Способы защиты металлов от коррозии кратко. Методы защиты металлов от коррозии. Характеристики и сущность коррозионных процессов

Металлы используются человеком с доисторических времен, изделия из них широко распространены в нашей жизни. Самым распространенным металлом является железо и его сплавы. К сожалению, они подвержены коррозии, или ржавлению — разрушению в результате окисления. Своевременная защита от коррозии позволяет продлить срок службы металлических изделий и конструкций.

Виды коррозии

Ученые давно борются с коррозией и выделили несколько основных ее типов:

Атмосферная. Происходит окисление вследствие контакта с кислородом воздуха и содержащимися в нем водяными парами. Присутствие в воздухе загрязнений в виде химически активных веществ ускоряет ржавление.
Жидкостная. Проходит в водной среде, соли, содержащиеся в воде, особенно морской, многократно ускоряют окисление.
Почвенная. Этому виду подвержены изделия и конструкции, находящиеся в грунте. Химический состав грунта, грунтовые воды и токи утечки создают особую среду для развития химических процессов.

Исходя из того, в какой среде будет эксплуатироваться изделие, подбираются подходящие методы защиты от коррозии.

Характерные типы поражения ржавчиной

Различают следующие характерные виды поражения коррозией:

Поверхность покрыта сплошным ржавым слоем или отдельными кусками.
На детали возникли небольшие участки ржавчины, проникающей в толщину детали.
В виде глубоких трещин.
В сплаве окисляется один из компонентов.
Глубинное проникновение по всему объему.
Комбинированные.

По причине возникновения разделяют также:

Химическую. Химические реакции с активными веществами.
Электрохимическую. При контакте с электролитическими растворами возникает электрический ток, под действием которого замещаются электроны металлов, и происходит разрушение кристаллической структуры с образованием ржавчины.

Коррозия металла и способы защиты от нее

Ученые и инженеры разработали множество способов защиты металлических конструкций от коррозии.

Защита от коррозии индустриальных и строительных конструкций, различных видов транспорта осуществляется промышленными способами.

Зачастую они достаточно сложные и дорогостоящие. Для защиты металлических изделий в условиях домовладений применяют бытовые методы, более доступные по цене и не связанные со сложными технологиями.

Промышленные

Промышленные методы защиты металлических изделий подразделяются на ряд направлений:

Пассивация. При выплавке стали в ее состав добавляют легирующие присадки, такие, как Cr, Mo, Nb, Ni. Они способствуют образованию на поверхности детали прочной и химически стойкой пленки окислов, препятствующей доступу агрессивных газов и жидкостей к железу.
Защитное металлическое покрытие. На поверхность изделия наносят тонкий слой другого металлического элемента - Zn , Al, Co и др. Этот слой защищает железо о т ржавления.
Электрозащита. Рядом с защищаемой деталью размещают пластины из другого металлического элемента или сплава, так называемые аноды. Токи в электролите текут через эти пластины, а не через деталь. Так защищают подводные детали морского транспорта и буровых платформ.
Ингибиторы. Специальные вещества, замедляющие или вовсе останавливающие химические реакции.
Защитное лакокрасочное покрытие.
Термообработка.

Способы защиты от коррозии, используемые в индустрии, весьма разнообразны. Выбор конкретного метода борьбы с коррозией зависит от условий эксплуатации защищаемой конструкции.

Бытовые

Бытовые методы защиты металлов от коррозии сводятся, как правило, к нанесению защитных лакокрасочных покрытий. Состав их может быть самый разнообразный, включая:

силиконовые смолы;
полимерные материалы;
ингибиторы;
мелкие металлические опилки.

Отдельной группой стоят преобразователи ржавчины — составы, которые наносят на уже затронутые коррозией конструкции. Они восстанавливают железо из окислов и предотвращают повторную коррозию. Преобразователи делятся на следующие виды:

Грунты. Наносятся на зачищенную поверхность, обладают высокой адгезией. Содержат в своем составе ингибирующие вещества, позволяют экономить финишную краску.
Стабилизаторы. Преобразуют оксиды железа в другие вещества.
Преобразователи оксидов железа в соли.
Масла и смолы, обволакивающие частички ржавчины и нейтрализующие ее.

При выборе грунта и краски лучше брать их от одного производителя. Так вы избежите проблем совместимости лакокрасочных материалов.

Защитные краски по металлу

По температурному режиму эксплуатации краски делятся на две большие группы:

обычные, используемые при температурах до 80 °С;
термостойкие.

По типу связующей основы краски бывают:

алкидные;
акриловые;
эпоксидные.

Лакокрасочные покрытия по металлу имеют следующие достоинства:

качественная защита поверхности от коррозии;
легкость нанесения;
быстрота высыхания;
много разных цветов;
долгий срок службы.

Большой популярностью пользуются молотковые эмали, не только защищающие метал, но и создающие эстетичный внешний вид. Для обработки металла распространена также краска-серебрянка. В ее состав добавлена алюминиевая пудра. Защита металла происходит за счет образования тонкой пленки окиси алюминия.

Эпоксидные смеси из двух компонентов отличаются исключительной прочностью покрытия и применяются для узлов, подверженных высоким нагрузкам.

Защита металла в бытовых условиях

Чтобы надежно защитить металлические изделия от коррозии, следует выполнить следующую последовательность действий:

очистить поверхность от ржавчины и старой краски с помощью проволочной щетки или абразивной бумаги;
обезжирить поверхность;
сразу же нанести слой грунта;
после высыхания грунта нанести два слоя основной краски.

При работе следует использовать средства индивидуальной защиты:

перчатки;
респиратор;
очки или прозрачный щиток.

Способы защиты металлов от коррозии постоянно совершенствуются учеными и инженерами.

Методы противостояния коррозионным процессам

Основные методы, применяемые для противодействия коррозии, приведены ниже:

повышение способности материалов противостоять окислению за счет изменения его химического состава;
изоляция защищаемой поверхности от контакта с активными средами;
снижение активности окружающей изделие среды;
электрохимические.

Первые две группы способов применяются во время изготовления конструкции, а вторые – во время эксплуатации.

Методы повышения сопротивляемости

В состав сплава добавляют элементы, повышающие его коррозионную устойчивость. Такие стали называют нержавеющими. Они не требуют дополнительных покрытий и отличаются эстетичным внешним видом. В качестве добавок применяют никель, хром, медь, марганец, кобальт в определенных пропорциях.

Стойкость материалов к ржавлению повышают также, удаляя их состава ускоряющие коррозию компоненты, как, например, кислород и серу — из стальных сплавов, а железо – из магниевых и алюминиевых.

Снижение агрессивности внешней среды и электрохимическая защита

С целью подавления процессов окисления во внешнюю среду добавляют особые составы — ингибиторы. Они замедляют химические реакции в десятки и сотни раз.

Электрохимические способы сводятся к изменению электрохимического потенциала материала путем пропускания электрического тока. В результате коррозионные процессы сильно замедляются или даже вовсе прекращаются.

Пленочная защита

Защитная пленка препятствует доступу молекул активных веществ к молекулам металла и таким образом предотвращают коррозионные явления.

Пленки образуются из лакокрасочных материалов, пластмассы и смолы. Лакокрасочные покрытия недороги и удобны в нанесении. Ими покрывают изделие в несколько слоев. Под краску наносят слой грунта, улучшающего сцепление с поверхностью и позволяющего экономить более дорогую краску. Служат такие покрытия от 5 до 10 лет. В качестве грунта иногда применяют смесь фосфатов марганца и железа.

Защитные покрытия создают также из тонких слоев других металлов: цинка, хрома, никеля. Их наносят гальваническим способом.

Покрытие металлом с более высоким электрохимическим потенциалом, чем у основного материала, называется анодным. Оно продолжает защищать основной материал, отвлекая активные окислители на себя, даже в случае частичного разрушения. Покрытия с более низким потенциалом называют катодными. В случае нарушения такого покрытия оно ускоряет коррозию за счет электрохимических процессов.

Металлическое покрытие также можно наносить также методом распыления в струе плазмы.

Применяется также и совместный прокат нагретых до температуры пластичности листов основного и защищающего металла. Под давлением происходит взаимная диффузия молекул элементов в кристаллические решетки друг друга и образование биметаллического материала. Этот метод называют плакированием.

Коррозия – самопроизвольный процесс и соответственно протекающий с уменьшением энергии Гиббса системы. Химическая энергия реакции коррозионного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в окружающем пространстве.

Коррозия приводит к большим потерям в результате разрушения трубопроводов, цистерн, металлических частей машин, корпусов судов, морских сооружений и т. п. Безвозвратные потери металлов от коррозии составляют 15 % от ежегодного их выпуска. Цель борьбы с коррозией – это сохранение ресурсов металлов, мировые запасы которых ограничены. Изучение коррозиии разработка методов защиты металлов от нее представляют теоретический интерес и имеют большое народнохозяйственное значение.

Ржавление железа на воздухе, образование окалины при высокой температуре, растворение металлов в кислотах – типичные примеры коррозии. В результате коррозии многие свойства металлов ухудшаются: уменьшается прочность и пластичность, возрастает трение между движущимися деталями машин, нарушаются размеры деталей. Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая, коррозия – разрушение металлов путем их окисления в сухих газах, в растворах неэлектролитов. Например, образование окалины на железе при высокой температуре. В этом случае образующиеся на металле оксидные плёнки часто препятствуют дальнейшему окислению, предотвращая дальнейшее проникновение к поверхности металла как газов, так и жидкостей.

Электрохимической коррозией называют разрушение металлов под действием возникающих гальванических пар в присутствии воды или другого электролита. В этом случае наряду с химическим процессом – отдача электронов металлами, протекает и электрический процесс – перенос электронов от одного участка к другому.

Этот вид коррозии подразделяют на отдельные виды: атмосферную, почвенную, коррозию под действием «блуждающего» тока и др.

Электрохимическую коррозию вызывают примеси, содержащиеся в металле, или неоднородность его поверхности. В этих случаях при соприкосновении металла с электролитом, которым может быть и влага, адсорбируемая на воздухе, на его поверхности возникает множество микрогальванических элементов. Анодами являются частицы металла, катодами – примеси и участки металла, имеющие более положительный электродный потенциал. Анод растворяется, а на катоде выделяется водород. В то же время на катоде возможен процесс восстановления кислорода, растворённого в электролите. Следовательно, характер катодного процесса будет зависеть от некоторых условий:

кислая среда : 2Н + + 2ē = Н 2 (водородная деполяризация),

О 2 + 4Н + + 4ē → 2Н 2 О

нейтральная среда : O 2 +2H 2 O+4e − =4OH − (кислородная деполяризация).

В качестве примера рассмотрим атмосферную коррозию железа в контакте с оловом. Взаимодействие металлов с каплей воды, содержащей кислород, приводит к возникновению микрогальванического элемента, схема которого имеет вид

(-)Fe|Fe 2+ || O 2 , H 2 O| Sn (+).

Более активный металл (Fе) окисляется, отдавая электроны атомам меди и переходит в раствор в виде ионов (Fe 2+). На катоде протекает кислородная деполяризация.

Способы защиты от коррозии. Все методы защиты от коррозии можно условно разделить на две большие группы: неэлектрохимические (легирование металлов, защитные покрытия, изменение свойств коррозионной среды, рациональное конструирование изделий) и электрохимические (метод проектов, катодная защита, анодная защита).

Легирование металлов – это эффективный, хотя и дорогой метод повышения коррозионной стойкости металлов, при котором в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию металла. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, титан, вольфрам и др.

Защитные покрытия – это слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений. Выбор вида покрытия за- висит от условий, в которых используется металл.

Материалами для металлических защитных покрытий могут быть чистые металлы: цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, олово, хром, серебро и их сплавы: бронза, латунь и т. д. По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные (например, на стали Cu, Ni, Ag) и анодные (цинк на стали). Катодные покрытия могут защищать металл от коррозии лишь при отсутствии пор и повреждений покрытия. В случае анодного покрытия защищаемый металл играет роль катода и поэтому не корродирует. Но потенциалы металлов зависят от состава растворов, поэтому при изменении состава раствора может меняться и характер покрытия. Так, покрытие стали оловом в растворе H 2 SO 4 – катодное, а в растворе органических кислот – анодное.

Неметаллические защитные покрытия могут быть как неорганическими, так и органическими. Защитное действие таких покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды.

Электрохимический метод защиты основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции (корпус судна, подземный трубопровод), находящейся в среде электролита (морская, почвенная вода), металла с более отрицательным значением электродного потенциала – протектора .

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии

Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.

Легирование

Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое называется легирование . В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.

Защитные пленки

Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок : лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами, поэтому они препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит процесс коррозии. Именно поэтому важное значение имеет качество покрытия - толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.

Для снижения смачиваемости водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми составами или кремнийорганическими соединениями. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. В большинстве случаев они непригодны для защиты подземных сооружений и конструкций, так как трудно предупредить механические повреждения защитных слоев при контакте с грунтом. Опыт показывает, что срок службы лакокрасочных покрытий в этих условиях невелик. Намного практичнее оказалось применять толстослойные покрытия из каменноугольной смолы (битума).

В некоторых случаях пигменты красок выполняют также роль ингибиторов коррозии (об ингибиторах будет сказано далее). К числу таких пигментов относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO 4 , PbCrO 4 , ZnCrO 4).

Грунтовки и фосфатирование

Часто под лакокрасочный слой наносят грунтовки. Пигменты, входящие в ее состав, также должны обладать ингибиторными свойствами. Проходя через слой грунтовки, вода растворяет некоторое количество пигмента и становится менее коррозионноактивной. Среди пигментов, рекомендуемых для грунтов, наиболее эффективным признан свинцовый сурик Pb 3 O 4- .

Вместо грунтовки иногда проводят фосфатирование поверхности металла. Для этого на чистую поверхность кистью или распылителем наносят растворы ортофосфатов железа (III), марганца (II) или цинка (II), содержащих и саму ортофосфорную кислоту H 3 PO 4 . В заводских условиях фосфатирование ведут при 99-97 0 С в течение 30-90 минут. В образование фосфатного покрытия вносят вклад металл, растворяющийся в фосфатирующейся смеси, и оставшиеся на его поверхности оксиды.

Для фосфатирования поверхности стальных изделий разработано несколько различных препаратов. Большинство из них состоят из смеси фосфатов марганца и железа. Возможно, наиболее распространенным препаратом является “мажеф” - смесь дигидрофосфатов марганца Mn(H 2 PO 4) 2 , железа Fe(H 2 PO 4) 2 и свободной фосфорной кислоты. Название препарата состоит из первых букв компонентов смеси. По внешнему виду мажеф - это мелкокристаллический порошок белого цвета с соотношением между марганцем и железом от 10:1 до 15:1. Он состоит из 46-52% P 2 O 5 ; не менее 14% Mn; 0,3-3% Fe. При фосфатировании мажефом стальное изделие помещается в его раствор, нагретый примерно до ста градусов. В растворе происходит растворение с поверхности железа с выделением водорода, а на поверхности образуется плотный, прочный и малорастворимый в воде защитный слой фосфатов марганца и железа серо-черного цвета. При достижении толщины слоя определенной величины дальнейшее растворение железа прекращается. Пленка фосфатов защищает поверхность изделия от атмосферных осадков, но мало эффективна от растворов солей и даже слабых растворов кислот. Таким образом, фосфатная пленка может служить лишь грунтом для последовательного нанесения органических защитных и декоративных покрытий - лаков, красок, смол. Процесс фосфатирования длится 40-60 минут. Для его ускорения в раствор вводят 50-70 г/л нитрата цинка. В этом случае время сокращается в 10-12 раз.

Электрохимическая защита

В производственных условиях используют также электрохимический способ - обработку изделий переменным током в растворе фосфата цинка при плотности тока 4 А/дм 2 и напряжении 20 В и при температуре 60-70 0 С. Фосфатные покрытия представляют собой сетку плотносцепленных с поверхностью фосфатов металлов. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают надежной коррозионной защиты. Преимущественно их используют как основу под окраску, обеспечивающую хорошее сцепление краски с металлом. Кроме того, фосфатный слой уменьшает коррозионные разрушения при образовании царапин или других дефектов.

Силикатные покрытия

Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Вначале на очищенную поверхность наносят грунтовочный слой и обжигают его в печи. Далее наносят слой покровной эмали и обжиг повторяют. Наиболее распространены стекловидные эмали - прозрачные или загашенные. Их компонентами являются SiO 2 (основная масса), B 2 O 3 , Na 2 O, PbO. Кроме того, вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей, оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью, глушители, красители. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6-10% глины. Эмалевые покрытия в основном наносят на сталь, а также на чугун, медь, латунь и алюминий.

Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу, вследствие чего и начинается коррозия.

Цементные покрытия

Для защиты чугунных и стальных водяных труб от коррозии используют цементные покрытия. Поскольку коэффициенты теплового расширения портландцемента и стали близки, то он довольно широко применяется для этих целей. Недостаток портландцементных покрытий тот же, что и эмалевых, - высокая чувствительность к механическим ударам.

Покрытие металлами

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами:

горячее покрытие - кратковременное погружение в ванну с расплавленным металлом;

гальваническое покрытие - электроосаждение из водных растворов электролитов;

металлизация - напыление;

диффузионное покрытие - обработка порошками при повышенной температуре в специальном барабане;

с помощью газофазной реакции, например:

3CrCl 2 + 2Fe 1000 ` C 2FeCl 3 + 3Cr (в расплаве с железом).

Имеются и другие методы нанесения металлических покрытий. Например, разновидностью диффузионного способа является погружение изделий в расплав хлорида кальция, в котором растворены наносимые металлы.

В производстве широко используется химическое нанесение металлических покрытий на изделия. Процесс химического металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором является поверхность изделия. Используемый раствор содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку катализатором является поверхность изделия, выделение металла и происходит именно на ней, а не в объеме раствора. В настоящее время разработаны методы химического покрытия металлических изделий никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих металлов. В качестве восстановителей используют гипофосфит и боргидрид натрия, формальдегид, гидразин. Естественно, что химическим никелированием можно наносить защитное покрытие не на любой металл.

Металлические покрытия делят на две группы:

коррозионностойкие;

протекторные.

Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны по отношению к железу, то есть в электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. Они более электроотрицательны по отношению к железу.

В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом - белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а второе - на изготовление консервных банок. Впервые способ хранения пищевых продуктов в жестяных банках предложил повар Н.Ф. Аппер в 1810 году. И то, и другое железо получают, главным образом, протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла.

Металлические покрытия защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении же покрывающего слоя коррозия изделия протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется работой гальванического элемента железо-металл. Трещины и царапины заполняются влагой, в результате чего образуются растворы, ионные процессы в которых облегчают протекание электрохимического процесса (коррозии).

Ингибиторы

Применение ингибиторов - один из самых эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы - это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Ещё по данным 1980 года, число известных науке ингибиторов составило более пяти тысяч. Ингибиторы дают народному хозяйству немалую экономию.

Ингибирующее воздействие на металлы, прежде всего на сталь, оказывает целый ряд неорганических и органических веществ, которые часто добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.

Ингибиторы в соответствии с Х. Фишером можно сгруппировать следующим образом.

1) Экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной адсорбции. При воздействии физических ингибиторов химических реакций не происходит

2) Окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют протекание анодного процесса. Эти слои не очень стойки и при определенных условиях могут подвергаться восстановлению. Эффективность пассиваторов зависит от толщины образующегося защитного слоя и его проводимости;

3) Катодные - повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам относятся соли или окислы мышьяка и висмута.

Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний.

Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит натрия, добавляемый, например, к холодильным соляным растворам, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины, сульфоокись бензила, крахмал, танин и т. п. Поскольку ингибиторы со временем расходуются, они должны добавляться в агрессивную среду периодически. Количество ингибитора, добавляемого в агрессивные среды, невелико. Например, нитрита натрия добавляют в воду в количестве 0,01-0,05%.

Ингибиторы подбираются в зависимости от кислого или щелочного характера среды. Например, часто применяемый в качестве ингибитора нитрит натрия может использоваться в основном в щелочной среде и перестает быть эффективным даже в слабокислых средах.

Антикоррозионная защита требуется любым инструментальным и конструкционным изделиям, изготовленным из металла, так как в той или иной мере все они испытывают на себе негативное коррозионное влияние среды, окружающей нас.

1

Под коррозией понимают разрушение поверхностных слоев конструкций из стали и чугуна в результате электрохимического и химического воздействия. Она просто-напросто портит металл, разъедает его, делая тем самым непригодным для последующей эксплуатации.

Специалисты доказали, что каждый год примерно 10 процентов от всего добытого металла на Земле тратится на покрытие потерь (обратите внимание – они считаются безвозвратными) от коррозии, ведущей к распылению металла, а также к выходу из строя и порче металлических изделий.

Стальные и чугунные конструкции на первых этапах воздействия коррозии снижают свою герметичность, прочность, электро- и теплопроводность, пластичность, отражательный потенциал и ряд других важных характеристик. Впоследствии конструкции становятся и вовсе непригодными для эксплуатации.

Кроме того, коррозионные явления - причина производственных и бытовых аварий, а иногда и настоящих экологических катастроф. Из проржавевших и прохудившихся трубопроводов для нефти и газа в любой момент может хлынуть поток опасных для жизни человека и для природы соединений. Учитывая все вышесказанное, любой может понять то, насколько важна качественная и эффективная защита от коррозии с применением традиционных и новейших средств и методов.

Полностью избежать коррозии, когда речь идет о стальных сплавах и металлах, невозможно. А вот задержать и снизить негативные последствия ржавления вполне реально. Для этих целей нынче существует множество антикоррозионных средств и технологий.

Все современные методы борьбы с коррозией можно разделить на несколько групп:

применение электрохимических способов защиты изделий;
использование защитных покрытий;
проектирование и выпуск инновационных, высокоустойчивых к процессам ржавления конструкционных материалов;
введение в коррозионную среду соединений, способных уменьшить коррозионную активность;
рациональное строительство и эксплуатация деталей и сооружений из металлов.

2

Чтобы защитное покрытие справлялось с задачами, которые возлагаются на него, оно должно обладать целым рядом особых качеств:

быть износостойким и максимально твердым;
характеризоваться высоким показателем прочности сцепления с поверхностью обрабатываемого изделия (то есть обладать повышенной адгезией);
иметь такую величину теплового расширения, которая бы незначительно отличалась от расширения защищаемой конструкции;
быть максимально недоступным для вредных факторов окружающей среды.

Также покрытие должно наноситься на всю конструкцию как можно более равномерно и сплошным слоем.

Все используемые в наши дни защитные покрытия делят на:

металлические и неметаллические;
органические и неорганические.

3

Самым распространенным и сравнительно несложным вариантом защиты металлов от ржавления, известным уже очень давно, признается использование лакокрасочных составов. Антикоррозионная обработка материалов такими соединениями характеризуется не только простотой и дешевизной, но еще и следующими положительными свойствами:

возможностью нанесения покрытий разных цветовых оттенков - что и элегантный облик конструкциям придает, и надежно защищает их от ржавчины;
элементарностью восстановления защитного слоя в случае его повреждения.

К сожалению, лакокрасочные составы имеют совсем небольшой коэффициент термической стойкости, малую стойкость в воде и относительно низкую механическую прочность. По этой причине в соответствии с существующими СНиП их рекомендовано применять в тех случаях, когда на изделия действует коррозия со скоростью не более 0,05 миллиметров в год, а запланированный срок их эксплуатации не превышает десяти лет.

К составляющим современных лакокрасочных составов относят такие элементы:

краски: суспензии пигментов с минеральной структурой;
лаки: растворы (коллоидные) смол и масел в растворителях органического происхождения (защита от коррозии при их применении достигается после полимеризации смолы либо масла или их испарения под влиянием дополнительного катализатора, а также при нагреве);
искусственные и природные соединения, называемые пленкообразователями (например, олифа – самый, пожалуй, популярный неметаллический "защитник" чугуна и стали);
эмали: лаковые растворы с комплексом подобранных пигментов в измельченном виде;
смягчители и разнообразные пластификаторы: адипиновая кислота в виде эфиров, дибутилфтолат, касторовое масло, трикрезилфосфат, каучук, другие элементы, которые увеличивают эластичность защитного слоя;
этилацетат, толуол, бензин, спирт, ксилол, ацетон и другие (данные компоненты нужны для того, чтобы лакокрасочные составы без проблем наносились на обрабатываемую поверхность);
инертные наполнители: мельчайшие частицы асбеста, тальк, мел, каолин (они делают антикоррозионные возможности пленок более высокими, а также уменьшают траты других составляющих лакокрасочных покрытий);
пигменты и краски;
катализаторы (на языке профессионалов – сиккативы): необходимые для быстрого высыхания защитных составов кобальтовые и магниевые соли жирных органических кислот.

Лакокрасочные соединения выбирают с учетом того, в каких условиях эксплуатируется обрабатываемое изделие. Составы на базе эпоксидных элементов рекомендованы для использования в атмосферах, где постоянно присутствуют испарения хлороформа, двухвалентного хлора, а также для обработки конструкций, находящихся в различных кислотах (азотная, фосфорная, соляная и т. п.).

К кислотам также устойчивы и лакокрасочные составы с полихровинилом. Они, кроме того, применяются для предохранения металла от воздействия масел и щелочей. А вот для защиты конструкций от газов чаще применяются составы на базе полимеров (эпоксидных, фторорганических и иных).

Очень важно при подборе защитного слоя учитывать требования российских СНиП для разных отраслей промышленности. В таких саннормах четко указывается, какие составы и методы защиты от коррозии можно использовать, а от каких лучше отказаться. Например, в СНиП 3.04.03-85 изложены рекомендации по защите различных строительных сооружений:

магистральных газо- и нефтепроводов;
обсадных труб из стали;
тепломагистралей;
железобетонных и стальных конструкций.

4

На металлических изделиях вполне можно формировать посредством электрохимической либо химической обработки специальные пленки для защиты их от ржавления. Чаще всего создаются фосфатные и оксидные пленки (опять-таки, обязательно принимаются во внимание положения СНиП, так как механизмы защиты таких соединений разные для различных изделий).

Фосфатные пленки подходят для антикоррозионной защиты цветных и черных металлов. Суть такого процесса заключается в погружении изделий в нагретый до определенной температуры (в районе 97 градусов) раствор цинка, железа или марганца с кислыми фосфорными солями. Получающаяся при этом пленка идеальна для нанесения на нее лакокрасочного состава.

Заметим, что фосфатный слой сам по себе не отличается длительным сроком применения. Он малоэластичный и совсем непрочный. Используется фосфатирование для защиты деталей, которые работают при высоких температурах или в соленой воде (например, в морской).

Также ограниченно используются и оксидные защитные пленки. Получают их при обработке металлов в растворах щелочей под действием тока. Известным раствором для оксидирования является едкий натр (четырехпроцентный). Операцию получения оксидного слоя нередко называют воронением, так как на поверхности мало- и высокоуглеродистых сталей пленка характеризуется красивым черным цветом.

Оксидирование производится в ситуациях, когда начальные геометрические параметры нужно сохранить в неизменном виде. Оксидный слой обычно наносят на точные приборы, стрелковое вооружение. Толщина такой пленки в большинстве случаев не превышает полутора микронов.

Другие способы защиты от коррозии с применением неорганических покрытий:

5

Если изделия из металла подвергнуть поляризации, скорость ржавления, обусловленного электрохимическими факторами, можно существенно уменьшить. Электрохимическая антикоррозионная защита бывает двух видов:

анодной;
катодной.

Анодная технология подходит для материалов из:

сплавов (высоколегированных) на базе железа;
с малым уровнем легирования;
углеродистых сталей.

Суть методики анодной защиты проста: металлическое изделие, которому требуется придать антикоррозионные свойства, подключается к катодному протектору либо к "плюсу" источника (внешнего) тока. Данная процедура обеспечивает уменьшение скорости ржавления в несколько тысяч раз. В качестве катодного протектора могут выступать элементы и соединения с высоким положительным потенциалом (свинец, платина, диоксид свинца, платинированная латунь, тантал, магнетит, углерод и другие).

Анодная антикоррозионная защита будет результативной только в том случае, если аппарат для обработки конструкций отвечает далее указанным запросам:

на нем нет заклепок;
сварка всех элементов выполнена максимально качественно;
пассивирование металла выполняется в технологической среде;
число зазоров и щелей минимально (или же они отсутствуют).

Описанный вид электрохимической защиты небезопасен из-за риска активного анодного растворения конструкций во время приостановки подачи тока. В связи с этим он осуществляется только тогда, когда имеется специальная система контроля выполнения всех предусмотренных технологической схемой операций.

Более распространенной и менее опасной считается катодная защита, которая годится для металлов, не имеющих склонности к пассивации. Подобный метод предполагает подсоединение конструкции к электродному отрицательному потенциалу или к "минусу" источника тока. Катодная защита используется для следующих видов оборудования:

емкости и аппараты (их внутренние части), эксплуатируемые на химических предприятиях;
буровые установки, кабели, трубопроводы и иные подземные сооружения;
элементы береговых конструкций, которые соприкасаются с соленой водой;
механизмы, изготовленные из , высокохромистых и медных сплавов.

Анодом в данном случае выступает уголь, чугун, металлолом, графит, сталь.

6

На производственных предприятиях с коррозией можно с успехом справляться посредством модификации состава агрессивной атмосферы, в которой работают металлические детали и конструкции. Существует два варианта снижения агрессивности среды:

введение в нее ингибиторов (замедлителей) коррозии;
удаление из среды тех соединений, которые являются причиной возникновения коррозии.

Ингибиторы, как правило, используются в системах охлаждения, цистернах, ваннах для выполнения травильных операций, различных резервуарах и прочих системах, в коих коррозионная среда имеет примерно постоянный объем. Замедлители подразделяют на:

органические, неорганические, летучие;
анодные, катодные, смешанные;
работающие в щелочной, кислой, нейтральной среде.

Ниже указаны самые известные и часто используемые ингибиторы коррозии, которые отвечают требованиям СНиП для разных производственных объектов:

бикарбонат кальция;
бораты и полифосфаты;
бихроматы и хроматы;
нитриты;
органические замедлители (многоосновные спирты, тиолы, амины, аминоспирты, аминокислоты с поликарбоксильными свойствами, летучие составы "ИФХАН-8А", "ВНХ-Л-20", "НДА").

А вот уменьшить агрессивность коррозионной атмосферы можно такими методами:

вакуумированием;
нейтрализацией кислот при помощи едкого натра либо извести (гашеной);
деаэрацией с целью удаления из кислорода.

Как видим, на сегодняшний день существует немало способов защиты металлических конструкций и изделий. Важно лишь грамотно подобрать оптимальный для каждого конкретного случая вариант, и тогда детали и сооружения из стали и чугуна будут служить очень и очень долго.

7

Мы хотим очень кратко рассмотреть данные СНиП, описывающие требования к защите от ржавчины строительных (алюминиевых, металлических, стальных, железобетонных и иных) конструкций. В них даются рекомендации по использованию разных методов антикоррозионной защиты.

СНиП 2.03.11 предусматривают защиту поверхностей строительных конструкций следующими способами:

пропиткой (уплотняющего типа) материалами с повышенной химической стойкостью;
оклейкой пленочными материалами;
применением разнообразных лакокрасочных, мастичных, оксидных, металлизированных покрытий.

По сути, данные СНиП позволяют использовать все описанные нами способы защиты металлов от ржавления. При этом правила оговаривают состав конкретных защитных средств в зависимости от того, в какой среде располагается строительное сооружение. С этой точки зрения среды могу быть: средне-, слабо- и сильноагрессивными, а также полностью неагрессивными. Также в СНиП принято деление сред на биологически и химически активные, на твердые, жидкие и газообразные.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, либо уменьшая скорость, либо прекращая его полностью. Коррозионные диаграммы, наиболее полно характеризующие коррозионный процесс, должны отражать и те изменения в ходе протекания, какие наблюдаются в условиях защиты. Коррозионные диаграммы можно использовать, поэтому при разработке возможных путей предохранения металлов от коррозии. Они служат основой для выяснения принципиальных особенностей того или иного метода. На таких диаграммах постулируется линейная зависимость между плотностью и потенциалом каждой частной реакции. Это упрощение оказывается вполне допустимым при качественной оценке особенностей большинства методов.

Эффективность защиты выражают через коэффициент торможения? или степень защиты Z . Коэффициент торможения показывает, во сколько раз уменьшается скорость коррозии в результате применения данного способа защиты, где и - скорость коррозии до и после защиты. Степень защиты указывает, насколько полно удалось подавить коррозию благодаря применению этого метода:

коррозия химический металл защита

Из всех методов защиты основанных на изменении электрохимических свойств металла под действием поляризующего тока, наибольшее распространение получила защита металлов при наложении на них катодной поляризации (катодная защита). При смещении потенциала металла в сторону более электроотрицательных значений (по сравнению с величиной стационарного потенциала коррозии) скорость катодной реакции увеличивается, а скорость анодной падает. Если при стационарном потенциале соблюдалось равенство, то при более отрицательном значении это равенство нарушается: причем.

Защита металла катодной поляризацией применяется для повышения стойкости металлических сооружений в условиях подземной (почвенной) и морской коррозии, а также при контакте металлов с агрессивными химическими средами. Она является экономически оправданной в тех случаях, когда коррозионная среда обладает достаточной электропроводностью, и потери напряжения (связанные с протеканием защитного тока), а следовательно, и расход электроэнергии сравнительно невелик. Катодная поляризация защищаемого металла достигается либо наложением тока от внешнего источника (катодная защита), либо созданием макрогальванической пары с менее благородным металлом (обычно применяются алюминий, магний, цинк и их сплавы). Он играет здесь роль анода и растворяется со скоростью, достаточной для создания в системе электрического тока необходимой силы (протекторная защита). Растворимый анод при протекторной защите часто называют «жертвенным анодом».

Катодная защита обычно связана с защитой черных металлов, так как из них изготавливается подавляющая часть объектов работающих под землей и при погружении в воду, например трубопроводы, свайные основания, пирсы, эстакады, суда и др. В качестве материала для расходуемых анодов-протекторов во всем мире широко применяется магний. Обычно он используется в виде сплавов с содержанием 6% алюминия, 3% цинка и 0,2% марганца; эти добавки предотвращают образование пленок, которые снижают скорость растворения металла. Выход защитного тока всегда меньше 100%, так как магний корродирует и на нем выделяется водород. Применяется также алюминий, легированный 5% цинка, но разность потенциалов с железом для сплава значительно меньше, чем для магниевого сплава. Она близка к разности потенциалов для металлического цинка, который также применяется для защиты при условии, что путем соответствующего легирования на анодах предотвращается пленкообразование, связанное с обычным для цинка загрязнением примесями железа Выбор материала для анодов - сложная задача. В почвах или других средах низкой проводимости необходима большая разность потенциалов, поскольку падение iR между электродами весьма велико, в то время как в средах высокой проводимости возможна более экономичная для использования малая разность потенциалов. Важными переменными являются расположение электродов, рассеивающая способность среды, т.е. ее способность обеспечить одинаковую плотность тока на всех участках защищаемой поверхности, а также поляризационные характеристики электродов. Если электроды погружены в почву, которая по каким-либо причинам неприемлема, например агрессивна по отношению к анодам, то обычно практикуется окружать последние ложем из нейтрального пористого проводящего материала, называемого засыпкой.

На практике катодная защита редко применяется без дополнительных мероприятий. Требуемый для полной защиты ток обычно бывает чрезмерно велик, и помимо дорогостоящих электрических установок для его обеспечения следует иметь в виду, что такой ток часто будет вызывать вредный побочный эффект, например чрезмерное защелачивание. Поэтому катодная защита применяется в сочетании с некоторыми видами покрытий. Требуемый при этом ток мал и служит только для защиты обнаженных участков поверхности металла.

Анодная защита. Многие металлы находятся в пассивном состоянии в некоторых агрессивных средах. Хром, никель, титан, цирконий легко переходят в пассивное состояние и устойчиво его сохраняют. Часто легирование металла, менее склонного к пассивации, металлом, пассивирующем легче, приводит к образованию достаточно хорошо пассивирующихся сплавов. Примером могут служить разновидности сплавов FeCr, представляющие собой различные нержавеющие и кислотоупорные стали, стойкие, например, в пресной воде, атмосфере, азотной кислоте и т.д. Для практического использования пассивности нужно такое сочетание свойств металла и среды, при котором последняя обеспечивает значение стационарного потенциала, лежащего в области. Подобное использование пассивности в технике защиты от коррозии известно давно и имеет огромное практическое значение Применение анодной защиты целесообразно в сильно агрессивных средах, например в химической промышленности. При наличие поверхности раздела жидкость-газ необходимо иметь в виду, что анодная защита не может распространяться на поверхность металла в газовой среде, что впрочем типично и для катодной зашиты. Если газовая фаза тоже агрессивна или имеется неспокойная поверхность раздела, что приводит к разбрызгиванию жидкости и оседанию капель ее на металл выше поверхности раздела, если происходит периодическое смачивание стенки изделия в определенной зоне, то приходится ставить вопрос об иных способах защиты поверхности выше постоянного уровня жидкости.

Анодная защита осуществляться простым наложение постоянной э.д.с. от постороннего источника электрической энергии. Положительный полюс подключается к защищаемому изделию, а около его поверхности помещают катоды сравнительно малого размера. Они размещаются в таком количестве и на таком расстоянии от защищаемой поверхности, чтобы обеспечить по возможности равномерную анодную поляризацию изделия. Этот способ применяется в том случае, если достаточно велик и нет опасности, при некоторой неизбежной неравномерности распределения потенциала анода, активации или перепассивации, т.е. выхода за пределы.

Таким способом можно защищать изделия из титана или циркония в серной кислоте. Нужно только помнить, что для пассивации сначала потребуется пропускание тока большей силы, что связано с переводом потенциала за. Для начального периода целесообразно иметь дополнительный источник энергии. Следует учитывать также большую поляризацию катодов, плотность тока на которых велика вследствие их малых размеров. Однако, если область пассивного состояния велика, то изменение потенциала катода даже на несколько десятых вольта не представляет опасности.

Покрытия, как метод защиты металлов от коррозии. Защита металлов, основанная на изменение их свойств, осуществляется или специальной обработкой их поверхности, или легированием. Обработка поверхности металла с целью уменьшения коррозии проводится одним из следующих способов: покрытием металла поверхностными пассивирующими пленками из его трудно растворимых соединений (окислы, фосфаты, сульфаты, вольфраматы или их комбинации), созданием защитных слоев из смазок, битумов, красок, эмалей и т.п. и нанесением покрытий из других металлов, более стойких в данных конкретных условиях, чем защищаемый металл (лужение, цинкование, меднение, никелирование, хромирование, свинцование, родирование и т.д.).

Защитное действие большинства поверхностных пленок можно отнести за счет вызванной ими механической изоляции металла от окружающей среды. По теории локальных элементов, их эффект следует рассматривать как результат увеличения электрического сопротивления

Скорость коррозии можно снизить также изменением свойств коррозионной среды. Это достигается или соответствующей обработкой среды, в результате которой уменьшается ее агрессивность, или введением в коррозионную среду небольших добавок специальных веществ, так называемых замедлителей или ингибиторов коррозии.

Обработка среды включает в себя все способы, уменьшающие концентрацию ее компонентов, особенно опасных в коррозионном отношении. Так, например, в нейтральных солевых средах и пресной воде одним из самых агрессивных компонентов является кислород. Его удаляют деаэрацией (кипячение, дистилляция, барботаж инертного газа) или смазывают при помощи соответствующих реагентов (сульфиты, гидразин и т.п.). Уменьшение концентрации кислорода должно почти линейно снижать предельный ток его восстановления, а следовательно, и скорость коррозии металла. Агрессивность среды уменьшается также при ее подщелачивании, снижение общего содержания солей и замене более агрессивных ионов менее агрессивными. При противокоррозионной подготовке воды для уменьшения накипеобразования широко применяется ее очистка ионнообменными смолами.

Ингибиторы коррозии разделяют, в зависимости от условий их применения, на жидкофазные и парофазные или летучие. Жидкофазные ингибиторы делят в свою очередь на ингибиторы коррозии в нейтральных, щелочных и кислых средах. В качестве ингибиторов для нейтральных растворов чаще всего применяются неорганические вещества анионного типа. Их тормозящее действие связано, по-видимому, или с окислением поверхности металла (нитриты, хроматы), или с образованием пленки труднорастворимого соединения между металлом, данным анионом и, возможно, кислородом (фосфаты, гидрофосфаты). Исключение представляют в этом отношении соли бензойной кислоты, ингибирующий эффект которых связан, главным образом, с адсорбционными явлениями. Все ингибиторы для нейтральных сред тормозят преимущественно анодную реакцию, смещая стационарный потенциал в положительную сторону. До настоящего времени еще не удалось найти эффективных ингибиторов коррозии металлов в щелочных растворах. Некоторым тормозящим действием обладают лишь высокомолекулярные соединения.

В качестве ингибиторов кислотной коррозии применяются почти исключительно органические вещества, содержащие азот, серу или кислород в виде амино-, имино-, тиогрупп, а также в виде карбоксильных, карбонильных и некоторых других групп. Согласно наиболее распространенному мнению, действие ингибиторов кислотной коррозии связано с их адсорбцией на границе раздела металл - кислота. В результате адсорбции ингибиторов наблюдается торможение катодного и анодного процессов, снижающие скорость коррозии.