Коррозия металлов

Коррозия металлов – это процесс самопроизвольного разрушения металлов под действием окружающей среды.

Среда, в которой металл подвергается коррозии, называется коррозионной или агрессивной средой.

Коррозия является окислительно-восстановительным процессом, протекающим на границе двух фаз: металла и коррозионной среды, т.е. это гетерогенный процесс. Разрушение металла начинается с поверхности и проникает глубже.

По характеру коррозионных разрушений различают коррозию сплошную (равномерную) и локальную (неравномерную). Локальные коррозионные повреждения поражают поверхностные слои металла и имеют вид пятен, при распространении их вглубь металла возникают очаги поражения в виде точек.

В зависимости от того, какая часть сплава подвергается коррозии, различают избирательную и межкристаллическую коррозию. При избирательной коррозии разрушению подвергаются зерна только одного компонента сплава, при межкристаллической – межзеренные пограничные участки.

По механизму протекания коррозионного разрушения различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия – процесс разрушения металла при взаимодействии с агрессивной средой, это простая химическая реакция окисления металла, не сопровождающееся возникновением электрического тока в системе. Химическая коррозия наблюдается при взаимодействии металлов с агрессивными газами при высокой температуре (газовая коррозия) и с органическими неэлектролитами (коррозия в неэлектролитах).

Газовой коррозии подвергаются режущие инструменты при большой скорости обработки металлов, лопатки газовых турбин, выхлопные патрубки и другие элементы реактивных двигателей, газовая коррозия наблюдается также в электроплавильных печах. Результат газовой коррозии – образование на поверхности металла оксидной пленки. Если пленка прочна, компактна и хорошо сцепляется с поверхностью металла, то она сообщает металлу некоторую пассивность при низкой температуре, т.к. затрудняет доступ кислорода к поверхности металла (такие пленки образуются на поверхности тантала, бериллия, алюминия и др.).

Самый распространенный случай коррозии в неэлектролитах – это коррозия в жидком топливе, например, разрушение цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Сами по себе углеводороды не разрушают металлы, коррозионное действие обусловлено примесями, особенно серой и ее соединениями. При сгорании топлива соединения серы превращаются в оксиды серы SO₂ и SO₃, которые являются коррозионно-активными веществами.

Чаще всего встречается электрохимическая коррозия – это разрушение металла в среде электролита, сопровождающееся возникновением электрического тока в системе. По электрохимическому механизму протекает атмосферная и почвенная коррозия, коррозия в электролитах, коррозия под действием блуждающих токов.

Электрохимическое взаимодействие слагается из анодного окисления и катодного восстановления. Суть электрохимической коррозии составляет процесс анодного растворения металла. В присутствии электропроводной жидкости места контактов металлов, обладающих разными потенциалами (напр., в неоднородных металлических сплавах, на участках изделия, подвергшихся различной термической или механической обработке и т.д.), окажутся подверженными коррозии. На поверхности металлических изделий возникают локальные микрогальванические элементы. Участки с более электроотрицательным потенциалом окажутся анодом и начнут растворяться, а на более электроположительных участках – катодах – будет происходить восстановление, что замедлит или полностью прекратит их собственную коррозию.

Например, при коррозии железа с включениями меди в электролите H₂SO₄ возникает микрогальванический элемент, который изображается схемой:

Fe|H₂SO₄|Cu

Железо как более активный металл будет окисляться, на меди будет происходить восстановление ионов водорода:

Fe – 2ē = Fe⁺² (процесс на аноде)

2Н⁺ + 2ē = Н₂ (процесс на катоде)

Коррозию металлических изделий можно предотвратить с помощью различных защитных покрытий: неметаллических (лаки, краски, смолы и др.), химических (прочные пленки оксидов, фосфатов и др.), металлических (меднение, лужение, цинкование и др.).

Защитное действие химических и неметаллических пленок обусловлено тем, что они изолируют металл от коррозионной среды.

Металлические покрытия разделяют на анодные и катодные.

Катодное металлическое покрытие – это покрытие металлом, электродный потенциал которого в данных условиях более положителен, чем потенциал защищаемого металла. Например, луженое железо – защитное покрытие железа слоем олова (Е⁰(олова) = -0,14 В, Е⁰(железа) = -0,44 В).

Защитная функция покрытия выполняется только до той поры, пока не нарушена целостность покрытия. Будучи нарушенным, катодное покрытие будет ускорять коррозию железа, т.к. возникает микрогальванический элемент, где железо играет роль анода и будет окисляться.

Анодное металлическое покрытие – это покрытие металлом, электродный потенциал которого в данных условиях более отрицателен, чем потенциал защищаемого металла. Например, оцинкованное железо – защитное покрытие железа слоем олова (Е⁰(цинка) = -0,76 В, Е⁰(железа) = -0,44 В).

При частичном разрушении анодного покрытия на железном изделии возникает гальванический элемент, где катодом служит железо, а анодом – цинк. В среде электролита цинк будет окисляться, а на железе будет происходить восстановление, а само оно разрушаться не будет. Таким образом, анодное покрытие и в случае его нарушения продолжает играть защитную роль по отношению к основному металлу.

Для торможения коррозионных процессов прибегают к различным способам изменения свойств коррозионной среды: деаэрация и введение ингибиторов коррозии. Деаэрация – освобождение пресной воды и нейтральных солевых сред от растворенного в них кислорода. Деаэрация достигается путем кипячения, дистилляции или барботажем инертным газом.

Ингибиторы коррозии по химическому воздействию делятся на анодные и катодные. Анодные ингибиторы – карбонаты, фосфаты, силикаты щелочных металлов – поляризуют анодные участки и уменьшают количество растворенного металла за счет образования пленки труднорастворимого соединения защищаемого металла. Катодные ингибиторы – соли магния, никеля, цинка – поляризуют катодные участки.

Наиболее эффективные способы защиты от коррозии – электрохимические способы. Электрохимические способы заключаются в том, что защищаемая конструкция искусственно оказывается катодным участком электрохимической системы. Различают катодную и протекторную защиту.

При катодной защите конструкцию искусственно делают катодом путем наложения постоянного тока от внешнего источника. К аноду источника тока присоединяют железный лом, помещенный в ту же среду. Протекторная защита заключается в образовании макрогальванической пары, в которой защищаемый металл играет роль катодного участка, а анодом – протектором – служит более активный металл или сплав (алюминий, магний, цинк, их сплавы). Протекторы наклепывают или соединяют металлическим проводом с защищаемой конструкцией.

Защита от блуждающих токов

Для защиты от блуждающих токов используют электродренаж. Этот способ также относится к электрохимическим способам защиты от коррозии. Электродренаж осуществляется следующим образом. Анодные участки соединяют с металлическими проводниками с источником блуждающих токов, ток проходит по металлическому проводнику, вследствие чего устраняется разность потенциалов земля-рельс, а значит и опасность коррозии.