Виды и способы борьбы с коррозией металлов

Содержание

Введение 21 Основные понятия коррозии металлов 31.1Понятие коррозии 31.2Классификация коррозийных процессов 41.3 Показатель скорости коррозии 52 Методы защиты от коррозии металлов и сплавов 72.1 Защитные покрытия 82.1.1 Металлические покрытия 82.2 Неметаллические покрытия 92.2.1 Неорганические покрытия 92.2.2 Фосфатирование 92.2.3 Пассивирование 102.2.2 Органические покрытия 102.2 Обработка коррозионной среды 112.2.1 Снижение агрессивности коррозионной среды 112.2.2 Ингибиторная защита 112.3 Электрохимическая защита 122.4 Разработка и производство новых конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости 132.5 Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким неметаллическим материалам 142.6 Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей 14Заключение 16Использованные источники 17

Защита

При постоянном взаимодействии с химическими элементами окружающей среды металл со временем истончается, становится хрупким, шершавым. Такой металл нельзя использовать в производстве. Поэтому были разработаны способы защиты металла от коррозии.

Сохранить металлические свойства и продлить срок службы металлическим изделиям можно с помощью:

металлического покрытия – нанесения тонким слоем других металлов;
неметаллического покрытия – изоляции металла от окружающей среды органическими или неорганическими веществами – лаками, эмалью, пластмассой, резиной, красками;
электрохимической защиты – наложения постоянного электрического поля;
ингибиторной защитой – нанесения ингибиторов для защиты металла в кислой среде.

Металлическое покрытие бывает двух видов:

катодное – покрытие пассивными металлами (Ni, Sn, Ag, Au);
анодное – покрытие активными металлами (Zn, Cr).

Рис. 3. Оцинкованное железо.

Морские суда защищают пластинами, сделанными из более активных металлов (алюминия, магния, цинка), чем корпус корабля.

Металл также защищают «изнутри», добавляя в состав коррозиестойкие химические элементы. Например, нержавеющая сталь содержит хром, углерод, кремний, серу, фосфор, марганец.

Что мы узнали?

Из урока химии 9 класса узнали о коррозии, её видах и способах защиты. Коррозия – саморазрушение металла под воздействием факторов окружающей среды, к которым относится воздействие кислорода, водорода, кислот, щелочей. Под действием внешних элементов поверхность металла окисляется, становится тонкой и хрупкой. Тема коррозии важна для производства сплавов и металлических изделий. Чтобы продлить срок службы, в металл добавляют устойчивые к коррозии элементы или покрывают поверхность другими металлами, органическими или неорганическими веществами, ингибиторами.

/10

Вопрос 1 из 10

Коротко о главном

Коррозия металлов или ржавление в химии — это явление, которое возникает из-за взаимодействия металлической пластинки с веществами окружающей среды (кислородом воздуха или кислотами, с которыми может реагировать металлическое изделие).

Обычно окисляются металлы, включая железо, которые находятся левее водорода в ряду напряжений.

Чаще всего встречаются химическая и электрохимическая коррозии. Чтобы понять, чем они отличаются друг от друга, давайте сравним их по нескольким критериям в таблице ниже.

Таблица 1. Сравнение химической и электрохимической коррозии металлов
Признаки сравнения	Химическая коррозия	Электрохимическая коррозия
Определение	Разрушение металлов в из-за взаимодействия с газами или растворами, которые не проводят электрический ток	Разрушение металла, при котором возникает электрический ток в воде или среде другого электролита
Агрессивные реагенты	O₂, пары H₂O, CO₂, SO₂, Cl₂	Растворы электролитов
Примеры	3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄	4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4 Fe(OH)₃ При контакте железа с цинком коррозии подвергается цинк: А (+) на цинке: Zn — 2e- = Zn2+. К (–) на железе: 2H+ + 2e- = H₂.

Защитить металл от коррозии можно по-разному: покрытием защитными материалами, электрохимическими методами, шлифованием и т. д. Далее — подробно обо всем этом.

Что такое коррозия

Коррозия — это самопроизвольное разрушение элементов, чаще всего металлов, под действием химического или физико-химического влияния окружающей среды.

Иными словами, из-за химического воздействия железо начинает ржаветь. Это весьма сложный процесс, который состоит из несколько этапов. Но суммарное уравнение коррозии выглядит так:

4Fe + 6H₂O _(влага) + 3O_{2 (воздух)} = 4Fe(OH)₃.

Часто под коррозией понимают химическую реакцию между материалом и средой либо между их компонентами, которая протекает на границе раздела фаз. Обычно это окисление металла. Например:

3Fe + 2О₂ = Fe₃O₄;

Fe + H₂SO₄ = FeSО₄ + Н₂.

Некоторые металлы, даже активные, покрываются плотной оксидной пленкой при коррозии. Это одна из их характерных черт. Оксидная пленка не дает окислителям проникнуть в более глубокий слой и поэтому защищает металл от коррозии. Алюминий обычно устойчив при контакте с воздухом и водой, даже горячей. Тем не менее, если поверхность алюминия покрыть ртутью, то образуется амальгама. Она разрушает оксидную пленку, и алюминий начинает быстро превращаться в белые хлопья метагидроксида алюминия:

4Al + 2H₂O + 3O₂ = 4AlO(OH).

Коррозии подвергаются и многие малоактивные металлы. Например, поверхность медного изделия покрывается патиной — зеленоватым налетом. Это происходит потому, что на ней образуются смеси основных солей.

Виды коррозии металлов

Химическая коррозия

Химическая коррозия — это процесс разрушения металла, который связан с реакцией между металлом и коррозионной средой.

Химическая коррозия протекает без воздействия электрического тока, и в результате этой реакции металлы окисляются. Этот вид коррозии можно разделить на два подвида:

газовая коррозия — металл корродирует под воздействием различных газов при высоких температурах;
коррозия в жидкостях — неэлектролитах.

Их них более распространенной считают газовую коррозию. Она протекает во время прямого контакта твердого тела с активным газом воздуха. Чаще всего это кислород. В результате на поверхности тела образуется пленка продуктов химической реакции между веществом и газом. Дальше эта пленка мешает контакту корродирующего материала с газом. При высоких температурах газовая коррозия развивается интенсивно. Возникшая при этом пленка называется окалиной, которая со временем становится толще.

Важную роль в процессе коррозии играет состав газовой среды. Но для каждого металла он индивидуален и изменяется с переменой температур.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия — это разрушение металла, которое протекает при его взаимодействии с окружающей средой электролита.

Этот вид коррозии считают наиболее распространенным. Самым важным происхождением электрохимической коррозии является то, что металл неустойчив в окружающей среде с точки зрения термодинамики. Вот несколько ярких примеров этой реакции: ржавчина в трубопроводе, на обшивке днища морского судна и на различных металлоконструкциях в атмосфере.

В механизме электрохимической коррозии обычно выделяют два направления: гомогенное и гетерогенное. Разберем их подробнее в таблице ниже.

Гомогенный механизм электрохимической коррозии	Гетерогенный механизм электрохимической коррозии
Поверхность металла рассматривается как однородный слой.	У твердых металлов поверхность неоднородна из-за структуры сплава, в котором атомы по-разному расположены в кристаллической решетке.
Растворение металла происходит из-за термодинамической возможности для катодного или анодного процессов.	Неоднородность можно наблюдать при наличии в сплаве каких-либо включений.
Скорость, с которой протекает электрохимическая коррозия, зависит от времени протекания процесса.

В электрохимической коррозии протекает одновременно два процесса на аноде и на катоде, которые зависят друг от друга. Растворение основного металла происходит только на анодах. Анодный процесс заключается в том, что ионы металла отрываются и переходят в раствор:

Fe → Fe2+ + 2e.

В результате происходит реакция окисления металла. В данном случае анод заряжается отрицательно.

При катодном процессе избыточные электроны переходят в молекулы или атомы электролита, которые, в свою очередь, восстанавливаются. На катоде идет реакция восстановления. Он носит заряд положительного электрода.

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH-

2H+ + 2e → H₂

Торможение одного процесса приводит к торможению и другого процесса. Окисление металла может происходить только в анодном процессе.

Изменение состава технического металла и коррозионной среды

Заключается в специальном легировании стали элементами, повышающими её коррозионную стойкость. Если это возможно, то в механическую систему, которая работает в условиях повышенной температуры и влажности, вводят смазку, содержащую противокоррозионные компоненты (восстановители).

Элементом, который положительно влияет на коррозионную стойкость стали, является хром. Для реализации этого эффекта сталь должна содержать не менее 13% хрома. Каждые дополнительные 5% хрома обеспечивают еще лучшую коррозионную стойкость.

Никель — второй важный элемент для улучшения коррозионной стойкости стали, причём добавка никеля приводит также к стабилизации аустенита. Третьим важным элементом повышения коррозионной стойкости является молибден. Однако его добавки повышают коррозионную стойкость только нержавеющих сталей с достаточным содержанием хрома и никеля.

Методы защиты от коррозии металла

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлические покрытия.

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Неметаллические покрытия.

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия.

В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:

оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al₂O₃, ZnO и др.);

азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;

воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;

цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Условия

Коррозия – результат взаимодействия металла с веществами-окислителями, к которым относятся кислород, водород, кислоты, щёлочи. Основной характеристикой коррозии является окислительно-восстановительная реакция. Металл при коррозии окисляется, восстанавливая окислительный компонент среды.

Условиями для образования коррозии являются:

наличие металла – простого или сложного вещества (сплава);
наличие коррозионной среды – активных веществ, находящихся вокруг металла и воздействующих на его поверхность;
продолжительный период времени.

Ржавчина – оксид или гидроксид железа (III) – образуется на железосодержащих изделиях и имеет рыжий цвет. Предметы из меди при коррозии приобретают зеленоватый оттенок. Это многослойная патина, верхний слой которой состоит из карбоната меди (II).

Коррозия классифицируется по нескольким признакам. Классификация приведена в таблице.

Признак

Вид

Описание

Захватывает всю металлическую поверхность

Охватывает часть поверхности

Глубоко поражает отдельные участки

Протекает под действием химических веществ в отсутствии электролитов. Может происходить на воздухе (газовая коррозия) и в водной среде (жидкостная коррозия). Под действием коррозионной среды металл окисляется, на поверхности образуются сульфидные, оксидные и другие плёнки, а коррозионные вещества восстанавливаются. Выделяют кислородную химическую коррозию и водородную деполяризацию

Протекает в присутствии электролита – проводящего ток вещества в растворах или в расплавах. Может происходить в грунте, море, атмосфере. Состоит из анодного и катодного процессов, взаимосвязанных между собой и протекающих одновременно. При анодном процессе металл окисляется, при катодном происходит восстановление окислителя, находящегося в растворе (расплаве)

Тип агрессивной среды

Происходит во влажной атмосфере

Протекает в отсутствии влаги

Происходит в кислых и щелочных почвах

Протекает в жидкой среде

Воздействие радиоактивных веществ

Соприкосновение двух металлов во влажной среде

Влияние живых организмов. Продукты жизнедеятельности бактерий окисляют и разрушают металл

Если в металле находятся примеси (соли, неметаллы, модификации углерода), то наблюдается ускоренная коррозия. Проверить это можно дома, опустив в соляной раствор (NaCl + H₂O) металлическую деталь. Уже через сутки появится ржавчина.

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:

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.
Лакокрасочные покрытия. Главный недостаток лакокрасочных покрытий — низкая устойчивость к перепадам температуры, механическому повреждению.
Порошковые краски. Наносятся специализированным оборудованием в закрытых покрасочных камерах.
Различные полимерные покрытия.

Нанесение порошковой краски (Фото: pixabay.com)

Легирование

К составу сплава добавляются разные легирующие добавки, которые изменяют свойства, технические характеристики материала, делают его устойчивым к разрушительному воздействию влаги.

Электрохимический метод

К металлической детали подключается источник тока. На поверхности материала образуется катодная поляризация, а ржавчина начинает разрушаться.

Покрытие металлами

Существуют разные способы покрытия металлом — термическая диффузия, металлизация, погружение в расплавленный металл, контактное осаждение.

Погружение в расплавленный металл

Специальная ванна заполняется расплавленным металлом с высокой устойчивостью к образованию коррозии. В емкость погружается деталь, которую нужно обработать.

Термическая диффузия

Термическую диффузию черных металлов чаще проводят с помощью цинка. Выполняется оно в газовой или паровой среде, при температуре до 850°C. Если обработка проходит в вакуумной среде, температура снижается до 250°C.

Металлизация

С помощью специального оборудование, которое создает мощную воздушную струю, на металлические поверхности наносится тонкий, равномерный слой расплавленного металла.

Контактное осаждение

Детали покрываются раствором солей железа или никеля. В результате обработки образуется прочная тонкая пленка. Контактное осаждение выполняется перед нанесением гальванического покрытия.

Этот метод защиты применяется реже других. Его малая популярность связан с нестабильностью, рядом сложностей. Метод подходит только для металлоконструкций, которые находятся в закрытом помещении. Внутри можно создать подходящую атмосферу (уровень влажности, температуру), при которой развитие коррозии будет невозможно.

Что представляет собой процесс химической коррозии и её разновидности

Любое изделие приходит в негодность со временем, а также при определённых условиях. Металл не составляет исключения. Химическую коррозию относят к разновидности разрушающих коррозийных процессов. Электрический ток, как источник воздействия, здесь исключён. В данном случае речь идёт об окислительной реакции

Знать это важно, чтобы иметь понятие, почему металл требует защиты при использовании его в качестве основного материала для монтажа различных трубных разводок, в других сферах, где он применим

Разрушение металла классифицируется по двум видам агрессивности внешнего влияния:

Возникновение химической коррозии в неэлектропроводных жидких средах (жидкостях-неэлектролитах).
Химическая газовая коррозию.

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 осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде

2H + +2e — = H₂разряд водородных ионов

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде

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

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

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

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 — = Fe 2+

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.

Виды коррозийных процессов

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

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.
Местный вид коррозии. Возникает на одном участке, где и развивается.
Местная пятнами. Возникает на отдельных участках материала.
Язвенная, ее еще называют питтинг.
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.
Растрескивающая.
Подповерхностная.
Коррозия под током — возникает под воздействием блуждающего или постоянного тока.
Коррозийная кавитация — вариант разрушений, когда помимо ржавчины на металл воздействует и ударная сила.
Фреттинг-коррозия — одновременное воздействие ржавчины и вибрации, которые совместно приводят к разрушению металлических конструкций. варианты.

Есть еще различия и по механизму воздействия.

См.также: Самые дорогие металлы в мире

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:

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.
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. См.также: Обработка металла давлением

См.также: Обработка металла давлением

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:

Анодный — вещество материала в качестве ионов входит в раствор.
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.

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

Разрушительные процессы на меди

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

Атмосфера.
Морская и пресная вода.
Галогеновые среды со специальными условиями.
В кислотах-неокислителях.

При этом медные конструкции отличаются нестабильностью в следующих условиях:

При контакте с соединениями серы, а также с самой серой в чистом виде.
При погружении в растворы солей-окислителей.
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 борьбы с коррозией металлов