Защита металла от коррозии

Что такое коррозия

Коррозия – это процесс разрушения металлических материалов под воздействием внешних факторов, чаще всего вызванных химическими или электрохимическими реакциями (в зависимости от типа металла). Процесс представляет собой химическую реакцию сплава с окружающей средой, что приводит к потере его структурной прочности и целостности. Основные причины, способствующие коррозии, включают влажность, кислород, соли, а также химически активные вещества. В случае черных металлов, таких как железо, чугун и сталь, окислительная реакция происходит при их контакте с кислородом и влагой. Механизм образования ржавчины включает окисление металла и образование соединений оксидов или гидроксидов.

Например, при контакте железа с кислородом (из воздуха или воды) образуется гидроксид железа. Реакция выглядит следующим образом:

4Fe + 3O2 ​+ 6H2​O → 4Fe(OH)3​

В конце концов, изначально прочный материал, свойства которого позволяли ковать мечи и создавать надежные опорные конструкции, неминуемо превращается в бесполезный оранжевый песок – этот процесс, именуемый оксидацией, заложен природой и объясняется тем, что искусственно воссозданный металл стремится вернуться к своему прежнему состоянию.

Коррозийные разрушения имеют серьезные последствия для инфраструктуры, транспортных средств, металлических конструкций и других объектов, изготовленных из металлов. Защита металлов от коррозии включает в себя применение различных методов, таких как использование специальных нержавеющих сплавов, нанесение защитных покрытий и пленок, создание неагрессивных сред и другие промышленные и «домашние» способы, о которых мы поговорим в следующих абзацах статьи.

Почему образуется коррозия

Наиболее подверженными к образованию ржавчины выступают черные металлы, основной уязвимостью которых является их прямой контакт с кислородом в воде или воздухе. Конечно, влажность не является единственной причиной коррозийного процесса, поскольку многое также зависит от конкретного сплава. Например, один металл может быть стойким к влаге, но коррозировать в кислой среде.

Перечислим разновидности агрессивных сред, в которых протекают процессы коррозии:

1. Атмосферная – это постепенное разрушение металла на открытом воздухе, вызванное его постоянным контактом с кислородом, влагой и различными газами и загрязнениями;
2. Почвенная – непосредственный контакт металлического материала с почвой запускает процесс формирования ржавчины, скорость протекания которого зависит от химического состава почвы (кислотности). Чем ниже pH почвы, тем быстрее образуется коррозия;
3. Аэрационная – постоянное контактирование воздушных масс с тем или иным участком металла, в то время как другая его часть остается изолированной;
4. Электрическая – коррозия вызвана блуждающими токами;
5. Биологическая – металл, контактируя с продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, начинает разрушаться под действием таких химических веществ, как сероводород и углекислый газ;
6. Химически агрессивные среды – кислоты, щелочи, соли и другие электролиты, включая пресную воду.

Самой распространенной причиной, способствующей формированию коррозии на металле, является кислород, который взаимодействует с поверхностью металлического материала через воздух или воду. Процесс коррозии приводит к образованию оксидов, гидроксидов или других соединений, именуемых ржавчиной (в случае стальных и железных сплавов).

Виды коррозии металлов

Основные виды коррозии включают химическую и электрохимическую. Первая обусловлена химическим воздействием агрессивных веществ на поверхность металла, приводящим к образованию оксидов – этот процесс особенно активен в присутствии кислот, щелочей и солей. Электрохимическая коррозия связана с формированием гальванических элементов на поверхности металла, где области с разным электродным потенциалом вызывают движение электронов, которое ускоряет процессы разрушения. Кроме того, существуют такие виды коррозии, как межкристаллическая, вызванная изменением структуры металла, и усталостная, возникающая при повторяющихся механических нагрузках.

Химическая

Одним из основных механизмов химической коррозии является окислительно-восстановительные реакции, в результате которых металл постепенно переходит в оксидные соединения. Например, железо под воздействием влаги и кислорода образует ржавчину, представляющую собой оксид железа (Fe2O3). Алюминий, в свою очередь, может подвергаться коррозии в агрессивных средах, образуя оксид алюминия (Al2O3). Такие процессы изменения химического состава металла сопровождаются потерей массы и изменением структуры материала, что в конечном итоге приводит к его разрушению и потери структурной целостности.

Особенно подвержены химической коррозии металлы в присутствии кислот и щелочей, таких как серная, хлористая, азотная кислоты и аммиак – эти вещества активно взаимодействуют с поверхностью сплава, ускоряя процессы окисления и разложения.

Предотвратить развитие химической реакции помогут проверенные временем способы защиты металлов от коррозии, включая создание защитных покрытий, внедрение антикоррозийных добавок в состав материала, а также выбор специальных металлических сплавов, устойчивых к воздействию конкретных химических сред, где планируется эксплуатация материала.

Электрохимическая

Электрохимическая коррозия металлов происходит вследствие электрохимических реакций между металлом, окружающей средой и другими элементами, присутствующими в этой среде.  Если представить этот вид коррозии в качестве взаимодействия гальванических элементов, то металлический материал здесь служит анодом или катодом. В таких системах происходит передача электронов от анода к катоду, что способствует разложению металла.

В присутствии влажной среды и кислорода железо выступает в качестве анода, где происходит окисление металла, а кислород играет роль катода, принимая электроны и участвуя в образовании воды – это приводит к формированию оксидов железа на поверхности металла. Скорость электрохимической коррозии зависит от множества факторов, включая влажность, температуру, наличие агрессивных химических веществ. Она особенно активна в средах с высокой электропроводностью, таких как морская вода.

Защита металлов и сплавов от коррозии электрохимического типа предполагает применение различных методов, включая катодную защиту, при которой используются специальные материалы или токовые системы для создания барьерного поля вокруг металлического объекта. Также широко применяются антикоррозийные покрытия, которые могут замедлить или полностью предотвратить электрохимический процесс разрушения металла.

Способы защиты металла от коррозии

Среди существующего разнообразия методов выделяются нанесение защитного покрытия, использование ингибиторов коррозии, специальных металлических сплавов, а также применение электрохимических методов – катодная и анодная защита. Представленные методы, взаимодействуя или дополняя друг друга, обеспечивают многоуровневую и эффективную защиту металла.

Защитные покрытия

Одним из распространенных типов защитных покрытий являются краски и эмали. Они образуют прочный слой, защищающий металл от прямого контакта с влагой и кислородом. Краски могут содержать в себе антикоррозийные добавки, улучшающие их защитные свойства. Широко используются полимерные покрытия, создающие стойкий слой, который не только предотвращает воздействие окружающих веществ, но также обеспечивает дополнительные преимущества: устойчивость к ультрафиолетовому излучению и изменению температур.

Гальваническое покрытие металла (хромирование или оцинковка) также применяются для его защиты от ржавчины. Оно создает дополнительные анодные области, делая металл менее подверженным коррозии, так как анодные участки жертвуют электронами вместо металлической структуры.

Промышленные методы позволяют возвести уровень защиты в максимальную степень. Домашние же меры защиты металлов и сплавов от коррозии уступают в эффективности, поскольку необходимо соблюсти ряд технологических нюансов. В домашних условиях подойдет разве что нанесение лакокрасочного покрытия. Предварительно металл зачищается механическим способом от остатков ржавчины и других инородных материалов. Далее нужно обработать поверхность преобразователем ржавчины (растворителем). После этого можно наносить ЛКП в следующей последовательности: грунтовка, эмаль и лак. Без грунтовки невозможно достичь требуемой адгезии (сцепления покрытия с металлом). Слой попросту будет отслаиваться, как пленка от сыра, образуя микроскопические полости. При использовании грунтовки можно провести параллель с тем же сыром и воском – металл и покрытие становятся неотделимы друг от друга.

Электрохимическая защита

Такой подход использует принцип катодной защиты, при которой создается контролируемый электрический потенциал для предотвращения окислительных процессов на металле. Одним из распространенных методов электрохимической защиты является использование анодов, изготовленных из материалов, которые более активны в электрохимическом отношении по сравнению с защищаемым металлом. Аноды выступают в роли жертвы и подвергаются коррозии вместо основного металла, что обеспечивает его эффективную защиту. Например, для сохранности стальных конструкций в морской среде часто используются аноды из алюминия или цинка.

Еще одним методом электрохимической защиты является внешнее наложение постоянного электрического тока на металлическую конструкцию с использованием специальных материалов (инертных анодов). Благодаря этому формируется электрическое поле вокруг металла, которое стимулирует образование защитных оксидных пленок и замедляет коррозию.

Использование ингибиторов коррозии тоже относится к электрохимическому методу защиты металла. Вещество представляет из себя химические соединения, наносимые напрямую на поверхность металла с целью замедлить или предотвратить процессы коррозии. Химические соединения взаимодействуют с металлической поверхностью, изменяя условия химических реакций и создавая защитный слой. Ингибиторы коррозии уменьшают скорость анодных и катодных процессов, которые происходят в электрохимической ячейке коррозии. Обычно они либо поглощаются металлической поверхностью, образуя защитный слой, либо взаимодействуют с агрессивными химическими веществами, что снижает их коррозионную активность.

Заключение

Защита металла от коррозии является неотъемлемой частью промышленного процесса, направленного на обеспечение долговечности и надежности металлической продукции. Разнообразие методов защиты подчеркивает важность комплексного подхода к этой проблеме. Постоянные исследования и инновации в области материаловедения позволяют разрабатывать все более эффективные способы предотвращения коррозии. Все это способствует увеличению срока службы металлических изделий, снижению затрат на их обслуживание и повышению устойчивости к неблагоприятным условиям эксплуатации.