Рж — коррозия металлов¶
Рж (устар. «ржавчина», от др.-рус. «ржа») — продукт коррозии железа и стальных сплавов, представляющий собой в основном гидратированный оксид железа(III) Fe₂O₃·nH₂O. Образуется при взаимодействии металла с кислородом и влагой воздуха, а также под действием солей, кислот и щелочей. Рж является одним из наиболее распространённых видов коррозионного разрушения металлических конструкций и приводит к ежегодным экономическим потерям во всех отраслях промышленности.
¶Химический состав и строение
Рж не имеет строго определённого химического состава. Под общим названием объединяют ряд соединений железа:
- Гетит (α-FeOOH) — основной компонент рыжей ржавчины;
- Лепидокрокит (γ-FeOOH) — формируется при более высокой влажности;
- Ферригидрит (FeOOH·nH₂O) — аморфная фаза, предшествующая кристаллическим продуктам;
- Маггемит (γ-Fe₂O₃) — встречается в тонких слоях;
- Гематит (α-Fe₂O₃) — конечный продукт старения ржавчины.
Плотность ржавчины составляет 2,7–3,5 г/см³, что примерно в 2,5 раза меньше плотности железа (7,87 г/см³). Это объясняет характерное свойство ржавчины — она отслаивается от поверхности, не образуя защитной плёнки, и процесс коррозии продолжается до полного разрушения металла.
¶Механизм образования
Образование ржавчины протекает по электрохимическому механизму. На поверхности железа образуются микрогальванические пары, где анодными участками служат области с дефектами кристаллической решётки, а катодными — участки с примесями или различной ориентацией зёрен.
На аноде происходит окисление:
Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
На катоде — восстановление кислорода:
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
Образующиеся ионы Fe²⁺ и OH⁻ реагируют между собой, формируя гидроксид железа(II), который далее окисляется кислородом воздуха до гидроксидов и оксидов железа(III) — собственно ржавчины. Процесс ускоряется при повышении влажности (выше 60 %), наличии электролитов (солей, кислот), повышении температуры и наличии механических напряжений.
¶Виды коррозии железа
По характеру протекания различают несколько типов коррозии, приводящих к образованию ржавчины:
| Вид коррозии | Описание |
|---|---|
| Равномерная | Снятие металла по всей поверхности без локализации |
| Язвенная (питтинг) | Образование глубоких корродированных ямок |
| Межкристаллитная | Коррозия по границам зёрен металла |
| Щелевая | Развивается в узких зазорах с замедленным доступом электролита |
| Избирательная | Растворение одной из фаз сплава (например, цементита в стали) |
| Контактная | Ускорение коррозии железа в контакте с более благородным металлом |
¶Факторы, ускоряющие образование ржавчины
Скорость коррозии железа определяется совокупностью условий:
- Влажность воздуха. При относительной влажности ниже 60 % коррозия практически не идёт; выше 80 % процесс резко ускоряется.
- Присутствие электролитов. Соли (особенно хлориды в прибрежных районах и на дорогах, где применяются реагенты против гололёда) многократно увеличивают скорость коррозии.
- Загрязнение атмосферы. Диоксид серы, оксиды азота и аэрозоли образуют кислые растворы на поверхности металла.
- Температура. Повышение температуры ускоряет электрохимические реакции, однако при очень высоких температурах скорость коррозии может снижаться из-за уменьшения растворённого кислорода.
- Механические напряжения. Напряжённые участки металла более активны и подвержены коррозии в первую очередь.
¶Защита от ржавчины
Основные методы предотвращения образования ржавчины:
- Легирование. Добавление в железо хрома (свыше 10,5 %) приводит к образованию плотной оксидной плёнки Cr₂O₃, защищающей металл; такие сплавы называются нержавеющими сталями.
- Покрытия. Лакокрасочные, гальванические (цинк, хром, никель), металлизационные, полимерные покрытия.
- Ингибиторы коррозии. Вещества, замедляющие электрохимические процессы (хроматы, фосфаты, амины).
- Катодная защита. Подача отрицательного потенциала на защищаемую конструкцию или установка протекторов из более активного металла (цинк, магний).
- Изменение среды. Снижение влажности, удаление солей, дегазация растворов.
¶Экономическое значение
Коррозия металлов наносит значительный ущерб экономике. По оценкам, ежегодные потери от коррозии в мире составляют 2–4 % валового внутреннего продукта. В России, где металлургия и машиностроение являются базовыми отраслями, потери от коррозии исчисляются сотнями миллиардов рублей ежегодно. Значительная доля этих потерь приходится на трубопроводный транспорт, мостовые сооружения, железнодорожную инфраструктуру и морские суда.
¶Применение ржавчины
Несмотря на разрушительный характер, ржавчина находит ограниченное применение. В художественном деле и ландшафтном дизайне используют так называемую «искусственную патину» — ускоренное окисление металлических поверхностей для получения декоративного эффекта. В некоторых технологиях нанесения покрытий предварительное формирование ржавчины служит подготовкой поверхности под грунтовку. Оксиды железа, входящие в состав ржавчины, применяются как пигменты (охра, сурик) и сырьё для производства ферритов.
Источники:
- Гальперин В. И. Коррозия и защита металлов. — М.: Металлургия.
- Томашов Н. Д. Теория коррозии и коррозионностойкие сплавы. — М.: Металлургия.
- Кузнецов Ю. А. Общая химия. — М.: Высшая школа.
- Бардин Ю. В. Металловедение. — М.: Металлургия.