Классификация коррозии металлов по различным признакам

Классификация коррозии металлов по различным признакам

Коррозия металла – это разрушение металлов или сплавов в результате электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Следствием процесса является ухудшение качеств материала и его дальнейшее разрушение. Ущерб от коррозии огромен, поскольку страдает не только техника, но и сооружения, коммуникации государственного значения. Производители металлопродукции лучше других знают масштабы урона. Приобрести качественный металл, в том числе нержавеющий прокат, в Санкт-Петербурге и области можно по телефону +7 (812) 334-91-51.

Химические реакции


Толстый слой ржавчины на звеньях цепи возле моста Золотые Ворота в Сан-Франциско. Цепь постоянно подвергается воздействию сырости и солёных брызг, вызывающих разрушение поверхности, растрескивание и шелушение металла.

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух реагентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.

Происходящие реакции


Покрытый ржавчиной и грязью болт. Заметна точечная коррозия и постепенная деформация поверхности, вызванная сильным окислением.
Ржавление железа — это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами, о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:

O2 + 4 e− + 2 H2O → 4 OH−

Поскольку при этом образуются гидроксид-анионы, этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении pH. Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:

4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe2+ + 2 H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2 H+ Fe3+ + 3 H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3 H+

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O 2 FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода. С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо (II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe3O4). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH)3-xOx/2. Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca2+, которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с гидроксидами и оксидами железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняют цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Коррозия на авто

Многие современные автомобилисты сталкиваются с тем, что на автомобилях появляется со временем ржавчина. Чаще всего страдает от этого кузов авто. Коррозия автомобиля относится к разряду часто встречающихся ситуаций. Она появляется на тех деталях, которые не сделаны из нержавеющей стали.

Сегодня есть специальные средства, которые предотвращают появление ржавчины на деталях авто. Они представлены различными составами, которые наносятся на поверхность перед п

Предотвращение ржавления


Отслаивающаяся краска обнажает участки ржавой поверхности листового металла.
Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующий слой оксида хрома (III). Подобное проявление пассивации происходит с магнием, титаном, цинком, оксидом цинка, алюминием, полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации, который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования, либо методом гальванотехники. Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее кадмий. Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм

. Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия, чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом, чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким pH. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

Покрытие слоем металла


Ржавчина может полностью разрушить железо. Обратите внимание на гальванизацию незаржавевших участков.

  • Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
  • Лужение: мягкая листовая сталь покрывается слоем олова. В настоящее время практически не используется из-за высокой стоимости олова.
  • Хромирование: тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

Воронение

Воронение — это способ, который может обеспечить ограниченную устойчивость к коррозии для мелких предметов из стали, таких как огнестрельное оружие и др. Способ состоит в получении на поверхности углеродистой или низколегированной стали или чугуна слоя окислов железа толщиной 1-10 мкм. Для придания блеска, а также для улучшения защитных свойств окисной плёнки, её пропитывают минеральным или растительным маслом.

Снижение влажности

Ржавчины можно избежать, снижая влажность окружающего железо воздуха. Этого можно добиться, например, с помощью силикагеля.

Ингибиторы

Ингибиторы коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах. Некоторые ингибиторы коррозии чрезвычайно ядовиты. Одним из лучших ингибиторов выступают соли технециевой кислоты.

Виды коррозии различных металлов

По степени распространения выделяют следующие виды коррозии металлов:

  • Равномерная коррозия. Характеризуется разрушением металла по всей поверхности. Встречается на металлах или сплавах с однофазной структурой.
  • Местная коррозия. Охватывает отдельные участки поверхности. Данный вид можно наблюдать на металлах с однофазной и многофазной структурой. Причиной становится механический дефект (скол, зазубрина, царапина).
  • Межкристаллитная. Разрушает металл по границам зерен. К слову, это самый коварный вид коррозии, поскольку внешних признаков на начальных этапах может не быть. Разрушение происходит внутри металла. Более подвержены межкристаллитной коррозии сплавы алюминия, хромоникелевые стали.

Экономический эффект

Ржавчина вызывает деградацию изделий и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстрому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое поеданием ржавчиной

. Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус (штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главной причиной разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.


Мост Кинзу после разрушения.
Мост Кинзу в штате Пенсильвания был снесён смерчем в 2003 году в значительной степени потому, что центральные опорные болты, соединяющие сооружение с землёй, проржавели, из-за чего мост держался лишь под действием силы тяжести.

Читайте также  Как узнать состав металла

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские трудности. Это один из наиболее распространённых отказов железобетонных мостов.

Коррозия неметаллических материалов [ править | править код ]

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.

Понятие о коррозии металлов и классификация

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов вслед­ствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Коррозионный процесс — гетерогенный (неоднородный), протекает на границе раздела металл — агрессивная среда, име­ет сложный механизм. При этом атомы металла окисляются, т.е.J теряют валентные электроны, атомы переходят через границу раздела во внешнюю среду, взаимодействуют с ее компонентами и образуют продукты коррозии. В большинстве случаев коррозия металлов пройм ходит неравномерно по поверхности, имеются участки, на которых возникают локальные поражения. Некоторые продукты коррозии, образуя поверхностные пленки, сообщают металлу коррозионную стойкость. Иногда могут появляться рыхлые продукты коррозии, имеющие слабое сцепление с металлом. Разрушение таких пленок вызывает интенсивную коррозию обнажающегося металла. Коррозия металла снижает механическую прочность и меняет другие свойства его. Коррозионные процессы классифицируют по видам коррозионных разру­шений, характеру взаимодействия металла со средой, условиям про­текания.

Коррозия бывает сплошная, общая и местная. Сплошная коррозия протекает по всей поверхности металла. При местной коррозии поражения локализуются на отдельных участках поверхности.

Рис. 1 Характер коррозионных разрушений:

I – равномерное; II — неравномерное; III — избирательное; IV пятна; V язвы; VI — точками или питтингами; VII сквозное; VIII нитевидное; IX — поверхностное; X — межкристаллитное; XI ножевое; XII растрескивание

Общая коррозия подразделяется на равномерную, неравномер­ную и избирательную (рис. 1).

Равномерная коррозия протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерная — на различных участках поверхности металла с неодинаковой скоростью. При избирательной кор­розии разрушаются отдельные компоненты сплава.

При коррозии пятнами диаметр коррозионных поражений большой глубины. Для язвенной коррозии характерно глубокое поражение участка поверхности ограниченной площади. Как правило, язва находятся над слоем продуктов коррозии. При точечной (питтинговой) коррозии наблюдаются отдельные точечные поражения поверхности металла, которые имеют малые поперечные размеры при значительной глубине. Сквозная — это местная коррозия, вызывающая разрушение металлического изделия насквозь, в виде свищей. Нитевидная коррозия проявляется под неметаллическими покрытиями и виде нитей. Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, пи преимущественно распространяется под поверхностью металла, вызывая его вспучивание и расслоение.

При межкристаллитной коррозии разрушение сосредоточено по границам зерен металла или сплава. Этот вид коррозии опасен тем, что происходит потеря прочности и пластичности металла. Ножевая коррозия имеет вид надреза ножом вдоль сварного соединения в сильно агрессивных средах. Коррозионное растрескивание протекает при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих остаточных или приложенных механических напряжениях.

Металлические изделия в определенных условиях подвергаются коррозионно-усталостному разрушению, протекающему при одновременном воздействии на металл коррозионной среды и переменных I механических напряжений.

По характеру взаимодействия металла со средой различают хими­ческую и электрохимическую коррозии. Химическая коррозия — раз­рушение металла при химическом взаимодействии с агрессивной сре­дой, которой служат неэлектролиты — жидкости и сухие газы. Электрохимическая коррозия — разрушение металла под воздействием электро­лита при протекании двух самостоятельных, но взаимосвязанных процессов — анодного и катодного. Анодный процесс — окислительный, проходит с растворением металла; катодный процесс — восстановительный, обусловлен электрохимическим восстановлением компонентов среды. Современная теория коррозии металлов не исключает совместного протекания химической и электрохимической коррозии, так как в электролитах при определенных условиях возможен перенос массы металла по химическому механизму.

По условиям протекания коррозионного процесса наиболее часто встречаются следующие виды коррозии:

1) газовая коррозия, протекает при повышенных температурах и полном отсутствии влаги на поверхности; продукт газовой корро­зии — окалина обладает при определенных условиях защитными свой­ствами;

2) атмосферная коррозия, протекает в воздухе; различают три вида атмосферной коррозии: во влажной атмосфере — при относитель­ной влажности воздуха выше 40 %; в мокрой атмосфере — при отно­сительной влажности воздуха, равной 100 %; в сухой атмосфере — при относительной влажности воздуха менее 40 %; атмосферная кор­розия — один из наиболее распространенных видов вследствие того, что основная часть металлического оборудования эксплуатируется в атмосферных условиях;

3) жидкостная коррозия — коррозия металлов в жидкой среде; различают коррозию в электролитах (кислоты, щелочи, солевые раст­воры, морская вода) и в неэлектролитах (нефть, нефтепродукты, ор­ганические соединения);

4) подземная коррозия — коррозия металлов, вызываемая в ос­новном действием растворов солей, содержащихся в почвах и грун­тах; коррозионная агрессивность почвы и грунтов обусловлена струк­турой и влажностью почвы, содержанием кислорода и других хими­ческих соединений, рН, электропроводностью, наличием микроорга­низмов;

5) биокоррозия — коррозия металлов в результате воздействия микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности, в биокорро­зии участвуют аэробные и анаэробные бактерии, приводящие к ло­кализации коррозионных поражений;

6) электрокоррозия, возникает под действием внешнего источника тока или блуждающего тока;

7) щелевая коррозия — коррозия металла в узких щелях, зазорах, м резьбовых и фланцевых соединениях металлического оборудования, аксплуатирующегося в электролитах, в местах неплотного контакта металла с изоляционным материалом;

8) контактная коррозия, возникает при контакте разнородных металлов в электролите;

9) коррозия под напряжением, протекает при совместном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений — постоянных растягивающих (коррозионное растрескивание) и пере­менных или циклических (коррозионная усталость);

10) коррозионная кавитация — разрушение металла в результате одновременно коррозионного и ударного воздействий. При этом за­щитные пленки на поверхности металла разрушаются, когда лопаются газовые пузырьки на поверхности раздела жидкости с твердым телом;

11) коррозионная эрозия — разрушение металла вследствие одновременного воздействия агрессивной среды и механического износа;

12) фреттинг-коррозия — локальное коррозионное разрушение металлов при воздействии агрессивной среды в условиях колебательного перемещения двух трущихся поверхностей относительно друг друга;

13) структурная коррозия, обусловлена структурной неоднород­ностью сплава; при этом происходит ускоренный процесс коррозионного разрушения вследствие повышенной активности какого-либо компонента сплава;

14) термоконтактная коррозия, возникает за счет температурного градиента, обусловленного неравномерным нагреванием поверхности металла.

Коррозия металлов. Все виды особенности и факты

Коррозия — разрушительный процесс, который пагубно влияет на металлические конструкции. Процесс может иметь как химические, так и химико-физические причины. Чаще всего причиной возникновения таких проблем является неустойчивость материала к воздействию внешних факторов, чаще всего термодинамического характера.

Чаще всего ржавчина прогрессирует исключительно в верхних слоях материала, но иногда проникает и вглубь.

Виды коррозийных процессов

Коррозия металлов имеет большое количество разновидностей. Но в основном все виды подразделяются на два основных типа:

  1. Коррозия общего характера. Она называется равномерной, а встречается чаще всего. Причиной возникновения такой коррозии считаются химические и электрохимические реакции. Такая разновидность коррозии приводит к отрицательному воздействию на всю поверхность материала и металлической конструкции. При этом процесс может быть равномерным или неравномерным. При неравномерном распределении ржавчины, она на одном участке разъедает материала быстрее и сильнее, чем на соседнем.
  2. Местный вид коррозии. Возникает на одном участке, где и развивается.
  3. Местная пятнами. Возникает на отдельных участках материала.
  4. Язвенная, ее еще называют питтинг.
  5. Межкристаллитная — такая коррозия возникает на пограничных областях металлического кристалла. Чаще вспыхивает в тех материалах, которые содержат в составе никель и алюминий. Металл в кратчайшие сроки остается без первоначальных показателей прочности и эластичности.
  6. Растрескивающая.
  7. Подповерхностная.
  8. Коррозия под током — возникает под воздействием блуждающего или постоянного тока.
  9. Коррозийная кавитация — вариант разрушений, когда помимо ржавчины на металл воздействует и ударная сила.
  10. Фреттинг-коррозия — одновременное воздействие ржавчины и вибрации, которые совместно приводят к разрушению металлических конструкций. варианты.

Есть еще различия и по механизму воздействия.

Химический вариант разрушения

Это разновидность процесса, при котором рушатся связи металлические, а между атомами веществ материала и окислителей возникает химическая взаимодействие. В такой ситуации не образуется электрический ток между различными областями материала. В свою очередь такой вид разрушения подразделяется еще на два типа:

  1. Газовый вариант. Получается при воздействии агрессивных азов, а также паров в сочетании с высокими показателями температуры. Если материал относится к активным, то воздействие таких сред может привести к окончательному разрушению материала по всей поверхности. К таким средам относятся: сероводород, диоксид серы, пары воды, кислород. Такой вид разрушительного процесса чаще всего заметен в промышленности и на химическом производстве.
  2. Жидкостный вариант ржавчины. Случается в неэлектролитических веществах. Если имеется даже небольшое содержание жидкости, то процесс становится электрохимическим.

Важно, что при химической разновидности коррозии металл разрушается со скоростью протекания химической реакции.

Электрохимическая ржавчина

Этот вариант разрушительных процессов возникает в среде электролитов. Процесс сочетается с возникновением тока. В итоге из решетки вещества убирается атом и одновременно протекают два процесса:

  1. Анодный — вещество материала в качестве ионов входит в раствор.
  2. Катодный — те вещества, которые получаются в предыдущем процессе, связываются при помощи деполяризатора.

Собственно отвод электродов так и называется — деполяризация, а непосредственно вещества, которые способствуют данному процессу именуются деполяризаторами.

Читайте также  Соединение металлических труб без сварки и резьбы

Наиболее часто возможно встретить вариант разрушения с водородной и кислородной деполяризацией.

Разновидность металлов по отношению к коррозии электрохимического вида

Все металлы по отношению к такому виду ржавчины делятся на 4 подтипа:

  1. Активные вещества или материалы с высокими параметрами термодинамической нестабильности. Это все щелочные виды металлов. Они подвержены влиянию коррозии даже в абсолютно нейтральных средах, где нет кислорода и других окислительных веществ.
  2. Средние материалы по уровню активности — в таблице Менделеева расположены между кадмием и водородом. Это материалы отличающиеся термодинамической нестабильностью в агрессивных кислых средах.
  3. Материалы с низкими параметрами активности или вещества с промежуточными параметрами стабильности по термодинамике. Противостоят коррозии в кислых и нейтральных атмосферах, при отсутствии кислорода.
  4. Благородные разновидности веществ. Это материалы с высокой стабильностью. Они поддаются коррозии только в кислых средах и в присутствии сильнейших окислителей.

Такие типы ржавчины могут разделяться по видам агрессивных сред, в которой она протекает:

  1. Процесс в электролитных веществах — процесс протекает в жидких кислых, щелочных средах, а также в простой воде.
  2. Атмосферный вид — любой газовый вариант с наличием влажности. Это очень распространенный вариант электрохимического разрушения металла. Главное, чтобы в данной среде была влажность. Только при таких условиях есть возможность протекания необходимых реакций.

При электрохимической вариации процесса одна часть металла служит анодом, а другая — катодом. Последним становятся те участки металла, куда больше поступает кислорода.

В зависимости от воздействующих сред есть и другие разновидности коррозий:

  1. Почвенная — протекает с разной степенью интенсивности. Все зависит от агрессивности почвы. В таких условиях происходит подземные разрушительные процессы на трубах и прочих подземных конструкциях.
  2. Аэрационная — причиной служит неравномерный приток воздуха к разным участкам материала.
  3. Морская — процесс проходит строго в соленой воде.
  4. Биокоррозия — результат жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов. Они выделяют газы, которые и приводят к возникновению разрушительных процессов.
  5. Электрокоррозия — является результатом воздействия блуждающего тока.

Кроме того основные виды коррозии могут различаться в зависимости от типа металла, на которых они возникают.

Разрушительные процессы на меди

Медь считается достаточно стабильным металлом. Ее стабильность замечена в следующих средах:

  1. Атмосфера.
  2. Морская и пресная вода.
  3. Галогеновые среды со специальными условиями.
  4. В кислотах-неокислителях.

При этом медные конструкции отличаются нестабильностью в следующих условиях:

  1. При контакте с соединениями серы, а также с самой серой в чистом виде.
  2. При погружении в растворы солей-окислителей.
  3. В агрессивной воде.

Также часто встречается и атмосферная коррозия меди.

Ржавление железа

Еще один популярный элемент, который часто подвергается действию ржавчины — железо. Чаще всего железо подвергается разрушительным процессам в результате контакта с воздухом или кислотным раствором.

Способы защиты от коррозии металлов

Используется несколько основных методов по защите металлических конструкций от разрушительного воздействия коррозии. При использовании защиты в основном делается упор на то, что ржавчина без внешних повреждений не может проникнуть к металлу.

При этом важно, что защитные покрытия выполняют не только предохраняющую функцию, но и придают металлическим конструкциям симпатичный внешний вид.

Прежде всего, это покрытия, которые разделяются на три типа, по материалам нанесения:

  1. Металлические.
  2. Неметаллические.
  3. Химические.

Каждый из них имеет свои особенности и преимущества.

Металлические покрытия. Это способ, при котором на металлическую конструкцию наносят тонким слоем другой вид металла, который более стабилен к разрушительному действию коррозии при аналогичных условиях.

Покрытие может называться анодным или катодным в зависимости от того более активный или менее активный металл сверху.

Неметаллические покрытия. Они подразделяются на органические и неорганические. Чаще всего используется высокополимерный пластик, стекло и керамика. Из органических известны и популярны лаки, битум, краски, а также резина.

Химические покрытия. Это вариант, при котором на поверхности металлической конструкции при помощи химической обработки, наносится пленка, устойчивая к воздействию коррозии. Таких пленок может быть несколько разновидностей:

  1. Оксидирование — нанесение оксидных пленок.
  2. Фосфатирование — получение пленки фосфатов.
  3. Азотирование — пленка из активного азота.
  4. Воронение стали.
  5. Цементация — соединение с углеродом.

Также в качестве защиты используется изменение состава коррозийной среды. Еще один вариант защиты — ввести в металл технические соединения, которые повышают стойкость материала к разрушительным действиям коррозии.

Протекторный вид — вариант электрохимической защиты, при которой к конструкции присоединяются пластины с более активным металлом. При этом протектор — материал с отрицательными параметрами потенциала, а защищаемый материал — катод.

Заключение

Процесс коррозийной порчи материала разнообразный и многосторонний. Нюансы зависят от среды, от вида и активности металла, а также от дополнительных факторов влияния. Поэтому существует много способов защиты металлических конструкций от разрушительного влияния ржавчины и агрессивных сред.

Чаще всего применяются защитные пленки, как металлические, так и неметаллические. В отдельных случаях металл специально подвергают химической обработке. Наиболее стабильны по отношению к коррозии считаются благородные металлы, в том числе золото и платина.

Коррозия металлов и способы защиты от нее

Коррозия – это процесс разрушения металлов и металлических конструкций под воздействием различных факторов окружающей среды – кислорода, влаги, вредных примесей в воздухе.

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.

Классификация коррозии металлов по различным признакам

1.4. Коррозия. Виды коррозии, методы испытаний и способы предотвращения коррозионных повреждений

(проф., д.т.н. Б.С. Ермаков)

1.4.1. Понятие коррозии, основные виды коррозионных повреждений металлов и сплавов

Коррозия (от лат. соrrosio — разъедание и corrodo — грызу) — разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Обычно рассматривают коррозию металлических материалов. Однако это явление характерно не только для металлов и сплавов, аналогичные процессы происходят и в неметаллических системах, например пластмассах или керамике. Примером такого коррозионного воздействия на неметаллические материалы может служить износ футеровки плавильных печей под действием жидкого, химически активного шлака.

Ущерб, причиняемый коррозией, может быть разделен на две категории. Первая — прямые потери: затраты при ремонте оборудования, замене поврежденных элементов и т. п.; вторая — косвенные потери, связанные с простоем ремонтируемого и сопряженного с ним оборудования, ухудшением качества выпускаемой продукции в результате ее загрязнения, увеличением расхода топлива, материалов, энергии. Средние ежегодные потери, связанные с коррозионными повреждениями оборудования, для промышленно развитых стран достигают 3–10 % валового продукта. Влияние коррозионных повреждений на надежность и безопасную эксплуатацию оборудования можно проиллюстрировать следующим примером. По данным фирмы «Du Pont» (США) в 247 случаях выхода из строя оборудования этой фирмы из 313, или 79 % аварий, произошли по причине коррозионных повреждений. При этом на долю общей коррозии пришлось 31,5 % случаев, на коррозионное растрескивание (стресс-коррозию) — 21,6 % случаев, питтинговая коррозия стала причиной 15,7 % выходов оборудования из строя, а межкристаллитная коррозия явилась причиной аварий в 10,2 % случаев.

Читайте также  Как прикрепить сетку рабицу к металлическим столбам

1.4.1.1. Способы классификации коррозии

Коррозию относят к поверхностным явлениям и классифицируют по тем изменениям, которые происходят с поверхностью материала в результате протекания процесса коррозии. При взаимодействии всей поверхности материала с окружающей средой наблюдается общая или сплошная коррозия, при взаимодействии части поверхности — местная или локальная коррозия. Принято различать два вида общей коррозии. При равномерной коррозии вся поверхность металла равномерно разъедается внешней средой без изменений в топографии поверхности. К такой коррозии, например, относится коррозия углеродистой стали в растворах серной кислоты (рис. 1.4.1, а) . Второй тип общей коррозии — неравномерная коррозия, когда поверхность металла под слоем продуктов коррозии носит «изрытый» характер, т. е. на поверхности возникают места более глубоких повреждений — коррозионные каверны (например, коррозия углеродистой стали в морской воде — рис. 1.4.1, б ). К неравномерной коррозии относится структурно-избирательная коррозия, когда одна из фаз или структурных составляющих сплава растворяется с большей скоростью, чем остальные, например процесс обесцинкивания латуней (рис. 1.4.1, в) .

Рис. 1.4.1. Виды коррозионных
повреждений металлов и сплавов:
ав) общая коррозия: а) равномерная коррозия,
б) неравномерная коррозия, в) избирательная коррозия;
гм) местная коррозия: г) коррозия пятнами, д) язвенная коррозия,
е) питтинговая коррозия, ж) сквозная коррозия,
з) нитевидная коррозия, и) подповерхностная коррозия,
к) межкристаллитная коррозия, л) ножевая коррозия,
м) транскристаллитное коррозионное растрескивание

Местная, или локальная, коррозия характеризуется разрушением отдельных участков поверхности материала. Местная коррозия более опасна, чем общая, т. к. при сравнительно малых потерях массы материала возможен выход из строя дорогостоящей конструкции. Местная коррозия обычно разделяется на несколько групп: коррозия пятнами, когда поверхностные размеры пятна значительно превышают глубину проникновения коррозионного дефекта (например, коррозия латуни в морской воде — рис. 1.4.1, г ); язвенная коррозия, когда размеры коррозионного повреждения на поверхности соизмеримы с глубиной повреждения (коррозия углеродистых сталей в грунте — рис. 1.4.1, д ). Точечной или питтинговой коррозией называется такой вид коррозии, при котором глубина коррозионного дефекта значительно больше его поверхностных размеров, например коррозия аустенитной хромоникелевой стали в морской воде (рис. 1.4.1, е) , в частности, к этому виду коррозии относится сквозное разъедание материала (рис. 1.4.1, ж) . К местной коррозии также относятся нитевидная коррозия, распространенная в основном в материалах с неметаллическими защитными пленками (рис. 1.4.1, з) и подповерхностная коррозия (рис. 1.4.1, и) . Этот вид коррозии начинается с поверхности материала, а затем распространяется под его поверхностью таким образом, что продукты коррозии оказываются сосредоточенными в некоторых зонах материала. Этот вид коррозии вызывает местное вспучивание материала, приводит к его расслоению. Типичным примером такого вида коррозии может служить коррозия при травлении некачественного проката.

К локальной коррозии относится также межкристаллитная коррозия (рис. 1.4.1, к) , когда коррозионные разрушения локализуются в границах зерен материала. К типичным видам этого типа коррозии относится коррозия в некоторых средах нержавеющих хромоникелевых сталей после нагревов в диапазоне температур
550–700 °С. Этот тип коррозии может быть признан наиболее опасным. Так, при одинаковой потере массы, например, в 5 мг/см 2 снижение временного сопротивления материала при общей коррозии составит примерно 10–15 %, при язвенной коррозии — до 40 %, а при межкристаллитной коррозии снижение прочности материала может достигать 80 %.

Еще одним типом местной коррозии является ножевая коррозия — локализованная коррозия металла, имеющая вид надреза острым предметом (рис. 1.4.1, л) . Обычно очаги такой коррозии обнаруживаются в зонах сплавления сварного шва в сильно агрессивных средах (например, ножевая коррозия стали 12Х18Н10 в азотной кислоте).

В условиях эксплуатации оборудования достаточно часто возникает ситуация, когда кроме коррозионных сред на материал воздействуют внешние механические нагрузки или внутренние напряжения, что приводит к повышению скорости протекания коррозионных процессов. Такой вид коррозии получил название коррозионного растрескивания или стресс-коррозии и коррозионной усталости. Такая коррозия может распространяться как по телу зерна (рис. 1.4.1, м) — транскристаллитная трещина, так и по его границам — межкристаллитная трещина.

Коррозию принято классифицировать также по условиям контакта металла с агрессивной коррозионной средой. В зависимости от условий контакта различают коррозию при полном погружении, когда объект полностью погружен в агрессивный коррозионный раствор, и коррозию при неполном погружении — одним из примеров такой коррозии является коррозия по ватерлинии кораблей. Отмечают также такие виды коррозии, как коррозия при периодическом погружении и струйная коррозия.

В зависимости от того, как распространяются коррозионные трещины, коррозионные разрушения принято делить на транскристаллитные (разрушение протекает по телу зерен) и интеркристаллитные, или межкристаллитные (разрушение происходит по границам зерен).

Одним из главнейших способов классификации коррозии, который позволяет наиболее полно охарактеризовать процессы, протекающие при взаимодействии материалов и коррозионных сред, является классификация по механизму коррозионного процесса. По этому методу классификации коррозию принято делить на следующие виды: коррозия химическая, электрохимическая и биохимическая.

Химическая коррозия металлов — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают одновременно. Продукты коррозии при этом процессе возникают непосредственно на корродирующих участках. К химической коррозии относятся газовая коррозия (окисление металла в процессе высокотемпературных нагревов, например при термической обработке) и коррозия в неэлектролитах, например в нефтепродуктах.

Электрохимическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в две различные стадии, а скорости процессов на этих стадиях могут быть различны и зависимы от электродного потенциала. При этом виде коррозии одновременно протекают две реакции — анодная и катодная, локализованные на определенных участках поверхности корродирующего металла, причем участки протекания таких реакций могут меняться в процессе коррозии. К видам электрохимической коррозии относятся: атмосферная коррозия во влажной газовой или воздушной атмосфере; коррозия в жидких средах или электролитах; коррозия в расплавах солей; почвенная и подземная коррозии; электрокоррозия под действием внешнего источника тока и т. п.

Биохимическая коррозия — это процесс, связанный с воздействием на материал микроорганизмов. При этом металл может разрушаться из-за того, что он служит для этих микроорганизмов питательной средой, или из-за воздействия на металл продуктов жизнедеятельности этих микроорганизмов. В чистом виде биохимическая коррозия встречается достаточно редко, поскольку в присутствии влаги происходит также процесс электрохимической коррозии материала. Поэтому при анализе причин и экспертизе разрушения различных конструкций, поврежденных коррозией, разрушения, связанные с биохимической коррозией, обычно относят к разрушениям, связанным с электрохимической коррозией.

Одним из наиболее распространенных видов химической коррозии является газовая коррозия. Она возникает на поверхности металлов в отсутствие влаги, т. е. в условиях, когда электрохимические процессы развиться не могут. Это либо коррозия металлов в ходе их термической обработки, либо коррозия в сухих газах при нормальной температуре.

Поведение металлов при высоких температурах имеет важное практическое значение. Повреждения поверхности металлов и сплавов при термической обработке могут достигать глубин до нескольких миллиметров и приводить к значительному увеличению объема последующей механической обработки. Основным показателем, определяющим стойкость металла и сплава против окисления при высокотемпературном нагреве, является жаростойкость, т. е. способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газа.

Первопричиной химической коррозии металлов и сплавов является их термодинамическая неустойчивость в различных средах при данных внешних условиях, т. е. самопроизвольный переход металла в более устойчивое — окисленное — состояние, которое достигается в результате реакции

за счет соответствующего уменьшения термодинамического потенциала этой системы.

Основными факторами, определяющими скорость газовой коррозии, являются температура и состав газовой среды. Влияние температуры на скорость газовой коррозии приближенно описывается уравнением Аррениуса:

lnК = AB/Т,

где К — скорость реакции (коррозии), А и В — константы, Т — температура (К).

При химическом взаимодействии углеродистых сталей с кислородом воздуха на поверхности образуется окалина — оксидная пленка, в состав которой при умеренно высоких температурах входят гематит — Fe2O3 и магнетит — Fe3O4, при более высоких температурах нагрева (более 575 °С) на поверхности раздела окалина—металл возникает еще один оксид железа — вюстит — (FeO). Одновременно с процессом окисления железа идет процесс обезуглероживания поверхности стали — Fe3C + O2 → 3Fe + CO2, в результате чего цементитная фаза «вымывается» с поверхности стали. При увеличении времени нагрева глубина обезуглероженного слоя увеличивается и может достигнуть нескольких миллиметров, что приведет к снижению прочности и твердости поверхности обрабатываемого изделия.

Кроме изменения температуры на скорость химической коррозии влияет давление газовой среды. С повышением давления скорость коррозии резко возрастает вследствие наличия в газовой среде водорода, который при повышенном давлении вызывает водородное охрупчивание стали.

Большинство металлов при взаимодействии с кислородом воздуха или другими окислителями покрываются пленкой химического соединения. Первой стадией этого процесса является адсорбция окислительного компонента среды (O2, H2O, CO2, SO2 и т. п.) на поверхности металла. В табл. 1.4.1 приведена стандартная энтальпия образования оксидов и энтальпия адсорбции кислорода на ряде металлов. Эти данные указывают на химическую природу связи между адсорбатом и адсорбентом — хемосорбцию атомов кислорода на поверхности металла. Связь, возникающая между кислородом и поверхностными атомами металла, — ионная. Она оказывается значительно сильнее, чем связь, возникающая между этими элементами в оксиде, т. к. за счет энергии поляризации на атом кислорода оказывает воздействие поле, создаваемое нижележащими атомами металла.

Энтальпии образования оксидов и адсорбции кислорода на металлах