Корозія металів і способи захисту від неї

Метали і їхні сплави поряд з цінними властивостями володіють істотним недоліком — вступають у взаємодію з речовинами, що їх оточують, наприклад з киснем повітря, водою, сірчистим газом і т. д. При цьому метал перетворюється в продукти корозії, що володіють іншими фізичними і хімічними властивостями, ніж сам метал. Виріб втрачає товарний вигляд і стає непридатним до використання за призначенням. Розуміння процесів корозії і знання засобів захисту допоможуть Товарознавцю в оцінці споживних властивостей та якості і розширенні асортименту металотоварів, а також дадуть можливість правильно здійснювати зберігання і транспортування металевих виробів. В залежності від механізму руйнування металів і сплавів розрізають хімічну, електрохімічну і біологічну корозії. За умовами руйнування виділяють такі основні види корозії:

- корозія в неелектролітах (бензині, керосині або в інших рідких рганічних середовищах);

- корозія в електролітах (соляна, кислотна, лугова та ін.) при повному, частковому або періодичному зануренні, в рухомому або нерухомому середовищі;

- корозія в природних умовах (атмосферна, морська, ґрунтова);

- корозія радіохімічна (під впливом різного роду радіоактивно випромінювання);

- корозія під напругою (статичною, яка змінюється за велиличиною і знаком);

- корозія під впливом блукаючих струмів;

- фреттинг-корозія або корозійна ерозія (при одночастотній дїї корозійного середовища і сил тертя).

За характером корозійного руйнування розрізняють:

- суцільну, або загальну, корозію, що охоплює всю поверхню Металу, що знаходиться під впливом даного корозійного середовища; суцільна корозія може бути рівномірною, нерівномірною і вибірковою (рис. 5.7, о)

місцеву корозію, що охоплює окремі ділянки поверхні металу. Місцева корозія надто різноманітна і може бути у вигляді плям, язв, а також точковою, наскрізною, ниткоподібною, підповерхневою, міжкристалітною і транскристалітною.

Хімічною корозією називається такий тип корозії, коли метал ізаємодіє із середовищем, яке не проводить електричного струму. При такому руйнуванні металів здійснюються окисно-відновні хімічні реакції шляхом безпосереднього переходу електронів з атому металу на частинку окислювача (що входить до середовища). Прикладом хімічної корозії може бути взаємодія металу з киснем (особливо при високих температурах), галогеном, сірководнем. Внаслідок такої взаємодії, наприклад з киснем, на металах і являється оксидна плівка, яка може бути різної міцності. При дії сірчистих сполук на залізі утворюється сірчисте залізо FеS, на сріблі при дії парів йоду — йодисте срібло Аgl і т. д. У випадку утворення тривкої плівки (такої, яка володіє захисними властивостями), вона перешкоджає подальшому корозійному процесу.

Великий вплив на швидкість хімічної корозії здійснює температура. З підвищенням температури швидкість газової (атмосферної) корозії збільшується. Склад газового середовища (атмосфери) здійснює специфічний вплив на швидкість корозії різноманітних металів. Так, нікель стійкий в середовищі кисню, вуглекислого газу, але сильно кородує в атмосфері сірчистого газу. Мідь піддається корозії в атмосфері кисню, але стійка в атмосфері сірчистого газу. Хром володіє корозійною стійкістю В: усіх трьох газових середовищах.

Електрохімічна корозія — це процес руйнування металів і сплавів внаслідок їх взаємодії з навколишнім електролітичним середовищем, який супроводжується появою електричного струму. Вона виникає за наявності трьох моментів: 1) якщо два або декілька| металів різноманітні за хімічним складом, станом поверхні; 2) при контакті між ними; 3) якщо між металами знаходиться провідник струму (електроліт).

Причинами виникнення електрохімічної гетерогенності поверхні можуть бути макро- і мікровключення, неоднорідність сплаву, наявність різнорідних атомів в твердому розчині, нерівномірна деформація, неоднорідність окисної плівки на поверхні.

На швидкість електрохімічної корозії металів впливають внутрішні і зовнішні чинники (рис. 1).[2]

До внутрішніх чинників електрохімічної корозії металів належать чинники, пов'язані з складом, структурою, станом поверхні і Напругами в металі. Чисті метали і однофазні сплави, які являють Собою тверді розчини з необмеженою взаємною розчинністю Компонентів в твердому стані, є корозійностійкими.

		ЕЛЕКТРОХІМІЧНА КОРОЗІЯ
	Зовнішні чинники		Внутрішні чинники
Склад						Хімічний склад
середовища рН					сплаву
Тиск					Напруга в
					металі
Швидкість руху					Структура
середовища					сплаву
Температура					Стан поверхні
						сплаву

Рис. 1. Зовнішні і внутрішні чинники електрохімічної корозії

Тонка обробка (шліфування, полірування) підвищує корозійну Стійкість металів, особливо в початковій стадії корозії.

До зовнішніх чинників електрохімічної корозії металів належать чинники, пов'язані з складом корозійного середовища і умовами [Корозії: температурою, тиском, швидкістю руху середовища.

Склад середовища, передусім рН розчину виявляє сильний сплив на швидкість корозії, оскільки величина рН істотно змінює Потенціал металу, розчинність продуктів корозії і можливість (утворення захисних плівок на поверхні кородуючого металу. Всі

Метали за корозійною стійкістю в залежності від рН середовища, можна поділити на п'ять груп:

1) достатньо стійкі як в кислих, так і в лужних розчинах;

2) стійкі в лужних розчинах, але малостійкі в нейтральних і нестійкі в кислих середовищах;

3) корозійностійкі в лужних, але нестійкі в кислих розчинах;

4) корозійностійкі в кислих і середньо-стійкі в лужних розчинах;

5) корозійностійкі в нейтральних, але нестійкі як в кислих,так і в лужних розчинах, що обумовлено амфотерними властивостями їхніх захисних плівок, які розчинні в кислотах і лугах.

Температура виявляє великий вплив на швидкість електрохімічної корозії металів, бо вона змінює швидкість дифузії, розчинність продуктів корозії, перенапруження електродних процесів. В більшості випадків із збільшенням температури швидкість корозії зростає.

Тиск здійснює прискорюючий вплив на електрохімічну корозію

(

металів, бо збільшується розчинність газів (кисню, вуглекислоти) у водних розчинах, полегшуються процеси гідролізу розчинених у воді солей і з'являються механічні напруги в металі.

Рух електроліту прискорює корозію металів, оскільки це сприяє Підведенню кисню до катодних ділянок і руйнуванню потоками рідини плівки, що утворилася на поверхні металу.

Корозійна стійкість металевих виробів знаходиться в зворотній залежності від швидкості корозії, тобто чим менша швидкість корозії, тим більше корозійностійким вважається виріб. Швидкість корозії прийнято оцінювати певними показниками: глибинним показником, показниками зміни маси, зміни механічну властивостей та ін. Ці показники визначають середню швидкість корозійного процесу за час t.

Глибинний показник корозії К_г являє собою середню а(максимальну глибину корозійного руйнування металу П за одиницю часу:

П

К_г= —, мм/рік.

δ

Оцінку корозійної стійкості, окрім міжкристалічної корозії здійснюють за 10-бальною шкалою.

Показник зміни маси К_m — це зміна маси зразка метала Δ_m в результаті корозії, віднесена до одиниці поверхні S за час t:

Ǻ_m

К_m= —, ч/(м² ∙r).

Sδ

Механічний показник корозії К_о характеризує зміну механічних властивостей металу за певний час (t) корозійного процесу; виражений у відсотках. Наприклад, зміна межі міцності σ металу являє собою міцнісний показник:

Ǻδ

К_m= — 100% за час t.

δ

Таким чином, аналізуючи вплив зовнішніх і внутрішніх ників на швидкість корозії, враховуючи показники корозійної стійкості металів та сплавів, можна прогнозувати корозію металотоварів при транспортуванні, зберіганні та експлуатації і визначити термі їх служби.

Методи захисту металевих виробів від корозії. Для захисту металів від корозії існують різноманітні методи, вибір яких визначається особливостями самого металу, умовами експлуатації виробів, їх розмірами і економічною вигодою від застосування того або іншого методу. Тому не існує єдиної системи вибору і застосування мір захисту від корозії.

Всі міри захисту металовиробів від корозії, які застосовують в практиці, можна класифікувати за характером їх впливу трьома основними чинниками, які в сукупності визначають протікання корозійного процесу - метал, корозійне середовище і особливості конструкції виробу (рис. 2).

Вплив на метал. До заходів боротьби, які засновані на наданні відповідного протикорозійного впливу на метал, можна віднести: Корозійне легування, термообробку, застосування різноманітних Покриттів, інгібіторів, змазок, а також використання електрохімічного захисту.

Зміна складу навколишнього середовища				Зміна складу металу
і					і
		Методи захисту металів від корозії
і	г			г			г
Електрохімічний захист від корозії		Раціональне конструювання виробів		Нанесення захисних покриттів

Рис. 2. Методи захисту металів від корозії

Корозійне легування. Такий метод, з метою підвищення корозійної стійкості, є найбільш радикальним засобом захисту виробів від корозії. При цьому до сплаву додають один або декілька легуючих елементів, що утворюють на його поверхні щільні оксидні плівки, які захищають метал від корозії. Крім того, при легуванні сплави, як правило, набувають однофазну структуру, яка в значно меншому ступені схильна до електрохімічної корозії.

Зазвичай, залізовуглецеві сплави легують хромом, нікелем, молібденом, алюмінієм, кремнієм. Так, при введені в сталь 12,5% більше хрому сталь набуває корозійної стійкості на повітрі, у воді, у водних розчинах ряду кислот і солей. Додаток в хромисту сталь нікелю підвищує її корозійну стійкість за рахунок утворення однофазної аустенітної структури.

Термообробка підвищує корозійну стійкість металу за рахунок Попередження випадання карбідів хрому на межі зерен нержавіючої Сталі аустенітного класу (утворення зони, збідненої хромом, на межі зерен внаслідок виділення карбідів хрому при відпуску закаленої сталі є причиною міжкристалітної корозії), гомогенізації Структури металу, зняття внутрішніх напруг.

Нанесення захисних покриттів. Захисні покриття дозволяють

в значній мірі знизити швидкість і навіть виключити корозію! Покриття за своєю природою можуть бути металевими, неорганіч} ними і органічними.

Нанесення захисних металевих покриттів — один із найбільш. поширених методів боротьби з корозією. Ці покриття не тількі захищають від корозії, але й придають поверхні ряд цінних фізикс хімічних властивостей: твердість, зносостійкість, електропровідність паяльність, відбивну властивість, забезпечують вироблення деко-4 ративного оздоблення.

Металеві захисні покриття, які наносяться на поверхню мета! ловиробу, повинні володіти корозійною стійкістю в даному сере* довищі. В якості покриттів застосовують цинк, олово, алюміній] мідь, свинець, кадмій, нікель, хром, срібло, золото та їхні сплавні

Металеві покриття наносять такими способами: гальванічним! зануренням в розплавлений метал (гарячий метод); розпиленням^ плакуванням; дифузійним.

Гальванічний метод нанесення захисних покриттів ґрунтується ні осадженні катіонів покривного металу з водних розчинів солей пр* пропусканні через них постійного електричного струму. Гальванічний метод має ряд переваг рівномірна товщина покриття, можливість точног регулювання товщини покриття, міцне зчіплення з основним металої* відсутність нагрівання, гарна відбивна спроможність, економічність, недоліків цього методу належать нерівномірність товщини покриття виробах складної форми і відносна тривалість процесу. Гальванічним методом на металеві вироби наносять Иі, Сг, 5п, 2п, Си, Ад, Аи. Тов покриття, в залежності від умов експлуатації, може бути 1 мкм, 3, 6, 12, 15, 18, 21, 24, ЗО, 36, 42, 48 і 60 мкм.

Нікелювання (покриття нікелем) забезпечує високу корозійні стійкість і декоративну обробку поверхні. Цей метод застосовую! як захисно-декоративне покриття столових приборів, ножови| товарів, посуду, приладдя для вікон і дверей, металевої галантере

Хромування (покриття хромом) надає поверхні виробів висої¹ корозійну стійкість і опір механічному зносу. Цей метод застосовуют| при виготовленні блискучих частин автомобілів, велосипедів, вимір* вальних приладів, друкарських машин, корпусів годинників тощо.|

Електролітичне лудження застосовують замість гарячого луджені-з метою економії олова. Його використовують в якості покриття приладі для вікон і дверей, арматури світильників, металевої галантереї.

Цинкове покриття електролітичним методом наносять на дріт Стрічку, смуги, а також на вироби, які не мають виступів і заглиблень. Використовується електролітичне цинкування для захисту від корозії Шиферних цвяхів, патронів електроламп. Недоліком такого покриття С те, що воно має матово-сірий колір у зв'язку з утворенням на Поверхні гідроокису цинку.

Мідні покриття використовують в якості проміжного шару при іахисно-декоративному хромуванні і нікелюванні сталевих виробів. Електролітичне сріблення застосовують для виробів з латуні, Мельхіору, нейзільберу.

Срібне покриття володіє високою корозійною стійкістю в багатьох Середовищах, за винятком сірководню, добре зчіплюється з захисним Металом і має яскравий блиск. Товщина срібного покриття може бути •Ід 3,5 до 31,25 мкм. Сріблення застосовують для захисно-декоративної Обробки столових приборів, предметів мистецтва і ювелірних виробів. Електролітичне золотіння широко застосовують в ювелірному годинниковому виробництві при виготовленні виробів з міді, _; ИІкелю, срібла. Для деталей ручних годинників як покриття використовують також сплав золото-мідь, золото-срібло. Ці [покриття мають корозійну стійкість золота, але твердість їх Приблизно в 2 рази вище твердості золота.

Дефекти гальванічних покриттів найчастіше виникають при поганій підготовці поверхні виробу. Так, неповне вилучення оксидів жиру призводить до відшарування покриттів. При грубій обробці поверхні з'являється пористість покриття. Забруднення електроліту викликає крихкість покриття. За наявності в металі виробу, що захищається, водню в покритті з'являються бульбашки і здуття. Порушення температурного режиму, неправильний склад ванни або неправильно вибрана щільність струму призводять до появи на захисному покритті темних плям, матовості і нерівномірності товщини покриття. Термодифузійне покриття утворюється в результаті дифузії із ірдої або газоподібної фази алюмінію (алітерування), хрому (термо-(цромування), кремнію (термосиліціювання) в основний метал (сталь). В результаті дифузії порушується структура металевої ґратки Основного металу і при високій температурі забезпечується рухли­вість металевих іонів, внаслідок чого проходить обмін металів. При цьому процесі в поверхневому шарі сталі утворюються сплави Оксидів АІ₂О₃, Сг₂О₃, 5іО₂ або подвійних сплавів FеАЮ₄, РеСг₂О₄, ре5Ю₄, які володіють підвищеними захисними властивостями, що іумовлює значну жаростійкість термодифузних покриттів.

Алітерування сталевих виробів здійснюють в розібраному вигляді; ці вироби дуже стійкі до дії парів сірки, сірчистого газу.

Дифузне силіціювання добре захищає вуглецеву сталь ві| газової корозії.

Лудження застосовують для покриття оловом бляхи для ко» сервних банок, харчового посуду, м'ясорубок; цинкування — „ покриття покрівельного заліза, дроту, труб і сталевого посуду; свик цювання — для покриття внутрішньої поверхні паливних баків машиї з двигунами внутрішнього згоряння, хімічної апаратури; алюмінування для виготовлення вихлопних труб автомобілів, літаків та ін.

При покритті методом розпилення (металізація) застосовую! алюміній, кадмій, свинець, олово, мідь, нікель та інші метали.

Цей спосіб застосовують для створення струмопровідних пове[. хонь в радіопромисловості, для захисту від корозії виробів складне форми і великих розмірів. Цим методом металеве покриття можні наносити також на дерево, пластмасу, картон, гіпс та ін.

Метод плакування використовують для виготовлення біметалеви) листів, стрічок, дроту, облицьовування стальних посудин, автоклавії. Плакування — механотермічний метод отримання захисного металевого покриття. Таке покриття утворюється в результаті суміо* ного прокату, гарячого пресування, нагрівання під тиском дво> металів, один з яких відіграє функцію захисного покриття.

Внаслідок великих питомих тисків, що перевищують ме).,^ текучості металів, металеві поверхні зближаються на відстані, зістав'! ній з параметрами кристалічних ґраток металів, що з'єднуються, відбувається їхнє схвачування. Товщина такого покриття, як правил< 10—20% товщини основного металу. В якості захисного метг_.< застосовують мідь, алюміній, нікель, латунь. Основою служиті низьковуглецева сталь. Плакування міді і її сплавів сріблом і золоте використовують і в ювелірному виробництві.

Неметалеві захисні покриття можуть бути неорганічного органічного походження. Ці покриття захищають вироби від корозі за рахунок ізоляції їх від зовнішнього середовища і припиненні дії гальванічних мікропар на поверхні металу.

У виробництві товарів народного споживання найбільш широке використовують в якості неорганічного покриття силікатне емалі вання (див. п. 5.2.), а в якості покриття органічного походження лаки, фарби, плівкові полімерні матеріали, мастила різної консистенції; Більшість металів окисляються киснем повітря з утворенняі поверхневих окисних плівок. Але ці плівки, маючи незначну тов­щину, не забезпечують надійного захисту від корозії (особливо нена­дійні в цьому відношенні природні плівки на залізі). Але в результаті певної хімічної або електрохімічної обробки можна на поверхні металу створити штучні плівки, які б мали більш високу корозійну стійкість, ніж основний метал і захищали б його від руйнування.

Найбільш поширеними є окисні і фосфатні плівки, хоча за своїми захисними властивостями вони поступаються металевим.

Захист металів лакофарбовими покриттями — найбільш старий і поширений спосіб боротьби з корозією. Лакофарбові покриття наносять лаками і фарбами, основою яких є органічна плівко­утворювальна речовина і фарбник (пігмент).

Основні вимоги, що висуваються до лакофарбового покриття: це його суцільність, непористість, добра адгезія, вологонепроникли-вість. Це можливо за умови нанесення багаторазових покриттів.

Основним перевагами лакофарбових покриттів є:

1) невисока вартість;

2) відносна простота нанесення;

3) можливість відновлення;

4) отримання покриття з потрібними властивостями;

5) можливість отримання покриттів будь-якого кольору;

6) узгодженість з іншими методами захисту, наприклад протек­
торним захистом, фосфатними і оксидними покриттями.

До недоліків лакофарбових покрить слід віднести:

1) малу термічну стійкість;

2) низьку механічну міцність;

3) недостатню стійкість до водного середовища.

Покриття плівковими полімерними матеріалами є перспектив­ним методом захисту металовиробів від корозії. В якості захисних плівок використовують капрон, нейлон, поліпропілен, епоксидні смоли. їх наносять пошарово в рідкому стані (нагрітому або розчи­неному), полум'яним напиленням або закріплюють на поверхні виробів клеєм.

Такі плівки володіють високою корозійною стійкістю і електро­ізоляційними властивостями. Наприклад, їх використовують для ізоляції держаків інструментів, що застосовуються при електромонтажних роботах.

Покриття мастилами застосовують при транспортуванні і зберіганні металовиробів. В якості мастил використовують нафтові масла, вазелін, віск, ланолін, які протягом тривалого часу не утворюють висихаючих плівок. До мінеральних масел додають загусники церезин, парафін. Мастила, як правило, не взаємодіють з метало* що захищається, не утворюють агресивних по відношенню до металу продуктів, достатньо стабільні при зберіганні.

Захист металів оксидними плівками полягає у створенні поверхні металевого виробу шару оксидів, що володіють значно білішою корозійною стійкістю, ніж основний метал. Такі плівки на металі одержують в окислювальних середовищах хімічним або електрохімічна методом, а процес називають оксидуванням. Основне призначення цього процесу — захист чорних і кольорових металів від атмосферної корозії.

Зміна складу навколишнього середовища. Воно проводить для зменшення агресивності навколишнього середовища і досягаєте за рахунок вилучення з нього речовин, що прискорюють корозії або введення речовин, що уповільнять корозію. Захист від корозійного руйнування металовиробів в атмосферних умовах при транспортуванні і зберіганні здійснюється шляхом вилучення вологи з навколишнього середовища. Для цього виріб поміщають у замкнутий простір (наприклад, в поліетиленовий мішок) разом з силікагелем. Силікагель, який здатний поглинути вологу до 35% власної маси, зневоднює прості що оточує виріб, і завдяки цьому виключає утворення плівки вологи на його поверхні, отже припиняються процеси електрохімічної корозії|

В останній час все ширше застосовують обробку середовища з метою зменшення її агресивності шляхом введення інгібіторів (уповільнювачів) корозії. Такі речовини мають високу пружність пари, швидко заповнюють навколишній простір і, адсорбуючись на металевій поверхні, захищають її від корозії.

Ефективними леткими уповільнювачами є нітрити заміщений амінів, складні ефіри карбонових кислот, карбонати заміщених аміні!

Електрохімічний захист металів від корозії. Проводиться він за допомогою протектора. Протекторний захист полягає в тому, що до виробу, який захищається, приєднують протектор з іншого металу, що має в даному корозійному середовищі більш електронегативний потенціал, ніж потенціал металу виробу.

Електрохімічний захист за допомогою протектора застосовую! при виготовленні сталевого оцинкованого посуду, приладдя для вікон і дверей і т. д.

Раціональне конструювання виробів. Таке конструюванні полягає в тому, що при розробці конструкції металевого виробу слід враховувати не лише максимальну відповідність призначенню, але і і менше псування його від корозії в експлуатаційних умовах. При (конструюванні виробів слід по можливості не припускати контактів металів з електродними потенціалами, які значно відрізняються один від одного. Якщо ж такі контакти неминучі, то метали повинні бути ізольовані один від одного прокладками або лаковими покриттями. При розробці конструкції слід по можливості не припускати у виробах зазорів, важкодоступних місць для очистки, гострих кутів і напруг в металі.