Коррозия металлов

Коррозия металлов — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В результате коррозии металл переходит в более устойчивое термодинамическое состояние — оксиды, гидроксиды, соли или другие соединения. Коррозия является одной из основных причин выхода из строя металлических конструкций, оборудования и транспортных средств, нанося значительный экономический ущерб.

Классификация коррозионных процессов

Коррозия классифицируется по нескольким признакам: по механизму протекания, по типу коррозионной среды, по характеру разрушения и по условиям протекания.

По механизму протекания

• Химическая коррозия — взаимодействие металла с агрессивной средой, не сопровождающееся возникновением электрического тока. Характерна для газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (например, нефтепродукты, органические растворители). Наиболее распространённый пример — окисление металла при высоких температурах (окалинообразование).
• Электрохимическая коррозия — наиболее распространённый тип, протекающий в электропроводящих средах (электролитах: вода, растворы кислот, солей, щелочей, влажный воздух). Процесс сопровождается возникновением гальванических пар на поверхности металла, где одни участки выступают анодом (окисляются), а другие — катодом (восстанавливается окислитель). Электрохимическая коррозия является основной причиной разрушения подземных и подводных сооружений, автомобилей, морских судов.

По типу коррозионной среды

• Газовая коррозия — в газах и парах при высоких температурах (например, в топках, двигателях).
• Атмосферная коррозия — под воздействием воздуха и атмосферной влаги. Наиболее массовый вид коррозии, от которого страдает большинство металлических изделий.
• Жидкостная коррозия — в жидких средах (кислотная, щелочная, солевая, морская, речная).
• Подземная (почвенная) коррозия — в грунтах и почвах, часто электрохимическая, ускоряемая блуждающими токами.
• Биокоррозия — под воздействием микроорганизмов (бактерий, грибков) и продуктов их жизнедеятельности.

По характеру разрушения

• Сплошная (равномерная) коррозия — охватывает всю поверхность металла с примерно одинаковой скоростью. Относительно предсказуема и менее опасна.
• Местная (локальная) коррозия — поражает отдельные участки поверхности. Наиболее опасна, так как может привести к быстрому разрушению конструкции при малой общей потере массы. Подразделяется на:
• Питтинговая (точечная) — образование глубоких язв (питтингов). Характерна для нержавеющих сталей, алюминия.
• Язвенная — более крупные и неглубокие поражения.
• Щелевая — в зазорах, под прокладками, в резьбовых соединениях.
• Межкристаллитная — разрушение по границам зёрен металла, что резко снижает прочность и может привести к внезапному разрушению без внешних признаков.
• Подповерхностная — начинается с поверхности, но распространяется под ней, вызывая вспучивание и расслоение.
• Коррозионное растрескивание — одновременное воздействие коррозионной среды и растягивающих напряжений, приводящее к образованию трещин.

Факторы, влияющие на скорость коррозии

Скорость коррозии зависит от множества факторов:

• Свойства металла: его химическая активность (положение в ряду напряжений), наличие защитных оксидных плёнок (пассивируемость), неоднородность структуры, наличие примесей.
• Свойства среды: влажность, температура, концентрация агрессивных компонентов (кислород, кислоты, соли, хлор-ионы), pH, электропроводность.
• Внешние условия: наличие механических напряжений, трение, облучение, блуждающие токи (например, от рельсового электротранспорта).

Методы защиты от коррозии

Защита от коррозии — комплексная задача, решаемая на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации. Основные методы:

Изменение свойств металла

• Легирование — введение в состав сплава элементов (хром, никель, молибден, титан, кремний), повышающих коррозионную стойкость. Например, нержавеющие стали (содержащие не менее 12% хрома) образуют на поверхности прочную пассивную плёнку.
• Термическая обработка — снятие внутренних напряжений, гомогенизация структуры.

Изменение свойств среды

• Удаление агрессивных компонентов — деаэрация (удаление кислорода), умягчение воды, осушение воздуха.
• Введение ингибиторов коррозии — веществ, замедляющих коррозионный процесс (нитриты, хроматы, фосфаты, амины, бензоаты). Ингибиторы могут быть анодными, катодными или смешанными.

Изоляция металла от среды

• Лакокрасочные покрытия — наиболее распространённый метод. Включают грунтовку, шпаклёвку, эмали, лаки.
• Металлические покрытия:
• Анодные (металл покрытия более активен, чем основной, например, цинк на стали) — защищают электрохимически, даже при повреждении.
• Катодные (металл покрытия менее активен, например, хром, никель на стали) — защищают механически, при повреждении ускоряют коррозию основного металла.
• Способы нанесения: горячее цинкование, гальваническое покрытие, напыление, плакирование.
• Неметаллические неорганические покрытия: оксидирование (воронение), фосфатирование, эмалирование, цементация.
• Полимерные покрытия: резина, пластик, эпоксидные смолы.

Электрохимическая защита

• Катодная защита — подключение защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника тока (катод) или присоединение к ней протектора — более активного металла (анода), который разрушается вместо конструкции. Применяется для защиты подземных трубопроводов, корпусов судов, портовых сооружений.
• Анодная защита — для пассивирующихся металлов (нержавеющие стали, титан) — поддержание анодного потенциала в области пассивности с помощью внешнего источника.

Рациональное проектирование

• Исключение щелей, зазоров, застойных зон.
• Обеспечение дренажа и вентиляции.
• Использование герметизирующих прокладок.
• Защита от контакта разнородных металлов (гальванические пары).

Экономический и экологический ущерб

По оценкам, прямые потери от коррозии в развитых странах составляют 2–5% от валового национального продукта (ВНП). К прямым потерям относят стоимость замены разрушенных деталей и конструкций, ремонт, простой оборудования. Косвенные потери (утечки, аварии, экологические катастрофы, потеря продукта) могут быть значительно выше. Коррозия является причиной многих техногенных катастроф, в том числе разрушения мостов, трубопроводов, резервуаров. Экологический ущерб связан с утечками нефти, газа, химических веществ, а также с загрязнением окружающей среды продуктами коррозии.

Интересные факты

• Самый известный пример коррозии — ржавление железа. Ржавчина (гидратированный оксид железа(III)) не образует защитной плёнки, поэтому коррозия железа продолжается до полного разрушения.
• Некоторые металлы, например, алюминий, хром, титан, обладают высокой коррозионной стойкостью благодаря тонкой, прочной и самовосстанавливающейся оксидной плёнке (пассивация).
• Статуя Свободы в Нью-Йорке (медная обшивка на стальном каркасе) страдала от гальванической коррозии между медью и сталью, что потребовало масштабной реставрации.
• В 1967 году из-за коррозионного растрескивания под напряжением обрушился Серебряный мост в США (Западная Виргиния), погибло 46 человек.
• Для защиты от коррозии в авиастроении и космонавтике широко применяются алюминиевые и титановые сплавы, а также многослойные покрытия.

Источники

• Коррозия металлов и сплавов: Учебник для вузов / Под ред. Н. Д. Томашова. — М.: Металлургия, 1986.
• Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. — М.: Металлургия, 1976.
• Семёнова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита металлов. — М.: Физматлит, 2002.
• Улиг Г. Г., Реви Р. У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. — Л.: Химия, 1989.
• Розенфельд И. Л. Ингибиторы коррозии. — М.: Химия, 1977.