Способы борьбы с коррозией

Металлы являются химическими элементами, вступающими в реакции окисления-восстановления. Неконтролируемый процесс называется коррозией. Если поверхность металлической детали не защитить от контакта с агрессивными веществами, со временем происходит невосполнимая потеря прочности конструкции. Каждая шестая доменная печь в мире работает, чтобы возместить потери от коррозии. По исследованиям Института физической химии РАН ежегодная потеря железа составляет 10 %.

Механизмы разрушения металла коррозией

Разрушение металла происходит в зоне контакта поверхности изделия с агрессивной средой. В результате взаимодействия образуются новые химические соединения металла – окиси и соли. Структура производных соединений может быть плотной, защищающей поверхность металла от дальнейшего распада, или рыхлой, тогда ржавая короста увеличивается, процесс окисления металла продолжается.

В дальнейшем плотная защитная пленка может разрушиться в неблагоприятной среде – снова вступить в реакцию, освобождая доступ к поверхности. Факторов, вызывающих коррозию металла множество. Защита необходима:

1. от химически агрессивной среды в атмосфере, водной среде, под землей;

2. электрохимических процессов в электронных парах;

3. блуждающих токов;

4. биокоррозии;

Причем каждый из разрушительных факторов и их сумма оказывают многогранное воздействие на внешнюю и внутреннюю структуру металла. Процессы тлена металла в природе происходят в среде, где каждый из факторов играет определенную роль:

1. Железобетонные конструкции в толще земли, трубные магистрали, колонны зависят от особенностей грунтов и состава грунтовых вод.

2. Атмосферная коррозия тем сильнее, чем больше в воздухе влажных паров и агрессивных кислых газов.

3. Жидкая среда пресных и соленых источников отличается по агрессивности в зависимости от состава солей, выполняющих функцию электролита и химического агрессора.

Все ли металлы подвержены коррозии

Благородные металлы платина, серебро, золото не участвуют в химических реакциях, инертны, коррозии не подвержены.

Плотная оксидная пленка создается на поверхности хрома, никеля, титана, цинка, кадмия и алюминия. Однако некоторые покрытия недостаточно устойчивы, разрушаются в кислых или щелочных средах.

Медь и железо не обладают даже минимальной защитой – поверхность окисляется постоянно, так как образуется пористый слой, не перекрывающий доступ агрессивным газам.

Медь покрывается зеленым налетом патины. Железная конструкция корродирует налетом разного цвета, в зависимости от условий:

1. В водной среде при недостатке кислорода образуется желтая окалина FeO(OH)H2O.

2. В сухом воздухе и редко ржавчина коричневая Fe2O3.

3. Воздействие на металл атмосферной влажности приводит к возникновению красной окалины Fe2O3*H2O.

4. Черная окалина Fe3O4 является ферромагнетиком, создается искусственно, для получения сверхпроводимости металла.

Установлена закономерность, усиливающая коррозионное воздействие среды при контакте металлов. По сродству они разделены на пять групп. Металлы из одной группы не являются антагонистами, их можно использовать совместно. Металлы их разных групп в контакте усиливают электрохимическую коррозию.

1. 1 группа – магний.

2. 2 группа – кадмий, алюминий, цинк.

3. 3 группа – свинец, олово, железо и углеродистая сталь.

4. 4 группа – хромистые и хромоникелевые стали, хром, никель.

5. 5 группа – медь и ее сплавы с никелем, серебро.

Самым распространенным конструкционным металлом на земле является железо. Защита от разрушения стальных и алюминиевых конструкций позволяет продлить срок службы изделий, предупредить аварийные ситуации.

Предпосылками для коррозии служат:

1. Длительное воздействие влаги, кислот или щелочей.

2. Перепады температур.

3. Переменные нагрузки на металл, его вибрация и трение.

4. Радиационное воздействие.

5. Воздействие вихревых, статических, постоянных токов, электромагнитных излучений.

6. Биологическое разрушение металла бактериями.

Виды коррозии

Характер разрушений конструкций от коррозии зависит от вида металла, но неизменно ведет к структурным разрушениям и потери прочности. Сплошная коррозия выглядит как отслаивающаяся неравномерная корка из хрупких зерен по всей поверхности. Чаще случается, что в месте соединения разрушается крепеж, выполненный из другого материала. Так, алюминиевые заклепки на титановых пластинах разрушаются, а основной металл остается целым.

Коррозия может незримо распространяться под поверхностью, создавая расслоение. Межкристаллитная – разрушает структуру, деталь теряет прочность из-за потери внутренних связей. В зазор между двумя сопряженными деталями попадает влага, создаются условия для щелевой коррозии. Точечное разрушение вглубь может создать сквозные отверстия.

Все виды коррозии, предпосылки их появления изучены, изобретаются все новые методы защиты поверхности от контакта металла с внешней средой.

Способы снижения скорости коррозии

Самый действенный способ повышения стойкости металлов – добавка лигандов, изменяющих свойства материала. Так создают специальные нержавеющие стали и другие сплавы.

Используют отдельные виды защиты:

1. Пассивный;

2. Активный;

3. Конструкционный.

Если стоит задача защитить поверхность пассивным способом, применяют разного рода покрытия. Они образуют непроницаемую пленку разной толщины и назначения.

Неметаллические покрытия:

1. Химическая защита – азотирование, фосфатирование – нанесение ингибиторов коррозии с последующим закреплением.

2. Применение лакокрасочных покрытий.

3. Полимерпорошковое окрашивание.

Перечисленные способы зашиты эффективны, пока на поверхности нет трещин или шелушения. Они требуют систематического обновления, не применяются в недоступной для обслуживания среде.

Перед тем как нанести новое покрытие на поверхность, избавляются от старого. Металл очищают от остатков ЛКМ, следов ржавчины, обезжиривают, грунтуют. Процесс трудоемкий.

Активная борьба с коррозией обеспечивает электрохимическое разрушение, возникающее в гальванических парах во влажной среде. В этом случае в качестве металла для разрушения устанавливается жертвенный анод, как в электроводогрейных котлах. На конструкцию может налагаться электрическое поле, повышающее электродный потенциал конструкционного металла.

Конструкционный способ – между металлами антагонистами выполняются изолирующие прокладки, используются нейтральные сплавы.

Виды неметаллических покрытий поверхности металла

Составов много, применяются они в общетехнических и специальных условиях эксплуатации. В группу входят грунтовки, шпатлевки, олифы, лаки и краски.

Виды защиты:

1. Силикатные эмали работают при высокой температуре в агрессивной среде. Зеркальная пленка отлично защищает поверхность, но при ударных нагрузках слой покрывается трещинами, герметичность нарушается.

2. Полимерные пленки, создаваемые окунанием, вихревым и газотермическим напылением жидких ВМС полистирола, полипропилена, фторопласта, эпоксидных смол. Образуется тонкая пленка, с возможным антифрикционным эффектом.

3. Методом фосфатирования деталей в растворе цинка и солей фосфора получают пленку, стойкую в горячих солевых растворах.

4. Гумирование внутренних поверхностей емкостей и труб для перекачки щелочей и кислот. Резиновое покрытие нестойкое, требует замены через несколько лет использования.

5. Оксидирование. Вороненая сталь с «жирным» синеватым отливом получается специальной обработкой щелочью при пропускании электрического тока. Поверхность толщиной 1,5 микрона приобретает антикоррозийную защиту на время эксплуатации детали.

Разновидности гальванических покрытий

Гальванический способ нанесения покрытия основан на использовании электролита и постоянного тока. Электролит – раствор для хромирования, цинкования или никелировки поверхности. Одним из электродов служит деталь, на которую наносится ровный слой плакировки. Процесс сложный, зависит от многих факторов и нужной толщины защитного слоя. Его применяют для нанесения на поверхность черных и цветных металлов. Анодированием можно получить защитный слой разной толщины и структуры – пористый, пластичный, твердый.

Разработаны методы:

1. Химическое и электролитическое никелирование;

2. Цементация никелем;

3. Анодирование алюминия и его сплавов;

4. Цинкование;

5. Меднение;

6. Химическая пассивация;

7. Электролитическая полировка;

8. Многослойные покрытия.

Познакомимся с некоторыми из перечисленных способов гальванизации.

Покрытие алюминия

Анодирование алюминия и его сплавов – распространенный способ получения уникальных характеристик для легкого металла. Так, пистолет Glock, выполненный из подобного материала, не теряет работоспособность после месячного погружения в морскую воду.

Анодированием достигают имитацию поверхности под нержавейку, пластик с разной фактурой. Разновидность гальванизации – «эматилирование» создает матовую или прозрачную защитную пленку высокой прочности.

Цинкование

Нанесение цинка происходит на катоде, характеризуется сохранением свойств поверхности даже после повреждения защитного слоя, не допуская появления ржавчины. Но цинк чувствителен к действию смол, жиров, масел.

Процесс электролиза проходит в ванне со щелочным или слабокислым электролитом. Щелочение подходит для деталей сложной формы, кислотная обработка создает декоративный слой, имитирующий хромирование. Кратковременное пассивирование защищает поверхность от атмосферного кислорода.

Если в гальваническую ванну загрузить никельный электролит, стойкое покрытие подойдет для оборудования нефтедобычи и деревообработки.

Цементация

Создание на поверхности никельной плакировки методом цементации полезно для нержавеющей и черной стали. У легированной увеличивается прочность на истирание. В черной стали закрываются не только поры, но межкристаллитные зазоры, что увеличивает коррозийную стойкость двухслойного покрытия.

Цементацией, первичное гальваническое покрытие называют за выдавливание жидкого электролита. В дальнейшем не произойдет отслоения пленки на алюминиевых деталях сложной формы. Создается защитная подложка под основной слой химического или электрохимического никелирования.

Особенности химического никелирования

После цементирования или омеднения слой химического никелирования защищает изделие от температурной коррозии, за счет добавки 10 % солей фосфора. Но стойкость покрытия можно повысить дополнительным введением фосфора и бора. Тогда усиленная прочность поверхности позволяет применять материал для коленвалов, поршневых пальцев, цилиндров. Стоимость химического никелирования намного дороже, чем электролитического.

Химическая пассивация

Даже нержавеющие стали без защиты поверхности могут подвергаться точечной коррозии. Химическая пассивация также проводится в гальванической ванне. Электролитами служат хроматы и молибдаты в среде нитратов – все они сильные окислители, предохраняющие металл от агрессивного действия внешней среды.

Образованная на поверхности оксидная пленка нерастворима в воде. Для пролонгированного действия пленку защищают – поверхность покрывают лаком с ингибиторами коррозии. Химическая пассивация латуни придает ей не только защитные, декоративные свойства.

Какой из методов защиты металла выбрать, зависит от условий его применения.

Способы технической защиты конструкций от ржавчины

Полностью подавить коррозию можно, поместив деталь из металла в камеру, наполненную инертным газом. На практике такое невозможно. Поэтому используются методы подавления коррозии путем исключения разрушающих факторов.

В паровых котлах используют деаэрированную воду с удалением кислорода и углекислого газа, приводящих к точечной коррозии паропроводов и трубок коллекторов. Удаляют соли жесткости и хлориды.

Электрохимическая защита буровых платформ, проложенных в грунте трубопроводов и конструкций. Их подключают в цепь постоянного тока в качестве катода. Анодом служат инертные вспомогательные электроды. Такая защита называется протекторной.

Специалисты считают самым сложным комплекс мер от разрушения коммуникаций в грунте. Почвенная коррозия изменчива и коварна. Электрохимическая защита учитывает особенность и влажность грунта, создающее катодное или анодное разрушение.

В заглубленных деталях используют стойкое покрытие поверхностей мастиками или полимерами в виде лент, расплавов и эмалей. Эффективно битумное покрытие толщиной 3-9 мм.

Трубопровод протяженностью в десятки и сотни километров укладывают на подушку с одинаковой кислотностью. Применяется подсыпка из песка или известкование кислых участков, чтобы избежать создания гальванических пар. На протяжении всего трубопровода устанавливают станции катодной защиты.

Вывод

Коррозию металла прекратить нельзя, но можно снизить ее влияние комплексом технических способов. Без защиты металл быстро придет в негодность, создав при этом катастрофические последствия.