8 фактов о коррозии

Когда железо подвергается воздействию влаги вместе с кислородом, на нем образуется коррозия, что представляет собой процесс окисления, влекущий за собой потерю электронов. Такая реакция также известна как ржавление, в ходе которого обычно образуется красновато-коричневый гидратированный оксид железа.

Коррозия железа включает образование FeO(OH) или Fe(OH)₃ в присутствии кислорода и влаги. Минимальные условия для этой электрохимической реакции – это наличие электролита (например, водяных частиц) и окружающая среда с достаточным количеством кислорода. Загрязнители ускоряют процесс коррозии.

Коррозия железа происходит естественным образом, когда очищенное железо и его сплавы превращаются в химически стабильные соединения железа. Для очищенного металла это процесс постепенного разложения. Реакция носит электрохимический или химический характер.

В этой статье обсуждаются некоторые заметные особенности коррозии железа.

Коррозия железа не создает надежной защитной оксидной пленки

В отличие от некоторых важных металлов, таких как цинк, которые вначале корродируют с образованием защитной пленки металлических оксидов, служащей эффективным барьером для защиты основного материала от дальнейшего разрушения, железо не образует такой защитной пленки из своих оксидов. Вместо этого коррозия железа приводит к образованию красновато-коричневого, хлопьевидного, порошкообразного вещества (гидратированный оксид железа), называемого ржавчиной, которое не служит стабильным барьером защиты от дальнейшей коррозии.

По мере образования слоя гидратированных оксидов железа, он постоянно отслаивается, вместо того чтобы прочно прикрепиться к поверхности основного материала, оставляя его уязвимым для продолжения электрохимических реакций с дальнейшим развитием коррозии в присутствии кислорода, влаги и других загрязнителей

Слой гидратированного оксида железа не обладает свойством самовосстановления

Цинк образует оксидную пленку способную к восстановлению толщиной в несколько нанометров, которая автоматически восстанавливается при дальнейшем повреждении, в то время как слой гидратированного оксида железа, образующийся в результате коррозии железного металла, не восстанавливается самостоятельно при нарушении его целостности.

Таким образом, железосодержащие материалы остаются подверженными продолжающейся коррозии, если их контакт с кислородом и влагой не будет прекращен каким-либо другим способом.

Слой оксида железа магнетита (Fe₃O₄) может остановить дальнейшую коррозию железных деталей

Сине-черный оксид железа, называемый магнетит, может образовывать защитную пленку на поверхности железа, предотвращая дополнительные повреждения от коррозии в кислородосодержащей среде. Однако образование слоя Fe₃O₄ затруднено, и этот оксид может превращаться в другие формы оксидов железа, такие как Fe₂O₃ - красный оксид железа, который вступает в реакцию с H₂O и приводит к образованию волдырей и отслоек. Это негативно влияет на защиту, обеспечиваемую пленкой магнетита. Оксид цинка (ZnO) обеспечивает стабильную защиту от коррозии без риска изменения формы оксидных соединений.

В то же время, оксид цинка (ZnO) продолжает оставаться важным материалом в области антикоррозионной защиты, благодаря своей стабильности и отсутствию риска изменения формы оксидных соединений. Таким образом, использование оксида цинка в качестве покрытия или компонента сплава может дополнительно усилить антикоррозийную защиту железных материалов, обеспечивая продолжительный срок службы и сохранение свойств в различных условиях эксплуатации.

Нержавеющая сталь может не вызывать коррозии

Нержавеющие стали, в состав которых входит как минимум 11% хрома, способны образовывать пассивную пленку оксида хрома, которая защищает сталь от коррозии, связанной с содержанием железа. Эта пленка оксида хрома также обладает самовосстанавливающимися свойствами, благодаря чему защита от коррозии, обеспечиваемая оксидом хрома, становится стабильной и долговечной.

Ключевой фактор, обеспечивающий устойчивость нержавеющей стали к коррозии, - это пассивная пленка оксида хрома, которая образуется на поверхности материала. Однако, стоит отметить, что дополнительные элементы, включенные в состав стали, также могут улучшить ее антикоррозионные свойства. Например, добавление никеля увеличивает стойкость к коррозии в кислых и хлорсодержащих средах, а молибден повышает устойчивость к питтинговой коррозии.

Кроме того, структура и свойства нержавеющей стали могут быть оптимизированы благодаря различным методам термической обработки и закалки. Эти процессы могут улучшить устойчивость к коррозии, механические характеристики и другие свойства стали, делая ее идеальным материалом для применения в различных отраслях промышленности, где требуется высокая стойкость к коррозии и долговечность. Таким образом, комбинация химического состава, технологических процессов и правильного выбора сплава делает нержавеющую сталь устойчивой к коррозии и обеспечивает ее широкое применение в разнообразных условиях эксплуатации.

Сталь, в целом, более склонна к коррозии, чем чистое железо

Коррозия - это сопряженная электрохимическая реакция между одним анодом и одним или несколькими катодами. В углеродистой стали может быть две или более фаз; одна из фаз будет действовать как анод, а другая (и) - как катод (ы). Коррозия как реакция окисления происходит на аноде.

Чистое железо обладает лучшей стойкостью к окислению-коррозии, но обладает недостаточной стойкостью к агрессивным и другим химически активным веществам. По сравнению с кованым железом, чистое железо обладает значительно более высокой коррозионной стойкостью, которая из-за его однородной структуры ржавеет на внешней поверхности, в то время как кованое железо со слоистой структурой создает слои ржавчины между слоями.

Железный металл высокой чистоты может оставаться свободным от коррозии в лабораторных условиях в течение многих лет. Однако в соленых средах или загрязненных промышленных условиях чистое железо обладает низкой коррозионной стойкостью.

Коррозионная стойкость чистого железа в воде зависит от рН воды и любого растворенного в ней кислорода. Если значение pH выше 5, а растворенный кислород незначителен, то скорость коррозии практически ничтожна. Если значение pH незначительно ниже 5, риск коррозии возрастает.

Риск коррозии также зависит от степени погружения металлических поверхностей. Если поверхности постоянно и полностью погружены, скорость коррозии минимальна, а коррозионная стойкость максимальна. Если погружение является частичным и циклически изменяющимся, когда некоторые детали циклически подвергаются воздействию воздуха, то риск коррозии и скорость коррозии могут увеличиться.

Коррозионная стойкость чугуна зависит от его легирующих элементов

Выбирая правильную комбинацию легирующих элементов, коррозионная стойкость чугуна может быть оптимизирована для конкретных условий эксплуатации. Молибден, медь, хром, никель и кремний являются одними из важных легирующих элементов.

Молибден повышает механическую прочность чугуна и значительно повышает коррозионную стойкость к соляной кислоте. Для улучшения этих свойств в чугун добавляют около 4% молибдена.

Небольшое количество меди, добавленной в чугун, повышает его коррозионную стойкость к кислотам, таким как соляная кислота и серная кислота.

Добавление хрома в меньших количествах помогает повысить устойчивость к коррозии в морской воде. Более высокий процент (до 30%) отрицательно влияет на пластичность, но помогает повысить коррозионную стойкость металла к азотной кислоте.

Никель, добавляемый обычно для улучшения механических свойств, также повышает коррозионную стойкость чугуна, создавая на поверхности пленку оксида никеля. Иногда этому способствуют легирующие элементы, такие как кремний и хром. Повышая твердость металла, никель также защищает от кавитационной коррозии или эрозии, вызванной попаданием твердых частиц в жидкость, контактирующую с металлом.

Содержание кремния незначительно повышает коррозионную стойкость чугуна, хотя его доля составляет менее 14%. При превышении этого уровня коррозионная стойкость значительно повышается, чаще всего за счет пластичности, механической прочности и обрабатываемости.

Коррозионная стойкость чугуна с низким содержанием сплава может быть улучшена путем нанесения покрытий.

Низкоуглеродистые стали более устойчивы к коррозии, чем высокоуглеродистые и среднеуглеродистые стали

Мягкая сталь (низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода выше 0,08 и ниже 0,28) часто используется для применений, требующих коррозионной стойкости. Его коррозионная стойкость повышается за счет обработки поверхности, такой как нанесение покрытия. Влага и кислород в окружающей среде вызывают первоначальную коррозию мягкой стали. Если мягкая сталь полностью погружена в движущуюся воду, она корродирует быстрее, чем при погружении в неподвижную (статическую) воду.

Скорость коррозии низкоуглеродистой стали увеличивается из-за промышленных загрязняющих веществ, влажности окружающей среды и морской среды. Коррозия бетона часто сводится к минимуму за счет применения метода катодной защиты. Мягкую сталь, используемую в судах, автомобильных мостах, железнодорожных мостах и коммерческих зданиях, можно сделать прочной и устойчивой к коррозии, тщательно подобрав соответствующее защитное покрытие и систему катодной защиты.

Коррозию железа можно предотвратить

Некоторые популярные методы предотвращения коррозии железа включают:

Защитные покрытия. Тщательно подобранные и нанесенные покрытия действуют как физический барьер и как диэлектрический барьер, препятствующий передаче электрических зарядов, предотвращая тем самым электрохимическую реакцию, которая приводит к коррозии подложки из железа. Покрытия, подходящие для поверхностей из черных металлов, включают, среди прочего, полимочевину, полиуретан, эпоксидные смолы и акрил.
Расходуемые металлические покрытия. Если цинковое покрытие наносится на железистую поверхность, цинк сначала подвергнется коррозии (окислению) и защитит нижележащую железистую поверхность. Этот процесс называется холодным цинкованием. Цинк более активен по сравнению с черными металлами.
Воронение. В результате этого процесса на поверхности железа образуется пленка магнетита (сине-черного оксида железа). Огнестрельное оружие часто защищают от коррозии воронением. В дополнение к покрытию магнетитом, огнестрельное оружие должно быть хорошо смазано.
Метод катодной защиты. Этот метод снижает скорость коррозии металлической поверхности, превращая ее в катод в схеме электрохимической ячейки, в которой расходуемый металл (например, цинк) подключен в качестве анода. Если пассивный гальванический ток недостаточен, например, при защите больших конструкций, к системе катодной защиты подключается отдельный источник постоянного тока. Таким образом, система катодной защиты обеспечивает электроны, необходимые подложке из черного металла, чтобы превратить ее в катод по отношению к расходуемому аноду, предусмотренному в системе.

Заключение

Понимая электрохимические реакции, участвующие в коррозии железа, возможно обнаружить проблемы коррозии на ранней стадии и обеспечить принятие мер по устранению. Покрытие может уменьшить коррозионное повреждение железа, поскольку оно предотвращает процесс электрохимической реакции. Аналогичным образом, катодная защита может также защитить железные поверхности от коррозионных повреждений.