Разберем, что такое коррозия металлов, какие виды бывают, и из-за чего происходит этот процесс. А еще расскажем, как защититься от коррозии, и какие металлы не подвержены ей. Разобраться в вопросе поможет Марианна Малькова, доктор технических наук, профессор кафедры машиностроительных технологий Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы.
Главное о коррозии металлов
- Коррозия — это процесс разрушения металлических материалов.
- Основные виды коррозии: химическая, электрохимическая и биокоррозия.
- Основные причины коррозии: взаимодействие металла с агрессивной средой, грибки и бактерии, взаимодействие незащищенного металла с водой или воздухом.
- Самые доступные способы защиты от коррозии — защита металла от окружающей среды (например, покраска) и контроль состояния.
- Все металлы подвержены коррозии, но у некоторых этот процесс очень долгий (например, золото, платина, хром или титан).
Что такое коррозия металлов: суть процесса
Коррозия металлов ― это процесс разрушения материалов из-за химического взаимодействия металла с окружающей средой. Суть процесса заключается в окислении атомов металла под воздействием кислорода воздуха, влаги, кислот, солей и других агрессивных веществ.
По словам эксперта Марианны Мальковой, скорость коррозии зависит от pH-среды, что позволяет классифицировать металлы на четыре основные группы в зависимости от химической активности и положения в ряду стандартных электродных потенциалов:
- металлы, устойчивые как в кислой, так и в щелочной среде (Au, Pt, Ag);
- металлы, устойчивые в щелочной среде (Ni, Co, Cd);
- металлы, устойчивые в кислой среде (Ta, Mo, W);
- металлы, устойчивые в нейтральной, слабощелочной и слабокислой среде (Fe, Zn, Al, Sn, Pb).
Виды и причины коррозии металлов
Выделяют разные виды коррозии, каждый из которых характеризуется определенными механизмами и причинами развития.
Химическая коррозия
Происходит в отсутствие электролита (воды). Металл взаимодействует непосредственно с химическими веществами, такими как газы (например, кислород, сероводород). Проще говоря, это как если бы кислота разъедала поверхность, оставляя следы повреждения.
Химическая коррозия представляет собой прямое химическое взаимодействие металла с агрессивной средой, протекающее без возникновения электрического тока. Этот тип коррозии характеризуется преимущественно окислительными реакциями.
Электрохимическая коррозия
Это разрушение металла из-за контакта с влагой и воздухом. Представьте себе железную деталь, оставленную под дождем. Вода проникает внутрь мелких пор и микротрещин, начинается химическая реакция, и железо постепенно превращается в ржавчину. Это происходит потому, что атомы металла отдают электроны воде и воздуху, теряя прочность и превращаясь в рыхлый налет.
Электрохимическая коррозия происходит при взаимодействии металла с водными растворами электролитов и сопровождается возникновением электрического тока. В этом случае металл подвергается одновременному окислению (растворению) на одном участке и восстановлению окислителей на другом участке.
Биокоррозия
Разрушение металла под действием микроорганизмов (бактерий, грибов), выделяющих вещества, которые ускоряют разрушение материала.
Причины коррозии зависят от многих факторов среды и свойств самого металла.
Физико-химические факторы
- присутствие воды и растворенных в ней солей (особенно хлоридов и сульфатов);
- агрессивность атмосферы (загрязнения SO₂, H₂S, CO₂);
- высокая температура и влажность;
- наличие механических повреждений (царапины, сколы, деформации).
Металлургические свойства
- химический состав сплава (наличие легирующих элементов, примеси);
- структура кристаллов (гетерогенность зерна, внутренние напряжения);
- качество обработки поверхности (шлифовка, полировка, покрытие защитными слоями).
Эксплуатационные условия
- механическое напряжение, вибрация, циклическое нагружение;
- электростатические заряды, статические поля, электрические разряды;
- контакт с разнородными металлами, создание гальванических пар.
Способы защиты металлов от коррозии
Существует множество способов и технологий, позволяющих снизить риск разрушения металла под воздействием окружающей среды. Вот некоторые из основных методов защиты.
― Для защиты металлов от коррозии используют различные методы, включающие легирование, обработку коррозионной среды, электрохимическую защиту и нанесение защитных покрытий, — рассказала эксперт.
Покрытие металла защитными пленками
Это один из самых распространенных и эффективных методов защиты. Среди покрытий выделяют:
- Окраска и лакировка. Краски и лаки образуют барьер, препятствующий проникновению влаги и кислорода к поверхности металла. Важно правильно подготовить поверхность перед нанесением краски.
- Порошковые покрытия. Метод термического напыления порошковых красок обеспечивает надежное и долговременное покрытие, стойкое к внешним факторам.
- Металлизация. Нанесение тонких слоев другого металла поверх основного (цинкование, никелирование, хромирование). Эти слои защищают основной металл от прямого контакта с агрессивной средой.
- Эмали и стеклоэмали. Применяются преимущественно для внутренних частей приборов и аппаратов, где необходима высокая устойчивость к химическим веществам.
Ингибиторная защита
Ингибиторы — химические добавки, вводимые в среду, окружающую металл, или наносимые на поверхность металла. Они замедляют реакцию коррозии, блокируя активные центры металла либо связывая агрессивные компоненты среды.
- Поверхностные ингибиторы. Наносятся на поверхность металла тонким слоем, предотвращающим развитие коррозии.
- Объемные ингибиторы. Растворяются в рабочей среде (например, охлаждающей жидкости автомобиля), замедляя общий процесс коррозии.
Легирование металлов
Легирование подразумевает введение добавок в состав металла, улучшая его коррозионную стойкость. Так, нержавеющая сталь (легированная хромом и никелем) обладает высокой сопротивляемостью коррозии благодаря образованию плотной пассивной пленки на своей поверхности.
Легирование металлов — это процесс введения в металлический расплав химических элементов, изменяющих его химический состав и физико-химические свойства, в том числе коррозионную стойкость.
Протекторная защита (катодная)
Этот метод основан на подключении к изделию дополнительного металла-анода, имеющего более отрицательный потенциал. Анод подвергается коррозии вместо защищаемого изделия, играя роль протекторов. Чаще всего используются магниевые, цинковые или алюминиевые протекторы.
- Жертвенный анод. Используется в морских конструкциях, трубопроводах, судостроении.
- Импульсная катодная защита. Современные системы используют периодическое включение/выключение питания, позволяя экономить электроэнергию.
Изоляция и герметизация
Методы изоляции заключаются в создании барьера между металлом и агрессивной средой.
- Резиновые и пластиковые покрытия. Используются для подводных коммуникаций, нефтепроводов, магистралей.
- Герметики и мастики. Специальные составы наносятся на швы, места стыков, уплотнений для исключения проникновения влаги и реагентов.
Правильный выбор марки металла
Использование нержавеющей стали, титановых сплавов, высокопрочной низколегированной стали позволяет значительно повысить коррозионную стойкость конструкции. Материалы выбирают исходя из особенностей условий эксплуатации и характера агрессивной среды.
Регулярное обслуживание и контроль состояния
Регулярный осмотр, чистка, ремонт поврежденных участков позволяют своевременно выявлять очаги коррозии и оперативно устранять проблемы.
― Выбор оптимального метода защиты от коррозии определяется химическим составом и условиями эксплуатации металлического изделия, а также экономическими факторами, ― замечает Малькова Марианна. ― При этом наибольшую эффективность демонстрируют комбинированные подходы. Для предотвращения атмосферной коррозии металлов широко применяются металлические и неметаллические покрытия, а также легирование.
Какие металлы не подвержены коррозии
Абсолютно не подверженных коррозии металлов не существует, но есть очень стойкие к коррозии металлы и сплавы, которые практически не разрушаются в обычных условиях.
Благородные металлы
Эти металлы не окисляются на воздухе и не реагируют с водой, кислотами и щелочами при нормальных условиях.
- Золото (Au) не тускнеет, не ржавеет, устойчиво даже к царской водке (смеси HNO₃ + HCl).
- Платина (Pt) не реагирует с кислородом, водой, большинством кислот (кроме царской водки при нагревании).
- Иридий (Ir) ― один из самых коррозионностойких металлов, не разрушается даже в расплавленных щелочах и кислотах.
- Родий (Rh) устойчив к окислению, не взаимодействует с большинством кислот.
- Палладий (Pd) устойчив к коррозии, но медленно растворяется в азотной кислоте.
- Серебро (Ag) не ржавеет, но тускнеет из-за сульфидов (образуется черный Ag₂S).
Металлы с высокой коррозионной стойкостью
Эти металлы образуют пассивные оксидные пленки, защищающие их от дальнейшего разрушения.
- Титан (Ti) устойчив к морской воде, хлору, многим кислотам (кроме плавиковой HF).
- Ниобий (Nb) и Тантал (Ta) не корродируют в агрессивных средах, устойчивы к кислотам (даже к царской водке).
- Цирконий (Zr) — коррозионностойкий, особенно в ядерных реакторах.
- Хром (Cr) образует защитную оксидную пленку (используется в нержавеющих сталях).
Коррозионностойкие сплавы
Эти металлы также устойчивы к разрушению под действием агрессивной среды.
- Нержавеющие стали (Fe + Cr ≥ 12%, Ni, Mo) устойчивы к ржавчине, кислотам и влаге.
- Хастеллой (Hastelloy) — Ni-Cr-Mo сплавы, устойчивые к соляной и серной кислотам.
- Инконель (Inconel) — Ni-Cr сплавы, стойкие к высоким температурам и окислению.
- Монель (Monel) — Ni-Cu сплав, устойчивый к морской воде и кислотам.
