Ржавчина - продукт взаимодействия внешней окислительной атмосферы с железом. Процесс ее образования называется ржавлением (). Термин «ржавчина» присущ только продуктам коррозии железа и его сплавов. Любые другие металлы могут корродировать, но не ржаветь!
Ржавчина - это гидратированная окись железа (гидроксид железа). Химическая формула ржавчины - Fe 2 O 3 H 2 О (иногда пишут просто Fe 2 O 3). На поверхности образуется в виде шероховатого налета, который имеет рыхлую структуру. Цвет ржавчины - от оранжевого до красно-коричневого.
Железо при рН среды > 5,5 образует труднорастворимый гидрат закиси железа, имеющий белый цвет:
Fe 2+ mH 2 O + 2OH - = mH 2 O + Fe(OH) 2 ↓
При взаимодействии гидрата закиси железа с растворенным кислородом в воде, образуются еще более труднорастворимое соединение - гидрат окиси железа (бурый цвет):
2Fe(OH) 2 + 1/2 O 2 + H 2 О = 2Fe(OH) 3 ↓
Вторичные продукты коррозии (Fe(OH) 2 и Fe(OH) 3) могут и дальше превращаться, с образованием гидратированных окислов FeO Fe 2 O 3 nH 2 О - ржавчины. FeO - нестабильное соединение, поэтому в формуле ржавчины его часто просто не записывают.
Реакции образования ржавчины
2e + 2H + - H 2 ;
4e +O 2 + 4H + - 2H 2 O;
2e + Fe(OH) 2 + 2H + - Fe + 2H 2 O;
2e + Fe 2+ - Fe;
2e + Fe(OH) 3 - + 3H + - Fe + 3H 2 O;
e + Fe(OH) 3 + H + - Fe(OH) 2 + H2O;
e + Fe(OH) 3 + 3H + - Fe 2+ + 3H 2 O;
Fe(OH) 3- + H + - Fe(OH) 2 + H 2 O;
e + Fe(OH) 3 - Fe(OH) 3- ;
Fe 3+ + 3H 2 O - Fe(OH) 3 + 3H + ;
Fe 2+ + 2H 2 O - Fe(OH) 2 + 2H + ;
e + Fe 3+ - Fe 2+ ;
Fe 2+ + H 2 O - FeOH + H + ;
FeOH + + H 2 O > Fe(OH) 2 + H + ;
Fe(OH) 2 + H 2 O - Fe(OH) 3- + H + ;
Fe 3+ + H 2 O - FeOH 2+ + H + ;
FeOH 2+ + H 2 O - Fe(OH) 3 + H + ;
FeOH 2+ + H + - Fe 2+ + H 2 O;
e + FeOH 2+ + 2H + - Fe 2+ +2H 2 O;
e + Fe(OH) 3 + H + - Fe(OH) 2 + H 2 O;
e + Fe(OH) 3 + 2H + - FeOH + + 2H 2 O;
e + Fe(OH) 3 + 3H + - Fe 2+ + 3H 2 O.
Ржавчина может существовать в двух формах: магнитной (γ- Fe 2 O 3) и немагнитной (α-Fe 2 O 3). Гидратированная окись железа в α форме (гематит) -более стабильное соединение. Раствор, насыщенный ржавчиной, почти нейтральный. γ- Fe 2 O 3 обычно между гидратированными оксидами Fe 2 O 3 и FeO образует черный промежуточный слой. Поэтому можно сказать, что ржавчина состоит из трех слоев оксидов железа разной степени окисления.
Процесс ржавления металла начинается только при наличии в воздухе влаги. При попадании на поверхность изделия из железа капли воды, спустя некоторое время, можно заметить изменение ее цвета. Капля становится мутной и постепенно окрашивается в бурый цвет. Это свидетельствует о появлении, в месте контакта воды с поверхностью, продуктов коррозии железа.
Если ржавчина уже образовалась - остановить процесс коррозии крайне трудно и не всегда удается. Лучше его предупреждать и заранее защищать металл!
При отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, в арматуре , используемой в подводных бетонных столбах, и называют его зелёной ржавчиной . Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью спектроскопии , они образуются при разных внешних условиях. Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа(III) Fe 2 O 3 ·nH 2 O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH) 3). При наличии кислорода и воды и достаточном времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.
Ржавчиной, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно окислы железа обычно называют ржавчиной.
Химические реакции
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
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:
O 2 + 4 e − + 2 H 2 O → 4 OH −
Поскольку при этом образуются гидроксид-анионы , этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении . Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:
Fe → Fe 2+ + 2 e −
Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:
4 Fe 2+ + O 2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−
Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:
Fe 2+ + 2 H 2 O ⇌ Fe(OH) 2 + 2 H + Fe 3+ + 3 H 2 O ⇌ Fe(OH) 3 + 3 H +
что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:
Fe(OH) 2 ⇌ FeO + H 2 O Fe(OH) 3 ⇌ FeO(OH) + H 2 O 2 FeO(OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H 2 O
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 (Fe 3 O 4). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH) 3-x O x/2 . Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.
Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca 2+ , 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.
Предотвращение ржавления
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 рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.
Покрытие слоем металла
- 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.
По статистике, потери от ржавчины (коррозии) составляют до 12% от всего производимого металла. Условия эксплуатации металлических изделий и конструкций постоянно ужесточаются, в том числе и из-за загрязнения атмосферы. Так, выбросы оксидов серы или азота приводят к образованию микрокапель серной или азотной кислот, при этом скорость образования ржавчины увеличивается в несколько раз.
Ржавчина - химические основы процесса
Железо – химически активный металл, который в присутствии воды и кислорода легко окисляется, образуя несколько соединений – оксидов, гидроксидов и их гидратов. Как ни странно, но точной формулы ржавчины не существует: в зависимости от условий окружающей среды продукт окисления железа имеет переменный состав: nFe(OH)3*mFe(OH)2*pH2O. Поражение ржавчиной происходит по всей поверхности металла, но наиболее уязвимыми местами являются сварные швы, внутренние углы конструкций, отверстия для резьбовых соединений. По своей структуре ржавчина очень рыхлая, сцепление с металлом практически отсутствует. Из-за высокой пористости слой ржавчины легко задерживает атмосферную влагу, создавая благоприятные условия для дальнейшего разрушения металла.
Опасность процесса в том, что визуально оценить степень поражения металлической конструкции не представляется возможным: под красно-бурым слоем ржавчины металл может быть полностью разрушен. Если своевременно не принять меры, результат может оказаться плачевным, вплоть до полного разрушения изделия. Одно дело, если это – ржавый гвоздь в стене дачного домика, и совсем другое – если ржавчина поразила опору ЛЭП или корпус морского судна.
Способы удаления ржавчины
Народная мудрость гласит, что любую проблему проще предотвратить, чем потом прикладывать героические усилия для устранения ее последствий. Ржавчина – не исключение. За последние 20-30 лет химики и физики предложили немало способов предотвращения коррозии – от защитных покрытий до сложных инженерных сооружений – станций электрохимической защиты.
Если ржавчина все-таки появилась – это не повод опускать руки: есть немало эффективных способов ее удаления, и чем раньше предприняты активные меры, тем большим будет эффект от их применения. Итак, обо всем по порядку.
Механическое удаление ржавчины
Продукты коррозии обладают малой адгезией и поэтому легко удаляются с поверхности металла при механическом воздействии – например, при обработке металлической щеткой. Снять ржавый налет с крупных изделий можно с помощью шлифовального станка, соблюдая при этом простое правило: начинать нужно с крупного зерна, а для финишной обработки использовать самое мелкое. Участки металла, с которых удалена ржавчина, оказываются совершенно беззащитными перед атмосферным воздействием. Если их не обработать антикоррозионными составами, предотвращающими контакт с водой и кислородом, процесс ржавления только ускорится.
Химические способы удаления ржавчины
Зная природу и химический состав ржавчины, логично предположить, что удалить ее можно с помощью кислот. Из школьного курса химии известно, что оксиды и гидроксиды металлов легко взаимодействуют с кислотами, при этом образуются соли железа и соответствующей кислоты, и вода.
Например, при действии соляной кислоты происходят следующие реакции:
- 2Fe (OH)3 + 6HCL → 2FeCl3 + 6H2O
- Fe (OH)2 + 2HCL → FeCl2 +2H2O
Образующийся хлорид железа – водорастворимая соль, которую необходимо удалить с поверхности обрабатываемого изделия простым ополаскиванием в воде, а затем насухо вытереть поверхность. Не надо ждать, пока ржавчина начнет образовываться снова, очищенные участки следует обработать защитными составами.
При обработке кислотами существует опасность растворения металла, поскольку железо в электрохимическом ряду напряжений стоит до водорода, оно активно реагирует со многими разбавленными кислотами:
- Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
По этой причине прежде, чем заняться химическими экспериментами в домашних условиях, необходимо почитать соответствующую литературу. Устранить побочный эффект поможет ингибитор коррозии – уротропин, при добавлении всего 1-2 г на литр раствора соляной кислоты реакция с железом не протекает.
Преобразователи ржавчины
Жидкие составы на основе ортофосфорной кислоты являются отличным способом предотвратить дальнейшее образование ржавчины на поверхности стальных и железных изделий. При таком способе обработки предварительно удаляются лишь те участки ржавчины, которые слабо держатся на основе. Образующийся в процессе реакции ортофосфат железа создает прочную защитную пленку, через которую не проникает влага и кислород, благодаря чему предотвращается дальнейшая коррозия металла. Для ускорения процесса высыхания на литр 25%-ого раствора ортофосфорной кислоты можно добавить 30-40 мл изобутилового спирта или 15 граммов винной кислоты.
Современное оборудование для удаления ржавчины
Механические способы очистки поверхности от ржавчины с помощью подручных средств применимы далеко не всегда, если изделие имеет сложную форму, то обработать все участки не представляется возможным. Химические способы тоже имеют свои недостатки, при несоблюдении элементарных правил техники безопасности можно получить химический ожог или отравление. Определенную проблему представляет и утилизация отработанных растворов.
Оптимальным способом удаления ржавчины, особенно с поверхности изделий сложной геометрической формы, является мягкий бластинг. Суть метода состоит в следующем, на металлическое изделие направляется струя сжатого воздуха, содержащая особые абразивные гранулы. Меняя давление, можно регулировать глубину слоя, снимаемого с поверхности – таким образом удаляется только слой ржавчины или окалины, а металл остается нетронутым. Гранулы ARMEX, используемые в аппарате для мягкого бластинга , состоят из мельчайших частиц соды и мела. Попадая под большим давлением на поверхность, они легко удаляют не только ржавчину, но и лакокрасочные материалы.
Отличительной особенностью метода является абсолютная экологическая безопасность: применяемые компоненты химически инертны. Многочисленные исследования доказали, что на поверхности металла практически не образуются царапины и иные микроскопические дефекты, которые последствии могут стать центрами повторного образования ржавчины. Щелочная природа гранул способствует образованию пассивной пленки на изделиях из железа или стали, предохраняя основной объем металла от коррозионного разрушения.
Наилучшие результаты применения аппарата мягкого бластинга Nordblast NB 28-2 получены при обработке деталей машин или яхт. Процесс чистки от ржавчины зависит от степени коррозии, обычно на полную обработку автомобиля уходит 1 день, яхты – 2 дня.
Чем раньше обнаружена проблема, тем проще бороться с ржавчиной. Какой способ наиболее предпочтителен – каждый решает самостоятельно, но не стоит пользоваться дедовскими методами, если есть оборудование, удаляющее ржавчину со 100%-ой эффективностью!
О ржавчине рассказывается на многих сайтах. Есть много фотографий, но только изделий или, в крайнем случае, макроструктура. Как выглядит ржавчина под микроскопом?
Ржавчиной
, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких, как сталь или чугун, хотя многие другие металлы тоже подвергаются коррозии.
Все знают красный налет на поверхности металлических материалов или изделий, которые находятся под воздействием влаги или некоторых реактивов. Этот налет - окислы, которые образуются при взаимодействии железа с кислородом. Химическая формула ржавчины
Fe 2 O 3
nH 2 O (гидратированный оксид трехвалентного железа), а также метагидрооксид (FeO(OH), Fe(OH) 3). На рис.1 показаны красные окислы железа - Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 .
Рисунок 1. Красные окислы железа: а - Fe 2 O 3 ; б - Fe 3 O 4 .
Если поверхность железных изделий не защищать, то в конце концов изделие рассыплется в порошок. Красный окисел не пассивирует поверхность, т.е. не защищает ее от дальнейшего разрушения. (Кстати, концентрированная серная кислота пассивирует поверхность. При взаимодействии железа с кислотой на поверхности железа образуется сернокислое железо и окисление железа прекращается).
Окисление возможно и на воздухе, т.к. он в наших условиях содержит некоторое количество влаги. На рис. 2 показана ржавчина на изломе пластинки быстрорежущей стали Р6М5.
Рисунок 2. Излом стали Р6М5 ; окисление в комнатных условиях; светлопольное изображение
Ржавчина образуется и при коррозии металла в почве (рис. 3 и 4). На рис. 3 показан фрагмент детали сельхозтехники, пролежавшей несколько лет в поле. Это макроструктура, которая показывает расположение окисленных участков на поверхности. Более красивую и интересную картину дает микроструктура (рис. 4). Видны кристаллы красной ржавчины (рис. 4 а) и осадки другого типа (рис. 4 б), состав которых не определялся.
Рисунок 3. Фрагмент детали сельхозтехники; почвенная коррозия.
 |
 |
| а | б |
Рисунок 4. Ржавчина и осадки на изломе детали; темнопольное изображение
Поскольку влага присутствует и в воздухе, окисляются и шлифы металлов и сплавов, хранящиеся не в специальных условиях. Окисление их усиливается еще и потому, что они протравлены. Нетравленные шлифы хранятся куда лучше. На рис. 5 показано окисление протравленных шлифов стали ШХ15. Ржавчина в основном располагается на матрице (мартенсит), карбиды (белая фаза) видны хорошо (рис. 5а). В структуре зернистого перлита (рис. 5 б) окисляется феррит, на изображении он имеет голубой и зеленый цвет; ржавчина сосредоточена в виде отельных пятен (до поры, пока не окислится весь образец).
 |
 |
| а | б |
Рисунок 5. Окисление шлифов стали ШХ15 после травления и длительного хранения в комнатных условиях: а - закалка и отпуск, равномерное окисление поверхности; б - зернистый перлит, формирование островков окисной пленки.
На рис. 6а показано крупное скопление окислов. Некоторые из них имеют красный цвет, это ржавчина, другие - светлый (рис. 6 б). Состав их не анализировали; также это может быть и пыль, поскольку шлиф находился на открытом воздухе.
Рисунок 7. Сплошной окисный слой на шлифе
Все, что содержит железо, может ржаветь. В том числе и метеориты (рис. 8).
Рисунок 8. Окислы железа на метеоритах
Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы. Коррозия безвозвратно разрушает металл , превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год. Ситуация с российским металлом выглядит примерно так — весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года.
Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно — ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться?
Что такое коррозия металлов
Разрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде — электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия).
Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе 2 O 3 ·H 2 О).
Химическая коррозия
Этот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости — нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры — в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка.
Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы — и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например — алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет — патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях — только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае — пленка ничем не поможет.
Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики.
Электрохимическая коррозия
Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период — особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов).
Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда — в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге). Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа — 9,1 кг, цинка — 10,7 кг, свинца — 33,4 кг.
Другие причины коррозии металла
Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название — биокоррозия.
Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов — снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия.
Меры защиты металлов от коррозии
Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания — процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.
Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию.
Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет — лужение (покрытие оловом)).
Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиями
Неметаллические покрытия — краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой.
Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» — во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов ; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями — их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность.
В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры — эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола.
Защита железа от коррозии покрытиями из других металлов
Существует два типа металлических покрытий-ингибиторов — протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом). Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая — большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо — кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов.
Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы — эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее неоцинкованных). Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты — цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелерование металлических поверхностей (покрытие никелем). Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы — нет устойчивого покрытия.
Лучшее решение для антикоррозийной защиты — алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит — меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист — алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне). Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время — оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу.
Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавок
Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла.
Меры противодействия электрохимической коррозии
Для ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами. Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию. С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность.
Защита от блуждающих токов
Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:
- участок конструкции, служащий источником блуждающего тока, необходимо соединить металлическим проводником с рельсом трамвайной дороги;
- трассы теплосетей должны размещаться на максимальном удалении от рельсовых дорог, по которым передвигается электротранспорт, свести к минимуму число их пересечений;
- применение электроизоляционных трубных опор для повышения переходного сопротивления между грунтом и трубопроводами;
- на вводах к объектам (потенциальным источникам блуждающих токов) необходима установка изолирующих фланцев;
- на фланцевой арматуре и сальниковых компенсаторах устанавливать токопроводящие продольные перемычки — для наращивания продольной электропроводимости на защищаемом отрезке трубопроводов;
- чтобы выровнять потенциалы трубопроводов, расположенных параллельно, необходимо установить поперечные электроперемычки на смежных участках.
Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода. Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) — он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию. Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода.
Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру