В этой статье мы узнаем, что такое коррозия металла и методы ее предотвращения. Коррозия материалов – распространенное явление, которое невозможно полностью устранить. Коррозионное разрушение часто классифицируется как одна из основных причин потери материалов. Кроме того, оно способствует загрязнению окружающей среды и опасно для здоровья человека. Изучение механизмов коррозии и методов защиты от разрушения материалов позволяет нам в значительной степени обезопасить материалы.
Что такое коррозия?
Функциональные изделия или архитектурные элементы, изготовленные из металлов и их сплавов, ежедневно подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды. Это приводит к разрушению материалов в результате химической или электрохимической реакции, которая называется коррозией (химической или электрохимической, соответственно).
Коррозию часто называют ржавлением, что относится к металлическим материалам. Когда происходит ржавление, поверхность металла покрывается характерным красным налетом, называемым ржавчиной. Ржавчина – это не отдельное химическое соединение, а слой оксидов, гидроксидов и солей двухвалентного железа (которые образуются при окислении железа и его сплавов, таких как сталь).
Факторы окружающей среды, вызывающие коррозию:
- атмосферные осадки,
- влажность,
- загрязнение окружающей среды (например, оксиды серы, азота, пыль),
- недостаточный уровень pH,
- присутствие микроорганизмов,
- контакт с почвой.
Химическая и электрохимическая коррозия
Химическая коррозия
Химическая коррозия возникает в среде, где отсутствует ионная проводимость, поэтому обычно в присутствии выхлопных газов, нефти, определенных органических веществ или таких газов, как водород, сероводород, монооксид углерода (II) или хлор. Химическую коррозию иногда называют сухой коррозией. Обычно вся поверхность корродирующего материала контактирует с коррозийным агентом. Однако это, как правило, не представляет существенного риска для конструкции.
Электрохимическая коррозия
Она возникает в среде, способной проводить электрические заряды (в электролитах). Примером такой среды является вода, содержащая растворенные газы или соли. В таком случае на поверхности материала образуются локальные гальванические элементы (например, в месте контакта с влагой). Наличие электролита приводит к замыканию цепи. Электрохимическая коррозия приводит к окислению металлических поверхностей и образованию коричневого налета (ржавчины).
Коррозия и пассивация металла
Металлическая поверхность, соприкасающаяся с агрессивным веществом, окисляется под его воздействием; она покрывается слоем оксида металла. Это не всегда нежелательно. Пассивация – это явление, при котором образуется достаточно твердый оксидный слой, прочно связанный с поверхностью металла. Предполагается, что это защищает материал от дальнейшего разрушения (дальнейшего окисления).
Пассивацию можно наблюдать, например, на алюминии. Хотя это металл с высокой реакционной способностью, он демонстрирует устойчивость к коррозии, которая достигается благодаря пассивации. Металлы обычно подвергаются процессам пассивации, поскольку это один из методов защиты от коррозии. Однако пассивация также существует в природе. Ее можно наблюдать на меди, поверхность которой может быть покрыта зеленым налетом, называемым “патиной”.
Коррозии подвергаются только металлы?
Изделия, изготовленные из металлов или их сплавов, обычно разрушаются в результате химической или электрохимической коррозии. Электрохимическая коррозия железа, стали, меди или алюминия является обычным явлением, но она также затрагивает другие материалы, не только металлические; например, мы можем наблюдать химическую коррозию бетона.
Материалы (кроме металлов), способные вызывать коррозию:
- бетон и железобетон,
- пластмассы,
- дерево,
- керамика.
Процессы коррозии для каждого материала различны. Коррозия в значительной степени зависит от типа электропроводности на границе раздела материал / окружающая среда. Также важен тип среды, в которой находится материал. Для кузовов с высокой электропроводностью мы обычно имеем дело с электрохимической коррозией. В случае низкой (или нулевой) электропроводности коррозия носит гораздо более химический (или физико-химический) характер.
Методы защиты от коррозии
Коррозию невозможно полностью устранить. Все антикоррозийные методы направлены на подавление этого процесса. Драгоценные металлы, которые существуют в природе в несвязанном виде, не требуют антикоррозийной защиты. К ним относятся золото или платина.
Методы защиты от коррозии:
- устранение факторов, вызывающих коррозию, из окружающей среды, например, удаление влаги, использование ионообменников для удаления растворенных в воде солей, нейтрализация кислотных веществ;
- использование веществ, замедляющих коррозию (ингибиторов);
- изменение электрического потенциала металла;
- использование защитных покрытий. Металл может быть покрыт другим металлом, более ценным (изоляционное покрытие) или менее ценным (защитное покрытие), чем защищаемый;
- использование неорганических покрытий, например, стекловидных эмалей, хроматных покрытий;
- использование органических покрытий, например, полимерных материалов или финишных красок.
Покрытия являются популярным средством защиты от коррозии. Они наносятся путем погружения изделия в расплавленный металл (покрытие горячим погружением) или из водного раствора электролита, путем электролиза (электролитическое покрытие). Менее популярным методом является распыление металла, которое выполняется с помощью пистолета-распылителя.
Наиболее популярным защитным металлом является цинк. В основном он используется в качестве покрытия для стали или чугуна. Цинковое покрытие обладает хорошими защитными свойствами, несмотря на более низкую термодинамическую стабильность по сравнению с железом. Однако, защищая металлическое изделие от разрушения, сам цинк может подвергаться коррозии под воздействием влаги. Долговечность цинкового покрытия зависит не только от его толщины, но и от условий окружающей среды, в которых используется изделие. В зависимости от способа нанесения мы выполняем электроцинкование или горячее цинкование
Экономические последствия коррозии в глобальном масштабе
Коррозия – глобальная проблема. Мы продолжаем регистрировать травмы и смертельные случаи, экономические потери и негативное воздействие на окружающую среду, вызванные коррозией материалов. Коррозия может привести к серьезным отказам резервуаров высокого давления, компонентов самолетов и тягового оборудования.
Как указывает Мохаммад А. Джафар Мазумдер в своей статье под названием Глобальное воздействие коррозии: возникновение, стоимость и смягчение последствий (2020), типичные затраты на техническое обслуживание проблем, связанных с коррозией, для конкретной страны варьируются в пределах 1-5% от ее валового национального продукта.
