Как работает коррозия металла? Теоретические основы процесса

19.09.2023

С коррозией люди сталкиваются с тех пор, как научились добывать и обрабатывать металл. С того же времени существуют разные способы борьбы с ней. Несмотря на то, что проблема хорошо изучена, исследования протекания процесса коррозии и методов борьбы с ним продолжаются и в настоящее время. Поэтому понимание теоретических основ коррозионного процесса важно для правильного выбора способа борьбы с ржавлением и эффективного использования выбранного средства.

Термин коррозия произошел от латинского слова "corrodere", что означает разъедать. Понятие применимо как к самому процессу разрушения, так и к его результату. Система российской стандартизации (ГОСТ 5272-68) определяет коррозию металлов как разрушение металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. В системе международной стандартизации ISO это понятие трактуется немного шире: физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла, и часто происходит ухудшение функциональных характеристик металла, среды или включающей их технической системы.

Коррозионный процесс является самопроизвольным. Вызывается термодинамической неустойчивостью большинства материалов, их стремлением перейти в новое состояние в условиях эксплуатации.

Коррозионные процессы могут проходить в разнообразных условиях и средах. Коррозию классифицируют:

• по механизму взаимодействия металлов с внешней средой;

• по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса;

• по виду (геометрическому характеру) коррозионных разрушений на поверхности или в объёме металла.

Главной является классификация по механизму протекания процесса. Различают два основных вида:

Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. При химической коррозии после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. К химической коррозии относят коррозию в жидкостях неэлектролитах и газовую коррозию.

Схема химической коррозии

К неэлектропроводным жидким средам прежде всего относят органический жидкости – бензол, тетрахлорид углерода, фенол, хлороформ, тетрахлорид углерода, нефть, керосин, бензин и спирты.

В результате химической коррозии металл покрывается пленкой окисла. Получившиеся пленки некоторых металлов прочны и хорошо предохраняют металл от дальнейшего разрушения. Речь идет об алюминии, хроме, молибдене и некоторых других. Пленки железа и других черных металлов легко разрушаются и не могут препятствовать коррозии, способной проникать в металл на большую глубину.

Обычно, химическая коррозия разрушает детали механизмов, работающих при высокой температуре - камеры внутреннего сгорания топлива, химические реакторы, поршневые двигатели и т. д.

Электрохимическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с электролитом, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.

Схема электрохимической коррозии

Так как поверхность любого металла электрохимически неоднородна, содержит примеси других металлов и неметаллических веществ, это приводит к тому, что на ней в растворе электролита образуются гальванические микроэлементы. Металл с более отрицательным потенциалом начинает разрушаться – его ионы переходят в раствор, а электроны переходят к менее активному металлу, на котором происходит восстановление растворенного ионов водорода или восстановление растворенного в воде кислорода.

При этом достаточно небольшого слоя электролита, чтобы возникла электрохимическая коррозия. Даже 65% относительной влажности хватит, чтобы на поверхности металла образовался электролит, который может вызвать коррозию. Поэтому электрохимическая коррозия наблюдается и в закрытых помещениях.

Таким образом, электрохимическая коррозия характеризуется тем, что поток электронов направлен от более активного металла к менее активному, и более активный металл корродирует. Скорость процесса коррозии зависит от того насколько далеко расположены друг от друга металлы, образующие гальваническую пару, в ряду стандартных электродных потенциалов.

Кроме того, скорость коррозии зависит от кислотности электролита. Чем она выше (т.е. меньше рН), тем больше содержание в нем окислителей, а значит тем быстрее протекает процесс ржавления. Также коррозия существенно возрастает с ростом температуры.

В отдельных случаях наблюдается такое явление как пассивация. Некоторые металлы в определенных средах переходят в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия. Так, железо становится пассивным в концентрированной азотной кислоте. При таких условиях на поверхности металла образуется плотная защитная оксидная пленка, которая препятствует контакту металла со средой и существенно замедляет процесс коррозии. В сухом воздухе пленка образуются на поверхности алюминия, меди, хрома, цинка, никеля, бериллия и других металлов. Пассивированием также достигается коррозионная стойкость нержавеющих сталей и сплавов.

Кроме того, эксперты выделяют еще два вида коррозии, которые протекают параллельно с химической или электрохимической коррозией:

Биохимическая коррозия – вызывается различными микроорганизмами, использующими металл как питательную среду или выделяющими продукты, которые разрушающе действуют на металл. Так, ряд почвенных бактерий вырабатывает вещества, агрессивно действующие на металлы: CO2, SO2, H2S и др.

Обычно этот вид коррозии накладывается на химическую и электрохимическую. Наиболее благоприятны для биохимической коррозии почвы определенного состава, застойные воды и некоторые органические продукты.

Электрокоррозия – усиление электрохимической коррозии под действием анодной поляризации, вызванной внешним электрическим полем (например, при производстве сварочных работ на плаву, при наличии блуждающих токов в акватории).

По виду коррозионной среды и условиям протекания процесса коррозию можно разделить на:

• атмосферную. Самый распространенный вид коррозии. Металлы разрушаются в атмосфере, в качестве окислителя выступает кислород;

• газовую. Металлы разрушаются под воздействием газов при высоких температурах;

• жидкостную. Коррозии металла в жидкой среде. Жидкости могут быть электролитами и неэлектролитами;

• почвенную. Коррозия металла в грунтах и почвах;

• коррозию блуждающими токами. Это вид электрохимического разрушения под воздействием блуждающих токов;

• контактную коррозию. Этот вид коррозии возникает при контакте металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в электролите;

• коррозию под напряжением. Разрушение металла при одновременном воздействии агрессивной среды и механических напряжений;

• фреттинг-коррозию. Это вид коррозии, возникающий при колебательных перемещениях двух поверхностей относительно друг друга в условиях коррозионной среды;

• коррозионную эрозию. Вид коррозии, которые происходит при одновременном воздействии на металл трения и коррозионной среды.

По характеру разрушения виды коррозии делятся на:

• сплошную. Процесс коррозии затрагивает всю поверхность металла, которая находится под воздействием коррозионной среды. Можно разделить на равномерную, неравномерную и избирательную;

• местную. Коррозия затрагивает только некоторые участки поверхности металла. Местный вид коррозии бывает: пятнами, питтинговой, язвенной, сквозной, нитевидной, межкристаллитной, подповерхностной, ножевой, коррозионным растрескиванием и коррозионной хрупкостью;

 

Коррозия распространена в энергетической, транспортной, химической, пищевой, нефтяной и механической отраслях промышленности. Она ежегодно приводит к миллиардным убыткам. По разным данным, потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20% годового производства стали. Коррозия также может привести к трагедиям с человеческими жертвами – к примеру, проржавевшие конструкционные детали моста могут привести к его обрушению.

Благодаря постоянному изучению процесса коррозии были изобретены способы борьбы с ним. Среди основных способов борьбы с коррозией:

• Защитные покрытия. Металлические поверхности покрывают другим металлом или специальными лаками, красками, эмалями;

• Легирование. Введение в состав металла добавок, которые образуют защитный слой на поверхности;

• Протекторная защита. Металлическое изделие соединяют с более активным металлом. Таким образом, при электрохимической коррозии более активный металл разрушается в первую очередь.

• Электрохимическая защита. Основана на наложении отрицательного потенциала на защищаемую деталь.

• Ингибиторы коррозии. Изменение состава среды путем добавления в коррозионную среду специальных средств, замедляющих коррозию.

Полностью избежать коррозии металла невозможно, однако процесс можно существенно замедлить. Экономический эффект от применения антикоррозионных средств будет ощущаться десятилетиями. Поэтому разработка и улучшение существующих способов защиты от коррозии важнейшая часть современной науки и промышленности.

Холдинг ВМП больше 30 лет проводит исследования и разрабатывает инновационные решения в области антикоррозионной защиты. Клиентам поставляются самые эффективные и надежные лакокрасочные покрытия, которые на многие годы продлевают срок службы металлоконструкций и снижают затраты на их обслуживание.

Для подбора материалов, наиболее эффективно решающих конкретные задачи по антикоррозионной защите металлоконструкций рекомендуем обратиться к специалистам ВМП по телефону +7 (343) 266-09-15, 8-800-500-54-00, электронной почте cg@fmp.ru или выбрать нужный контакт здесь.