Коррозия металлов

Коррозия – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металла в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Нет особой необходимости объяснять, что коррозия наносит очень большой ущерб экономике, назовём лишь одну цифру – мировая потеря металла от коррозии превышает 20 млн тонн в год.

Важнейшими видами коррозии являются газовая и электрохимическая.

Коррозия в газах происходит при повышенных температурах в отсутствии влаги. Она имеет место в арматуре печей, у деталей двигателей внутреннего сгорания, деталей газовых турбин. Газовая коррозия – химическая, так как при этом на поверхности металла образуются соответствующие соединения (хлориды, сульфиды, оксиды).

Для защиты от газовой коррозии аппаратуру делают из жаростойких сплавов, сплавы на основе чугуна легируют хромом, алюминием, кремнием. Другой способ – это насыщение в горячем состоянии поверхности изделий металлами (алюминий или хром), которые обладают защитным действием за счёт оксидных плёнок.

Чаще всего мы сталкиваемся с электрохимической коррозией, сюда относятся все случаи коррозии в водных растворах. В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить к образованию нерастворимых продуктов (например, ржавчины), так и к переходу металла в раствор в виде ионов.

Если металлическая деталь находится в воде, то в качестве окислителя выступают ионы водорода: 2Н⁺ + 2е = Н₂ Е⁰ = - 0,41 В, окисляться могут металлы, стоящие в ряду напряжений левее кадмия.

Рассмотрим процесс ржавления железа. Железо в данном случае выступает анодом: A: Fe⁰ = Fe²⁺ + 2e K: 2 Н⁺ + 2е = Н₂

2 H₂ + O₂ = 2 H₂O

Fe²⁺ + O₂ + n H₂O → Fe₂O₃∙nH₂O – ржавчина.

Процесс образования ржавчины ускоряется в присутствии Н⁺ (фруктовый сок), а также кислотных оксидов (шлак), которые связывают ионы Fe²⁺ .

Если вода содержит растворённый кислород (атмосферные осадки, туманы), то и он может выступать в качестве окислителя:

О₂ + 4 Н⁺ + 4е = 2 Н₂О Е = Е⁰ – 0,059 рН = 1,229 – 0,059∙7 ≈ 0,8 В.

Кислород окисляет металлы, стандартные электродные потенциалы которых ниже 0,8 В, они расположены в ряду напряжений до серебра.

Выделяют несколько типичных случаев электрохимической коррозии.

Атмосферная коррозия – коррозия во влажном воздухе при обычных температурах. Скорость атмосферной коррозии зависит от условий. На неё влияют влажность воздуха и содержание в нём газов, которые с водой образуют кислоты (СО₂, SO₂). Большое значение имеет также состояние поверхности металла, наличие на ней шероховатостей, пор и микротрещин приводит к резкому росту скорости коррозии.

Коррозия в грунте приводит к разрушению трубопроводов, кабелей, деталей строительных сооружений, находящихся под землёй. Здесь скорость коррозии зависит от состава грунтовых вод и минерального состава грунта.

Коррозия при неравномерной аэрации наблюдается, если деталь находится в растворе, но доступ растворённого кислорода к различным её частям неодинаков. Те части металла, к которым доступ кислорода затруднён, корродируют значительно сильнее. Это объясняется следующим образом:

О₂ + 4 Н⁺ + 4е = 2 Н₂О. При восстановлении кислорода расходуются ионы водорода, и раствор становится более щелочным. При подщелачивании поверхность железа легче переходит в пассивное состояние. На участках с недостаточным доступом кислорода пассивирования поверхности не происходит, металл окисляется.

Локализация процесса окисления приводит к местной коррозии. На поверхности металла появляются углубления «язвы». Этот вид коррозии особенно опасен для обшивки судов, для аппаратуры в химической промышленности.

Контактная коррозия имеет место, если два металла с различными электродными потенциалами соприкасаются друг с другом в водной среде или во влажном воздухе. Этот вид коррозии проявляется, например, в нагревательных установках, где медные нагревательные змеевики соединены с железными кипятильниками и трубами, железо интенсивно корродирует около мест соединения.