Захист металів від корозії

Корозія – це явище, яке дуже часто є супутником практично будь-яких металів, виробів з них. Являє собою результат окислення, самопливне руйнування під впливом зовнішніх хімічних та електрохімічних чинників. Найбільшу небезпеку несе чистим металам. Через неї щороку втрачається десята частина усіх металів, які виготовляються.

Види корозії металів

Це поняття часто замінюють суміжних терміном «іржавіння», хоча повною мірою взаємозамінними їх вважати не можна. Іржавіння – це один з найяскравіших проявів корозійного впливу, але не єдиний. Інших, що руйнують не менше, існує чимало. Класифікації для їх визначення також можуть бути найрізноманітнішими.

Масштаб руйнувань дає такі види корозії:

- суцільну (рівномірне ураження всієї поверхні);

- місцеву (наявність окремих плям);

- точкову (поява окремих руйнівних точок на початковій стадії ураження).

Характер дифузії – такі:

- міжкристалітну (проходження через найслабші ділянки між складовими матеріалу);

- транскристалітну (проникнення крізь металеві зерна).

Як перший, так і другий вид становлять небезпеку, причому в певних випадках приховану, оскільки при обох метал розтріскується і втрачає міцність, а слідів змін на поверхні може бути не видно.

Також такий розподіл окремим підвидом передбачає можливість ножової корозії – появи рівної тріщини, що йде паралельно до зварювального шва. Вона, зазвичай, проявляється при контакті металу з агресивними середовищами.

Ще одна об’ємна класифікація, яка ґрунтується на зв’язку металу і середовища, розмежовує такі види корозії:

- хімічну (зв’язування атомів металу і атомів окислювачів-компонентів середовища, що впливає на нього). Середовище в такому випадку, як правило, не виступає провідником електрики. Результат впливу – формування на поверхні плівки, як правило, оксидної (також може бути сольова). Не можна сказати, що вона повністю згубна. Іноді, саме завдяки їй, метал захищений від подальшого руйнування. Найщільніші оксидні плівки з’являються на алюмінії, свинці, олові, нікелі та хромі, а також при окисленні в сухоповітряному середовищі при високій температурі;

- електрохімічну (зв’язування катіонів кристалічної решітки металевих виробів з іншими елементами середовища, що провокує корозію, з надходженням вивільнених електронів до окисника). Цей вид характерний при контакті з розчиненими або розплавленими електролітами, тобто в рідкому стані. Також може проявитися, якщо між собою контактують різного роду метали при наявності електроліту, коли виникає гальванічний струм. При цьому руйнуванню піддається один з металів, той, електродний потенціал якого більш негативний. Наприклад, в таких парах загроза існує для другого зі згаданих учасників: залізо + цинк, мідь + залізо.

Крім того, корозію можна класифікувати за типом середовища, яке впливає, на такі види:

- газова;

- атмосферна (присутність електроліту у вигляді тонкої плівки вологи). Потужність атмосферного впливу різна в різних районах, наприклад, у сільській та промисловій місцевостях;

- рідинна (вплив розчиненого у воді кисню);

- підземна (наявність кисню, ступінь вологості, електропровідність та кислотність).

Хоча в більшості випадків вони не проявляються окремо, адже метал піддається впливу одночасно різних середовищ (двох і більше). З-поміж агресивних середовищ, вплив яких найбільш часто здійснюється: вода, водні лужні та кислотні розчини, ґрунт і атмосфера. При цьому активність корозії збільшують вуглекислий та сірчистий гази, хлороводень і різні солі.

Вплив кислот на метали

Якщо передбачається використання металів при наявності таких агресивних середовищ, як кислоти, необхідно врахувати низку моментів.

Сульфатна кислота. В сірчаній кислоті корозія заліза спостерігається тільки при перевищенні порогу концентрації в 55 % і збільшенні температури. Найбільш стійкі до цієї речовини при нормальній t хромисті сталі, зокрема і з молібденом, а також вуглецеві сталі та алюміній. Також корозії не піддається мідь, проте, якщо температура підніметься до 100 °С, руйнування інтенсифікується. А ось який металічний сплав найбільш сприйнятливий до сірчаної кислоти, так це латунь: вона руйнується при будь-якій температурі та концентрації цієї речовини.

Соляна кислота. Дуже агресивне середовище, що обумовлено наявністю в ньому іонів Cl-. Навіть сталь може зруйнуватися під його впливом, якщо кислота сильно концентрована. Але корозії не буде, якщо розчин добре розбавити. Найбільшу стійкість до соляної кислоти має нікель: руйнування не спостерігається навіть при досягненні температурою точки кипіння.

Ортофосфорна кислота. Тут найстійкіші молібденові сталі, а також алюміній та алюмінієві сплави (без міді й магнію), хромонікелеві аустенітні сталі при нормальній t і будь-яких концентраціях. Якщо температура не перевищує 50 °С, то нічого не загрожує і маловуглецевій сталі, в діапазоні 20-95 °С – міді, бронзі та латуні. Але якщо присутній окислювач і підвищується температура, швидкість ураження їх корозією також підвищується.

Азотна кислота. Агресивна до великої кількості металів (маловуглецевої сталі, заліза та ін.), оскільки є окислювачем. Щоб хромисті сталі могли протистояти корозії в цьому середовищі, їх необхідно доповнити нікелем і молібденом. Мабуть, найбільш стійким до нього при нормальній температурі є алюміній: пари і 80 %-і розчини здійснюють на нього незначний вплив. Тим не менш, якщо відбувається безперервне перемішування або присутні хлорид-іони, швидкість корозії збільшується.

Найбільш ефективні інгібітори кислотної корозії: матеріали з киснем, сіркою та азотом.

Корозія: як захистити метали?

Хоч і різновидів корозійних впливів існує багато, благо, що не менше є і різних способів боротьби з ними. Зменшити або усунути корозію можна, вдаючись до різноманітних прийомів і засобів, які базуються на:

- збільшенні хімічного опору матеріалів, які обробляються;

- ізольованості від агресивних середовищ за допомогою спеціальних покриттів;

- зниженні агресії середовища при експлуатації;

- зменшенні корозії із задіянням зовнішнього струму (електрохімічний захист).

Час реалізації двох перших методів – доексплуатаційний період, коли підбираються матеріали для виготовлення продукції, враховується їх поєднання між собою, коли виріб, власне, виготовляється і доповнюється різними захисними покриттями. При цьому склад металу і захисного шару не змінюються при постійній роботі з модифікацією агресивності середовища. Інші ж два здійснюються тоді, коли виріб з металу вже перебуває в експлуатації. Щоб досягти захисного потенціалу, крізь нього пропускають струм, технологічні середовища доповнюють інгібуючими добавками і т.д. До попередньої обробки вони не мають ніякого стосунку. Зате тут можна формувати нові захисні режими, що гарантують мінімальні пошкодження при зміні експлуатаційних умов. Це дуже важливо для готових виробів, уразливих до корозійного впливу.

Один з поширених способів захистити метал від корозії – задіяти спеціальні покриття-захисти з металу (гальванічні антикорозійні покриття). Тут можуть стати в нагоді хром, нікель, цинк, кадмій, алюміній, олово та інші метали. При цьому анодні сприяють максимальному збільшенню негативного електрохімічного потенціалу, в результаті чого корозія апріорі стає неможливою. У катодних – своя специфіка: їх дія виражена меншою мірою і наносити їх необхідно більш товстим шаром, однак це виправдовує переваги у вигляді підвищеної твердості та стійкості виробу до зносу.

Захисні покриття можуть бути отримані різними способами: хімічним та електролітичним осадженням, гарячим і холодним нанесенням, металонапиленням, термомеханічним покриттям і термодифузійною обробкою.

Не менш, а навіть більш, популярний спосіб захисту – використання неметалічних матеріалів: пластмас, кераміки, бітуму, каучуку, поліуретанів, лакофарбової продукції тощо. Серед лаків і фарб, до речі, придатних складів найбільше, і використовуються вони залежно від експлуатаційного середовища виробу. Лакофарбова продукція може бути стійкою до впливу води, атмосфери, хімічних речовин та інших зовнішніх факторів. Вона краща і економічно вигідніша, ніж гальванічні покриття, особливо в тих випадках, коли площа обробки значна. Серед її переваг:

- не вимагає величезних витрат на підготовку;

- вдало поєднує важливі властивості (гідрофобність, відштовхування води, низька проникність газу та пари, які перешкоджають надходженню води і кисню до металевої поверхні);

- є технологічною;

- дозволяє забезпечувати декоративність;

- гарантує спрощений ремонт виробів і менші витрати на його виконання.

Є у лакофарбових покриттів і недоліки: поверхня може бути змоченою не повністю, адгезія покриття – порушеною, а тому під захисним шаром може зібратися електроліт, унаслідок чого корозія посилиться. Крім того, на поверхні покриття можуть сформуватися пори, що збільшить проникність вологи. Незважаючи на це, лаки і фарби будуть далі захищати метал від корозії, навіть якщо плівка десь пошкодиться. А це плюс в їхню користь, у порівнянні з металевими покриттями, які прискорюють корозійний вплив.

Щоб зменшити агресивність середовища, можна додатково застосовувати анодні та катодні корозійні інгібітори (наприклад, хромати, нітрити, арсеніти), які нейтралізують її або прибирають з неї кисень, формуючи адсорбційну захисну плівку. Варто враховувати, що останній під силу певним чином видозмінити електрохімічні параметри металів. До слова, катодні інгібітори дають кращий ефект, ніж анодні. Для кислих середовищ краще використовувати органічні сполуки. Також тут мають місце інгібітори-пасиватори, що переводять метал в пасивний стан. Який би з інгібіторів не був використаний, він повинен відповідати санітарно-гігієнічним нормам, бути пожежо- та вибухобезпечним.

Зверніть увагу! Якщо передбачається тривале зберігання і/або перевезення виробів з металів, про них також необхідно подбати. Тут на допомогу прийдуть консерваційні мастила та жири, які потрібно оновлювати у міру їх зникнення.

Що стосується електрохімічних захисних заходів, то це поляризація (катодна/анодна) або додавання протекторів, що гальмують корозію.

Сьогодні актуальна розробка ефективних у цьому напрямку композицій. Так, підвищити стійкість до корозії можна, компонуючи сплав заліза з хромом і нікелем, легуючи магнієвий сплав марганцем, а нікелевий – міддю, а також усунувши залізо зі сплавів магнію і алюмінію, сірку – із заліза і т.д.

Уникнути корозії допоможуть і такі заходи:

- заміна деяких конструктивних елементів з металу на ті, які виготовлені зі скла, кераміки, пластичних високополімерів та інших хімічно стійких матеріалів;

- раціональне проектування і використання металоконструкцій та деталей (запобігання згубним контактам, ізоляція, ліквідація щілин, зазорів і місць, де може застоюватися волога, ударний струменевий вплив, різкі швидкісні зміни потоків та ін.).

Який з перерахованих вище способів найбільш підходить і який фінансово вигідний, вирішувати необхідно в кожному конкретному випадку окремо.

Захист металів від корозії за допомогою хімічних засобів

Бензоат натрію. Анодний інгібітор. Органічна сполука, нейтральне середовище, що не виступає окислювачем. Сприяє адсорбції кисню в розчиненому стані, як результат, відбувається пасивація. Варто відзначити, що якщо вода деаерована, то бензойнокислий натрій в ній не є корозійним інгібітором.

Нітрит натрію. Один з найпопулярніших анодних інгібіторів нейтральних середовищ з окисними властивостями. Він доступний і простий у застосуванні. Найбільш часто захищає сталь, що перебуває у воді. Врахуйте, що коли збільшується температура, ефект цієї речовини починає спадати, тому в такому випадку необхідно підвищувати її концентрацію.

Міжопераційна металообробка (обробка 10 %-м водним розчином цієї добавки) – чи не найчастіший процес, де задіюється азотистокислий натрій. Потрібну концентрацію визначають присутні у воді іони хлору: при 1 частині яких необхідно 10 частин інгібітору. Працюючи з нітритом натрію, важливо дотримуватися рекомендованих доз, адже збільшені або зменшені обсяги речовини не те що не зупиняють корозію, але й підвищують її.

При кислотності вище 5, для міді та цинку цей інгібітор не підходить.

Сульфат цинку. Катодний інгібітор, що діє за принципом осадження гідроксиду цинку на місцях, які залишилися незахищеними після обробки хроматними сповільнювачами. Корозія гальмується тоді, коли плівка-захист формується на чистій металевій поверхні за умови, що вода попередньо була оброблена висококонцентрованим цинк-хроматним інгібітором.

Швидкість дії сірчанокислого цинку може зменшитися через ускладнений доступ кисню і зниження корозійної активності мікро-пар.

Гідрокарбонат натрію. Катодний інгібітор, який в оптимальних концентраціях ефективний при корозії металів, зокрема, чорних. Підвищення ж концентрації призводить до корозії, наприклад, алюмінію.

Хлорид цинку. Ще один популярний катодний інгібітор. Ефективний, наприклад, при корозії вуглецевої сталі. Тут особливо необхідно акцентувати увагу на концентрації, оскільки до зворотного, а не до бажаного результату, можуть призвести і малі, і надмірно великі кількості.

Захист металів від корозії – важливе завдання, яке необхідно вирішувати своєчасно. Пам’ятайте, що запобігти – завжди розумніше, ніж опісля шукати відповідний спосіб боротьби з небажаним явищем. У будь-якому випадку ми допоможемо вам знайти оптимальне рішення, оскільки добре спеціалізуємося на цьому питанні. Звертайтеся!