Коррозия металлов

ВВЕДЕНИЕ

 

Коррозия - это разрушение твердых тел, вызванное химическими  и электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с внешней средой. Особенный ущерб  приносит коррозия металлов. Распространенный и наиболее знакомый всем нам вид  коррозии - ржавление железа. Термин "коррозия" применим к металлам, бетону, некоторым пластмассам и  другим материалам. Кроме коррозии, металлические (в частности, строительные) конструкции подвергаются действию эрозии - разрушению поверхности материала  под влиянием механического воздействия. Эрозию провоцируют дожди, ветры, песчаная пыль и прочие природные факторы. Поэтому арки мостов, строительные фермы и другие сооружения надо защищать комплексно. Таким образом, коррозия - это физико-химическое взаимодействие металла со средой, ведущее к разрушению металла. В результате коррозии металлы  переходят в устойчивые соединения - оксиды или соли, в виде которых  они находятся в природе. Коррозия съедает до 10 процентов производимого  в стране металла.      Трудно учесть более высокие косвенные потери от простоев и снижения производительности оборудования, подвергшегося коррозии, от нарушения нормального хода технологических процессов, от аварий, обусловленных снижением прочности металлических конструкций и т.п.

 Слово коррозия происходит  от латинского "corrodo" - "грызу". Некоторые источники ссылаются на позднелатинское "corrosio" - "разъедание". Не следует путать понятия "коррозия" и "ржавчина". Если коррозия - это процесс, то ржавчина один из его результатов. Это слово применимо только к железу, входящему в состав стали и чугуна. Согласно международному стандарту ISO 8044 под коррозией понимают физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы. Ржавчина - это слой частично гидратированных оксидов железа, образующийся на поверхности железа и некоторых его сплавов в результате коррозии. Коррозионному разрушению подвержены также бетон, строительный камень, дерево, другие материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТРАНСКРИСТАЛЛИТНАЯ КОРРОЗИЯ

 

Коррозионное поражение  характерно наличием большого количества транскристаллитных трещин 

При одновременном воздействии  на металл или сплав сильно агрессивных сред и механических растягивающих напряжений возможно коррозионное растрескивание, или транскристаллитная коррозия. В этом случае разрушение происходит не только по границам кристаллитов, но разделяется на части сам кристаллит металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, оси, тросы, рессоры, автоклавы, паровые котлы, двигатели внутреннего сгорания, водяные и паровые турбины и др.).

Коррозионное растрескивание зависит от конструкции аппаратуры, характера агрессивной среды, строения и структуры металла или сплава, температуры и т. д. Например, коррозионное растрескивание углеродистых сталей очень часто происходит в щелочных средах при высоких температурах; нержавеющих сталей - в растворах хлоридов, медного купороса, ортофосфорной кислоты; алюминиевых и магниевых сплавов - под действием морской воды; титана и его сплавов - под действием концентрированной азотной кислоты и растворов йода в метаноле.  
Следует отметить, что в зависимости от природы металла или сплава и свойств агрессивной среды существует критическое напряжение, выше которого коррозионное растрескивание наблюдается часто. 
По характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл, одновременно с воздействием агрессивной среды можно выделить коррозию под напряжением, коррозию при трении и кавитационную. 
Металлы и сплавы могут разрушаться под действием химического (химическая коррозия), электрохимического (электрохимическая коррозия) и механического (эрозия) воздействий внешней среды.

Способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды  называют коррозионной стойкостью.

Коррозия металла или сплава происходит, как правило, на границе раздела фаз, т. е. на границе соприкосновения твердого вещества с газом или жидкостью.

Коррозионные процессы подразделяются на следующие виды: по механизму  взаимодействия металла со средой; по виду коррозионной среды; по виду коррозионных разрушений поверхности; по объему разрушенного металла; по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием  коррозионной среды.

По механизму взаимодействия металла со средой различают химическую и электрохимическую коррозию.

Коррозию, протекающую под  влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, относят к биологической коррозии, а протекающую под действием  радиоактивного излучения - к радиационной коррозии.

По характеру изменения  поверхности металла или сплава или по степени изменения их физико-механических свойств, в процессе коррозии независимо от свойств, среды коррозионные разрушения бывают нескольких видов.

 
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ

 

 Современная защита  металлов от коррозии базируется  на следующих методах:

 повышение химического  сопротивления конструкционных  материалов,

 изоляция поверхности  металла от агрессивной среды,

 понижение агрессивности  производственной среды,

 снижение коррозии  наложением внешнего тока (электрохимическая  защита).

 Эти методы можно  разделить на две группы. Первые  два метода обычно реализуются  до начала производственной эксплуатации  металлоизделия (выбор конструкционных  материалов и их сочетаний  еще на стадии проектирования  и изготовления изделия, нанесение  на него защитных покрытий). Последние  два метода, напротив, могут быть  осуществлены только в ходе  эксплуатации металлоизделия (пропускание  тока для достижения защитного  потенциала, введение в технологическую  среду специальных добавок-ингибиторов)  и не связаны с какой-либо  предварительной обработкой до  начала использования.

 При применении первых  двух методов не могут быть  изменены состав сталей и природа  защитных покрытий данного металлоизделия  при непрерывной его работе  в условиях меняющейся агрессивности среды. Вторая группа методов позволяет при необходимости создавать новые режимы защиты, обеспечивающие наименьшую коррозию изделия при изменении условий их эксплуатации. Например, на разных участках трубопровода в зависимости от агрессивности почвы можно поддерживать различные плотности катодного тока или для разных сортов нефти, прокачиваемой через трубы данного состава, использовать разные ингибиторы.

 Однако в каждом  случае приходится решать каким  из средств или в каком их сочетании можно получить наибольший экономический эффект.

 Широко применяются  следующие основные решения защиты  металлических конструкций от  коррозии:

 

1. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ

 

 Металлические покрытия.

 По принципу защитного  действия различают анодные и  катодные покрытия. Анодные покрытия имеют в водном растворе электролитов более отрицательный электрохимический потенциал, чем защищенный металл, а катодные - более положительный. Вследствие смещения потенциала анодные покрытия уменьшают или полностью устраняют коррозию основного металла в порах покрытия, т.е. оказывают электрохимическую защиту, в то время как катодные покрытия могут усиливать коррозию основного металла в порах, однако ими пользуются, т.к. они повышают физико-механические свойства металла, например износостойкость, твердость. Но при этом требуются значительно большие толщины покрытий, а в ряде случаев дополнительная защита.

 Металлические покрытия  разделяются также по способу  их получения (электролитическое  осаждение, химическое осаждение,  горячее и холодное нанесение,  термодиффузионная обработка, металлизация  напылением, плакирование).

 

 Неметаллические покрытия

 Данные покрытия получают  нанесением на поверхность различных  неметаллических материалов - лакокрасочных,  каучуковых, пластмассовых, керамических  и др.

 Наиболее широко используются  лакокрасочные покрытия, которые  можно разделить по назначению (атмосферостойкие, ограниченно атмосферостойкие, водостойкие, специальные, маслобензостойкие, химически стойкие, термостойкие, электроизоляционные, консервационные) и по со составу пленкообразователя (битумные, эпоксидные, кремнийорганические, полиуретановые, пентафталевые и др.)

 Покрытия, получаемые  химической и электрохимической  обработкой поверхности

 Эти покрытия представляют  собой пленки нерастворимых продуктов,  образовавшихся в результате  химического взаимодействия металлов  с внешней средой. Посколько многие из н их пористы, они применяются преимущественно в качестве подслоев под смазки и лакокрасочные покрытия, увеличивая защитную способность покрытия на металле и обеспечивая надежное сцепление. Методы нанесения - оксидирование, фосфатирование, пассивирование, анодирование.

 

 2. ОБРАБОТКА КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ АКТИВНОСТИ.

 

 Примерами такой обработки  могут служить: нейтрализация  или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии, которые в небольших количествах вводятся в агрессивную среду и создают на поверхности металла адсорбционную пленку, тормозящую электродные процессы и изменяющую электрохимические параметры металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. ФАКТОРЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ

 

 

На процесс электрохимической коррозии оказывают огромное влияние как внутренние, так и внешние факторы.

Влияние температуры  на электрохимическую коррозию

Температура оказывает значительное влияние на ход процесса электрохимической  коррозии, т.к. изменяет растворимость  вторичных продуктов коррозии, деполяризатора, влияет на скорость диффузии, степень  анодной пассивности, перенапряжение процессов на электродах и др.

Если процесс электрохимической коррозии протекает в нейтральных растворах (с кислородной деполяризацией), то повышение температуры электролита ускоряет диффузию окисляющего компонента среды (кислорода) к металлу, но уменьшает его растворимость в растворе, снижает перенапряжение ионизации кислорода.

При электрохимической коррозии металла в неокисляющихся кислотах (их растворах), которая протекает с водородной деполяризацией, за счет увеличения температуры снижается перенапряжение водорода.

Если на поверхности металла  присутствует защитная пленка, то изменение  ее свойств может изменить влияние  температуры на скорость электрохимической  коррозии.

Изменение температуры по-разному  влияет на процессы, протекающие на катоде и аноде, и может привести к изменению полярности электродов.

Разная температура на отдельных участках металлической  конструкции может привести к  возникновению коррозионных термогальванических пар, т.е. одна часть конструкции будет корродировать с повышенной скоростью.

рн  Раствора

рН показывает активность в растворе водородных ионов и  оказывает сильное влияние на скорость электрохимической коррозии, изменяя потенциал катодных деполяризационных процессов (тех, в которых участвуют водородные ионы). Кроме того показатель рН электролита влияет на возможность образования окисных пленок, перенапряжение реакций на электродах.

Влияние скорости движения раствора на скорость электрохимической коррозии

Влияние скорости движения раствора на скорость электрохимической  коррозии имеет сложный характер и особенно сильно это влияние  проявляется в нейтральных электролитах, где процесс разрушения металла  проходит с кислородной деполяризацией. При перемешивании электролита  диффузия кислорода к поверхности  металла облегчается и довольно часто меняется характер процесса.

Если электрохимическая  коррозия протекает в кислых средах, то скорость движения электролита на характер коррозионного процесса особо  сильного влияния не оказывает.

ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ  ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ

Скорость электрохимической коррозии металлов и особенности протекания процессов во многом зависят не только от внешних, но и от внутренних факторов.

К внутренним факторам электрохимической  коррозии металлов относятся строение, структура, состав и другие характеристики, описывающие сам металл.

СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ  МЕТАЛЛА

Большое влияние на скорость и характер процесса электрохимической коррозии оказывает состояние поверхности металла. Качественная обработка поверхности (тонкая шлифовка, полировка) повышают коррозионную стойкость металла, особенно в атмосферных условиях. На поверхности хорошо отполированного металла не скапливается влага, различные загрязнения. При контакте с агрессивной средой образуется более равномерная и сплошная защитная пленка.

Грубая обработка металлической  поверхности способствует скоплению  на ней влаги, образованию оксидных и других пленок, неравномерно ее покрывающих. Кроме того, за счет наклепа увеличивается  поверхностная энергия и истинная поверхность металла.