакции металла и окислителя, формирование оксидной пленки.

Условия среды, состав сплава и самого электролита могут повлиять на протекание нескольких основных процессов. К ним относятся такие, как десорбция оксидов с металлом и диффузия оксидов в неэлектролит. Но оба процесса также могут и не наблюдаться.

Чтобы не допустить запуска коррозии в жидкостях-электролитах, стоит позаботиться о нанесении на поверхность специальных защитных составов. Важно, чтобы на протяжении всего времени использования изделия они полностью сохраняли свою целостность.

Факторы протекания химической коррозии

Большое значение при рассмотрении процесса химической коррозии металлов имеет определение факторов, оказывающих на нее влияние. К ним относятся такие, как:

Температура

Все окислительные процессы протекают быстрее, если температура сильно увеличивается.

Температурный режим

В особой группе риска оказываются металлические изделия, которые на протяжении определенного времени начинают охлаждаться и нагреваться попеременно. В таком случае сильно страдает защитная пленка. Она начинает трескаться, в местах, где это происходит, металл контактирует со средой, запускается повторное окисление. Новая пленка также формируется на фоне постепенного отслоения старой.

Состав среды

Это относится как к газам, так и к электролитам в жидком виде. Как уже было отмечено выше, даже небольшие загрязнения жидкости могут привести к тому, что скорость коррозийного повреждения станет значительно выше.

Состав сплава

В сплав металла добавляют различные компоненты, которые могут, как затормозить, так и ускорить окисление. К примеру, сильными замедлителями признаны такие добавки, как титан, медь и кобальт. Хорошо влияют на уменьшение скорости протекания процесса хром и алюминий.

Тип обработки поверхности

Ученые во время исследований показали, что гладкая поверхность отличается заметно более высокой устойчивостью к окислению, процесс протекает медленнее. Если же на поверхности металла много бугров, есть выраженные дефекты, стоит готовиться к более быстрому протеканию.

Структура материала

Уравнение химической коррозии показывает, что значительное замедление коррозийного процесса характерно для металлов с аустенитной структурой.

Подведем итоги

В этой статье мы рассмотрели виды химической коррозии и то, чем она отличается от электрохимической. При условии соблюдения ряда требований, удается заметно уменьшить риск разрушения металла. К ним относятся такие, как:

• Контроль формирования защитной оксидной пленки.
• Исключение контакта определенных материалов с агрессивными средами.
• Использование дополнительных защитных покрытий.
• Отслеживание состава газовой смеси или электролита.
• Применение металлов с компонентами сплава, замедляющими реакцию.

Соблюдение перечисленных требований позволит значительно увеличить длительность использования вашего металлического изделия.

Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — 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 или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н2О + ЗО2 = 4Fe(OH)3. Гидратированный оксид железа Fe(OН)3 и является тем, что называют ржавчиной.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. 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;
• локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки: пятнами;язвенная;точечная (или питтинг);сквозная;межкристаллитная (расслаивающая в деформированных заготовках и ножевая в сварных соединениях).
• пятнами;
• язвенная;
• точечная (или питтинг);
• сквозная;
• межкристаллитная (расслаивающая в деформированных заготовках и ножевая в сварных соединениях).

Главная классификация производится по механизму протекания процесса. Различают два вида:

• химическую коррозию;
• электрохимическую коррозию.

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.

Типы коррозии

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.

При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO2, образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Этот вид коррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так, совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большим 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.

Водородная и кислородная коррозия

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

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:

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

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение 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.

Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

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).

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.

Система холодного цинкования

Система холодного цинкования предназначена для усиления антикоррозионных свойств комплексного многослойного покрытия. Система обеспечивает полную катодную (или гальваническую) защиту железных поверхностей от коррозии в различных агрессивных средах

Система холодной оцинковки бывает одно-, двух- или трехупаковочной и включает:

• связующее — известны составы на хлоркаучуковой, этилсиликатной, полистирольной, эпоксидной, уретановой, алкидной (модифицированной) основе;
• антикоррозионный наполнитель — цинковый порошок («цинковая пыль»), с содержанием более 95 % металлического цинка, имеющего размер частиц менее 10 мкм и минимальную степень окисления.;
• отвердитель (в двух- и трех- упаковочных системах)

Одноупаковочные системы холодного цинкования поставляются готовыми к применению и требуют лишь тщательного перемешивания состава перед нанесением. Двух- и трехупаковочные системы могут поставляться в нескольких упаковках и требуют дополнительных операций по приготовлению состава перед нанесением (смешивание связующего, наполнителя, отвердителя).

После приготовления (двух- и трёхупаковочные системы), нанесения состава на защищаемую поверхность металла кистью, валиком, методом пневматического или безвоздушного распыления и высыхания на поверхности металла образуется цинкнаполненное противокоррозионное покрытие — полимерно-цинковая плёнка, сохраняющая все свойства полимерного покрытия, которое использовалось в качестве связующего, и одновременно обладающая всеми защитными достоинствами обычного цинкового покрытия.

Преимущества системы холодной оцинковки по сравнению со способом горячей гальванизации:

• Простота и меньшая трудоёмкость технологии нанесения защитного цинкового покрытия. Для нанесения покрытия не требуется специальное оборудование.
• Возможность антикоррозионной защиты металлоконструкций любых размеров, как в заводских так и в полевых условиях.
• Возможность исправления непосредственно на месте абразивных повреждений покрытия и дефектов, возникающих при сварке металлоконструкций.
• Экологически чистый процесс нанесения покрытия: нет необходимости производить работы в горячем цеху.
• Создание на поверхности железа гибкого слоя цинка (не образующего микротрещин при изгибании металлоизделия).

Система холодного цинкования применяется во всех видах промышленности и в быту, где требуется надёжная и долговечная защита железных поверхностей от коррозии.

Помимо использования в качестве грунтовочного слоя в комплексном многослойном покрытии система холодной оцинковки может применяться как самостоятельное антикоррозийное покрытие металлических поверхностей.

Газотермическое напыление

(ГОСТ 9.316-2006). 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 интерметаллитных 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.

Цинкование

Цинкование — это процесс нанесения цинка или его сплава на металлическое изделие для придания его поверхности определённых физико-химических свойств, в первую очередь высокого сопротивления коррозии. Цинкование — наиболее распространённый и экономичный процесс металлизации, применяемый для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. На эти цели расходуется примерно 40 % мировой добычи цинка. Толщина покрытия должна быть тем больше, чем агрессивнее окружающая среда и чем длительнее предполагаемый срок эксплуатации. Цинкованию подвергаются стальные листы, лента, проволока, крепёжные детали, детали машин и приборов, трубопроводы и др. металлоконструкции. Декоративного назначения цинковое покрытие обычно не имеет; некоторое улучшение товарный вид приобретает после пассивирования оцинкованных изделий в хроматных, или фосфатных растворах, придающих покрытиям радужную окраску. Наиболее широко используется оцинкованная полоса, изготовляемая на автоматизированных линиях горячего цинкования, то есть методом погружения в расплавленный цинк. Методы распыления и металлизация позволяют покрывать изделия любого размера (например, мачты электропередач, резервуары, мостовые металлоконструкции, дорожные ограждения). Электролитическое цинкование ведётся в основном из кислых и щёлочно-цианистых электролитов; специальные добавки позволяют получать блестящие покрытия.

Экономический ущерб от коррозии

Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

Исследовательские работы и проекты

В процессе работы над исследовательским проектом по физике «Коррозия металлов» учениками 8 класса была поставлена цель узнать, что такое коррозия, понять сущность данного процесса и его влияние на окружающий мир, попытаться выявить методы защиты металла от коррозии.

Подробнее о работе

В предложенном проекте по физике «Коррозия металлов» авторами были проведены опыты с гвоздем, с помощью которых были выяснены причины и определены условия, при которых металл подвержен влиянию коррозии, а также проведено исследование по устранению коррозии с металлической поверхности подручными средствами.

Оглавление

Введение 1. История изучения коррозии металлов. 2. Причины и виды коррозии. 3. Методы защиты металлов от коррозии. 4. Получение эффекта коррозии (опыт с гвоздём). 5. Исследование способов защиты металла от коррозии. Заключение Список используемой литературы Приложения

Введение

Одним из них является коррозия. Коррозия разрушает различные наземные и подземные металлические сооружения, турбинные и ракетные двигатели, подводные части судов, паровые котлы, проложенные в земле трубопроводы, линии электропередач, железные дороги, нефтепроводы. В результате коррозии ухудшаются электрические и магнитные свойства металлов, изменяются размеры сделанных из них деталей, нарушается герметичность аппаратов.

Коррозионный процесс может полностью вывести из строя точные приборы — часы, аналитические весы и другие. Ежегодно потери металлов от коррозии составляют 10-15% от их выпуска и исчисляются миллиардами рублей. Гибнет труд людей, затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов. Кроме того, снижается производительность и срок работы оборудования, повышается его аварийность, нарушаются технологические процессы. В связи с этим исследование механизма процесса коррозии и разработка методов защиты от неё имеют больше значение.

Также мы обратили внимание, что ржавые изделия, детали, конструкции и прочие промышленные материалы встречаются и в повседневной жизни. Так, нами был замечен эффект коррозии на автомобилях (приложение 1), металлических заборах (приложение 2), дорожных знаков (приложение 3). Кроме того, мы наблюдали содержание ржавчины в водопроводной воде (приложение 4).

Проблемы коррозии постоянно обостряются из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции, становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения . Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей.

Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления. Поэтому, изучив процесс коррозии, условия его появления и последствия для окружающего мира, мы решили выяснить, как его можно предотвратить или замедлить.

Цель работы: узнать, что такое коррозия, понять сущность данного процесса и влияние его на окружающий мир, и попытаться выявить методы защиты от коррозии.

Гипотеза: если изучить процессы коррозии и разобраться в причинах её возникновения, то данное явления можно предотвратить и взять под контроль.

• Ознакомиться с историей открытия и исследования коррозии.
• Изучить виды коррозии и причины ее возникновения.
• Провести ряд опыты по наблюдению появления ржавчины и способам защиты от неё.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:

• наблюдение
• изучение и обобщение
• эксперимент
• анализ
• фото- и видеосъемка

Место работы/учебы (аффилиация): СОШ №61 г. Омска, 9 класс

Научный руководитель: Михалева Татьяна Сергеевна

В современном мире коррозия металлов и защита их от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем. Технический прогресс во многих отраслях промышленности тормозится из-за нерешенности ряда коррозионных проблем. Огромны экономические потери от коррозии металлов. 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.

Актуальность: после освоения металлов человеком появилась проблема их коррозии. По сей день, эта проблема продолжает существовать, как в быту, так и в промышленных масштабах, портя инструменты, трубопроводы, каркасы зданий и т.д., или полностью приводя их в негодность. В своём проекте я постараюсь найти решение данной проблемы. Цель: исследовать влияние различных факторов на процесс коррозии металлов. Объект исследования: коррозийный процесс, протекающий в металлах сплавах. Предмет исследования: коррозия металлов. Методы исследования: изучение и анализ литературы, наблюдение, химический эксперимент, анализ полученных данных.

• Провести анализ литературных источников по теме “Коррозия металлов”, а именно видам защиты от коррозии, и способы защиты от неё.
• Установить влияние природы металлов на процесс коррозии.
• Установить влияние природы и состава раствора на коррозию металлов.

В ходе выполнения исследовательской работы выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение, в связи с чем были сделаны следующие выводы:

• Коррозия металлов зависит от свойства и природы материалов, из которых изготовлены конструкции. Это доказано в ходе опыта при изучении коррозии металлических пар. Установлено, что при контакте двух разных металлов коррозия может усиливаться, а может ослабевать.
• Коррозия металлов зависит от природы окружающей среды. При погружении железного гвоздя в различные растворы мы наблюдали его ржавление с разной скоростью реакции. В обыкновенной(водопроводной) воде гвоздь ржавеет медленнее, чем в растворе хлорида натрия.
• Выделяют три основных типа коррозии: химическая, биохимическая и электрохимическая. Нами изучены все варианты коррозии.
• Наибольшую распространенность приобрела электрохимическая коррозия. Это объясняется тем, что окружающая среда представляет собой смесь различных электролитов в воде. Электрохимическая коррозия зависит от состава раствора.
• Необходимо совершенствовать старые и разрабатывать новые методы защиты металлов от коррозии, т.к. она наносит большой экономический вред и может быть опасна для здоровья и жизни людей.