Коррозия металлов и методы их защиты

Коррозия представляет собой разрушение металлов под влиянием различных химических реагентов среды, в которой он находится. В месте разрушения металла коррозией образуется рыхлый продукт – гидрат оксида железа Fe(OH)₃, который называют ржавчиной. Коррозия наиболее опасна во влажной атмосфере и в водных растворах электролитов.

Очень чистые металлы с трудом поддаются коррозии и медленно растворяются в кислотах. Двухфазные сплавы коррозируют гораздо быстрее однофазных. Многие металлы сами по себе хорошо сопротивляются коррозии, но очень быстро корродируют при контакте с другими металлами. Так, например, чистое железо в контакте с медью очень часто разрушается. Бывают и другие случаи, когда, например, контакт железа с цинком защищает железо от коррозии. Следует отметить, что из двух металлов, находящихся в контакте, один всегда защищается другим.

Коррозия быстрее развивается по напряженным местам металлических изделий, и всякое механическое повреждение поверхности вызывает усиление ее. Она может быть представлена как электрохимический процесс. Согласно этой теории, взаимодействие двух различных металлов в электролите устанавливается по электрохимическому ряду напряжений, приведенному в табл. 12.2.

 

Таблица 12.2

 

Электрохимический ряд напряжений различных металлов

 

Элемент	Нормальный потенциал по отношению к водороду	Элемент	Нормальный потенциал по отношению к водороду
Cu	+0,34	Cd	-0,40
Sb	+0,20	Fe	-0,44
H2	0,00	Cr	-0,51
Pb	-0,13	Zn	-0,76
Sn	-0,14	Mn	-1,10
Ni	-0,23	Aℓ	-1,30
Co	-0,27	Mg	-1,55

 

В металлических сплавах, состоящих из различных фаз, между последними возникают гальванические токи, и в этом случае будет разрушаться более электроотрицательная фаза.

В гальванических парах будут разрушаться те металлы, которые имеют более электроотрицательный потенциал. Например, если взять железо и цинк, то цинк по отношению к железу имеет более отрицательный потенциал и будет в этом случае разрушаться, предохраняя железо от ржавления.

 

Защита металла от коррозии. В настоящее время применяются следующие способы защиты металлов от коррозии.

Защита легированием, т.е. введением в металл легирующих элементов, повышающих сопротивление сплава коррозии, например введением никеля и хрома в нержавеющие кислотоупорные стали, меди – в строительные стали. Существует много разновидностей стали с различным содержанием Ni, Mo, Cu и Ti, обладающих повышенной стойкостью в агрессивных средах.

Защита оксидными пленками – оксидирование и фосфатирование, которые производятся путем кипячения изделий в специальных составах (селитры, едкого натра и перекиси марганца или фосфорной кислоты и ее железных и марганцевых солей). Образующиеся пленки темного цвета обладают хорошей коррозионной устойчивостью.

Защита металла покрытием пленкой из другого металла имеет следующие разновидности: катодное покрытие, т.е. покрытие металлом, который является более электроположительным (менее активным), чем основной металл изделия (в этом случае пленка является только механической защитой); анодное покрытие, т.е. покрытие основного металла металлом с более отрицательным электродным потенциалом. В этом случае пленка является электрохимической защитой.

Защита лакокрасочными и полимерными покрытиями. При нанесении защитных покрытий необходимо предварительно подготовить поверхность (очистить от продуктов коррозии). Для этого применяют механические методы (пескоструйные, щеточные, водоструйные и термические аппараты). Химические методы предусматривают обработку поверхностей (обезжиривание, травление, кислотная очистка, фосфатирование). К этому методу относится использование модификаторов ржавчины, основанных на применении ортофосфорной кислоты (H₃PO₄), реже щавелевой, винной, которые при взаимодействии с продуктами коррозии образуют труднорастворимые комплексные соединения. В состав модификатора вводят ингибиторы (замедлители) коррозии на основе лигнина, который связывает ионы железа и его оксидные формы и задерживает коррозию в особенности в кислых средах. В качестве ингибиторов применяют четвертичные аммониевые соединения, другие органические соединения, которые, адсорбируясь на поверхности металла, тормозят коррозию.

Наиболее простым и распространенным методом защиты металлических конструкций от коррозии является покрытие их слоем лака или краски. В последнее время для защиты металлов от коррозии широкое применение получили методы нанесения полимерных пленок. Для этого применяют большое количество смешанных составов на основе поливинилхлоридных, полиуретановых, фенолоформальдегидных, каучуковых, эпоксидных, а также кремнийорганических соединений. За рубежом применяют нанесение защитных пленок на прокатные строительные профили.

При изготовлении железобетонных конструкций в зависимости от вида бетона и вяжущего необходимо предусматривать определенные методы защиты арматуры и закладных деталей от коррозии. Гипсовые и другие серосодержащие вяжущие вызывают коррозию арматуры и практически для изготовления железобетонных изделий не применяются. Для характеристики агрессивности сред, подобных бетонным, принято определять концентрацию водородных ионов, т.е. рН. В кислых средах с рН < 4,3 коррозия идет очень быстро. В слабокислых и слабоосновных средах с рН от 4,4 до 10 скорость коррозии меньше и почти не зависит от рН. В щелочных растворах с рН > 10 коррозия протекает медленно, и она зависит от рН. Так, коррозия при рН=12 в 2 раза меньше, чем при рН=10.

Проведенные многочисленные исследования показывают, что рН поровой жидкости портландцемента составляет 11,25…11,80, шлакопортландцемента 10,4…10,8. Таким образом, рН поровой жидкости портландцемента не вызывает коррозии и плотный бетон является хорошей защитой арматуры от коррозии. Однако арматура в легких и пористых бетонах при работе во влажных и агрессивных средах требует антикоррозионной защиты.

Для защиты арматуры от коррозии ее покрывают защитными пленками: цементно-казеиновыми обмазками, жидким стеклом, керамическими эмалями.

Для защиты более ответственных элементов, закладных деталей применяют цинкование. К органическим защитным пленкам относятся битумные, биумо-цементные и другие покрытия на основе искусственных полимеров, смол, латексов (например, цементно-поливинилацетатная, цементно-полистирольная и др.). Основными методами нанесения антикоррозионного покрытия являются окунание, полив, обрызгивание. В последнее время предложен метод окраски в электрическом поле, в котором частицы покрытия ионизируются и притягиваются к отдельному электроду – арматуре.