5.7 Коррозия металлов и методы борьбы с ней

Коррозия (от лат. corrosio – разъедание) представляет собой самопроизвольное разрушение металлов и их сплавов под влиянием окружающей среды. Яркий пример коррозии – ржавчина на поверхности стальных и чугунных изделий и конструкций. Ежегодно из-за коррозии безвозвратно теряется 10…12 % черных металлов. Кроме того, коррозия вызывает серьезные экологические последствия: ее продукты загрязняют окружающую среду и отрицательно воздействуют на жизнь и здоровье людей.

Коррозия металла начинает развиваться с его поверхности. Если коррозия идет по всей поверхности металла, то называется сплошной, если поражает отдельные участки, то местной. Коррозию, протекающую по границам зерен металла, называют межкристаллитной (рис.5.7). Начало коррозии сопровождается, как правило, потерей поверхностью металла блеска. По мере дальнейшего протекания коррозии уменьшается сечение элементов конструкции.

По характеру взаимодействия со средой различают несколько видов коррозии металлов. Наиболее распространенная из них - электрохимическая с разделением на химическую и электрическую.

Электрохимическая коррозия происходит во влажном воздухе и в различных водных растворах, проводящих электрический ток (электролитах) и протекает по законам гальванического элемента. Часть атомов из кристаллической решетки металла или сплава переходит в раствор электролита в виде ионов и металл постепенно разрушается. Строительные металлические конструкции, большей частью работающие во влажном воздухе, подвержены в основном электрохимической коррозии, которая усиливается с ростом концентрации в воздухе углекислого и сернистого газов. Интенсивно коррозируют конструкции, находящиеся в грунте, например трубопроводы.

В щелочной среде электрохимическая коррозия стали значительно замедляется. Это обстоятельство используют при изготовлении железобетона. В процессе твердения большинства цементов возникает щелочная среда, которая способствует образованию на поверхности стальной арматуры защитной пленки из нерастворимых соединений железа типа Fe(OH)₃. Происходит так называемое пассивирование железа. Пленка предохраняет металл от коррозии. Это характерно для бетона при рН среды более 11,5. Поэтому в железобетонных конструкциях, находящихся в воздушной или водной среде при отсутствии агрессивного воздействия коррозии арматуры не происходит. Обязательным требованием при этом является наличие у арматуры защитного слоя из бетона толщиной 15...30 мм.

Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих электрического тока, например в сухих газах, жидкостях органического происхождения – нефти, бензине, спирте и др. Наиболее интенсивно такая коррозия проявляется при повышенной температуре. В результате на поверхности металла образуется оксидная пленка.

Окислительные пленки имеются на поверхности всех металлов. На одних металлах они не обнаруживают себя, а на других ярко выражены и изменяют внешний вид металла.

Возможность пассивации металла окисной пленкой зависит от ее кристаллохимического строения. При соответствии кристаллохимической структуры металла структуре пленки последняя плотно удерживается на поверхности металла и создает защиту металла от агрессивного воздействия. Если кристаллохимическое строение пленки не соответствует строению металла, например пленка окисла на стали в виде -Fe₂O₃ , она не защищает металл от коррозии.

Защита от коррозии представляет собой конструктивные и профилактические меры защиты, повышение коррозионной стойкости металлов, изоляцию их поверхности от воздействия среды, протекторную защиту и др.

Конструктивные и профилактические меры заключаются в повышении качества обработки поверхности металлических изделий и защите их от атмосферных осадков. При проектировании конструкций необходимо избегать форм, способствующих задержке влаги. Благодаря этому сокращается реальная площадь поверхности металла, контактирующего с водой.

Повышение коррозионной стойкости металлов достигается введением в их состав легирующих добавок – хрома, никеля, марганца, титана, меди. Весьма стойки к атмосферной коррозии нержавеющие легированные стали, содержащие в большом количестве хром, который создает на поверхности изделий плотную оксидную пленку. Используемые в строительстве углеродистые и низколегированные стали, иногда изготовляют с добавкой 0,2...0,5 % меди, что повышает коррозионную стойкость в 1,5...3 раза.

Изоляция поверхности металла от воздействия среды – наиболее распространенный способ защиты строительных конструкций. Достигается это путем использования покрытий либо получения на поверхности металла защитной пленки. Вещества, замедляющие коррозию металлов, называют ингибиторами коррозии (от латинского «ингибео» - останавливаю, сдерживаю). Для любых металлических конструкций и условий их эксплуатации наиболее простым и доступным способом антикоррозионной защиты является применение неметаллических покрытий.

Неметаллические покрытия образуют на поверхности изделий защитную пленку, препятствующую проникновению влаги. Тем самым предотвращается возможность развития коррозии.

В число неметаллических покрытий входят в основном лаки и краски. Используют битумные, дегтевые, синтетические лаки, а также масляные краски, алкидные и другие эмали. Санитарно-технические изделия – ванны, раковины, мойки – защищают неорганическими эмалями. Нередко защитные покрытия выполняют из полимеров – полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола, эпоксидных смол. Поверхности закладных деталей сборных железобетонных конструкций защищают с помощью цементно-полистирольных или цементно-перхлорвиниловых обмазок.

Окрашиванию подлежат также и строительные конструкции из нержавеющих металлов (нержавеющей или оцинкованной стали, алюминия, меди и других цветных металлов). Во-первых, все они хотя и в гораздо меньших масштабах, но все равно подвержены коррозии. Во-вторых, неокрашенный металл не всегда вписывается в архитектурное решение объекта. Следовательно, металлические поверхности нуждаются в декоративной окраске, чтобы придать готовому строению законченный вид. Кроме того, сегодня на рынок поставляются антикоррозионные составы «под огнезащитную краску», которые одновременно предотвращают коррозию металла и увеличивают огнестойкость конструкций.

Металлические покрытия получают нанесением на поверхность изделия тонкой пленки из другого металла (металлизация и горячие покрытия). Различают покрытия анодные и катодные. Анодные покрытия выполняют из металла, стоящего в ряду напряжений правее защищаемого металла. Для стальных изделий анодной защитой служит пленка из цинка, алюминия. Если покрытие окажется нарушенным, то разрушается покрывающий, а не основной металл. Цинковые и алюминиевые покрытия часто применяют для защиты поверхности закладных деталей в сборных железобетонных конструкциях.

Катодные покрытия предохраняют металл от прямого контакта с коррозионной средой. Катодную защиту выполняют из олова, свинца, никеля. Такая защита работоспособна до тех пор, пока не нарушена целостность покрытия. При местном нарушении защитной пленки, начнется коррозия стали.

Защитные пленки формируют путем целенаправленной обработки деталей специальными химическими реагентами. После такой обработки на поверхности металла образуются соединения с большой коррозионной стойкостью. Защитные пленки создают, например, путем оксидирования.