КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ. СПОСОБЫБОРЬБЫС НЕЮ
Коррозией называется разрушение металла вследствие химического или электрохимического воздействия на него внешней среды. Коррозия – это неотвратимая потеря металлов, это большие убытки, поэтому борьба с коррозией – важнейшая задача для промышленности и вообще техники. Коррозия чёрных металлов называется ржавлением, ежегодно до 10 % выработанного железа расходуется на замену проржавевшего. В зависимости от воздействия среды различают атмосферную, жидкостную и газовую коррозию. По месту распределения коррозия бывает равномерная, местная и межкристаллитная.
Теория коррозии
Коррозия начинается с поверхности на границе двух фаз – «металл»-«внешняя среда» и с течением времени распространяется вглубь. По характеру физико-химических процессов, происходящих между металлом и внешней средой, различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическую коррозия возникает в результате химического воздействия внешней среды на поверхность металла, например, образование слоя окислов (окалина) на металле в печах при высоких температурах, например, при отпуске. При разных температурах образуется на поверхности металла тонкая плёнка окисла, толщина которой увеличивается с ростом температуры. От толщины плёнки окисла и, значит, от ее оптических свойств зависит её цвет:
при 220 оС – жёлтый,
255 оС – коричневый,
300 оС – тёмно-синий,
330 оС – серый,
это так называемые «цвета побежалости», по ним определяют температуру отпуска.
Электрохимическая коррозия – возникает при действии на металл электролитов. Это наиболее распространённый вид коррозии. Большинство металлических конструкций находится в соприкосновении с воздухом, водой и землёй – мосты, крыши зданий, механизмы (подъёмные краны), кабели, трубопроводы и так далее.
В воздухе и земле всегда есть влага – роса, дождь, водяные пары, грунтовые воды и так далее. На конструкциях всегда есть грязь, в воздухе – SO2, SO3, NO2, NO3, СО, которые растворяясь в воде, диссоциируют на положительные и отрицательные ионы – а это электролит, который и вызывает электрохимическую коррозию (ЭХК).
Коррозия металлов и сплавов в электролите аналогична работе гальванического элемента. Металлы и сплавы по химическому составу неоднородны и различаются также по структуре составляющих их частей: твёрдый раствор, химическое соединение, механическая смесь. Эти структурные составляющие имеют различные электродные потенциалы, обусловленные их химической и физической природой. Когда сплав находится в электролите, одни участки, имеющие низкий электродный потенциал, становятся анодами (что значит «подъём») и разрушаются, так как их ионы переходят в раствор электролита и становятся солями при высыхании воды. Другие участки, обладающие более высоким электродным потенциалом, становятся – катодами (это значит «путь вниз») и сохраняются неизменными, так как на них ионы Н+ нейтрализуются и образуется Н2.
Так как анодных и катодных участков в сплаве очень много, то сплав можно рассматривать состоящим из большого числа электродов, то есть как многоэлектродный микроэлемент. Когда два микроэлемента находятся в контакте (болтовое соединение (например, чугунный фланец и стальной болт), склёпанные листы и др.), то образуется макроэлемент.
Методы защиты от коррозии
1. Защита легированием – при легировании стали хромом или хромом и никелем (более эффективно) сталь способна сопротивляться коррозии, так как её электродный потенциал становится высоким и она является отрицательно заряженным катодом. Дорогостоящий никель частично заменяют более дешевым марганцем. Хрома должно быть не менее 12 %, иначе сталь становится паложительно заряженным анодом (на нержавеющей посуде стоит знак «18/10», это значит, в металле 10 % Ni и 18 % Cr).
2. Защита неметаллическими плёнками. Это окисные плёнки, получаемые оксидированием и фосфатные плёнки, получаемые фосфатированием. Детали обрабатывают либо сильным окислителем (едким натром NаОН), либо смесями фосфорной кислоты и её солей, в результате детали покрываются окисной плёнкой чёрно-синего цвета (воронение), либо фосфатной плёнкой.
3. Защита металлическими покрытиями. На поверхность детали наносится тонкий слой другого металла, в зависимости от того, какой металл наносится, процесс называется:
– Zn – цинкование, Al – алитирование, Sn – лужение, Pb – свинцевание, Cr – хромирование, Cd – кадмирование, Ni – никелирование, Cu – меднение,
также покрывают металл латунью и бронзой.
Способы нанесения металла на деталь:
· погружением детали в расплавленный металл, применяется для нанесения пленок из плавящихся при низких температурах металлов (цинка, олова, свинца) – используется в случае деталей небольшого размера;
· путём распыления расплавленного металла (цинка, кадмия) сжатым воздухом с набрызгиванием его на деталь – для крупных деталей;
· диффузионным методом – алитирование, хромирование (см. выше, ХТО).
· гальваническим путём – электролиз водных растворов солей того металла, который является покрытием. Преимущества метода: управляемость процессом, экономное расходование металла, отсутствие нагрева. Различают анодное и катодное покрытие.
– анодное (цинком) – у цинка электродный потенциал ниже, чем у железа, поэтому он защищает и механически, и электрохимически, так как он является анодом (+) и разрушается;
– катодное (оловом) – электродный потенциал олова выше, чем у железа, то защищает только механически, а в случае повреждения плёнки электрохимическим путём разрушается железо.
· методом плакирования – термин происходит от французского слова «плаке», что значит накладывать, покрывать – горячей прокаткой или прессованием покрывают один металл тонким слоем другого металла – например, сталь латунью, дюралюмин – алюминием.
4. Защита протекторами – от латинского защищающий – к детали, находящейся в электролите (в почве всегда есть вода) присоединяют металл с меньшим электродным потенциалом (обычно цинк), который, являясь анодом, и разрушается. Деталь является катодом и не корродирует.
5. Защита неметаллическими покрытиями. Это краски, лаки – они дешёвы, экономят цветные металлы, защищают любые конструкции. Недостаток – трескаются и пропускают воду. Применяются краски масляные и эмалевые.
6. Защита обработкой коррозионной среды. Есть вещества, замедляющие химические реакции и даже прекращающие их (их называют ингибиторами). Когда такой ингибитор вводят в коррозионную среду (например, в воду радиаторов двигателей внутреннего сгорания, теплообменников, компрессоров), то коррозия практически прекращается. Достоинство – ингибитора требуется обычно мало, так как он, сдерживая реакцию, сам в ней не участвует (как и катализатор, который ускоряет химическую реакцию, также не участвуя в ней)