Коррозия металлов и способы защиты
Коррозия это разрушение металлов и сплавов из-за химического или электрохимического взаимодействия со средой. Самый знакомый пример ржавление железа: блестящий металл превращается в рыхлый бурый оксид и теряет прочность. Для техники коррозия означает потерю конструкций, трубопроводов, машин и огромные расходы на ремонт и защиту.
Ниже разобраны виды коррозии, механизм ржавления, факторы, которые ускоряют процесс, и основные способы защиты: покрытия, легирование, протекторы и изменение среды. Тема связывает ряд напряжений металлов, ОВР и практическую химию материалов.
Коррозия самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды. Чаще всего это окисление металла. Различают химическую коррозию без участия электролита и электрохимическую, которая идёт в присутствии влаги и растворённых солей как в гальваническом элементе.
Что такое коррозия
Металлы в природе редко встречаются в свободном виде. Большинство устойчивее в виде оксидов, сульфидов, карбонатов. Поэтому металлическое изделие термодинамически «хочет» вернуться в окисленное состояние. Коррозия как раз и есть такой возврат, только он идёт нежелательно для человека.
Не всякое изменение поверхности одинаково опасно. Плотная оксидная плёнка на алюминии или хроме защищает металл дальше. Рыхлая ржавчина на железе защиты почти не даёт: кислород и вода продолжают проникать внутрь. Поэтому коррозионная стойкость зависит не только от активности металла, но и от свойств продуктов коррозии.
Потери от коррозии считают и в деньгах, и в безопасности. Разрушенный мост, прохудившийся трубопровод или ослабевший крепёж могут привести к аварии. Поэтому защита металлов это отдельная инженерная и химическая задача.
Химическая коррозия
Химическая коррозия протекает без электролита, обычно при высокой температуре в газах. Пример: окисление железа кислородом воздуха при нагревании с образованием окалины. Упрощённо: 3Fe + 2O2 → Fe3O4 или другие оксиды железа в зависимости от условий.
С металлом могут реагировать и другие газы: хлор, сероводород, оксиды серы, углекислый газ в определённых условиях. В двигателях, печах и трубопроводах горячих газов химическая коррозия особенно важна. Здесь защита часто сводится к выбору жаростойких сплавов и покрытий.
В школьном курсе химическую коррозию противопоставляют электрохимической. Главный признак: нет разделения на анодные и катодные участки через раствор электролита. Реакция идёт на поверхности металл-газ.
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия идёт во влажной среде, когда на поверхности металла возникают микрогальванические элементы. Более активный участок становится анодом и окисляется, менее активный катодом, где восстанавливается окислитель, чаще кислород или ионы водорода.
Классический случай: железо в контакте с медью во влажном воздухе. Железо активнее, растворяется как анод: Fe − 2e− → Fe2+. На меди идёт восстановление кислорода в присутствии воды. Медь сама почти не разрушается, но ускоряет коррозию железа. Поэтому разные металлы нельзя бездумно соединять во влажной среде без изоляции.
Даже в одном куске технической стали есть неоднородности: примеси, границы зёрен, окалина. Они создают множество микроэлементов. Поэтому ржавеет не только «железо рядом с медью», но и обычная сталь на воздухе при наличии влаги.
Ржавление железа
Для ржавления нужны металл, вода и кислород. В сухом воздухе железо окисляется медленно. В дистиллированной кипячёной воде без доступа воздуха тоже почти не ржавеет. На практике воздух влажный, на поверхности есть плёнка электролита, и процесс идёт.
Упрощённая схема. На анодных участках железо окисляется до Fe2+. На катодных восстанавливается кислород: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−. Затем ионы железа и гидроксид образуют Fe(OH)2, который дальше окисляется до Fe(OH)3 и обезвоженных оксидов. Смесь этих продуктов и называют ржавчиной. Её состав непостоянен, поэтому формулу часто пишут упрощённо как Fe2O3·nH2O.
Ржавчина рыхлая и объёмная. Она не защищает металл так, как плотная плёнка на алюминии. Наоборот, она удерживает влагу и ускоряет дальнейшее разрушение. Поэтому запущенную коррозию железа трудно остановить одной «косметической» зачисткой без защиты поверхности.
Что ускоряет разрушение
Влажность главный фактор атмосферной коррозии. Соли, особенно хлориды морского воздуха и дорожных реагентов, повышают проводимость плёнки влаги и ускоряют электрохимический процесс. Кислая среда тоже опасна: появляется возможность выделения водорода, и растворение металла идёт быстрее.
Контакт с более благородным металлом создаёт гальванопару. Повреждение покрытия, царапины, щели, где скапливается влага, локально усиливают коррозию. Напряжения в металле, сварные швы и загрязнения поверхности тоже влияют.
Температура обычно ускоряет реакции, но для атмосферной коррозии важнее режим «мокро-сухо». В постоянно сухом жарком климате сталь может сохраняться лучше, чем в сыром прибрежном. Поэтому защиту всегда подбирают под реальные условия эксплуатации.
Способы защиты
Защитные покрытия отделяют металл от среды. Это краски, лаки, полимеры, эмали, смазки. Металлические покрытия: цинкование, хромирование, никелирование, лужение. Важно, чтобы покрытие было сплошным. Если цинковое покрытие повреждено, цинк ещё работает как протектор. Если повреждено покрытие из менее активного металла, коррозия основного металла в месте царапины может ускориться.
Легирование меняет состав сплава. Нержавеющие стали содержат хром, часто никель и другие элементы. Хром образует тонкую плотную оксидную плёнку, которая пассивирует поверхность. Алюминий и титан тоже защищаются собственной оксидной плёнкой.
Электрохимическая защита использует протекторы или внешний ток. Протекторный метод: к защищаемой стали присоединяют более активный металл, например цинк или магний. Разрушается протектор, а сталь становится катодом и сохраняется. Так защищают корпуса судов, трубопроводы, резервуары.
Изменение среды: осушение воздуха, удаление растворённого кислорода, введение ингибиторов коррозии, нейтрализация агрессивных примесей. Ингибиторы это вещества, которые замедляют коррозию, адсорбируясь на поверхности или меняя ход электрохимических реакций. Их добавляют в антифризы, котловую воду, упаковку изделий.
На практике методы комбинируют. Мост красят и делают из подходящей стали, трубопровод покрывают изоляцией и ставят катодную защиту, кузов автомобиля грунтуют, красят и иногда оцинковывают.
Типичные ошибки
Первая ошибка: считают, что коррозия это просто «металл покрылся грязью». Коррозия химический процесс окисления, а не механическое загрязнение.
Вторая ошибка: думают, что любое оксидное покрытие защищает. Ржавчина не защищает железо. Плёнка Al2O3 на алюминии защищает.
Третья ошибка: путают протекторную защиту с покраской. Протектор работает как жертвенный анод в электрохимической схеме. Краска это барьер, она не должна разрушаться «вместо» металла по тому же принципу.
Четвёртая ошибка: утверждают, что медь ржавеет так же, как железо. Медь окисляется иначе и даёт зеленоватую патину, а слово «ржавчина» обычно оставляют для железа и стали.
Пятая ошибка: забывают роль влаги. Без электролита атмосферная электрохимическая коррозия почти не идёт. Поэтому сушка, вентиляция и герметизация часто важнее «сильного реактива».
Коррозия разрушает металлы при взаимодействии со средой. Химическая идёт в газах, электрохимическая во влаге через микрогальванические элементы. Для ржавления железа нужны вода и кислород. Защищают покрытиями, легированием, протекторами, ингибиторами и изменением среды. Чем активнее металл относительно партнёра по контакту, тем скорее он станет анодом и начнёт разрушаться.