Коррозия стали: как и почему

Коррозия стали и ремонт повреждений, связанных с ней, являются мировой проблемой на сотни миллиардов долларов в год. Однако цена коррозии – это даже больше, чем просто финансовые расходы. Это – потеря природных ресурсов, ужасные катастрофы и многие другие косвенные убытки.

Снизить убытки от коррозии

Коррозия – это природное явление, которое никогда нельзя полностью избежать. Однако и то, что нельзя ничего сделать – тоже не правда. Применение адекватной защиты от коррозии стали в самом начале проекта, например, горячего цинкового покрытия, может значительно снизить эти громадные ежегодные убытки от коррозии.

Защита стали от коррозии

Самая простая защита стали от коррозии – горячее ее цинкование. Горячее цинкование стали уже более 100 лет широко применяется в огромных промышленных масштабах для защиты стали от коррозии. Однако и в настоящее время появляются все новые рынки для его применения. Сначала горячее цинкование считалось только средством защиты от коррозии. Сейчас его применяют и по многим другим причинам:

  • низкая начальная стоимость,
  • прочность,
  • долговечность,
  • доступность,
  • многообразие,
  • экологичность и даже
  • эстетичность.

Процесс коррозии металлов

Коррозия, которую для стали часто называют просто ржавлением, является тенденцией всех металлов вернуться к своему естественному состоянию – исходной руде с более низким энергетическим состоянием. Металлическая коррозия – это электрохимический процесс в том смысле, что он включает и химические реакции, и поток электронов. Базовым электрохимическим процессом, который движет процессом коррозии, является гальваническое действие, в котором ток вырабатывается внутри за счет физических и химических реакций, протекающих между компонентами гальванической ячейки.

Гальваническая коррозия

Существует два основных типа гальванических ячеек, которые приводят к коррозии:

  • биметаллическая пара и
  • концентрационная ячейка.

Биметаллическая пара (рисунок 1) похожа на батарею, состоящую из двух различных металлов, погруженных в электролитический раствор. Электрический ток (поток электронов) возникает, когда два электрода соединяются наружной непрерывной цепью.

bimetallicheskaya-paraРисунок 1 – Биметаллическая гальваническая пара

Концентрационная ячейка состоит из анода и катода одинаковых металлов или сплавов, а также обратной электрической цепью. Электродвижущая сила обеспечивается разницей в концентрации растворов, контактирующих с металлами.

Для возникновения коррозии в гальванической ячейке должны быть четыре следующих необходимых элемента.

  • Анод. Электрод, на котором отрицательные ионы разряжаются, а положительные ионы образуются. Могут также происходить другие окислительные реакции. Коррозия проходит на аноде.
  • Катод. Электрод, на котором положительные ионы разряжаются, а отрицательные ионы образуются. Могут также происходить другие восстановительные реакции. Катод защищен от коррозии.
  • Электролит. Проводящая среда, в которой поток электронов сопровождается движением вещества. Электролиты включают водные растворы кислот, щелочей и солей.
  • Обратная электрическая цепь. Металлическая цепочка, связывающая анод и катод. Часто проходит под покрытием по основному металлу.

Исключение любого из этих элементов останавливает течение электрического тока, и коррозии не происходит.

В так называемом гальваническом ряду металлы и сплавы располагают в порядке снижения электрической активности. Металлы наверху этого ряда являются «менее благородными» и  имеют бОльшую тенденцию терять электроны, чем металлы в нижней части этого ряда. Горячее цинковое покрытие как раз и использует это явление: цинк (анод) отдается в жертву ради защиты нижележащей стали (катода).

Коррозия стали

Процесс коррозии, который происходит на незащищенной углеродистой стали, может быть очень сложным из-за различий сталей по химическому составу и структурному состоянию, присутствия примесей, наличия остаточных напряжений, а также различного воздействия окружающей среды.

На рисунках 2а, 2б и 2в показан процесс образования и смены катодных и анодных областей ржавеющей на воздухе стали.

obrazovanie-rzhavchiny-na-staly-1

 

Рисунок 2а — На поверхности стали образуются «мозаика» из микроскопических участков – катодных и анодных. Они соединяются электрически друг с другом через сталь под ними.

 

obrazovanie-rzhavchiny-na-staly-2

Рисунок 2б — Влага в воздухе замыкает электрическую цепь между анодами и катодами. Из-за различий в потенциалах начинает течь электрический ток с разрушением анодных участков. Ионы железа, которые образуются на анодах, реагируют с кислородом воздуха и образуют чешуйчатый оксид железа, известный как ржавчина.

 

obrazovanie-rzhavchiny-na-staly-3

Рисунок 2в — Когда анодный участок  корродирует, на нем возникает новый материал другого состава и структуры. Это приводит к изменению электрических потенциалов и смене расположения катодных и анодных участков. Со временем ранее не тронутые коррозией участки тоже начинают подвергаться коррозии, и вся поверхность стали становится ржавой. Это продолжается до тех пор, пока вся сталь полностью не превратится в ржавчину.

Скорость коррозии металлов зависит от таких факторов, как температура, влажность, рН электролита, электрического потенциала металла и электрического сопротивления анодных и катодных участков.

Источник: http://www.galvanizeit.org