Что называют коррозией металлов? Какие различают виды коррозии?

Причины возникновения

Причины коррозионных процессов:

• соприкосновение разных видов металлов, сплавов;
• частые перепады температуры;
• трение между металлическими поверхностями;
• длительное воздействие влаги;
• влияние кислот, щелочей, химических элементов;
• использование некачественных жидкостей при механической обработке материала;
• жировые пятна, остающиеся на металлических поверхностях после прикосновения к ним.

Ржавчина может образовываться при периодическом воздействии статического или постоянного тока.

Органосиликатные покрытия

Для качественной защиты от коррозии рекомендуется применение металлов с высоким уровнем гидрофобности, непроницаемости в водных, газовых и паровых средах. К числу таких материалов относятся органосиликаты.

Химическая коррозия практически не распространяется на органосиликатные материалы. Причины этого кроются в повышенной химической устойчивости таких композиций, их стойкости к свету, гидрофобных качествах и невысоком водопоглощении. Также органосиликаты устойчивы к низким температурам, обладают хорошими адгезивными свойствами и износостойкостью.

Проблемы разрушения металлов из-за воздействия коррозии не исчезают, несмотря на развитие технологий борьбы с ними. Причина в постоянном возрастании объемов производства металлов и все более сложных условий эксплуатации изделий из них. Окончательно решить проблему на данном этапе нельзя, поэтому усилия ученых сосредоточены на поисках возможностей по замедлению коррозионных процессов.

Виды

Коррозионные процессы классифицируются зависимо от разных критериев. Основные из них — цвет, механизм образования ржавчины, тип агрессивной среды, характер разрушения.

По цвету

Зависимо от цвета бывают разные виды ржавчины. Она может быть черной, желтой, коричневой, красной. Оттенок зависит от химической формулы образовавшегося вещества.

Ржавый металл

Желтая

Химическая формула желтой ржавчины — FeO(OH)H2O. Она появляется под воздействием высокой влажности, в среде с малым количеством кислорода. Подобный вид ржавчины можно увидеть под водой.

Коричневая

Химическая формула коричневой ржавчины — Fe2O3. Встречается крайне редко, появляется без воздействия влаги.

Красная

Химическая формула красной ржавчины — Fe2O3•H2O. Образуется при одновременном воздействием воды и кислорода. Встречается чаще других видов. Разрушительный процесс протекает равномерно, постепенно распространяется на всю поверхность.

Черная

Химическая формула — Fe3O4. Появляется без воздействия влаги, в среде с малым количеством кислорода. Часто используется для создания сверхпроводников, поскольку является ферромагнетиком.

По механизму протекания

Виды:

• химическая;
• электромеханическая.

Процессы отличаются по механизму разрушения материала.

Химическая

Процесс разрушения металла, провоцирующий распад металлических связей, развитие химических реакций между атомами материала. Элементы, которые взаимодействуют между собой, пространственно не разделяются. Скорость разрушения детали зависит от скорости протекания химической реакции.

Электрохимическая

Данный процесс разрушения металлических деталей протекает в среде электролитов и сочетается с возникновением тока.

Ржавый корабль

По типу агрессивной среды

Виды:

1. Атмосферная.
2. Газовая.
3. Радиационная.
4. Подземная.
5. Контактная.
6. Биокоррозия.
7. Коррозия током.
8. Коррозийная кавитация.
9. Коррозия под напряжением.
10. Фреттинг-коррозия.

Атмосферная

Естественный процесс разрушения. Может протекать в воздушной или газовой атмосфере. Важное условие — повышенный уровень влажности. Чем он выше, тем быстрее разрушится материал.

Газовая

Процесс разрушения металлических деталей, который протекает в условиях газовой среды. Отличается низким уровнем влажности. Процесс образования ржавчины ускоряется при повышении температуры.

Радиационная

Возникает при интенсивном воздействии радиационного излучения. У сплавов высокой плотности протекает медленно.

Подземная

Если металлическая деталь какое-то время полежит под землей, можно заметить на ее поверхностях зеленый налет или другие цветовые искажения. Это следствие окислительный процессов, которые протекают в разных видах грунта.

Контактная

Быстро появляется в местах, где два разных металла соприкасаются друг с другом. Это обуславливается разницей стационарного потенциала в электролите.

Биокоррозия

Процесс разрушения металлических деталей, который обуславливается воздействием разных микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности.

Ржавые обломки судов

Коррозия током

Может происходить при воздействии блуждающего или внешнего тока. Скорость распространения ржавчины зависит от силы тока, длительности, периодичности его воздействия на металлические детали.

Коррозийная кавитация

Один из многочисленных процессов саморазрушения разных видов металлов. Он запускается при воздействии внешней среды, механического повреждении.

Коррозия под напряжением

Процесс разрушения сплавов, который происходит при взаимодействии механического напряжения с коррозийно-активной средой. Этот вид коррозии опасен для металлоконструкций, которые подвержены большим нагрузкам.

Фреттинг-коррозия

Сложный коррозионный процесс, который протекает под воздействием коррозийной среды с различными вибрациями. Чтобы не допустить образования ржавчины, важно снизить коэффициент трения металлических деталей.

По характеру разрушения

Виды:

• сплошная;
• избирательная;
• местная;
• подповерхностная;
• межкристаллическая;
• щелевая.

Они отличаются локализацией, степенью углубления в материал, тяжестью разрушения.

Сплошная

При таком коррозионном процессе ржавчиной покрываются все металлические поверхности. Она может быть равномерной или неравномерной, зависимо от скорости разрушения материала в разных местах детали.

Избирательная

Подобный процесс затрагивает один из элементов металлоконструкции, который не имеет антикоррозийного покрытия, затормаживающего процесс разрушения.

Ржавый автомобиль (Фото: pixabay.com)

Местная

Пятна ржавчины разбросаны по металлической поверхности. Они представляют собой углубления разного размера, одна часть которых могут быть поверхностными, другие сквозными.

Подповерхностная

Появляется под металлическими поверхностями. Она быстро проникает вглубь материала. Данный вид коррозионных процессов характеризуется расслоением металла.

Межкристаллическая

Начинает появляться по границам отдельных зерен материала. Ее крайне сложно выявить по внешнему виду. Быстро ухудшаются показатели плотности, прочности, пластичности. Детали становятся хрупкими.

Щелевая

Образуется на местах соединения двух металлических деталей. Может появляться в технологических зазорах, под техническими прокладками.

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
2. Неравномерная
3. Избирательная
4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
5. Язвенная (или питтинг)
6. Точечная
7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
8. Растрескивающая
9. Подповерхностная

Основные виды коррозии металлов

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Методы защиты

Чтобы защитить металлические поверхности от образования коррозии, применяются разные методики. Каждая из них уникальна, имеет определенные особенности.

Нанесение защитного покрытия

Защитные покрытия могут быть двух видов — металлические, неметаллические. Виды неметаллических покрытий:

1. Химический слой. Чаще это оксидные пленки, которые образуются на поверхности под воздействием пара, воздуха. Один из вариантов оксидирования — погружение деталей в раствор азотной кислоты, нагретой до 140°C.
2. Лакокрасочные покрытия. Главный недостаток лакокрасочных покрытий — низкая устойчивость к перепадам температуры, механическому повреждению.
3. Порошковые краски. Наносятся специализированным оборудованием в закрытых покрасочных камерах.
4. Различные полимерные покрытия.

Определение коррозии

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.

Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

• Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
• Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
• Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Способы удаления коррозии

Если ржавчина уже появилась, удалить ее можно разными способами — механическим, химическим. Также можно воспользоваться народными средствами.

Ржавый замок (Фото: pixabay.com)

Механическая очистка

Подразумевает использование абразивных инструментов. Поврежденные части будут очищаться путем трения.

Щеткой по металлу

Представляет собой классическую ручную щетку со множеством металлических волокон, которыми происходит зачистка. Подходит для частичного удаления последствий коррозии.

Газовая коррозия

Газовая коррозия — наиболее распространенный вид химической коррозии. При высоких температурах поверхность металла под воздействием газов разрушается. Это явление наблюдается в основном в металлургии (оборудование для горячей прокатки, ковки, штамповки, детали двигателей внутреннего сгорания и др.)

Самый распространенный случай химической коррозии – взаимодействие металла с кислородом. Процесс протекает по реакции:

Ме + 1/2О2 — МеО

Направление этой реакции (окисления) определяется парциальным давлением кислорода в смеси газов (pО2) и давлением диссоциации паров оксида при определенной температуре (рМеО).

Эта химическая реакция может протекать тремя путями:

1) pО2 = рМеО, реакция равновесная;

2) pО2 > рМеО, реакция сдвинута в сторону образования оксида;

3) pО2 < рМеО, оксид диссоциирует на чистый металл и оксид, реакция протекает в обратном направлении.

Зная парциальное давление кислорода газовой смеси и давление диссоциации оксида можно определить интервал температур, при которых термодинамически возможно протекание данной реакции.

Скорость протекания газовой коррозии определяется несколькими факторами: температуры окружающей среды, природы металла или состава сплава, характера газовой среды, времени контакта с газовой средой, от свойств продуктов коррозии.

Процесс химической коррозии во многом зависит от характера и свойств образовавшейся на поверхности оксидной пленки.

Процесс появления на поверхности оксидной пленки можно условно разделить на две стадии:

— на поверхности металла, которая непосредственно контактирует с атмосферой, адсорбируются молекулы кислорода;

— металл взаимодействует с газом с образованием химического соединения.

На первой стадии между поверхностными атомами и кислородом возникает ионная связь: атом кислорода забирает у металла два электрона. При этом возникает очень сильная связь, намного сильнее, чем связь кислорода с металлом в окисле. Возможно это явление наблюдается из-за действия на кислород поля, создаваемого атомами металла. После полного насыщения поверхности окислителем, что происходит почти мгновенно, при низких температурах за счет ванн-дер-вальсовых сил может наблюдаться и физическая адсорбция молекул окислителя.

В результате образуется очень тонкая мономолекулярная защитная пленка, которая со временем утолщается, затрудняя подход кислорода.

На второй стадии, из-за химического взаимодействия, окислительный компонент среды отнимает у металла валентные электроны и с ним же реагирует, образуя продукт коррозии.

Если образовавшаяся оксидная пленка будет обладать хорошими защитными свойствами — она будет тормозить дальнейшее развитие процесса химической коррозии. Кроме того, оксидная пленка очень сильно влияет на жаростойкость металла.

Существует три вида пленок, которые могут образоваться:

— тонкие (невидимые невооруженным глазом);

— средние (дают цвета побежалости);

— толстые (хорошо видны).

Чтобы оксидная пленка была защитной, она должна отвечать некоторым требованиям: не иметь пор, быть сплошной, хорошо сцепляться с поверхностью, быть химически инертной по отношении к окружающей ее среде, иметь высокую твердость, быть износостойкой.

Если пленка рыхлая и пористая, кроме того имеет еще плохое сцепление с поверхностью — она не будет обладать защитными свойствами.

Существует условие сплошности, которое формулируется так: молекулярный объем оксидной пленки должен быть больше атомного объема металла.

Сплошность — способность окисла покрывать сплошным слоем всю поверхность металла.

Если это условие соблюдается, то пленка сплошная и, соответственно, защитная.

Но есть металлы, для которых условие сплошности не является показателем. К ним относятся все щелочные, щелочно-земельные (кроме бериллия), даже магний, который важен в техническом плане.

Для определения толщины образовавшейся на поверхности оксидной пленки, изучения ее защитных свойств применяют множество методов. Защитную способность пленки могут определять во время ее формирования, по скорости окисления металла и характеру изменения скорости во времени. Если окисел уже сформировался, целесообразно исследовать толщину и защитные его свойства, нанося на поверхность какой-нибудь подходящий для этого случая реагент (например раствор Cu(NO3)2, который применяется для железа). По времени проникновения реагента к поверхности можно определить толщину пленки.

Даже уже образовавшаяся сплошная пленка не прекращает своего взаимодействия с металлом и окислительной средой.

Влияние внешних и внутренних факторов на скорость протекания химической коррозии.

На скорость химической коррозии очень сильное влияние оказывает температура. При ее повышении процессы окисления идут намного быстрее. При этом уменьшение термодинамической возможности протекания реакции не имеет никакого значения.

Особенно сильно влияет переменный нагрев и охлаждение. В защитной пленке вследствие появления термических напряжений образуются трещины. Сквозь трещины окислительный компонент среды имеет непосредственный доступ к поверхности. Формируется новая оксидная пленка, а старая — постепенно отслаивается.

Большую роль в процессе коррозии играет состав газовой среды. Но это индивидуально для каждого металла и изменяется с колебаниям температур. Например, медь очень быстро корродирует в атмосфере кислорода, но устойчива в среде, содержащей SO2. Никель же наоборот, интенсивно корродирует при контакте с атмосферой SO2, но устойчив в средах O2, CO2 и H2O. Хром относительно устойчив во всех четырех средах.

Если давление диссоциации окисла выше давления окисляющего компонента — окисление металла прекращается, он становится термодинамически устойчивым.

Скорость окисления зависит от состава сплава. Возьмем, к примеру, железо. Добавки серы, марганца, фосфора и никеля не влияют на его окисление. Кремний, хром, алюминий — замедляют процесс. А бериллий, кобальт, титан и медь очень сильно тормозят окисление. При высоких температурах интенсифицировать процесс могут вольфрам, молибден, а также ванадий. Это объясняется летучестью или легкоплавкостью их окислов.

Наблюдая за скоростью окисления железа при различных температурах, отметим что с увеличением температуры самое медленное окисление наблюдается при аустенитной структуре. Она является наиболее жаростойкой, по сравнению с другими.

На скорость протекания химической коррозии влияет и характер обработки поверхности. Если поверхность гладкая, то она окисляется немного медленнее, чем бугристая поверхность с дефектами.

Рекомендации

Советы:

1. На защите деталей лучше не экономить, и покрыть их резиновой или полимерной краской.
2. Перед использованием абразивов нужно попробовать удалить ржавчину щадящими составами.
3. Сложные коррозионные процессы можно останавливать с помощью агрессивных химикатов, но прежде чем их использовать, нужно изучить свойства состава, характеристики металла, чтобы предотвратить возможные негативные реакции.

Сразу после удаления ржавчины поверхности нужно покрыть защитным составом, чтобы снизить риск повторного распространения коррозии.

Коррозионные процессы могут быстро разрушить любой материал. Порча металлоконструкций в некоторых ситуациях может иметь катастрофические последствия. Изучив способы защиты от образования коррозии, нужно применить один из наиболее подходящих.

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:

2H++2e— = H2 разряд водородных ионов

2H3O++2e— = H2 + 2H2O

Кислородная деполяризация

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:

O2 + 4H++4e— = H2O восстановление растворенного кислорода

O2 + 2H2O + 4e— = 4OH—

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e— = Fe2+

K: O2 + 4H+ + 4e— = 2H2O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Химическая коррозия

Химическая коррозия возможна по причине термодинамической нестабильности металлов. Газовая коррозия, имея собственное определение, — разновидность химической. Последние имеют возможность самостоятельно преобразовываться в значительно устойчивее состояние по окончанию реакции: металл + окислитель → продукт реакции.

Наиболее часто встречающийся пример химической коррозии металла – реакция с кислородом:

Ме+0,5О2→МеО

4Fe+3O2→2Fe2O3

Обезуглероживание стали как газовая коррозия:

Fe3C+2H2→3Fe CH4