5.12. Корозія металів і методи боротьби з нею
Корозія — це руйнування металу під дією оточуючого середовища.
Практично всі метали в більшій чи меншій мірі руйну-
ються під дією оточуючого середовища, тобто підлягають корозії. Особливо руйнівними для металів є агресивні сере-
довища. Це такі середовища, де є пари кислот, луги, агре-
сивні гази тощо.
Одні метали під дією оточуючого середовища руйнуються
швидко. Навіть на повітрі покриваються ржавчиною. Інші —
більш стійкі, навіть в агресивних середовищах тривалий час не покриваються оксидною плівкою. Є такі метали, які, взає-
модіючи з киснем повітря, швидко утворюють плівку, яка зберігає метал від корозії. Наприклад, алюміній на повітрі
швидко окислюється з утворенням дуже стійкої плівки Аl2О3,
яка запобігає його подальшому руйнуванню.
Корозія металів — це дуже шкідливе явище. Навіть при інтенсивній боротьбі з нею біля 10 % металу щорічно руй-
нується. Витрати на боротьбу з корозією, на подолання її наслідків становлять величезні суми.
Для успішної боротьби з корозією треба знати її приро-
ду, механізм руйнування. За механізмом процесу руйнування
металу розрізняють хімічну та електрохімічну корозію.
Хімічна корозія — процес руйнування металу під дією
кисню повітря.
Електрохімічна корозія — процес руйнування металу в результаті прояву явища електролізу.
За характером руйнування розрізняють корозію суціль-
ну, місцеву, вибіркову, під дією механічних напруг.
Найпоширенішою корозією є газова, яка спостерігається
при роботі арматури нагрівних печей, у котлах і турбінах, у
двигунах внутрішнього згорання тощо. Її швидкість протікан-
ня росте з підвищенням температури
Особливий вид корозії — електрохімічна. Механізм її
протікання подібний до роботи гальванічної пари. Як відо-
мо, для протікання явища електролізу необхідно, щоб були
наявні два метали з різним поверхневим електрохімічним
потенціалом та електроліт.
97
Для оцінки корозіостійкості металів встановлюють зна- чення їх потенціалів відносно водню, потенціал якого дорів- нює нулю. Ряд хімічної активності металів (ряд Вольта) виг- лядає так:
Якщо скласти гальванічні пари елементів (залізо-цинк, залізо-нікель, залізо-мідь, залізо-алюміній, залізо-олово), то в електролітах буде руйнуватись метал з більш низьким по- тенціалом (анод). Проте в техніці не так часто знаходяться в контакті різні метали. Виявляється, що аналогічна картина буде в багатофазних сплавах, в металах з неметалічними вклю- ченнями, з різними по рівню залишковими напруженостями тощо. Різні частини поверхні таких металів мають різний потенціал. Наприклад, в сталі ферит має потенціал інший, ніж перліт чи цементит. Тоді один з них буде катодом, а інший анодом.
Рис. 32.
Електролітом в атмосферних умовах служить волога по- вітря. Вона конденсується на поверхні металу у вигляді мікрокраплин. У ній розчиняються різні забруднення з вмістом солей, лугів, вугільного пилу, основи кислот тощо.
Якщо метал знаходиться в землі, чи воді, то електролі- том є волога землі, вода, в якій за будь-яких умов знаходиться значна кількість іонів, носіїв струму.
98
Таким чином, для виникнення електрохімічної корозії завжди є умови. На відміну від хімічної вона руйнує метал не по поверхні, а в глибину (по границях зерен) металу, що є дуже небезпечним.
Електролітична корозія може ускладнюватись біокоро- зією. Мікроорганізми та продукти їх життєдіяльності підви- щують концентрацію електроліту, що підсилює явище елект- ролізу, а значить, підвищує інтенсивність корозії.
Особливо небезпечна електрохімічна корозія для металів які працюють у морській воді. Це дуже агресивне середови- ще.
Великої шкоди завдає корозія під дією блукаючих струмів. Особливо небезпечний постійний струм. Від електроустано- вок частина струму йде в ґрунт, потрапляє на трубопроводи та інші підземні металічні конструкції, анодні ділянки яких є виходом блукаючих струмів в ґрунт. На анодних ділянках якраз і відбувається інтенсивна корозія металоконструкцій. Така корозія проявляється біля колій трамваїв, електропотягів тощо. Підрахунки показують, що блукаючий струм силою в
1 А, за годину руйнує 9 кг заліза, 3 кг алюмінію, 34 кг свин- цю, 2 кг цинку та міді. Радіус його дії може сягати десятків кілометрів. (рис. 33).
Рис. 33.
Боротьбу з корозією ведуть так, щоб запобігти явищам,
які її супроводжують.
99
Найбільш поширеним методом боротьби з корозією є ізо-
лювання поверхні металу від впливу середовища.
На практиці найбільш поширеним методом ізолювання поверхні від оточуючого середовища є фарбування поверхні виробу.
Фарби, лаки на поверхні металу утворюють щільну плів- ку, яка запобігає як доступу повітря, так і вологи (електролі- ту). Тому фарбування запобігає як хімічній, так і електро- хімічній корозії. Але фарбування повинно проводитись так, щоб фарба міцно з’єднувалась з металом. Якщо ж шар фарби відстане від металу то корозія може виникнути під ним. В щілину між металом і фарбою попадає повітря, вода, що при- водить до корозії. Щілина між фарбою та металом мала, кап- ілярна, тому вода в неї засмоктується і не випаровується. Для надійного фарбування треба добре зачистити і обезжирити поверхню металу, нанести шар ґрунту, потім проміжний і ос- новний шар фарби (рис. 34).
Рис. 34.
Запобігають корозії також утворенням на поверхні мета- лу капронової, нейлонової, фторопластової, епоксидної, пол- іетиленової плівок, які мають високу стійкість, є електроізо- люючими та міцно з’єднуються з металом. Їх наносять пенз- лем, зануренням, розпиленням, електростатичним методом, приклеюванням або приварюванням.
У відповідальних випадках, коли деталі працюють в аг- ресивному середовищі, покриття повинне бути еластичним, водо- і газонепроникливим. Їх покривають гумою. Для цього поверхню деталі покривають гумовим клеєм і листами сирої гуми. Потім вулканізують і роблять зачистку. Такий вид по-
100
криття застосовують для гальванічних ванн, цистерн, трубо-
проводів тощо.
Ефективним засобом боротьби з корозією є емалювання виробів. Поверхня металу покривається склоемалями (фар- форовидними, шарозатвердівними розплавленими стеклами спеціального складу).
Емалі мають високу твердість і протистоять стиранню, однак крихкі. Емалюють котли, посуд, художні та ювелірні вироби.
В окремих випадках поверхню одного з металів можна покрити тонким шаром іншого, більш корозієстійкого (рис. 35).
Рис. 35.
Поширеним способом боротьби з корозією є створення на поверхні металу захисної плівки шляхом оксидування і фосфатування.
Оксидування чорних металів з утворенням чорної плівки називають воронінням. Проводять хімічне вороніння кип’ят-
інням виробу у водному розчині, який містить NaОН, Na2О і селітру. Утворена плівка пориста, тому, після вороніння виріб занурюють у мастило, яке проникає у пори і таким чином
плівка тривалий час запобігає корозії поверхні виробу. Воро-
ніння проводять для пружин, стволів зброї тощо.
Фосфатування — створення на поверхні металу (чавуну, сталі) твердих, крихких, пористих плівок нерозчинних фос- фатів. Для підвищення корозіостійкості фосфатові поверхні фарбують, або занурюють у мастило. Пори плівки запов- нюється фарбою або мастилом.
На практиці з метою боротьби з корозією широко засто- совується металічне покриття гальванічним методом. За ме- ханізмом захисної дії воно може бути катодне й анодне.
101
Суть катодного методу полягає у виділенні на катоді ме- талу аноду, який розчиняється. Наприклад, для нікелювання у ванну з розчином сірчанокислої нікелевої солі поміщають стальний виріб та нікелеву пластину, площа якої повинна бути близька за розмірами до площі виробу. Виріб приєднують до джерела струму, як катод, а нікелеву пластину — як анод. З часом на поверхні виробу утворюється вільний і міцно зв’я- заний з основою шар нікелю, який тривалий час захищатиме виріб від корозії.
Аналогічно проводять хромування, міднення сталевих виробів тощо.
Широко і давно відомі методи гарячого покриття — луд- іння та цинкування. Лудіння — покриття виробів тонким шаром олова. Цинкування — покриття поверхні виробів цин- ком. Лудять жерсть, мідний посуд тощо. Цинкують покрівель- не залізо, труби тощо.
По відношенню до заліза олово є катодом, а цинк — ано- дом. Тому у цинкованих деталях при корозії руйнується цин- кове покриття, а у лужених навпаки, руйнується виріб. У зв’яз- ку з цим олов’яне покриття повинно бути високої якості — щільним, газонепроникливим.
Металічне покриття може бути нанесене методом дифу-
зійної металізації при хіміко-термічній обробці металів.
У агресивних середовищах може бути використаний про- текторний захист металу від корозії. Він заснований на роз- чинені металу протектора який служить як анод, а виріб — як катод. Застосовують протекторний захист в авіа- і судно- будуванні, в котлах, трубопроводах, нафтосховищах тощо. Частіше всього в якості протектора для захисту сталі та чаву- ну використовують цинк, магній, сплав цинку та алюмінію (рис. 36).
Рис. 36.
102
Крім методу ізолювання поверхні виробу від оточуючо- го середовища при боротьбі з корозією використовується ме- тод пасивації металу виробу. Для зменшення прояву корозії треба зменшити активність металу, яка залежить від зовніш- нього потенціалу. Якщо якимось чином зменшити цей потен- ціал, то метал буде стійкішим проти корозії. Це можна зроби- ти шляхом легування металів. Навіть незначна кількість ніке- лю, хрому чи вольфраму робить сталь корозіостійкою. Особ- ливо стійкими проти корозії є сталі леговані сукупністю ле- гуючих компонентів.
Пасивація поверхні труб, які знаходяться в землі, цис- терн чи інших споруд можлива за рахунок анодної поляри- зації від зовнішнього джерела струму. Такий захист значно збільшує термін служби споруд.
Для захисту трубопроводів від корозії використовують катодний захист, при якому плюс джерела струму заземлю- ють (рис. 37).
Рис. 37.
Струм через ґрунт і дефектні місця покриття труб потрап- ляє в трубу 1 і через провідник 2 відводиться на мінус джере- ла струму.
Пасивацію металу можна здійснити спеціальними інгібіторами (сповільнювачами), які не змінюють властивос- тей середовищ, а зменшують активність металу. Наприклад, сповільнює корозію сталі у воді 0,51 % розчин уротропіну.
Механізм дії інгібіторів різний. Одні з них абсорбують на всій поверхні, інші вибірково, на окремих ділянках. У пер- шому випадку захищається від корозії вся поверхня, в друго- му — порушується механізм мікрогальванічних пар. Вибір-
103
ково діючі інгібітори поділяються на анодні та катодні. До анодних належать інгібітори з окислювальними властивос- тями (хромати, дихромати, нітриди тощо), які утворюють на поверхні металу пасивні дуже тонкі плівки. Катодні інгібіто- ри гальмують корозію, скорочуючи число катодних ділянок, або поглинають кисень, який знаходиться в розчині.
Література
1. Алаи С. И. Технология конструкционных материалов. — М.:
Просвещение, 1986. — 302 с.
2. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия,
1980. — 456 с.
3. Дьогтев Г. Ф. Матеріалознавство. — К.: Вища школа,
1975. — 350 с.
4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.:
Машиностроение, 1990. — 528 с.
5. Металловедение / Под ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машино-
строение, 1986. — 383 с.
6. Основы материаловедения / Под ред. И. И. Сидорина. — М.:
Машиностроение, 1976. — 439 с.
Питання для самостійної роботи
1. У надрах землі корисних елементів біля 19 %. Полови-
на з них — алюміній. Чому ж він дорогий?
2. Як отримують кольорові метали високої чистоти?
3. Які особливості термічної обробки мають кольорові метали порівняно із залізовуглецевими сплавами?
4. Приведіть приклади застосування композиційних ма-
теріалів у техніці.
5. У чому різниця між такими способами захисту металів від корозії, як дифузійною металізацією, гальванопластикою та анодуванням?
6. Порошкові матеріали мають багато потрібних для ма- шинобудування властивостей. Чому ж їх виробюництво об- межене?
104