Коррозия металлов

Коррозия металлов 

Слово коррозия происходит от латинского corrodere, что означает разъедать. Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, пластмассы и другие полимерные материалы и дерево. Например, в настоящее время мы являемся свидетелями большого беспокойства широких слоев людей в связи с тем, что от кислотных дождей катастрофически страдают памятники (здания и скульптуры), выполненные из известняка или мрамора. 

Таким образом, коррозией  называют самопроизвольный процесс  разрушения материалов и изделий  из них под химическим воздействием окружающей среды. Процессы физического  разрушения к коррозии не относят, хотя часто они наносят неменьший вред памятникам культуры. Их называют истиранием, износом, эрозией. 

Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете  Земля. Среди них как конструкционный  материал явно выделяется железо. Объем  промышленного производства железа примерно в 20 раз больше, чем объем  производства всех остальных металлов, вместе взятых. Широкое внедрение  железа в промышленное строительство  и транспорт произошло на рубеже XVIII...XIX вв. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Однако начало практического использования  человеком железа относят к IX в. до н.э. Именно в этот период человечество из бронзового века перешло в век железный. Тем не менее история свидетельствует о том, что изделия из железа были известны в Хеттском царстве (государство Малой Азии), а его расцвет относят к XIV...XIII вв. до н.э. 

В природе, хотя и  очень редко, но встречается самородное железо. Его происхождение считают  метеоритным, т.е. космическим, а не земным. Поэтому первые изделия из железа (они изготавливались из самородков) ценились очень высоко – гораздо  выше, чем из серебра и даже золота. 

Несмотря на широкое  внедрение в нашу сегодняшнюю  жизнь полимерных материалов, стекла, керамики, основным конструкционным  материалом продолжает оставаться железо и сплавы на его основе. С изделиями  из железа мы на каждом шагу встречаемся  в быту и знаем, как много хлопот доставляют его ржавление и сама ржавчина. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы корродируют, но не ржавеют. Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа. 

Строгие расчеты  показывают, что большинство металлов имеет склонность к коррозии. Поэтому  удивительно не то, что металлы  корродируют, а то, что изделия из них могут существовать длительное время. Скорость, с которой протекает коррозия, не поддается теоретическому вычислению. Как правило, она определяется опытным путем. Скорость прежде всего зависит от характера образующихся продуктов коррозии и прочности их сцепления с металлом.

Сущность процессов  коррозии 

Коррозия металлов чаще всего сводится к их окислению  и превращению в оксиды. В частности, коррозия железа может быть описана  упрощенным уравнением 

4Fe + 3O2 + 2H2О = 2Fe2O3·H2О 

Гидратированный оксид железа Fе2O3·H2О и является тем, что люди называют ржавчиной. Это рыхлый порошок светло-коричневого цвета. Многие металлы при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет кислороду воздуха и воде проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от дальнейшего окисления. Например, алюминий – очень активный металл и теоретически с водой должен был бы взаимодействовать в соответствии с уравнением 

2Al + 3H2О = Al2O3 + 3H2 

Однако его поверхность  покрывается плотной пленкой  оксида Al2O3, которая защищает металл от воздействия воды и кислорода. По этой причине вода в алюминиевом  чайнике при нагревании кипит, но не действует на металл и потому чайник служит довольно долгое время. Однако в воздухе часто содержатся оксиды серы, азота, углерода и другие, а в воде – растворенные газы и соли. Поэтому процесс коррозии и его продукты часто не столь  простые. Например, бронзовые статуи, коррелируя, покрываются слоем зеленой патины, состав которой отвечает основному сульфату меди (II) (CuOH)2SO4. Следует отметить, что по недоразумению патину долго считали основным карбонатом меди (II). 

Коррозия металлов бывает сплошной и местной. Сплошная коррозия не представляет особой опасности  для конструкций и аппаратов особенно в тех случаях, когда потери металлов не превышают технически обоснованных норм. Ее последствия могут быть сравнительно легко учтены. Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных видов местной коррозии – это точечная. Она заключается в образовании сквозных поражений, т.е. в образовании точечных полостей – так называемых питтингов. Местной коррозии благоприятствуют морская вода, растворы солей, в частности галогенидных (хлорид натрия, магния и др.). Опасность местной коррозии состоит в том, что, снижая прочность отдельных участков, она резко уменьшает надежность конструкций, сооружений, аппаратов. 

Особенно большие  неприятности связаны с хлоридом натрия (в некоторых странах используют отход производства – хлорид кальция), разбрасываемым в зимнее время на дорогах и тротуарах для удаления снега и льда. В присутствии  солей они плавятся и образующиеся растворы стекают в канализационные трубопроводы. Соли и особенно хлориды являются активаторами коррозии и приводят к ускоренному разрушению металлов, в частности транспортных средств и подземных коммуникаций. Подсчитано, что только в США применение для этой цели солей приводит к потерям на сумму 2 млрд долларов в год в связи с коррозией двигателей и 0,5 млрд на дополнительный ремонт дорог, подземных магистралей и мостов. Для работников коммунального хозяйства городов привлекательность хлорида натрия заключается в его дешевизне. К сожалению, пока не известно другое дешевое и эффективное средство. В настоящее время выход лишь один – вовремя убирать снег и вывозить его на свалки. Экономически он более чем оправдан. 

По своей сущности коррозию делят на химическую и электрохимическую. Ржавление железа или покрытие патиной бронзы – химическая коррозия. Если эти процессы происходят на открытом воздухе в комнатных и особенно в природных условиях, то такую коррозию часто называют атмосферной. В промышленном производстве металлы нередко нагреваются до высоких температур и в таких условиях химическая коррозия ускоряется. Многие знают, что при прокатке раскаленных кусков металла образуется окалина. Это типичный продукт химической коррозии. Окалина получается и при простой разливке на воздухе расплавленного металла в изложницы. 

Установлено, что  коррозии железа способствует наличие  в нем серы. Современных людей  поражает устойчивость к коррозии некоторых  античных предметов, изготовленных  из железа. Одной из причин этого  является низкое содержание в нем  серы. Обычно в железо она попадает из каменного угля при доменной выплавке из руд. В далеком прошлом для  этой цели использовался не каменный, а древесный уголь, который практически  не содержит серы. Сера в железе обычно содержится в виде сульфидов FeS и др. В процессе коррозии сульфиды железа разлагаются с выделением сероводорода H2S, который является катализатором коррозии железа. 

Особенно разнообразные  процессы химической коррозии встречаются  в различных химических производствах. В атмосфере водорода, метана и  других углеводородов, оксида углерода (II), сероводорода, хлора, в среде  кислот, щелочей, солей, а также в  расплавах солей и других веществ протекают специфические реакции с вовлечением материала аппаратов и агрегатов, в которых осуществляется химический процесс. Задача специалистов при конструировании реактора – подобрать металл или сплав, который был бы наиболее устойчив к компонентам химического процесса. 

Строго отделить химическую коррозию от электрохимической трудно, а иногда и невозможно. Дело в том, что электрохимическая коррозия часто связана с наличием в металле случайных примесей или специально введенных легирующих добавок. 

Многие неопытные  химики в разное время были озадачены  тем, что иногда реакция 

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 

описанная во всех учебниках, не идет. Более опытные химики знают, что в такой ситуации в раствор нужно добавить немного сульфата меди (П) (медного купороса). В этом случае на поверхности цинка выделится медь 

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu 

и водород начнет бурно выделяться. При объяснении данного явления в 1830 г. швейцарским  химиком А. де-ля Ривом была создана первая электрохимическая теория коррозии. 

Вскоре после открытия итальянцем Л. Гальвани электрохимического явления его соотечественник А. Вольта сконструировал (1800) источник электрического тока (гальванический элемент), что открыло человечеству эру электричества. В одном из вариантов источник состоял из чередующихся медных и цинковых дисков, разделенных пористым материалом, пропитанным раствором соли (вольтов столб). В зависимости от числа дисков получается ток различной силы. При осаждении на поверхности цинка металлической меди получается коротко-замкнутый элемент. В нем цинк является анодом, а медь – катодом. Поскольку медь находится в контакте с цинком и оба эти металла окружены раствором электролита, гальванический элемент оказывается «включенным». Цинк в виде иона Zn2+ переходит в раствор серной кислоты, а оставшиеся от каждого атома два электрона перетекают на более электроположительный металл – медь: 

Zn = Zn2+ + 2e– 

медному катоду подходят ионы водорода, принимают электроны  и превращаются в атомы водорода, а затем и в молекулы водорода: 

Н+ + е(Сu) = Н; 2Н = H2 

Таким образом, потоки движения ионов разделены и при  избытке кислоты процесс протекает  до тех пор, пока не растворится весь цинк. 

Сущность первой электрохимической теории состояла в том, что примеси в металлах создают микрогальванические элементы, в которых происходит перетекание  электронов от анодных участков к катодным. Поскольку катодный и анодный процессы разделены на поверхности, то разделены и противоположные потоки ионов, атомов и молекул. Разделенные потоки не мешают друг другу и по этой причине процесс коррозии протекает быстрее, чем в случае отсутствия микрогальванических элементов. Конечно, в настоящее время теории электрохимической коррозии выглядят гораздо более совершенными. Они основаны на многочисленных экспериментальных фактах и выражены в математической форме. Здесь мы не имеем возможности углубляться в детали. 

Коррозия металлов наносит большой экономический  вред. Человечество несет огромные материальные потери в результате коррозии трубопроводов, деталей машин, судов, мостов, морских конструкций и  технологического оборудования. Коррозия приводит к уменьшению надежности работы оборудования: аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров  для токсичных и радиоактивных  веществ, лопастей и роторов турбин, деталей самолетов и т.д. С учетом возможной коррозии приходится завышать прочность этих изделий, а значит, увеличивать расход металла, что  приводит к дополнительным экономическим  затратам. Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего  из строя оборудования, к потерям  сырья и продукции (утечка нефти, газов, воды), к энергетическим затратам для преодоления дополнительных сопротивлений, вызванных уменьшением  проходных сечений трубопроводов  из-за отложения ржавчины и других продуктов коррозии. Коррозия также  приводит к загрязнению продукции, а значит, и к снижению ее качества. Затраты на возмещение потерь, связанных  с коррозией, исчисляются миллиардами  рублей в год. Специалисты подсчитали, что в развитых капиталистических  странах стоимость потерь, связанных  с коррозией, составляет 3...4% валового национального дохода. 

За долгий период интенсивной работы металлургической промышленности выплавлено огромное количество металла и переведено в изделия. Этот металл постоянно корродирует. Сложилась такая ситуация, что потери металла от коррозии в мире уже составляют около 30% от его годового производства. Считается, что 10% прокорродировавшего металла теряется (в основном в виде ржавчины) безвозвратно. Возможно, в будущем установится баланс, при котором от коррозии будет теряться примерно столько же металла, сколько его будет выплавляться вновь. Из всего сказанного следует, что важнейшей проблемой является изыскание новых и совершенствование старых способов защиты от коррозии.

Способы защиты от коррозии 

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти  в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью  жира, масел, а позднее и покрытием  другими металлами и прежде всего  легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии. 

Задачей химиков  было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно  лишь замедлить. Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, – это  легирование металлов, т.е. получение  сплавов. Например, в настоящее время  создано большое число нержавеющих  сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет  место. Оказалось, что при добавлении легирующих добавок коррозионная стойкость  меняется скачкообразно. Установлено  правило (правило Таммана), согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, т.е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию. Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит коррозию. Поэтому важное значение имеет качество покрытия – толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.