Какие основные способы борьбы с коррозией

Способы борьбы с коррозией металлов

Коррозией металла называется нарушение его структуры в результате химических или электрохимических реакций. Это может приводить к разрушению деталей, конструкций, приводить к выходу из строя узлов автомобилей, станков, другого производственного оборудования, инструментов, трубопроводов и иных металлических изделий. Каждый год коррозия разрушает около 13 миллионов тонн металла.

Предотвратить и замедлить этот негативный процесс призваны меры антикоррозийной защиты металла. На это в мире тратится ежегодно более 2,5 триллионов долларов США, по данным NACE International. Как показывает практика, металлические изделия просто не способны служить без специальных защитных мер в течение длительного времени

Причины коррозии металлов

Основными «виновниками» коррозии являются воздействие природных факторов – воды и повышенной влажности, высокой температуры, кислых веществ с содержанием сульфатов и хлоридов, взвешенных в воздухе частиц различных веществ, солей, промышленных смазочных составов.

Виды коррозии металлов

В зависимости от того, какие именно реакции протекают на границе металла с окружающей средой, выделяют три основных вида коррозии.

1. Химическая развивается, когда металл соприкасается с солями или сухими газообразными соединениями. Яркий пример – контакт днища кузова автомобиля с солью, которой зимой в России посыпают автодороги. На деталях машин образуется слой из солей натрия и калия, разъедающих сталь и любой другой металл.
2. Электрохимическая происходит при соприкосновении с водой. Встречается чаще других видов.
3. Биологическая (биокоррозия) заключается в том, что поверхность металла разрушают микроорганизмы или радиоактивное излучение.

В соответствии с формой поражения коррозия может быть точечной, когда появляются узкие глубокие отверстия внутри металла с сохранением целостности поверхности. Она чаще наблюдается в изделиях из алюминиевых сплавов и нержавеющей стали.

Второй тип – равномерная коррозия, проявляющаяся на поверхности металла в виде равномерного слоя отложений. Третий – щелевая, захватывает участки с небольшими углублениями, где накапливается влага. Четвертый – межкристаллическая, развивается в зернистой структуре металла, приводя к локальным повреждениям. Выделяют также коррозионное растрескивание, когда под действием агрессивной среды в сочетании с постоянной или периодической высокой нагрузкой в металле появляются трещины.

Способы борьбы с коррозией

Сегодня применяются различные способы защиты металлов от коррозии. Выбор определяется условиями эксплуатации металлических изделий, в том числе климатом региона, характеристиками самой металлической конструкции, а также совместимостью антикоррозийного состава и обрабатываемого материала, другими факторами.

Все виды борьбы с коррозией металла можно разделить на три основных, направленных на изменение одного из факторов:

• свойств самого металла;
• свойств окружающей среды;
• характера взаимодействия металлического изделия и среды на границе контакта.

Изменение свойств металла для предотвращения коррозии

В эту группу методов включаются легирование, поверхностная и термическая обработка. Первые два можно отнести к химическим методам. Третий – к технологическим методам.

Легирование предполагает включение в состав металла в процессе его производства химических элементов, которые наименее склонны вступать в химическую реакцию с кислородом. Эти компоненты по возрастанию химической эффективности располагаются в следующем порядке: хром, медь, цинк, серебро, алюминий, платина.

Другой способ – металлизация (гальванический метод), когда поверхность изделия покрывается более устойчивым к действию кислорода металлом. Он подается в мелкодисперсном виде в форме ионизированного потока. Сюда относятся холодное цинкование и горячее цинкование.

Для защиты от коррозии могут также применяться фосфатирование или оксалатирование – обработка поверхности металла фосфатными солями марганца и цинка, либо щавелевой кислоты.

Термическая обработка означает нагрев металла до температуры выше +900◦С. Как правило, применяется в сочетании с насыщением поверхности заготовки хромом, азотом, алюминием, кремнием и другими элементами, повышающими сопротивляемость металла коррозии.

Перечисленные выше методы защиты относят к активным. Сюда же можно причислить и преобразование структуры двойного электрического слоя — анодирование. На металлическую поверхность воздействуют постоянным электрическим полем с заданными параметрами напряжения, которые подбираются в соответствии со свойствами металла. Это увеличивает его электродный потенциал и повышает устойчивость к коррозии верхнего слоя. Такой способ обычно используют для создания антикоррозийной защиты алюминия.

Изменение свойств окружающей среды

Параметры окружающей металлическое изделие среды можно менять с помощью ее ингибирования, обескислороживания, осушения воздушной смеси и устранения агрессивных веществ – солей, кислот и других.

Если объект небольшой, вокруг него может создаваться вакуум: в воздухе практически не остается кислорода, соответственно, риск появления коррозии минимизируется.

Другой метод – заполнение пространства вокруг металлической детали или конструкции инертным газом (неоном, ксеноном, аргоном). Этот способ дает высокий эффект, но довольно сложен в применении: необходимо обустройство защитной камеры, а также наличие специальных защитных костюмов для людей, обслуживающих оборудование из металла. Его используют обычно в научно-исследовательских лабораториях и на опытных производственных участках, где требуется поддерживать особый микроклимат.

Изменение характера взаимодействия металла со средой

Это антикоррозийная обработка металла, для которой применяется большое разнообразие способов.

• Защитные покрытия – лаков и красок, масел, смазок и так далее.
• Устранение катодной поляризации в форме защиты от коррозии контактного типа, электродренажа, удаления блуждающих токов и так далее.
• Грамотное проектирование металлических конструкций, при котором подбирается наиболее устойчивый к действию факторов конкретной среды металл, устраняются зазоры, застойные зоны, соприкосновения разнородных металлов, и так далее.

Для борьбы с коррозией металлов широко распространены лакокрасочные покрытия. На сегодняшний день этот вариант применяется особенно часто. Используются специальные органические ЛКМ, компоненты которых не вступают в реакцию с кислородом, в также составы с алюминием. Первые перекрывают доступ О₂. Вторые не допускают коррозионного разрушения стали за счет наличия в составе химически инертного элемента – алюминия. Кроме того, используют защитные пленки и жидкий пластик – относительно новое решение.

На эффективность такой защиты влияют качество подготовки металлической поверхности к нанесению покрытия, равномерность его нанесения, толщина и прочность слоя, исключение образования воздушных полостей и другие факторы.

Этот способ отличается простотой реализации и низкими финансовыми затратами. Однако эффект недолговечен: со временем происходит механическое разрушение покрытия. Важно также понимать, что ЛКМ и пленки препятствуют появлению коррозии, но не способны его предотвратить, что дает основания называть данный способом защиты от коррозии пассивным. Можно покрыть ржавый металл специальной краской, которая трансформирует ржавчину и создаст антикоррозийный защитный слой.

К необычным способам относится высоковязкая технологическая смазка из окислов железа – закиси-окиси Fe3O4. Температура образования данного вещества составляет +250-500◦С. Им можно обработать металл, чтобы не ржавел. Образуя на поверхности плотную пленку, Fe3O4 не дает кислороду проникать к металлу, не позволяя развиваться трибохимической коррозии. Данный метод применяется на металлургических предприятиях в процессе скоростной высадки сплавов и металлов труднодеформируемых типов.

Способы удаления коррозии

Если ржавчина на металле уже появилась, риск разрушения деталей или конструкций резко возрастает. Необходимо удалить коррозию, для чего предлагается использовать один из способов.

• Ручная механическая очистка – традиционный вариант. Поверхность изделия обрабатывается металлической щеткой, наждачной бумагой либо абразивным кругом. Можно делать это вручную или с помощью дрели с соответствующей насадкой, либо углошлифовальной машины. Метод требует больших усилий и много времени.
• Специальные химические составы, вступающие в реакцию с оксидом железа. Данный вариант актуален для изделий, форма которых сложная, поверхность рифленая. Однако применять этот метод на изделиях с неметаллическими компонентами нельзя. Кроме того, работа с такими средствами требует особой осторожности, поскольку они могут нанести вред здоровью человека.
• Электрохимический способ. Металлическое изделие опускают в раствор электролита, подключив к источнику электротоку. Ток, проходящий через электролит и деталь, заставляет слой ржавчины отделяться от ее поверхности. Но этот вариант подходит не для всех изделий из металла.
• Пескоструйная и дробеструйная обработка, ультразвук очищают металл от оксида железа, отбивая его от поверхности.
• Сухой лед (криобластинг) – очищение с помощью струи из гранул сухого льда. При ударе о металл происходит испарение частичек льда. Высвобождается углекислый газ: мгновенно расширяясь, он захватывает и удаляет ржавчину.

Вложения в защиту металла от коррозии позволяют продлить срок службы деталей и конструкций, а, значит, увеличить периодичность их замены.

Максимальный эффект дает сочетание нескольких методов. Например, для сохранения металлических элементов, находящихся под водой, применяют комбинацию катодной защиты и ЛКМ. Антикоррозийная защита направляющих насадок гребных винтов включает применение коррозионностойкой стали, электроразъединение разнородных материалов, катодную защиту и ЛКМ.

Источник

Коррозия металлов

Коррозия – разрушение поверхности сталей и сплавов под воздействием различных физико-химических факторов – наносит огромный ущерб деталям и металлоконструкциям. Ежегодно этот невидимый враг «съедает» около 13 млн. т металла. Для сравнения – металлургическая промышленность стран Евросоюза в прошлом, 2014 году произвела всего на 0,5 млн. тонн больше. И это только – прямые потери. А длительная эксплуатация стальных изделий без их эффективной защиты от коррозии вообще невозможна.

Что такое коррозия и её разновидности

Основной причиной интенсивного окисления поверхности металлов (что и является основной причиной коррозии) являются:

1. Повышенная влажность окружающей среды.
2. Наличие блуждающих токов.
3. Неблагоприятный состав атмосферы.

Соответственно этому различают химическую, трибохимическую и электрохимическую природу коррозии. Именно они в совокупности своего влияния и разрушают основную массу металла.

Химическая коррозия

Такой вид коррозии обусловлен активным окислением поверхности металла во влажной среде. Безусловным лидером тут является сталь (исключая нержавеющую). Железо, являясь основным компонентом стали, при взаимодействии с кислородом образует три вида окислов: FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Основная неприятность заключается в том, что определённому диапазону внешних температур соответствует свой окисел, поэтому практическая защита стали от коррозии наблюдается только при температурах выше 10000С, когда толстая плёнка высокотемпературного оксида FeO сама начинает предохранять металл от последующего образования ржавчины. Это процесс называется воронением, и активно применяется в технике для защиты поверхности стальных изделий. Но это – частный случай, и таким способом активно защищать металл от коррозии в большинстве случаев невозможно.

Химическая коррозия активизируется при повышенных температурах. Склонность металлов к химическому окислению определяется значением их кислородного потенциала – способности к участию в окислительно-восстановительных реакциях. Сталь – ещё не самый худший вариант: интенсивнее её окисляются, в частности, свинец, кобальт, никель.

Электрохимическая коррозия

Эта разновидность коррозии более коварна: разрушение металла в данном случае происходит при совокупном влиянии воды и почвы на стальную поверхность (например, подземных трубопроводов). Влажный грунт, являясь слабощёлочной средой, способствует образованию и перемещению в почве блуждающих электрических токов. Они являются следствием ионизации частиц металла в кислородсодержащей среде, и инициирует перенос катионов металла с поверхности вовне. Борьба с такой коррозией усложняется труднодоступностью диагностирования состояния грунта в месте прокладки стальной коммуникации.

Электрохимическая коррозия возникает при окислении контактных устройств линий электропередач при увеличении зазоров между элементами электрической цепи. Помимо их разрушения, в данном случае резко увеличивается энергопотребление устройств.

Трибохимическая коррозия

Данному виду подвержены металлообрабатывающие инструменты, которые работают в режимах повышенных температур и давлений. Антикоррозионное покрытие резцов, пуансонов, фильер и пр. невозможно, поскольку от детали требуется высокая поверхностная твёрдость. Между тем, при скоростном резании, холодном прессовании и других энергоёмких процессах обработки металлов начинают происходить механохимические реакции, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры на контактной поверхности «инструмент-заготовка». Образующаяся при этом окись железа Fe2O3 отличается повышенной твёрдостью, и поэтому начинает интенсивно разрушать поверхность инструмента.

Методы борьбы с коррозией

Выбор подходящего способа защиты поверхности от образования ржавчины определяется условиями, в которых работает данная деталь или конструкция. Наиболее эффективны следующие методы:

• Нанесение поверхностных атмосферостойких покрытий;
• Поверхностная металлизация;
• Легирование металла элементами, обладающими большей стойкостью к участию в окислительно-восстановительных реакциях;
• Изменение химического состава окружающей среды.

Механические поверхностные покрытия

Поверхностная защита металла может быть выполнена его окрашиванием либо нанесением поверхностных плёнок, по своему составу нейтральных к воздействию кислорода. В быту, а также при обработке сравнительно больших площадей (главным образом, подземных трубопроводов) применяется окраска. Среди наиболее стойких красок – эмали и краски, содержащие алюминий. В первом случае эффект достигается перекрытием доступа кислороду к стальной поверхности, а во втором – нанесением алюминия на поверхность, который, являясь химически инертным металлом, предохраняет сталь от коррозионного разрушения.

Положительными особенностями данного способа защиты являются лёгкость его реализации и сравнительно небольшие финансовые затраты, поскольку процесс достаточно просто механизируется. Вместе с тем долговечность такого способа защиты невелика, поскольку, не обладая большой степенью сродства с основным металлом, такие покрытия через некоторое время начинают механически разрушаться.

Химические поверхностные покрытия

Коррозионная защита в данном случае происходит вследствие образования на поверхности обрабатываемого металла химической плёнки, состоящей из компонентов, стойких к воздействию кислорода, давлений, температур и влажности. Например, углеродистые стали обрабатывают фосфатированием. Процесс может выполняться как в холодном, так и в горячем состоянии, и заключается в формировании на поверхности металла слоя из фосфатных солей марганца и цинка. Аналогом фосфатированию выступает оксалатирование – процесс обработки металла солями щавелевой кислоты. Применением именно таких технологий повышают стойкость металлов от трибохимической коррозии.

Недостатком данных методов является трудоёмкость и сложность их применения, требующая наличия специального оборудования. Кроме того, конечная поверхность изменяет свой цвет, что не всегда приемлемо по эстетическим соображениям.

Легирование и металлизация

В отличие от предыдущих способов, здесь конечным результатом является образование слоя металла, химически инертного к воздействию кислорода. К числу таких металлов относятся те, которые на линии кислородной активности находятся возможно дальше от водорода. По мере возрастания эффективности этот ряд выглядит так: хром→медь→цинк→серебро→алюминий→платина. Различие в технологиях получения таких антикоррозионных слоёв состоит в способе их нанесения. При металлизации на поверхность направляется ионизированный дуговой поток мелкодисперсного напыляемого металла, а легирование реализуется в процессе выплавки металла, как следствие протекания металлургических реакций между основным металлом и вводимыми легирующими добавками.

Изменение состава окружающей среды

В некоторых случаях существенного снижения коррозии удаётся добиться изменением состава атмосферы, в которой работает защищаемая металлоконструкция. Это может быть вакуумирование (для сравнительно небольших объектов), или работа в среде инертных газов (аргон, неон, ксенон). Данный метод весьма эффективен, однако требует дополнительного оборудования — защитных камер, костюмов для обслуживающего персонала и т.д. Используется он главным образом, в научно-исследовательских лабораториях и опытных производствах, где специально поддерживается необходимый микроклимат.

Кто нам мешает, тот нам поможет

В завершение укажем и на довольно необычный способ коррозионной защиты: с помощью самих окислов железа, точнее, одного из них — закиси-окиси Fe3O4. Данное вещество образуется при температурах 250…5000С и по своим механическим свойствам представляет собой высоковязкую технологическую смазку. Присутствуя на поверхности заготовки, Fe3O4 перекрывает доступ кислороду воздуха при полугорячей деформации металлов и сплавов, и тем самым блокирует процесс зарождения трибохимической коррозии. Это явление используется при скоростной высадке труднодеформируемых металлов и сплавов. Эффективность данного способа обусловлена тем, что при каждом технологическом цикле контактные поверхности обновляются, а потому стабильность процесса регулируется автоматически.⁠

Источник