Виды коррозии металлов

При постоянном взаимодействии среды с металлами, сплавами возникают химические и физические реакции, оказывающие разрушающее действие. Они провоцируют коррозию. Это частичный или полный процесс разрушения. В результате коррозии ухудшаются свойства материалов. Металлические конструкции, детали оборудования постепенно выходят из строя. Сначала появляются пятна ржавчины, а при проникновении вглубь образуются сквозные отверстия. Но металлы демонстрируют коррозийную стойкость, которая помогает сопротивляться разрушению.

Коррозия — окислительно восстановительный самопроизвольный процесс, развивающийся на поверхности, а затем поражающий всю структуру материалов. Она приводит металлы в негодность, поэтому вся история взаимодействия человека со сплавами состоит в постоянном преодолении коррозийного воздействия.

Причины — почему металл корродирует

Металлическая продукция всегда занимала центральное место в профессиональной и бытовой жизни населения. И теперь изделия из стали, цинка, меди, латуни и других материалов используются в разных сферах промышленности, хозяйственной деятельности, в технике и оборудовании. Но внешние факторы окружающей среды ведут к развитию опасных процессов. К главным причинам порчи металлов под влиянием физико-химических факторов относятся:

• соприкосновение сплавов;
• механическая обработка без специальных навыков — некоторые производители, предприятия выбирают химические жидкости плохого качества;
• жировые пятна — остаются на металлических поверхностях;
• воздействие щелочей и кислот, агрессивных соединений;
• длительное нахождение во влажной среде;
• трение, которое возникает между металлическими поверхностями;
• периодическое воздействие постоянного или статического тока.

Из-за термодинамической неустойчивости металлов они корродируют, подвергаясь воздействию агрессивных веществ. Разрушение по физическим причинам называют эрозией, а не коррозией.

Основные объекты коррозии

Сплавы, металлы, конструкции машин, детали промышленного оборудования, покрытия постепенно разрушаются. Корродируют разные участки, хаотично расположенные на поверхности изделий. Их локализация зависит от электролита и защитных оксидных пленок, нагревания и облучения, электролитических реакций. Особенно часто разрушаются сварные и клепочные соединения в водо-, газо- и нефтепроводах. Это относится и к трубопроводным системам, находящимся под водой. Их разъедает морская соль. Объекты, утрачивающие эксплуатационные свойства из-за образования ржавых пятен, эффективны в машино- и судостроении. На них расположены заклепочные и сварные швы, которые уязвимы перед химическим и физическим воздействием.

Виды

Существует ряд признаков, по которым можно идентифицировать вид коррозии. Это цвет, механизм образования или протекания, тип агрессивной среды, характер разрушения. Рассмотрим разновидности, их особенности.

По цвету

Оттенки меняются с учетом того, какое вещество появляется на поверхности при постепенном разрушении. Меняются цвета:

• желтый — возникает при острой нехватке кислорода, наблюдается на подводных конструкциях, проявляется под влиянием влажности. Формула — FeO(OH)H2O;
• коричневый — встречается реже других (Fe2O3), появляется без чрезмерной влаги;
• черный — также образуется в среде с невысоким кислородным содержанием. Эта ржавчина используется для производства сверхпроводников за счет ферромагнитных свойств. Формула — Fe3O4;
• красный — появляется при двойном влиянии (кислород и влага), встречается очень часто. Красная ржавчина очень быстро распространяется по всей поверхности металлоизделий и имеет формулу Fe2O3•H2O.

Коррозия металла (Фото: gidpokraske)

По механизму протекания

Разница в механизмах разрушения определяет деление на две большие группы — химическую и электрохимическую. Подробности в таблице.

По отношению к электрохимической коррозии все металлы классифицируются на активные, средней активности, малоактивные и благородные. Последние обладают хорошей термодинамической стабильностью и портятся из-за коррозии только при воздействии сильных окислителей. А щелочные металлы — самые нестабильные. Они корродируют с минимальным процентом или полным отсутствием кислорода.

По типу агрессивной среды

В зависимости от того, в какой среде разрушаются поверхности, различают одиннадцать типов коррозии:

1. Газовая — образование ржавчины возникает при низком уровне влажности. Процесс разрушения стимулируется высокими температурами.
2. Жидкостная — протекает под влиянием неэлектролитических жидкостей (нефть, смазки для автомобильной промышленности, масла, керосин). Коррозия может изменить характер протекания и перейти в электрохимическую и при малом скоплении влаги на поверхности.
3. Атмосферная — проявляется в воздушной среде под воздействием влаги. Чем интенсивнее растет влажность, тем сильнее портятся металлоконструкции.
4. Подземная или почвенная — процессы образования окислов постепенно негативно воздействуют на металл.
5. Радиационная — под воздействием излучения, протекает медленнее у материалов с высокими значениями плотности.
6. Контактная — проявляется в тех областях, где металлы контактируют друг с другом, в местах их соприкосновения. Она обусловлена различиями в потенциале электролитов.
7. Биокоррозия — металлы повреждаются из-за микроскопических организмов.
8. Фреттинг — это многоступенчатый процесс, предполагающий негативное вибрационное влияние в опасной коррозийной среде. Для снижения рисков металлического разрушения необходимо понизить коэффициент трения поверхностей.
9. Кавитационная — коррозия, возникающая из-за механических повреждений металлических конструкций, внешней среды.
10. Токовая — разрушение под влиянием внешних и блуждающих токов. Ржавчина интенсивно распространяется при длительном токовом воздействии.
11. Разрушение под напряжением — предполагает постепенное повреждение сплавов и металлоконструкций, которые подвергаются серьезным нагрузкам. Помимо корозийно-активной среды на металлы влияет и механическое напряжение.

По характеру разрушения

Этот критерий для классификации включает ряд характеристик. Это уровень проникновения в материал, локализация, интенсивность разрушения. Выделим основные типы коррозии:

• избирательная — затрагиваются лишь единичные компоненты металлоконструкций, не обладающие защитным покрытием;
• сплошная (равномерная или неравномерная) — ржавые пятна покрывают всю поверхность целиком, но распределяются по-разному;
• межкристаллическая — визуально различить повреждения очень сложно. Свойства пластичности, твердости металлов утрачиваются из-за возникновения дефектов на гранях;
• местная — ржавые пятна, разные по интенсивности, распределяются по всей поверхности металлоизделия. Углубления дополнительно классифицируются на поверхностные и сквозные;
• щелевая — обнаруживается в местах возникновения контакта металлоконструкций, соединения деталей, то есть в зазорах;
• подповерхностная — возникает под поверхностями металлов, быстро проникает в их структуру и приводит к расслоению, утрате целостности.

Как классифицируются по определяющему механизму?

Выделяют пять глвных групп — электрохимические, биологические, химические и кавитационные, эрозийные. Они различаются по механизму действия - ключевому, определяющему.

Электрохимическая коррозия полностью подчиняется кинетическим законам. Ее суть в металлическом и электролитическом взаимодействии. Сплавы переходят в свободное состояние из-за того, что теряют электроны. Интенсивность распространения зависит от электродного потенциала металлического объекта. Электрохимический процесс проходит четыре стадии:

1. Растворение или процесс металлоионизации.
2. Перенос электронов с их предварительным высвобождением.
3. Восстановление деполяризатора — кислорода, воды.
4. Перемещение ионов по электролитическому раствору.

Биологическая коррозия — косвенное или прямое воздействие на металл жизнедеятельностью микроорганизмов. Выделение окислительных ферментов оказывает губительное влияние на металлические изделия. Последние разрушаются из-за органических кислот.

Кавитационный тип предполагает разрушение при интенсивном влиянии жидкостного или газового потока. Из-за сильного гидравлического удара на поверхности сплавов появляются и схлопываются пузырьки. Дефекты заметны невооруженным глазом.

Химическая коррозия подчиняется кинетическим законам. Металлы взаимодействуют с негативно влияющей средой, но без участия электрического тока и влаги. Пример химического воздействия — постепенно окисляющийся магний при взаимодействии с воздушными массами. Скорость разрушения при этом типе прямо пропорциональна скорости проникновения окислителя сквозь оксидную пленку на металлических поверхностях. Пленки не всегда проявляют элементарную защиту. Все зависит от одной характеристикой — сплошности.

Что такое эрозия

Эрозия — процесс, который официально причислен к типам коррозии, но имеет другой характер протеканий. Это «выбивание» металлических частиц с поверхности под влиянием потока жидкости. Эрозия и механическое действие неразрывно связаны между собой. Но усиливается она при электрохимической коррозии.

Возможные последствия коррозии

Что такое коррозия металлов для человечества в общепринятом смысле слова? Это процесс повреждения, разрушения, который приводит к серьезным негативным последствиям. Из-за коррозии неизбежны финансовые потери везде, где востребованы металлоизделия. Это машиностроительная, оборонная отрасли промышленности. К последствиям негативного воздействия относятся истощение металлических элементов, кардинальное изменение вида. Возможно полное разрушение конструкций.

Методы защиты — неметаллические и металлические

Изготовители занимаются защитой еще на начальном этапе производства металлических изделий. Он важен для экономической целесообразности создания сплавов, конструкций из них, их длительной эксплуатации. Суть защиты сводится к нанесению защитного слоя — металлического или неметаллического покрытия. Характерный пример первого способа предотвращения электрохимической коррозии — цинкование. Нанесение цинкового слоя исключает коррозийное повреждение нержавеющей стали. Этот метод активно используется при производстве радиаторов отопления. Металлические покрытия наносятся разные способами, включая:

• осаждение (контактное) — объекты покрывают никелевыми или железными солями. В завершении процесса создается тоненькая пленка;
• диффузионный — используется цинк. Обработка изделий из черных металлов осуществляется при +750 градусах Цельсия при воздействии газа или пара. Возможно ее снижение до +250 градусов, если диффузионная защита выполняется в вакуумной среде;
• гальванический — ванну промышленного назначения наполняют металлом после его расплавления, туда и погружается конструкция, требующая защиты;
• металлизационный — тонкий слой металла после плавки равномерно наносится на металлоизделия посредством промышленного оборудования, создающего воздушную струю.

Нанесение металлопокрытий — один из актуальных методов защиты черных металлов. Он позволяет сохранить эксплуатационные характеристики стали, повысить ее степень противодействия опасной коррозии.

Неметаллические покрытия классифицируются на несколько групп. Перечислим основные виды:

• лакокрасочные (эмалевые) — недорогие, но наименее устойчивые к механическим повреждениям;
• оксидные и фосфатные — химические, предусматривают образование пленок на поверхности металла. К примеру, оксидирование состоит в погружении деталей в 140-градусный раствор азотной кислоты;
• порошковое окрашивание — проводится на специальном оборудовании в камерах закрытого типа;
• полимерные — образуется надежная пленка на металлических поверхностях. Она остается устойчивой к температурным перепадам, завышенным показателям влажности и химическим соединениям.

Легирование

В сплавы вводят дополнительные добавки. Они изменяют его свойства, технические спецификации и повышают устойчивость к воздействию экстремально высоких значений влажности. В качестве добавок выступают металлы с наибольшими показателями коррозийной устойчивости. Это кадмий, цинк, цирконий, молибден, золото и серебро. Характерный пример — инструментальная сталь марки 9ХФ. Она включает легирующие компоненты, углерод (0,9 %), хром, ванадий, что повышает прочность, твердость, стойкость к образованию ржавчины.

Определить стойкость к коррозии по периодической таблице Менделеева невозможно. Поэтому ее вычисляют условно. Чем выше атомный номер, тем меньше металлы подвергаются образованию ржавчины.

Электрохимический метод защиты

Он заключается в подключении источника электрического тока непосредственно к металлам. Это приводит к катодной поляризации на поверхности и разрушению ржавчины.

Снижение агрессивности среды — дополнительный метод

Этот способ используется реже остальных. Он подходит только для конструкций, размещенных не н улице, а в помещениях. Метод изменения состава среды состоит в понижении уровня влажности, добавлении ингибиторов. Главная задача заключается в формировании атмосферы, неблагоприятной для разрушительного воздействия на металлы.

Как бороться с общей коррозией

Предотвращение возникновения коррозии общего типа заключается в оценке допуска на нее. Специалисты определяют, как растет толщина металлов, чтобы исключить потери материала на будущее на протяжении всего срока службы.

Вычисляется допуск по формуле CA = CR · t, где CR – это скорость коррозии, а t – срок эксплуатации деталей. Итоговый коэффициент рассчитывается с учетом параметров, влияющих на скорость распространения ржавчины. К ним относятся:

• влажность;
• температура;
• осадки;
• ветер;
• воздействие химических примесей агрессивных компонентов.

Борьба с коррозией - особенности удаления

Наличие ржавчины на металле требует ее незамедлительного удаления для предотвращения дальнейших коррозийных процессов, проникновения в структуру изделий. Различают механические и химические методы ликвидации. Рассмотрим их подробнее.

Механическая очистка

Для удаления ржавчины механическим способом используют абразивные инструменты. Суть методов в силе трения, за счет которых очищаются поврежденные металлические части. При механическом удалении коррозии используются:

• болгарка — электроинструмент со стандартным зачистным или лепестковым диском. Он подходит для ликвидации ржавчины и обработки металлоизделий;
• пескоструйный агрегат — позволяет удалять грязь, менять фактуру поверхности с помощью абразивов. Для самостоятельной сборки оборудования потребуются пустой баллон и компрессор. Применение спецустройства предусматривает использование защитной экипировки, чтобы исключить попадание пыли в органы дыхательной системы;
• гриндер (станок, на котором обрабатывают запчасти и узлы металлоконструкций) — имеет несколько абразивных полосок, функционирует по принципу машинки для шлифовки. Этот прибор подходит и для заточки, обработки деталей;
• дрель с подходящей насадкой;
• обычная наждачка — мелкозернистая для финишной обработки, а крупнозернистая для грубой первоначальной очистки;
• щетка для ручной эксплуатации — инструмент с металлизированными волокнами позволяет избавляться от последствий негативного воздействия.

Еще один механический метод — очистка шлифовальным аппаратом. Он оснащается рабочей платформой, на которой фиксируется наждачная бумага. Машинки классифицируются на ленточные и виброшлифовальные. Первые используются только для грубой очистки, а вторые — для финишной обработки.

Химическая очистка

Избавиться от следов коррозийного воздействия можно и с помощью химических соединений. Выделим самые эффективные способ чистки:

1. Соляная кислота — ее использование требует предельной осторожности. Концентрат лучше не покупать. В продаже имеются средства на кислотной основе, в которых содержание агрессивного компонента уже доведено до допустимых значений.
2. Формалин — используется не в чистом виде, а в форме раствора. На 250 граммов формалина приходится аналогичное количество воды в миллилитрах, 50 граммов каустической соды, 50 мл спирта (можно взять нашатырь). После приготовления состава к нему добавляется еще один литр воды. Для удаления коррозии следует поместить детали в раствор на полчаса, а затем смыть его остатки.
3. Молочная кислота в смеси с вазелином в пропорции 1:2 — средство наносится на поверхность на некоторое время (зависит от интенсивности корродирующего процесса). После разъедания ржавчины она убирается щеткой с металлическими зубцами. Поверхность протирается сухой материей.
4. Щавелевая кислота — в емкости из гигиеничного пластика смешайте 25 граммов кислоты и 250 мл воды. Положите туда поврежденные части и через 40 минут смойте средство чистой водой. Металлоконструкции насухо протрите.

Химические технологии и методики при коррозии не так распространены, как механические. Агрессивные кислоты могут нанести вред металлу, поэтому пропорции должны соблюдаться.

Можно ли использовать народные средства для избавления от последствий коррозии?

В профессиональной среде (на промышленных предприятиях) металлы спасают от ржавчины предварительной защитой с помощью нанесения слоев других материалов. Для очистки используют механические методы, но в быту и хозяйстве нередко прибегают к народным способам. Вот самые популярные:

• Присыпьте солью загрязненные поверхности, выжмите лимонный сок. Подождите час и обработайте металлические участки лимонными корками.
• Разрежьте сырой картофель, присыпьте солью и потрите половинками поврежденные участки. Эффективность использования корнеплода обусловлена тем, что в его состав входит небольшой процент щавелевой кислоты.
• Можно использовать уксус. Поместите поврежденные предметы в емкость, заполненную этим средством, оставьте на сутки как минимум. Затем достаньте детали и протрите жесткой щеткой, остатки уксуса удалите водой.

При использовании народных методов очень часто приходится совмещать их с механической обработкой, то есть растворять ржавчину, а потом снимать ее специальными щетками.

Актуальный способ — удаление ржавчины содой при помощи металла-донора и аккумулятора. Сначала растворите полкило соды в десяти литрах воды. Затем погрузите туда предметы и присоедините провода: минусовые — к обрабатываемой детали, плюсовые — к донорской (на нее будет переноситься ржавчина). Аккуратно подайте напряжение. Все это протекает долго и может занимать до шести-восьми часов. Без предварительной тренировки, специальных навыков провести ее сложно.

Экономический ущерб от коррозии

В развитых промышленных странах (США, ЕС, Россия) экономические потери от коррозии исчисляются миллиардами долларов. Они составляют большой процент от ВВП. Прямые экономические потери в Соединенных Штатах за 2021 год превысили 270 млрд долларов. Это 3,2 % от ВВП страны. В Европе экономические потери от коррозии достигли 2,8 % от внутреннего валового продукта. Для России — это свыше 4,2 % от ВВП.

Потери металлов, входящих в состав промышленного оборудования, достигают 10-20 % от годового производства чермета. Ущерб народному хозяйству, который наносит коррозия металлоконструкций, превышает 12-14 %. Аварии на магистральных газопроводах, теплотрассах в РФ в 48 % случаев происходят из-за постепенного ржавления и разрушения металлов. На брак, естественный износ, стихийные явления приходится 52 % от всех дефектов труб. Кстати, в европейских странах от коррозии выходят из строя всего 15 % трубопроводов и магистралей.

Косвенные потери от корродирующих металлов выражаются в последующих финансовых тратах на ликвидацию аварийных последствий, ремонт промышленного оборудования, защиту от ржавления, в издержках из-за простоя, снижения мощностей и качества готовой металлопродукции.

Наибольших успехов в повышении экономической эффективности использования металлов удалось достичь Японии. В этой стране потери от коррозии не превышают 1,5 % от ВВП за счет оцинковки. В России ученые тоже стремятся к внедрению уникальных технологий. В июле 2022 года стало известно о применении новейших покрытий для магниевых сплавов. Технология защиты предусматривает обработку путем плазменного электролитического оксидирования. Планируется использование ингибитора — оксихинолина. Особую эффективность он дает в борьбе с биологическим воздействием (биокоррозия).

Рекомендации

Коррозия может полностью разрушить металлические конструкции. Поэтому на защите сэкономить не получится. Порча может привести к последствиям, катастрофическим для государства. Применяя разные технологии защиты от коррозии, производители металлоконструкций могут свести экономические потери к минимуму, исключить простой оборудования и срывы сроков по заказам. Сразу после удаления ржавчины необходимо проводить повторную обработку ранее поврежденного места, чтобы исключить второй этап развития коррозии. Выделим ряд рекомендаций:

• перед переходом к применению абразивных веществ нужно проверить эффективность более щадящих методов;
• не стоит экономить на защите металлоконструкций — лучше до коррозии покрыть их лакокрасочными составами;
• перед использованием агрессивных химических веществ необходимо детально исследовать их состав, эксплуатационные спецификации, чтобы нивелировать риски возможных негативных реакций.

Какие металлы меньше всего боятся коррозиии почему?

Сплавы нержавеющей стали с высоким содержанием хрома (18-20 %) не подвержены разрушению при кратковременном воздействии влаги. Причина — быстрое окисление и образование пленки из оксида хрома. Примеси молибдена тоже повышают устойчивость стали к появлению ржавчины. К другим стойким металлам относятся:

• алюминий и титан, сплавы на их основе;
• медь — окисляется, из-за чего образуется зеленая патина. Она защищает металл от постепенного корродирования;
• латунь (сплав цинка и меди);
• бронза.

Оцинкованные стали тоже слабо подвержены коррозии. За счет покрытия создается барьер, который не позволяет воде и кислороду достигнуть металла. Даже слой цинка с царапинами дает гарантированную. катодную защиту стального участка. Последующее окисление железа, входящего в состав стали, исключается.

Производителям стоит детально изучать свойства металлов перед нанесением защитного покрытия или применением иных методов предохранения от образования ржавых пятен и дальнейшей порчи. Для компаний и потребителей борьба с разрушением чермета и цветмета имеет приоритетное значение. Потери в экономике стран, убытки на производственных предприятиях, катастрофы с инженерными коммуникациями и иные последствия можно предотвратить при своевременной защите металлоконструкций.