Коррозия металлов. все виды особенности и факты

Экономический ущерб от коррозии

Коррозия ухудшает работу трубопроводов.

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE, ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.

Обрушение Серебряного моста.

Ржавчина является одной из наиболее распространённых причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста. 15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Пойнт Плезант, штат Западная Виргиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виргинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия.

Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

Виды

Коррозия может происходить в присутствии электролитов и неэлектролитов. Поэтому основными видами коррозии металлов по механизму возникновения являются:

• химическая – возникает в отсутствии электролита в сухой или влажной среде;
• электрохимическая – происходит в присутствии электролита.

Химическая коррозия связана с неэлектролитами – веществами, не проводящими электрический ток в растворах или расплавах. К неэлетролитам относятся многие простые неорганические (кислород, водород) и органические (эфир, бензол) вещества.

Химическая коррозия может происходить в присутствии газов (водорода, кислорода, хлора), органических кислот и солей. Молекулы металла соединяются с химическими элементами, и на металлической поверхности возникают плёнки – оксиды, сульфиды, гидриды. Внешне это заметно по изменению цвета. Железо, соединяясь с кислородом, образует Fe₂O₃ – оксид железа (III) – рыжую ржавчину.

Рис. 2. Оксид железа.

Если в расплаве или в растворе присутствуют вещества, проводящие электрический ток (электролиты), то появляется электрохимическая коррозия. Она возникает в присутствии солей, кислот, щелочей или при соприкосновении поверхностей двух металлов, между которыми находится влажная среда. Из-за разности окислительно-восстановительных потенциалов возникает гальванический элемент – источник электрического тока. Металл выступает в роли анода (восстановителя), электролит – катода (окислителя). Анод, отдавая электроны, окисляется или коррозирует.

Рис. 3. Схема электрохимической коррозии.

Классификация коррозии может проводиться по другим признакам. По очагу поражения коррозия бывает:

• местной;
• сплошной;
• точечной.

Коррозия может происходить в разных средах:

• газовой (безводной);
• атмосферной (влажной);
• жидкостной;
• грунтовой;
• радиационной.

Соль ускоряет процесс ржавления, поэтому корабли быстрее ржавеют в морской, чем в пресной воде.

Что мы узнали?

Коррозия – окисление и разрушение металла под воздействием окружающей среды. Процесс окисления может происходить в присутствии или в отсутствии электролитов. Коррозия, возникающая без воздействия электролитов, называется химической. На поверхности металлов возникают оксиды, гидроксиды, соли. Под действием электролитов возникает электрохимическая коррозия. Окислению подвергается металл, выступающий в роли анода.

Тест по теме

1. Вопрос 1 из 5

   Что происходит при коррозии?

   • Окисление металла и восстановление корозионной среды
   • Восстановление металла и окисление корозионной среды
   • Окисление металла и коррозионной среды
   • Восстановление металла и коррозионной среды

Начать тест(новая вкладка)

Что такое коррозия и её разновидности

Основной причиной интенсивного окисления поверхности металлов (что и является основной причиной коррозии) являются:

1. Повышенная влажность окружающей среды.
2. Наличие блуждающих токов.
3. Неблагоприятный состав атмосферы.

Соответственно этому различают химическую, трибохимическую и электрохимическую природу коррозии. Именно они в совокупности своего влияния и разрушают основную массу металла.

Химическая коррозия

Такой вид коррозии обусловлен активным окислением поверхности металла во влажной среде. Безусловным лидером тут является сталь (исключая нержавеющую). Железо, являясь основным компонентом стали, при взаимодействии с кислородом образует три вида окислов: FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Основная неприятность заключается в том, что определённому диапазону внешних температур соответствует свой окисел, поэтому практическая защита стали от коррозии наблюдается только при температурах выше 10000С, когда толстая плёнка высокотемпературного оксида FeO сама начинает предохранять металл от последующего образования ржавчины. Это процесс называется воронением, и активно применяется в технике для защиты поверхности стальных изделий. Но это – частный случай, и таким способом активно защищать металл от коррозии в большинстве случаев невозможно.

Электрохимическая коррозия

Эта разновидность коррозии более коварна: разрушение металла в данном случае происходит при совокупном влиянии воды и почвы на стальную поверхность (например, подземных трубопроводов). Влажный грунт, являясь слабощёлочной средой, способствует образованию и перемещению в почве блуждающих электрических токов. Они являются следствием ионизации частиц металла в кислородсодержащей среде, и инициирует перенос катионов металла с поверхности вовне. Борьба с такой коррозией усложняется труднодоступностью диагностирования состояния грунта в месте прокладки стальной коммуникации.

Электрохимическая коррозия возникает при окислении контактных устройств линий электропередач при увеличении зазоров между элементами электрической цепи. Помимо их разрушения, в данном случае резко увеличивается энергопотребление устройств.

Трибохимическая коррозия

Данному виду подвержены металлообрабатывающие инструменты, которые работают в режимах повышенных температур и давлений. Антикоррозионное покрытие резцов, пуансонов, фильер и пр. невозможно, поскольку от детали требуется высокая поверхностная твёрдость. Между тем, при скоростном резании, холодном прессовании и других энергоёмких процессах обработки металлов начинают происходить механохимические реакции, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры на контактной поверхности «инструмент-заготовка». Образующаяся при этом окись железа Fe2O3 отличается повышенной твёрдостью, и поэтому начинает интенсивно разрушать поверхность инструмента.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.

Протекторная защита от электрохимической коррозии

Как упоминалось выше, чем больше потенциал металла, тем быстрее происходит электрохимическая коррозия. Значит, снижая электрический потенциал, можно добиться наступления момента, когда процесс окисления станет невозможным. На этом принципе основана протекторная или, другими словами, электрохимическая защита металлических конструкций, газопроводов, корпусов морских судов. Берется такой металл, который ведет себя активнее, нежели основной защищаемый, и соединяется с последним токопроводящим проводником. Получается, что уже этот анод вступает в реакцию с коррозионной средой, а основной металл остается невредимым.

Основные случаи, когда применение протекторной защиты будет оправдано:

1. Недостаточно средств на проведение более дорогостоящих защитных мероприятий.
2. Если защитой нужно обеспечить конструкции из металла небольших габаритов.
3. Когда трубопроводы имеют дополнительную поверхностную изоляцию.

Такую защиту от электрохимической коррозии, как протекторная, применяют, в основном, к разным маркам стали. Здесь уместным будет использование протекторов на основе кадмия, алюминия, магния, хрома, цинка, но используется не чистый элемент, а сплавы.

Цинковые протекторы

Цинковые протекторы, кроме основы из цинка, содержат:

• до 0.15% кадмия при минимально возможном процентном соотношении в 0.025%;
• до 0.5% алюминия;
• примеси железа, свинца и меди, общей суммой не превышающие 0.005%.

Наиболее эффективное применение цинка выявлено в морской воде, где с помощью таких протекторов успешно работает защита, например, газовых или нефтяных магистралей. Плюс цинка еще в том, что он допустим к использованию со взрывоопасными веществами. Когда происходит растворение анода, не наблюдается выделения загрязняющих веществ, которые могут навредить экологии.

Применение цинковых протекторов в водоемах, где вода имеет пресный состав либо в грунте под землей сопровождается быстрым образованием на поверхности протектора таких соединений, как оксиды и гидроксиды, которые приводят к торможению электрохимического процесса окисления анода, и фактически прекращается защита основного металла от электрохимической коррозии.

Установка цинкового протектора на днище корабля:

Магниевые протекторы

В чистом виде магниевые протекторы нецелесообразно применять, что объясняется быстрым ржавлением этого металла. Поэтому коррозионные защитники на базе магния, кроме него, имеют:

• максимум 5%, минимум 2% цинка;
• максимум 7%, минимум 5% алюминия;
• небольшое содержание меди, никеля и свинца, не более десятых долей процента.

Протекторы из магния хороши, когда среда, в которой они применяются, имеет pH не выше 10.5, что соответствует грунтам обычного характера, водным объектам со слабосоленой акваторией либо попросту пресной воде. Для защиты подходят любые трубопроводы и металлоконструкции, находящиеся в описанных выше условиях. Применение магния в агрессивных соленых растворах сопровождается быстрым образованием плохо растворимой пленки на его поверхности.

Алюминиевые протекторы

Целевое назначение протекторов из алюминия – работать в качестве защиты от электрохимической коррозии в средах с водой проточной с соленым составом, например, в прибрежных морских водах. В составе сплава протектора из алюминия имеются:

• примеси индия, кадмия, кремния не более 0.02%;
• цинка – до 8%;
• магния – до 5%.

Благодаря этим дополнительным металлам нет возможности появления на протекторе жесткой, задерживающей растворение пленки. Допустимо применять алюминиевый протектор и в средах, подходящих для магниевого протектора.

Отличия химической коррозии от электрохимической

Под процессом электрохимической коррозии понимают окислительно-восстановительную реакцию коррозионной среды за счет электронов металла, которые отнимаются у него под воздействием электрического потенциала, возникающего в электролите, коим является эта окислительная среда. Ионизация сопровождается разрушением той части, которая непосредственно контактирует со средой, а ржавчина, видимая невооруженным глазом, не что иное, как восстановленная коррозионная среда.

Если говорить о том, чем отличается коррозия химического плана от электрохимической, то здесь есть несколько принципиальных моментов:

1. Сущностью электрохимической коррозии является процесс, протекающий в электролите, и это главное.
2. В электрохимической обязательно присутствует электрический ток, чего нет при химическом окислении.
3. Электрохимическая коррозия характеризуется не одномоментным переходом частиц от металла к окислительному компоненту, а определяется величиной потенциала. То есть, чем потенциал выше, тем больше скорость движения частиц и быстрее восстановительный процесс коррозионной среды. При химическом же процессе разрушение вещества сопровождается одновременным восстановлением коррозионной среды.

Выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

1. Межкристаллитная. Электрохимическое явление, когда у алюминия, никеля, иных элементов наблюдается разрушение зерна по его границе, и происходит это избирательно. В результате конструкция теряет свою прочность, ухудшаются свойства пластичности. Опасность в том, что этот электрохимический процесс визуально может быть незаметен.
2. Питтинговая. Проявляется как поражение точечных участков на таких элементах, как медь, ее сплавы и другие. Размер отдельных участков, где проявляется коррозия, обычно не превышает 1.5 миллиметров. Электрохимический питтинг бывает поверхностного типа, а также открытый и закрытый.
3. Щелевая. Опасный вид электрохимической коррозии, сопровождающийся быстрым усиленным разрушением областей, где есть микротрещины, зазоры либо щели. Коррозия может протекать при любом состоянии окружающей среды.

Примечания

1. Антикоррозионная защита / Козлов Д.Ю.. — Екатеринбург: ООО «ИД «Оригами», 2013. — С. 343. — 440 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-904137-05-2.
2. «ГОСТ 5272-68: Коррозия металлов. Термины.»
3. Спиридонов А. А. В служеньи ремеслу и музам. — 2-е изд. — М.: Металлургия, 1989. — С. 53. — (Научно-популярная библиотека школьника). — 50 000 экз. — ISBN 5-229-00355-3.
4. Merchant and Navy Ship events (1946—2000) — 25/12 1967
5. См. также, например, газеты «Ogden Standard Examiner», «Bridgeport Post» за 24 декабря 1967 года.
6. ISO 8501-1. «Подготовка стальной основы перед нанесением красок и подобных покрытий. Визуальная оценка чистоты поверхности Часть 1. Степени окисления и степени подготовки непокрытой стальной основы и стальной основы после полного удаления прежних покрытий.»
7. Газотермическое напыление
8. ГОСТ Р 9.316-2006 «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия термодиффузионные цинковые. Общие требования и методы контроля.
9. Доклад на 16-м Всемирном конгрессе по коррозии в Пекине, сентябрь 2005 года.
10. «Руководство для подготовки инспекторов по визуальному и измерительному контролю качества окрасочных работ» — Екатеринбург: ООО «ИД «Оригами», 2009—202 с., ISBN 978-5-9901098-1-5
11. «Part Of Bridge On Route I-95 Falls Into River In Greenwich,; Killing 3.». New York Times. June 29, 1983. (англ.)
12. (Июнь 2008) «ИЗ ИСТОРИИ КОРРОЗИИ». журнал «Очистка. Окраска»№ 4 (15) : 48. Проверено 2010-10-03.

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.

Коррозия неметаллических материалов

По мере ужесточения условий эксплуатации (повышение температуры, механических напряжений, агрессивности среды и др.) и неметаллические материалы подвержены действию среды. В связи с чем термин «коррозия» стал применяться и по отношению к этим материалам, например «коррозия бетонов и железобетонов», «коррозия пластмасс и резин». При этом имеется в виду их разрушение и потеря эксплуатационных свойств в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Но следует учитывать, что механизмы и кинетика процессов для неметаллов и металлов будут разными.

Олово и цинк. «Опасные» и «безопасные покрытия

Возьмем еще пример. Допустим, кузовная панель покрыта оловом. Олово — очень стойкий к коррозии металл, кроме того, оно создает пассивный защитный слой, ограждая железо от взаимодействия с внешней средой. Значит, железо под слоем олова находится в целости и сохранности? Да, но только до тех пор, пока слой олова не получит повреждение.

А когда такое случается, между оловом и железом тут же возникает гальваническая пара, и железо, являющееся более активным металлом, под воздействием гальванического тока начнет корродировать.

Кстати, в народе до сих пор ходят легенды о якобы «вечных» луженых кузовах «Победы». Корни этой легенды таковы: ремонтируя аварийные машины, мастера использовали паяльные лампы для нагрева. И вдруг, ни с того ни с сего, из-под пламени горелки начинает «рекой» литься олово! Отсюда и пошла молва, что кузов «Победы» был полностью облужен.

На самом деле все гораздо прозаичнее. Штамповая оснастка тех лет была несовершенной, поэтому поверхности деталей получались неровными. Вдобавок тогдашние стали не годились для глубокой вытяжки, и образование морщин при штамповке стало обычным делом. Сваренный, но еще не окрашенный кузов приходилось долго готовить. Выпуклости сглаживали наждачными кругами, а вмятины заполняли оловяным припоем, особенно много которого было вблизи рамки ветрового стекла. Только и всего.

Ну, а так ли «вечен» луженый кузов, вы уже знаете: он вечен до первого хорошего удара острым камешком. А их на наших дорогах более чем достаточно.

А вот с цинком картина совсем другая. Здесь, можно сказать, мы бьем электрохимическую коррозию ее же оружием. Защищающий металл (цинк) в ряду напряжений стоит левее железа. А значит при повреждении будет разрушаться уже не сталь, а цинк. И только после того, как прокорродирует весь цинк, начнет разрушаться железо. Но, к счастью, корродирует он очень и очень медленно, сохраняя сталь на долгие годы.

а) Коррозия луженой стали: при повреждении покрытия разрушается сталь. б) Коррозия оцинкованной стали: при повреждении покрытия разрушается цинк, защищая от коррозии сталь.

Покрытия, выполненные из более активных металлов называются «безопасными«, а из менее активных — «опасными«. Безопасные покрытия, в частности оцинковка, давно и успешно применяются как способ защиты от коррозии автомобильных кузовов.

Почему именно цинк? Ведь помимо цинка в ряду активности относительно железа более активными являются еще несколько элементов. Здесь подвох вот в чем: чем дальше в ряду активности находятся друг от друга два металла, тем быстрее разрушение более активного (менее благородного). А это, соответственно, сокращает долговечность антикоррозионной защиты

Так что для автомобильных кузовов, где помимо хорошей защиты металла важно достичь и продолжительного срока действия этой защиты, оцинковка подходит как нельзя лучше. Тем более, что цинк доступен и недорог

Кстати, а что будет, если покрыть кузов, например, золотом? Во-первых, будет ох как дорого!  Но даже если золото стало бы самым дешевым металлом, такого делать нельзя, поскольку оно окажет нашей «железке» плохую услугу.

Золото ведь стоит очень далеко от железа в ряду активности (дальше всего), и при малейшей царапине железо вскоре превратится в груду ржавчины, покрытую золотой пленкой.

Автомобильный кузов подвергается воздействию как химической, так электрохимической коррозии. Но главная роль все же отводится электрохимическим процессам.

Ведь, чего греха таить, гальванических пар в автомобильном кузове много: это и сварные швы, и контакты разнородных металлов, и посторонние включения в листовом прокате. Не хватает только электролита, чтобы «включить» эти гальванические элементы.

А электролит тоже найти легко — хотя бы влага, содержащаяся в атмосфере.

Кроме того, в реальных условиях эксплуатации оба вида коррозии усиливаются множеством других факторов. Поговорим о главных из них поподробнее.

Основные объекты коррозии

Неоднородные металлические участки хаотично расположены на поверхности изделия и зависят от технологии и качества их изготовления, поэтому коррозионные разрушения чаще носят локальный характер. Кроме этого, локальность корродирования зависит от неоднородности:

• защитных оксидных пленок;
• электролита;
• влияния внешних факторов (нагрева, облучения);
• внутренних напряжений, вызывающих неравномерную деформацию.

Сварные и заклепочные соединения являются яркими представителями контакта инородных металлов, подвергающихся активной электрохимической коррозии. Сварка и заклепка — самые распространенные технологии в конструкции неразъемных соединений во всех ведущих отраслях промышленности и крупных трубопроводных системах:

• машиностроение;
• судостроение;
• нефтепроводы;
• газопроводы;
• водопроводы.

Наиболее значительные разрушения сварных швов и заклепочных соединений возникают в морской воде, присутствие соли в которой, значительно ускоряет процесс коррозии.

Катастрофическая ситуация сложилась в 1967 году с рудовозом «Анатина», когда морская вода от высоких штормовых волн попала в трюмы корабля. Медные конструкции во внутренней отделке трюмов и стальной корпус способствовали созданию коррозионного элемента в электролите из морской воды. Скоротечная электрохимическая коррозия вызвала размягчение корпуса судна и создание аварийной ситуации, вплоть до эвакуации команды.

Положительный эффект от электрохимической коррозии встречается очень редко. Например, при монтаже новых труб в системах горячего отопления жилых домов. Резьбовые соединения муфт начинают течь при первичном пуске до тех пор, пока продукты коррозии, состоящие из гидратированного железа, не заполнят микропоры в резьбе.

Вне зависимости от вида коррозии, химической или электрохимической, ее последствия одинаковые — разрушение изделий огромной стоимости. Причем помимо прямых потерь от пришедших в негодность материалов, существуют косвенные потери, связанные с утечками продуктов, простоями при замене негодных материалов и деталей, нарушении регламентов технологических процессов.