Что такое химическая коррозия и как ее устранить?

Виды коррозийных процессов

Коррозия металлов имеет большое количество разновидностей. Но в основном все виды подразделяются на два основных типа:

1. Коррозия общего характера. Она называется равномерной, а встречается чаще всего. Причиной возникновения такой коррозии считаются химические и электрохимические реакции. Такая разновидность коррозии приводит к отрицательному воздействию на всю поверхность материала и металлической конструкции. При этом процесс может быть равномерным или неравномерным. При неравномерном распределении ржавчины, она на одном участке разъедает материала быстрее и сильнее, чем на соседнем.
2. Местный вид коррозии. Возникает на одном участке, где и развивается.
3. Местная пятнами. Возникает на отдельных участках материала.
4. Язвенная, ее еще называют питтинг.
5. Межкристаллитная — такая коррозия возникает на пограничных областях металлического кристалла. Чаще вспыхивает в тех материалах, которые содержат в составе никель и алюминий. Металл в кратчайшие сроки остается без первоначальных показателей прочности и эластичности.
6. Растрескивающая.
7. Подповерхностная.
8. Коррозия под током — возникает под воздействием блуждающего или постоянного тока.
9. Коррозийная кавитация — вариант разрушений, когда помимо ржавчины на металл воздействует и ударная сила.
10. Фреттинг-коррозия — одновременное воздействие ржавчины и вибрации, которые совместно приводят к разрушению металлических конструкций. варианты.

Есть еще различия и по механизму воздействия.

См.также: Самые дорогие металлы в мире

Химический вариант разрушения

Это разновидность процесса, при котором рушатся связи металлические, а между атомами веществ материала и окислителей возникает химическая взаимодействие. В такой ситуации не образуется электрический ток между различными областями материала. В свою очередь такой вид разрушения подразделяется еще на два типа:

1. Газовый вариант. Получается при воздействии агрессивных азов, а также паров в сочетании с высокими показателями температуры. Если материал относится к активным, то воздействие таких сред может привести к окончательному разрушению материала по всей поверхности. К таким средам относятся: сероводород, диоксид серы, пары воды, кислород. Такой вид разрушительного процесса чаще всего заметен в промышленности и на химическом производстве.
2. Жидкостный вариант ржавчины. Случается в неэлектролитических веществах. Если имеется даже небольшое содержание жидкости, то процесс становится электрохимическим.

Важно, что при химической разновидности коррозии металл разрушается со скоростью протекания химической реакции.

См.также: Обработка металла давлением

Электрохимическая ржавчина

Этот вариант разрушительных процессов возникает в среде электролитов. Процесс сочетается с возникновением тока. В итоге из решетки вещества убирается атом и одновременно протекают два процесса:

1. Анодный — вещество материала в качестве ионов входит в раствор.
2. Катодный — те вещества, которые получаются в предыдущем процессе, связываются при помощи деполяризатора.

Собственно отвод электродов так и называется — деполяризация, а непосредственно вещества, которые способствуют данному процессу именуются деполяризаторами.

Наиболее часто возможно встретить вариант разрушения с водородной и кислородной деполяризацией.

Виды коррозии металлов

Учитывая сложность процесса и его многообразие, классификация видов коррозии ведется по нескольким группам признаков:

• механизм – химический или электрохимический;
• окружающая среда. Выделяют общую газовую, атмосферную (с наиболее активным действием кислорода), электролитную и неэлектролитную, подземную (иначе почвенную), биологическую среды. Также агрессивной средой считаются блуждающие токи;
• условия протекания. С погружением, без погружения и частичным погружением в среду, с непосредственным контактом, через щель, в результате трения. Выделяют межкристаллитное воздействие (по границам кристаллов и зон), коррозию под постоянным или переменным электрическим напряжением;
• степень разрушения объекта. Коррозия может быть сплошной, захватывающей всю поверхность объекта (равномерной, неравномерной, избирательной) или локальной. В этом случае отмечают пятна, язвы, точки и сквозные поражения, а также межкристаллитный вариант.

Несколько примеров для лучшего понимания сути и разновидностей коррозии.

• Повреждение днища автомобиля. Считается химическим, с активным действием влаги и атмосферного кислорода, активных газов выхлопа, дорожной «химии» и частично моющих средств при помывке авто. В случае пробоя электропроводки на днище могут воздействовать слабые токи, в этом случае коррозия будет уже электрохимической и заметно ускорится.
• Ржавление гвоздей и другого крепежа из сплавов железа в строительных конструкциях. Химический процесс, связан с атмосферной влагой и кислородом. При повышенной кислотности материала, в котором установлен крепеж, или увеличении кислотности атмосферных осадков и газовой среды ржавление усиливается и проходит быстрее.
• Сваи в морской воде. Активное воздействие агрессивного электролита (которым является морская вода) приводит к быстрому разрушению металлических конструкций. Скорость коррозии усиливают перепады температуры и механическое воздействие волн.
• Поверхностное разрушение сантехнических устройств и радиаторов отопления. Это характерный пример электрохимической коррозии, где в роли электролита выступает водопроводная вода (теплоноситель в отопительной системе) и моющие средства для сантехники.

Последний вариант (на фото) – это именно коррозия, но не ржавление, поскольку сплав, как правило, создается не на основе железа.

Разновидность металлов по отношению к коррозии электрохимического вида

Все металлы по отношению к такому виду ржавчины делятся на 4 подтипа:

1. Активные вещества или материалы с высокими параметрами термодинамической нестабильности. Это все щелочные виды металлов. Они подвержены влиянию коррозии даже в абсолютно нейтральных средах, где нет кислорода и других окислительных веществ.
2. Средние материалы по уровню активности — в таблице Менделеева расположены между кадмием и водородом. Это материалы отличающиеся термодинамической нестабильностью в агрессивных кислых средах.
3. Материалы с низкими параметрами активности или вещества с промежуточными параметрами стабильности по термодинамике. Противостоят коррозии в кислых и нейтральных атмосферах, при отсутствии кислорода.
4. Благородные разновидности веществ. Это материалы с высокой стабильностью. Они поддаются коррозии только в кислых средах и в присутствии сильнейших окислителей.

Такие типы ржавчины могут разделяться по видам агрессивных сред, в которой она протекает:

1. Процесс в электролитных веществах — процесс протекает в жидких кислых, щелочных средах, а также в простой воде.
2. Атмосферный вид — любой газовый вариант с наличием влажности. Это очень распространенный вариант электрохимического разрушения металла. Главное, чтобы в данной среде была влажность. Только при таких условиях есть возможность протекания необходимых реакций.

При электрохимической вариации процесса одна часть металла служит анодом, а другая — катодом. Последним становятся те участки металла, куда больше поступает кислорода.

В зависимости от воздействующих сред есть и другие разновидности коррозий:

1. Почвенная — протекает с разной степенью интенсивности. Все зависит от агрессивности почвы. В таких условиях происходит подземные разрушительные процессы на трубах и прочих подземных конструкциях.
2. Аэрационная — причиной служит неравномерный приток воздуха к разным участкам материала.
3. Морская — процесс проходит строго в соленой воде.
4. Биокоррозия — результат жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов. Они выделяют газы, которые и приводят к возникновению разрушительных процессов.
5. Электрокоррозия — является результатом воздействия блуждающего тока.

Кроме того основные виды коррозии могут различаться в зависимости от типа металла, на которых они возникают.

Газовая коррозия

Самая частая разновидность химической коррозии — газовая — представляет собой коррозийный процесс, происходящий в газах при повышенных температурах. Указанная проблема характерна для работы многих типов технологического оборудования и деталей (арматуры печей, двигателей, турбин и т.д.). Кроме того, сверхвысокие температуры используются при обработке металлов под высоким давлением (нагревание перед прокаткой, штамповкой, ковкой, термическими процессами и т.д.).

Особенности состояния металлов при повышенных температурах обуславливаются двумя их свойствами — жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочность — это степень устойчивости механических свойств металла при сверхвысоких температурах. Под устойчивостью механических свойств понимается сохранение прочности в течение продолжительного времени и сопротивляемость ползучести. Жаростойкость — это устойчивость металла к коррозионной активности газов в условиях повышенных температур.

Скорость развития газовой коррозии обуславливается рядом показателей, в числе которых:

• температура атмосферы;
• компоненты, входящие в металл или сплав;
• параметры среды, где находятся газы;
• продолжительность контактирования с газовой средой;
• свойства коррозийных продуктов.

На коррозийный процесс больше влияние оказывают свойства и параметры оксидной пленки, появившейся на металлической поверхности. Образование окисла можно хронологически разделить на два этапа:

• адсорбция кислородных молекул на металлической поверхности, взаимодействующей с атмосферой;
• контактирование металлической поверхности с газом, в результате чего возникает химическое соединение.

Первый этап характеризуется появлением ионной связи, как следствие взаимодействия кислорода и поверхностных атомов, когда кислородный атом отбирает пару электроном у металла. Возникшая связь отличается исключительной силой — она больше, нежели связь кислорода с металлом в окисле.

Объяснение такой связи кроется в действии атомного поля на кислород. Как только поверхность металла наполняется окислителем (а это происходит очень быстро), в условиях низких температур, благодаря силе Ван-дер-Ваальса, начинается адсорбция окислительных молекул. Результат реакции — возникновение тончайшей мономолекулярной пленки, которая с течением времени становится толще, что усложняет доступ кислорода.

На втором этапе происходит химическая реакция, в ходе которой окислительный элемент среды отбирает у металла валентные электроны. Химическая коррозия — конечный результат реакции.

Характеристики оксидной пленки

Классификация оксидных пленок включает их три разновидности:

• тонкие (незаметны без специальных приборов);
• средние (цвета побежалости);
• толстые (видны невооруженным взглядом).

Появившаяся оксидная пленка имеет защитные возможности — она замедляет или даже полностью угнетает развитие химической коррозии. Также наличие оксидной пленки повышает жаростойкость металла.

Однако, действительно эффективная пленка должна отвечать ряду характеристик:

• быть не пористой;
• иметь сплошную структуру;
• обладать хорошими адгезивными свойствами;
• отличаться химической инертностью в отношении с атмосферой;
• быть твердой и устойчивой к износу.

Одно из указанных выше условий — сплошная структура имеет особенно важное значение. Условие сплошности — превышение объема молекул оксидной пленки над объемом атомов металла. Сплошность — это возможность окисла накрыть сплошным слоем всю металлическую поверхность. При несоблюдении этого условия, пленка не может считаться защитной. Однако, из этого правила имеются исключения: для некоторых металлов, например, для магния и элементов щелочно-земельной групп (исключая бериллий), сплошность не относится к критически важным показателям.

Чтобы установить толщину оксидной пленки, используются несколько методик. Защитные качества пленки можно выяснить в момент ее образования. Для этого изучаются скорость окисления металла, и параметры изменения скорости во времени.

Для уже сформированного окисла применяется другой метод, состоящий в исследовании толщины и защитных характеристик пленки. Для этого на поверхность накладывается реагент. Далее специалисты фиксируют время, которое понадобится на проникновение реагента, и на основании полученных данных делают вывод о толщине пленки.

Обратите внимание! Даже окончательно сформировавшаяся оксидная пленка продолжает взаимодействовать с окислительной средой и металлом.

Скорость развития коррозии

Интенсивность, с какой развивается химическая коррозия, зависит от температурного режима. При высокой температуре окислительные процессы развиваются стремительнее. Причем снижение роли термодинамического фактора протекания реакции не влияет на процесс.

Немалое значение имеет охлаждение и переменный нагрев. Из-за термических напряжений в оксидной пленке появляются трещины. Через прорехи окислительный элемент попадает на поверхность. В результате образуется новый слой оксидной пленки, а прежний — отслаивается.

Не последнюю роль играют и компоненты газовой среды. Этот фактор индивидуален для разных видов металлов и согласуется с температурными колебаниями. К примеру, медь быстро поддается коррозии, если она контактирует с кислородом, но отличается устойчивостью к этому процессу в среде оксида серы. Для никеля же напротив, серный оксид губителен, а устойчивость наблюдается в кислороде, диоксиде углерода и водной среде. А вот хром проявляет стойкость ко всем перечисленным средам.

Обратите внимание! Если уровень давления диссоциации окисла превышает давление окисляющего элемента, окислительный процесс останавливается и металл обретает термодинамическую устойчивость.

На скорость окислительной реакции влияют и компоненты сплава. Например, марганец, сера, никель и фосфор никак не способствуют окислению железа. А вот алюминий, кремний и хром делают процесс более медленным. Еще сильнее замедляют окисление железа кобальт, медь, бериллий и титан. Сделать процесс более интенсивным помогут добавки ванадия, вольфрама и молибдена, что объясняется легкоплавкостью и летучестью данных металлов. Наиболее медленно окислительные реакции протекают при аустенитной структуре, поскольку она наиболее приспособлена к высоким температурам.

Еще один фактор, от которого зависит скорость коррозии, — характеристика обработанной поверхности. Гладкая поверхность окисляется медленнее, а неровная — быстрее.

Разрушительные процессы на меди

Медь считается достаточно стабильным металлом. Ее стабильность замечена в следующих средах:

1. Атмосфера.
2. Морская и пресная вода.
3. Галогеновые среды со специальными условиями.
4. В кислотах-неокислителях.

При этом медные конструкции отличаются нестабильностью в следующих условиях:

1. При контакте с соединениями серы, а также с самой серой в чистом виде.
2. При погружении в растворы солей-окислителей.
3. В агрессивной воде.

Также часто встречается и атмосферная коррозия меди.

Ржавление железа

Еще один популярный элемент, который часто подвергается действию ржавчины — железо. Чаще всего железо подвергается разрушительным процессам в результате контакта с воздухом или кислотным раствором.

Экономический ущерб от коррозии

Коррозия ухудшает работу трубопроводов.

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE, ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.

Обрушение Серебряного моста.

Ржавчина является одной из наиболее распространённых причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения в 1983 году, когда подшипники кронштейна моста проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста. Согласно исследованию Национального совета по безопасности на транспорте, разрушение моста было вызвано механической поломкой наружного кронштейна, удерживающего пролёт моста и его обоих штифтов. Ржавчина образовалась в подшипнике штифта. А так как её объём всегда гораздо больше, нежели исходная стальная деталь, это привело к неравномерному прилеганию друг к другу частей конструкции. В случае с мостом, ржавая масса отодвинула внутренний кронштейн от конца штифта, скрепляющего между собой наружный и внутренний кронштейны. (При этом возникло усилие, превышающее проектные пределы для зажимов, удерживающих штифты!) Из-за этого вся масса пролёта переместилась на внешний кронштейн. Эта дополнительная нагрузка на него вызвала усталостную трещину в штифте. Когда два тяжелых грузовика въехали в данную секцию моста, штифты окончательно вышли из строя, и пролёт моста упал в реку…

15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Пойнт Плезант, штат Западная Виргиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виргинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия. Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

Способы защиты от коррозии металлов

Используется несколько основных методов по защите металлических конструкций от разрушительного воздействия коррозии. При использовании защиты в основном делается упор на то, что ржавчина без внешних повреждений не может проникнуть к металлу.

При этом важно, что защитные покрытия выполняют не только предохраняющую функцию, но и придают металлическим конструкциям симпатичный внешний вид.

Прежде всего, это покрытия, которые разделяются на три типа, по материалам нанесения:

1. Металлические.
2. Неметаллические.
3. Химические.

Каждый из них имеет свои особенности и преимущества.

Металлические покрытия. Это способ, при котором на металлическую конструкцию наносят тонким слоем другой вид металла, который более стабилен к разрушительному действию коррозии при аналогичных условиях.

Покрытие может называться анодным или катодным в зависимости от того более активный или менее активный металл сверху.

Неметаллические покрытия. Они подразделяются на органические и неорганические. Чаще всего используется высокополимерный пластик, стекло и керамика. Из органических известны и популярны лаки, битум, краски, а также резина.

Химические покрытия. Это вариант, при котором на поверхности металлической конструкции при помощи химической обработки, наносится пленка, устойчивая к воздействию коррозии. Таких пленок может быть несколько разновидностей:

1. Оксидирование — нанесение оксидных пленок.
2. Фосфатирование — получение пленки фосфатов.
3. Азотирование — пленка из активного азота.
4. Воронение стали.
5. Цементация — соединение с углеродом.

Также в качестве защиты используется изменение состава коррозийной среды. Еще один вариант защиты — ввести в металл технические соединения, которые повышают стойкость материала к разрушительным действиям коррозии.

Протекторный вид — вариант электрохимической защиты, при которой к конструкции присоединяются пластины с более активным металлом. При этом протектор — материал с отрицательными параметрами потенциала, а защищаемый материал — катод.

Что такое коррозия

Коррозия — это процесс разрушения вещества в результате химических, электрохимических или других реакций, которые происходят на поверхности этого вещества. Коррозия может происходить как на металлических, так и на неметаллических поверхностях. Коррозия материала влияет на структуру поверхности материала. Наиболее распространенным примером коррозии является ржавчина. Здесь цвет и качество стали меняется.
Коррозия также может иметь место на неметаллических поверхностях, таких как столешницы и кожа. Когда некоторые агрессивные химические вещества падают на эти поверхности, может произойти ухудшение этой поверхности. Такие химические вещества включают сильные кислоты и сильные основания; например, кислоты, такие как HCl, H2ТАК4и основания, такие как NaOH, KOH и т. д. Химические вещества, вызывающие коррозию, известны как коррозийные химические вещества. Эти химические вещества могут вызвать видимое разрушение поверхностей, которые являются постоянными повреждениями. Поверхность может быть кожей, глазом, деревом, металлом и т. Д.

Рисунок 1: С химическими веществами следует обращаться осторожно. Следующие действия могут уменьшить коррозию,

Следующие действия могут уменьшить коррозию,

Окраска поверхности гальванизация Обращение с химическими веществами осторожно