Корозія металів. Методи захисту від корозії

Корозія – це окисно-відновний процес руйнування металів у результаті їх фізико-хімічної взаємодії з навколишнім середовищем, який протікає самовільно. Залежно від природи хімічних процесів, які лежать в основі руйнування металу, розрізняють такі типи корозії: хімічну, електрохімічну і електрокорозію.

Хімічна корозія проходить у відсутності електроліту під дією навколишнього середовища, температури. Вона поділяється на газову, високотемпературну і корозію в неводних середовищах.

Високотемпературна корозія – це взаємодія металу з киснем при високих температурах. Хімічна спорідненість металів з киснем з підвищенням температури зростає. Тому, чим вища температура, тим інтенсивніше протікає високо­температурна корозія. При цьому на поверхні металу утворюються оксид­ні плівки. Залежно від природи металу, його структури, складу й умов корозії можуть утворюватися щільні й крихкі плівки.

Щільні плівки оксидів захищають метал від його подальшого руйнування. Внаслідок утворення щільних плівок такі активні метали (Zn, Al, Ni, Cr) досить добре протистоять корозії. Пористі плівки (FeO, Fe₂O₃) не перешкоджають проникненню кисню до металу, тому не мають захисних властивостей.

Газова корозія виникає при контакті металу з повітрям, у якому є пари води та інші гази. При цьому можуть протікати такі процеси:

Корозія в неводних середовищах часто зустрічається під час експлуатації хімічного устаткування, зберігання різноманітних агре­сивних речовин (безводних кислот, лугів, органічних речовин). Суть корозії цього виду полягає у протіканні звичайних гетерогенних хі­мічних реакцій між речовиною і металом.

Електрохімічна корозія – окисно-відновні процеси, які проходять у присутності електроліту і виникають внаслідок різниці електродних потенціалів між різними за активністю металами за рахунок виникнення великої кількості мікроскопічних гальванічних пар. Процес корозії супроводжується переміщенням електронів від більш активного металу (анод) до менш активного (катод) і призводить до руйнування більш активного металу.

Електрохімічна корозія спостерігається також, коли на поверхні одного і того самого металу є ділянки, які відрізняються за своїми хімічними і фізичними властивостями.

Розрізняють корозію з водневою і кисневою деполяризацією.

Воднева деполяризація 2H⁺ + 2ē = H₂ переважно спостерігається в кислому середовищі (pH < 7).

Поширеною є корозія з кисневою деполяризацією. У нейтральних і лужних розчинах (pH ≥ 7) на катоді відбувається такий процес: О₂ + 4ē + 2Н₂О = 4ОН^–.

Залежно від середовища, в якому відбувається електрохімічна корозія, розрізняють атмосферну корозію, корозію в електролітах і ґрунтову корозію. Найпоширенішою є атмосферна корозія, тому розглянемо її на прикладі корозії сталі.

Зерна цементиту, які містяться у звичайній сталі, зумовлюють появу на її поверхні мікрогальванічних елементів:

Fe|H₂O(O₂)|Fe₃C

в яких залізо є анодом, а катодом – Fe₃C. Хімізм корозійного процесу:

Анодний процес: Fe⁰ – 2ē = Fe²⁺

Катодний процес: O₂ + 4ē + 2 H₂O = 4OH^–

Йони Fe²⁺ утворюють з гідроксид-йонами первинний продукт корозії Fe(OH)₂:

Fe²⁺+ 2OH^– = Fe(OH)₂,

який під впливом кисню повітря переходить в Fe(OH)₃

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃.

За характером пошкодження металів розрізняють суцільну і місцеву корозії. Суцільна – руйнування охоплює всю поверхню металу, місцева – пошкодження мають локальний характер.

Корозія металів завдає великої шкоди, тому це визначає важливість заходів, спрямованих на захист металів від корозії.

Методи захисту металів від корозії можна поділити на групи:

1. ізоляція металу від впливу корозійного середовища;

2. зміна властивостей корозійного середовища;

3. електрохімічні методи захисту.

До першої групи належить:

1. нанесення ізолюючих плівок на поверхні металів за допомогою лаків, фарб, мастил, полімерів;

2. створення на поверхні металу хімічним методом тонкої щільної плівки. Таку плівку можна створити так:

а) обробкою поверхні металу розчином ортофосфатної кислоти – фосфатуванням;

б) високотемпературною обробкою металів в присутності окисників (кисень, оксиди Нітрогену) – пасивуванням;

3. нанесення металічних покрить:

а) анодне – покриття більш активними металами. У випадку його пошкодження кородує покриття, яке захищає при цьому метал від корозії;

б) катодне – покриття менш активними металами. Воно захищає метали від корозії, поки не ушкоджена захисна плівка. У випадку її руйнування відбувається корозія металу, який захищають.

1. Суть другої групи методів полягає у додаванні інгібіторів (сповільнювачів корозії). Їх вводять у робоче середовище або наносять на метал.

2. Електрохімічні методи використовуються для захисту від корозії великих металоконструкцій, які знаходяться в агресивному середовищі (вологому ґрунті, річковій і морській воді). Їх сутність полягає у створенні гальванічної пари, в якій конструкція, яку захищають, є катодом. Практично використовують дві різновидності електрохімічних методів захисту: протекторний та катодний.

Протекторний захист. Об’єкт, який підлягає захисту і знаходиться в агресивному середовищі, з’єднують з більш активним металом, який має більш електронегативний потенціал. Прикладом такого захисту може бути приєднання до днища корабля бруска цинку. При цьому утворюється гальванічний елемент, у якому більш активний метал (у даному випадку цинк) розчиняється, а електрони, що утворюються, переходять на об’єкт, який захищають, і створюють на ньому негативний потенціал, що запобігає його руйнуванню.

Катодний захист полягає у підключенні до об’єкту, який захищають (металоконструкції, трубопроводу), негативного полюсу зовнішнього джерела постійного електричного струму. Позитивний полюс джерела струму приєднують до залізного лому, який знаходиться в ґрунті. Напруга джерела струму на 10-15 % вища за потенціал матеріалу металоконструкції. Негативний потенціал перешкоджає руйнуванню об’єкта, який захищають.

Для поліпшення властивостей металів, у тому числі і для забезпечення їхньої корозійної стійкості, до складу сплавів вводять різні речовини – легуючі добавки. Так, корозійну стійкість сталі можна підвищити введенням хрому, нікелю, молібдену.