Электрохимическая коррозия металлов это

Обновлено: 04.10.2024

Коррозия - это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой.

Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов, это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. Примером коррозионных процессов электрохимического характера является разрушение деталей машин и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, во влажной атмосфере, в технических растворах, под действием смазочно-охлаждающих жидкостей, применяемых при механической обработке металлов и т.д.

Причиной электрохимической коррозии является образование на поверхности металла большого количества микрогальванических пар, которые возникают по следующим причинам:

1. Наличие примесей металлов или других веществ, отличающихся по активности от основного металла.

2. Структурная неоднородность поверхности металла, что определяет наличие участков с разной активностью.

3. Неравномерность распределения деформаций в металле после термической и механической обработки и др.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:

- анодный - окисление металла: Ме - n? = Me n+

- катодный - восстановление ионов водорода в кислой среде:

2H + + 2e = H₂ или молекул кислорода, растворенного в воде, в случае атмосферной коррозии:

Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называются деполяризаторами. При атмосферной коррозии - коррозии во влажном воздухе при комнатной температуре - деполяризатором является кислород.

Пример 20. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием в нейтральном и кислом растворах? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

Решение. При таком контакте возникает коррозионный гальванический микроэлемент. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0,763 В), чем кадмий (-0,403) (табл. 12.1), поэтому он является анодом, а кадмий - катодом.

Анодный процесс: Zn - 2? = Zn 2+ .

Катодный процесс: в кислой среде: 2H + + 2? = H₂ ;

в нейтральной среде: 2H₂O + O₂ + 4? = 4OH - .

Так как ионы Zn 2+ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии в нейтральной среде будет Zn(OH)₂.

Скорость коррозии тем больше, чем сильнее различаются электродные потенциалы металлов, т.е. чем дальше они расположены друг от друга в ряду напряжений. Кроме того, скорость коррозии повышается при увеличении концентрации электролита и повышении температуры.

Защита от коррозии.

Все методы защиты условно делятся на следующие группы:

1. Легирование металлов. Это эффективный, хотя и дорогой метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивность металла вследствие образования на их поверхностях прочных оксидных пленок. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, вольфрам и др.);

2. Защитные покрытия (металлические, неметаллические). Металлические покрытия подразделяются на анодные и катодные. При анодном покрытии металл покрывается более активным металлом, расположенным в ряду напряжения левее, например железо – цинком, и вэтом случае при коррозии идет окисление цинка. При катодном покрытии металл покрывается менее активным металлом, например железо - оловом, и в этом случае при коррозии тдет окисление железа;

3. Электрохимическая защита (этот метод основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала - протектора, а также катодной или анодной поляризацией за счет тока от внешнего источника);

4. Изменение свойств коррозионной среды. Для снижения агрессивности среды уменьшают концентрацию компонентов, опасных в коррозионном отношении, например снижают концентрацию Н + - ионов – подщелачивание, удаляют кислород и др.

Пример 21. Какие процессы протекают при коррозии оцинкованного и луженого железа?

а) в кислой среде;

Решение. 1. Оцинкованное железо получают, покрывая железо тонким слоем цинка. При таком контакте возникает гальванический элемент. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0,763 В), чем железо (-0,44 В) (табл. 7.1), поэтому он является анодом, а железо - катодом. а) Схема ГЭ записывается в кислой среде:

Анодный процесс: Zn - 2? = Zn 2+ ;

катодный процесс: 2H + + 2? = H₂ .

Следовательно, цинк в этом случае корродирует вместо железа. Подобная защита металла, при которой он играет роль катода в процессе электрохимической коррозии, называется катодной защитой, а цинк в этом случае является анодным покрытием.

б) Для коррозии на воздухе схема ГЭ: (-) Zn ½ H₂O, O₂ ½ Fe (+).

катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4? = 4OH - .

Цинк защищает железо от коррозии даже после нарушения целостности покрытия.

2. Так называемую «белую жесть» получают, покрывая тонким слоем олова листовое железо. Сравнение электродных потенциалов железа (-0,44 В) и олова (-0,13 В) показывает, что железо окисляется легче олова, поэтому железо в этой паре играет анода.

a) В кислой среде: (-) Fe ½ HCl ½ Sn (+).

Анодный процесс: Fe - 2?= Fe 2+ ;

б) Во влажной атмосфере: (-) Fe ½ H₂O, O₂ ½ Sn (+).

Суммарный процесс: 2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe 2+ + 4OH - .

Олово защищает железо лишь до тех пор, пока защитный слой остается неповрежденным. Стоит только его повредить, как на железо начинают воздействовать воздух и влага. Олово даже ускоряет коррозию железа, потому что служит катодом в электрохимическом процессе коррозии. Подобная защита металла, при которой он играет роль анода в процессе электрохимической коррозии, называется анодной защитой, а олово в этом случае является катодным покрытием.

Пример 22. Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?

Решение. Сравнение электродных потенциалов железа (-0,44 В) и алюминия (-1,7 В) показывает, что алюминий этой паре является анодом, а железо - катодом. Схема ГЭ:

Таким образом, вблизи алюминиевого гвоздя труба будет защищена от коррозии. Однако алюминиевый гвоздь должен в этих условиях быстро корродировать, и в конце концов труба упадет. Продуктом коррозии будет белый порошок гидроксида алюминия.

Анодный процесс: Al - 3? = Al 3+ , х4

катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4? = 4OH - . х3

Суммарный процесс: 4Al + 6H₂O + 3O₂ = 4Fe 2+ + 12OH - .

Химическая коррозия

Химическая коррозия металлов – это опасное явление, способное привести к их полному разрушению. Процесс напрямую связан со способностью материала вступать во взаимодействие со средой, представляющей повышенную химическую опасность.

Среди важных свойств протекания химической коррозии металла – параллельный процесс окисления и восстановления. Ученые не отмечают прямой связи с электрическим током, который потенциально может образовываться или воздействовать на участвующие в реакции материалы.

Если рассматривать первопричину распространения такого процесса, то мы быстро придем к выводу – она кроется в термической нестабильности металлов разных типов.

Они склонные под воздействием окислительных компонентов среды быстро переходить в устойчивое состояние и зачастую это происходит полностью непроизвольно.

Процесс окисления и восстановления при протекании химической коррозии происходит на фоне уменьшения потенциала системы. При этом нужно учитывать знаки изменения потенциала, чтобы предсказать риск произвольного запуска такого процесса и его интенсивного протекания внутри материала.

Ученые определяют основным критерием, который стимулирует самопроизвольный процесс, такой показатель, как изобарно-изотермический потенциал G.

Когда реакция начинает протекать произвольно, он значительно убывает. При этом скорость уменьшения может меняться в зависимости от типа материалов, условий коррозионной среды и ряда других ключевых параметров.

Основные виды химической коррозии

Ученые выделяют два основных типа химической коррозии. Газовая протекает при контакте поверхности металла с газами. Она усиливается по мере изменения температуры среды.

Также химическая коррозия способна активно протекать в жидкостях-электролитах, если для этого формируются необходимые внешние условия.

Рассмотрим особенности обоих описанных процессов более подробно, чтобы понять, как можно создать дополнительную защиту от них.

Газовая коррозия металлов

Научная статистика показывает, что газовая коррозия металлов протекает наиболее часто. При рассмотрении химической порчи она значительно более распространена, чем жидкостное ржавение при контакте с электролитами.

Важный фактор здесь – высокая температура. Если металл сильно нагрет и на него начинает воздействовать газ, происходит разрушение.

Так как уровень температур должен быть достаточно высок, а при обычном использовании создать условия для протекания такой химической коррозии довольно сложно, процесс часто наблюдается в металлургии.

Из-за этого страдает оборудование, используемое при штамповке, ковке, горячей прокатке и других процессах. Без дополнительной защиты длительность использования подобной техники станет значительно меньше.

Опасность представляет и контакт металла с кислородом. Формула реакции, которая запускается в таком случае, выглядит следующим образом: Ме + 1/2О2 – МеО.

Эта реакция имеет четкое окислительное направление, потому напрямую связана с показателями парциального кислородного давления. Стоит обратить внимание на то, что реакция может быть равновесной, смещенной к образованию оксида, либо протекающей в обратном направлении.

Очень важно понимать, с какой газовой смесью контактирует металл в той области, где вы его используете. Хорошее понимание парциального давления кислорода в смеси даст нам температурный интервал.

Именно в нем будет запускаться окислительный процесс, приводящий к разрушению материала или значительному ухудшению уровня его качества.

Факторы скорости протекания газовой химической коррозии

По мере исследования особенностей процесса протекания химической коррозии, ученые смогли определить важные факторы, которые влияют на ее скорость и другие особенности. К ним относятся такие, как:

Температура среды, в которую погружен металл.
Состав сплава и другие особенности металла.
Особенности газовой среды, ее состав, преобладающие элементы.
Длительность контактирования материала с коррозийной средой.
Появляющийся продукт коррозии.

Как и в случае с другими типами коррозийных поражений, большое значение имеет тип и особенности создающейся на поверхности оксидной пленки.

Особенности формирования оксидных пленок при газовой коррозии

Весь процесс формирования оксидной пленки на поверхности металла можно разделить на две крупные стадии:

Абсорбирование молекул кислорода на поверхности металлического изделия

Это происходит на тех участках, которые находятся в непосредственном контакте с атмосферой. Заметно появление ионной связи – атом кислорода забирает у металла по два электрода.

Можно предположить, что формирование очень сильной и стабильной связи при протекании такой реакции связано с попаданием кислорода в особое поле атомов металла.

Когда поверхность материала будет полностью наполнена окислителем, окажется сформирована мономолекулярная пленка. Она имеет склонность к утолщению со временем. Это уменьшает дальнейший контакт с кислородом, но сам опасный коррозийный процесс уже оказывается запущен.

Формирование химического соединения

Это явление характерно для ситуации, в которой происходит активное взаимодействие металла и газа. Из-за воздействия окислительных компонентов сплав начинает активно терять валентные электроны. Стремительно формируются и накапливаются продукты коррозии.

Дальнейшее протекание процесса будет во многом характеризоваться особенностями оксидной пленки. Так если она отличается повышенным уровнем защиты, сам коррозийный процесс будет замедляться.

Виды оксидных пленок

Когда химическая коррозия происходит под действием температуры и газовой среды, могут сформироваться три вида пленок:

Тонкие. Со стороны заметить их будет невозможно. Они одни из самых не прочных, могут легко стираться под действием механического давления.
Средние. Могут быть замечены, потому что со стороны металл слегка меняет цвет.
Толстые. Хорошо заметны невооруженным глазом.

Чтобы не допустить протекание опасных процессов разрушения материала, важно сделать пленку защитной.

Факторы формирования защитной пленки

Оксидная пленка способна оказывать выраженное защитное воздействие на материал. Но для этого требуется, чтобы она соответствовала нескольким важным требованиям:

Сплошность. На поверхности пленка распределяется ровным слоем, без пор и участков, которые не затронуты ею.
Хорошее сцепление с поверхностью материала. Это требуется для удержания подобного защитного барьера на месте и исключения ухудшения его свойств.
Химическая инертность. Пленка будет защищать металл только в том случае, если она вступает в химические реакции с окружающей средой. В противном случае, есть большая опасность, что весь защитный эффект окажется сведен к нулю.

Так как материал будет использоваться на протяжении длительного времени и сложно предсказать, что станет воздействовать на него, большое значение имеет стойкость к износу и повышенный уровень твердости.

Не менее важен и тот факт, чтобы пленка не была пористой и рыхлой. Когда она плохо контактируется с поверхностью, риск протекания разрушающих процессов становится значительно выше.

При изучении различных свойств оксидных пленок, ученые особенно пристально рассматривают сплошность. Отмечается, что на нее влияет молекулярный объем. Его показатели должны быть выше атомного объема металла.

Сплошность не ставится на первое место при определении защитных свойств оксидной пленки только для небольшой группы металлов. В их числе щелочно-земельные и щелочные.

При проведении работ по защите от химической коррозии, большое внимание уделяется методу замера толщины. Анализ характеристик происходит на разных стадиях формирования. Большое значение имеют получаемые показатели скорости окисления металла и характер протекания подобного процесса.

Когда окислы оказываются сформированными, специалисты рекомендуют проверить, какую пленку они создали на поверхности, обладает ли она нужными защитными свойствами.

Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах

Хотя газовая коррозия считается наиболее распространенной, порчу металла при контакте с различными жидкостями-электролитами также не стоит сбрасывать со счетов. Большую опасность представляет контакт материала с веществами, способными проводить электричество.

Их делят на две крупные группы – органические и неорганические. Электролитов, представляющих большую опасность для металла, много – от расплавленной серы и бензола до жидкого брома, спирта, керосина, нефти и других.

Большое значение при протекании химической реакции играет чистота электролита. Когда он полностью чист, взаимодействия не наблюдается. Но стоит только попасть в состав небольшому количеству примесей, реакция начинает развиваться особенно стремительно.

Еще один дополнительный фактор риска – присутствие влаги. Тогда к опасности химической коррозии также прибавляется и угроза электрохимической.

Стадии протекания коррозии в жидкостях-неэлектролитах

Если рассматривать весь процесс более подробно и анализировать, что влияет на скорость химической коррозии, можно выделить несколько стадий ее протекания:

Контакт окислителя с поверхностью материала.
Запуск процесса хемосорбции реагента на поверхности.
Протекание реакции металла и окислителя, формирование оксидной пленки.

Условия среды, состав сплава и самого электролита могут повлиять на протекание нескольких основных процессов. К ним относятся такие, как десорбция оксидов с металлом и диффузия оксидов в неэлектролит. Но оба процесса также могут и не наблюдаться.

Чтобы не допустить запуска коррозии в жидкостях-электролитах, стоит позаботиться о нанесении на поверхность специальных защитных составов. Важно, чтобы на протяжении всего времени использования изделия они полностью сохраняли свою целостность.

Факторы протекания химической коррозии

Большое значение при рассмотрении процесса химической коррозии металлов имеет определение факторов, оказывающих на нее влияние. К ним относятся такие, как:

Температура

Все окислительные процессы протекают быстрее, если температура сильно увеличивается.

Температурный режим

В особой группе риска оказываются металлические изделия, которые на протяжении определенного времени начинают охлаждаться и нагреваться попеременно. В таком случае сильно страдает защитная пленка. Она начинает трескаться, в местах, где это происходит, металл контактирует со средой, запускается повторное окисление. Новая пленка также формируется на фоне постепенного отслоения старой.

Состав среды

Это относится как к газам, так и к электролитам в жидком виде. Как уже было отмечено выше, даже небольшие загрязнения жидкости могут привести к тому, что скорость коррозийного повреждения станет значительно выше.

Состав сплава

В сплав металла добавляют различные компоненты, которые могут, как затормозить, так и ускорить окисление. К примеру, сильными замедлителями признаны такие добавки, как титан, медь и кобальт. Хорошо влияют на уменьшение скорости протекания процесса хром и алюминий.

Тип обработки поверхности

Ученые во время исследований показали, что гладкая поверхность отличается заметно более высокой устойчивостью к окислению, процесс протекает медленнее. Если же на поверхности металла много бугров, есть выраженные дефекты, стоит готовиться к более быстрому протеканию.

Структура материала

Уравнение химической коррозии показывает, что значительное замедление коррозийного процесса характерно для металлов с аустенитной структурой.

Подведем итоги

В этой статье мы рассмотрели виды химической коррозии и то, чем она отличается от электрохимической. При условии соблюдения ряда требований, удается заметно уменьшить риск разрушения металла. К ним относятся такие, как:

Контроль формирования защитной оксидной пленки.
Исключение контакта определенных материалов с агрессивными средами.
Использование дополнительных защитных покрытий.
Отслеживание состава газовой смеси или электролита.
Применение металлов с компонентами сплава, замедляющими реакцию.

Соблюдение перечисленных требований позволит значительно увеличить длительность использования вашего металлического изделия.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия - самый распространенный вид коррозии. Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. При этом восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости. Первопричиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в окружающих их средах. Ржавление трубопровода, обивки днища морского суда, различных металлоконструкций в атмосфере - это, и многое другое, примеры электрохимической коррозии.

К электрохимической коррозии относятся такие виды местных разрушений, как питтинги, межкристаллитная коррозия, щелевая. Кроме того процессы электрохимической коррозии происходят в грунте, атмосфере, море.

Механизм электрохимической коррозии может протекать по двум вариантам:

1) Гомогенный механизм электрохимической коррозии:

- поверхностный слой мет. рассматривается как гомогенный и однородный;

- причиной растворения металла является термодинамическая возможность протекания катодного или же анодного актов;

- К и А участки мигрируют по поверхности во времени;

- скорость протекания электрохимической коррозии зависит от кинетического фактора (времени);

- однородную поверхность можно рассматривать как предельный случай, который может быть реализован и в жидких металлах.

2) Гетерогенный механизм электрохимической коррозии:

- у твердых металлов поверхность негомогенная, т.к. разные атомы занимают в сплаве различные положения в кристаллической решетке;

- гетерогенность наблюдается при наличии в сплаве инородных включений.

Электрохимическая коррозия имеет некоторые особенности: делится на два одновременно протекающих процесса (катодный и анодный), которые кинетически зависимы друг от друга; на некоторых участках поверхности электрохимическая коррозия может принять локальный характер; растворение основного мет. происходит именно на анодах.

Поверхность любого металла состоит из множества короткозамкнутых через сам металл микроэлектродов. Контактируя с коррозионной средой образующиеся гальванические элементы способствуют электрохимическому его разрушению.

Причины возникновения местных гальванических элементов могут быть самые разные:

1) неоднородность сплава

- неоднородность мет. фазы, обусловленная неоднородностью сплава и наличием микро- и макровключений;

- неравномерность окисных пленок на поверхности за счет наличия макро- и микропор, а также неравномерного образования вторичных продуктов коррозии;

- наличие на поверхности границ зерен кристаллов, выхода дислокации на поверхность, анизотропность кристаллов.

2) неоднородность среды

- область с ограниченным доступом окислителя будет анодом по отношению к области со свободным доступом, что ускоряет электрохимическую коррозию.

3) неоднородность физических условий

- облучение (облученный участок - анод);

- воздействие внешних токов (место входа блуждающего тока - катод, место выхода - анод);

- температура (по отношению к холодным участкам, нагретые являются анодами) и т. д.

При работе гальванического элемента одновременно протекает два электродных процесса:

Анодный - ионы металла переходят в раствор

Происходит реакция окисления.

Катодный - избыточные электроны ассимилируются молекулами или атомами электролита, которые при этом восстанавливаются. На катоде проходит реакция восстановления.

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH - (кислородная деполяризация в нейтральных, щелочных средах)

O₂ + 4H + + 4e → 2H₂O (кислородная деполяризация в кислых средах)

2 H + + 2e → H₂ (при водородной деполяризации).

Торможение анодного процесса приводит к торможению и катодного.

При соприкосновении двух электропроводящих фаз (например, мет. - среда), когда одна из них заряжена положительно, а другая отрицательно, между ними возникает разность потенциала. Это явление связано с возникновением двойного электрического слоя (ДЭС). Заряженные частицы располагаются несимметрично на границе раздела фаз.

Скачек потенциалов в процессе электрохимической коррозии может происходить из-за двух причин:

При достаточно большой энергии гидратации ионы металла могут отрываться и переходить в раствор, оставляя на поверхности эквивалентное число электронов, которые определяют ее отрицательный заряд. Отрицательно заряженная поверхность притягивает к себе катионы мет. из раствора. Так на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой.

На поверхности металла разряжаются катионы электролита. Это приводит к тому, что поверхность мет. приобретает положительный заряд, который с анионами раствора образует двойной электрический слой.

Иногда возникает ситуация, когда поверхность не заряжена и, соответственно, отсутствует ДЭС. Потенциал, при котором это явление наблюдается называется потенциалом нулевого заряда (φ_N). У каждого металла потенциал нулевого заряда свой.

Величина электродных потенциалов оказывает очень большое влияние на характер коррозионного процесса.

Скачок потенциала между двух фаз не может быть измерен, но при помощи компенсационного метода можно измерить электродвижущую силу элемента (ЭДС), который состоит из электрода сравнения (его потенциал условно принят за ноль) и исследуемого электрода. В качестве электрода сравнения берется стандартный водородный электрод. ЭДС гальванического элемента (стандартный водородный электрод и исследуемый элемент) называют электродным потенциалом. Электродами сравнения могут также выступать хлорсеребряный, каломельный, насыщенный медно-сульфатный.

Международной конвенцией в Стокгольме 1953г. решено при записях электрод сравнения всегда ставить слева. При этом ЭДС рассчитывать, как разность потенциалов правого и левого электродов.

Если положительный заряд внутри системы движется слева направо - ЭДС элемента считается положительной, при этом

где F - число Фарадея. Если положительные заряды будут двигаться в противоположном направлении, то уравнение будет иметь вид:

При коррозии в электролитах самыми распространенными и значимыми являются адсорбционные (адсорбция катионов или анионов на границе раздела фаз) и электродные потенциалы (переход катионов из металла в электролит или наоборот).

Электродный потенциал, при котором металл находится в состоянии равновесия с собственными ионами называется равновесный (обратимый). Он зависит от природы металлической фазы, растворителя, температуры электролита, активности ионов мет.

Равновесный потенциал подчиняется уравнению Нернста:

где, E ο - стандартный потенциал мет.; R - молярная газовая постоянная; n - степень окисления иона мет.; Т - температура; F - число Фарадея;α_{Me n+} - активность ионов мет.

При установленном равновесном потенциале электрохимическая коррозия не наблюдается.

Если по электроду проходит электрический ток - равновесное состояние его нарушается. Потенциал электрода изменяется в зависимости от направления и силы тока. Изменение разности потенц., приводящее к уменьшению силы тока, принято называть поляризацией. Уменьшение поляризуемости электродов называют деполяризацией.

Скорость электрохимической коррозии тем меньше, чем больше поляризация. Поляризация характеризуется величиной перенапряжения.

Поляризация бывает трех типов:

- электрохимическая (при замедлении анодного или катодного процессов);

- концентрационная (наблюдается, когда скорость подхода деполяризатора к поверхности и отвода продуктов коррозии мала);

- фазовая (связана с образованием на поверхности новой фазы).

Электрохимическая коррозия наблюдается также при контакте двух разнородных металлов. В электролите они образуют гальванопару. Более электроотрицательный из них будет анодом. Анод в процессе будет постепенно растворяться. При этом идет замедление или даже полное прекращение электрохимической коррозии на катоде (более электроположительном). Например, при контакте в морской воде дюралюминия с никелем интенсивно растворятся будет именно дюралюминий.

Причины электрохимической коррозии и способы защиты металла

Электрохимическая коррозия металлов – одна из насущных проблем человечества с того момента, как в производстве различных, необходимых человеку предметов, стали использоваться изделия из металла. Проблема защиты металлов от коррозии всегда стояла остро, потому что под действием разрушительных процессов окисления предметы теряли функциональность, деформировались и приходили в негодность, и нужно было искать способы их защиты.

Когда химия выделилась в отдельную науку, а использование металлов стало приобретать широкое промышленное значение, человечество начало исследовать эти процессы и искать способы борьбы с разрушениями от внешних воздействий.

Что такое коррозия

Процесс разрушения верхнего слоя металлического материала под влиянием внешних воздействий называется коррозией в широком смысле.

Термин коррозия в данном случае – только характеристика того, что металлическая поверхность вступает в химическую реакцию и теряет под её влиянием свои изначальные свойства.

4 основных признака, по которым можно определить, что этот процесс существует:

процесс, развивающийся на поверхности, и со временем проникающий внутрь металлического изделия;
реакция возникает самопроизвольно от того, что нарушается устойчивость термодинамического баланса между окружающей средой и системой атомов в сплаве или монолите;
химия воспринимает этот процесс не просто, как реакцию разрушения, но как реакцию восстановления и окисления: при вступлении в реакцию одни атомы замещают другие;
свойства и особенности метала при такой реакции претерпевают значительные изменения, или утрачиваются там, где она происходит.

Виды коррозии

В зависимости от типа металла и окислительно-восстановительной реакции, происходящей с ним, коррозия может быть:

равномерной или неравномерной;
местной и точечной (отдельные участки почему-либо вступили в реакцию, а другие – нет);
язвенной, известной еще как питтинг;
подповерхностной;
растрескивающейся;
межкристаллической, возникающая вдоль границ кристалла металла.

Также в зависимости от того, какие именно внешние факторы воздействуют на поверхность, коррозия бывает химической и электрохимической. Химическая коррозия происходит в результате некоторых реакций под влиянием химических взаимодействий, но без участия электрического тока, и может быть присуща даже нефти и газу. Электрохимическая отличается определенными процессами, она более сложная, чем химическая.

На видео: коррозия металлов.

Причины и признаки электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия отличается от химической тем, что процесс разрушения проходит в системе электролитов, отчего внутри этой системы возникает электрический ток. Два сопряжённых процесса, анодный и катодный, приводят к удалению из кристаллической решетки металла неустойчивых атомов. Ионы при анодном переходят в раствор, а электроны от анодного процесса попадают в ловушку к веществу-окислителю и связываются деполяризатором.

Таким образом, деполяризация – это отвод с катодных участков свободных электронов, а деполяризатор – вещество, которое отвечает за этот процесс. Основные реакции происходят с участием водорода и кислорода в роли деполяризаторов.

Существует множество примеров электрохимической коррозии разного типа, которая оказывает воздействие на металлические поверхности в природе и проходит под влиянием различных условий. Водород при этом работает в кислой среде, а кислород – в нейтральной.

Практически все металлы подвергаются электрохимической коррозии, и по этому признаку их разбивают на 4 группы, определяют величину их электродного потенциала:

активные коррозируют даже в той среде, где нет окислителей;
среднеактивные вступают в реакцию окисления в кислотной среде;
малоактивные не вступают в реакцию при отсутствии окислителей и в нейтральных, и в кислых средах;
не вступают в реакцию — высокой стабильности (благородные металлы, палладий, золото, платина, иридий).

Самый распространенный вид электрохимической коррозии – атмосферная.

Но эта же реакция может протекать и в воде, в растворах оснований, солей и кислот. В узкоспециальном различии атмосферной коррозии различают почвенную и аэрационную, морскую и биологическую (протекающую под воздействием бактерий).

Есть даже электрическая коррозия, которая протекает под воздействием электрического тока, и является результатом работы блуждающих токов, возникающих там, где электрический ток используется человеком для осуществления определенной деятельности.

Гомогенная металлическая поверхность при этом разрушается из-за термодинамической неустойчивости к окружающей среде. А гетерогенная – из-за состава кристаллической решётки, в которой атомы одного металла держатся плотнее, чем атомы инородных вкраплений. Эти реакции отличаются скоростью протекания ионизации ионов, и восстановления окислительных компонентов окружающей среды.

Разрушение металлических поверхностей при электрохимической коррозии состоит в одновременном протекании двух процессов: анодного и катодного, и отличия процессов состоят в том, что растворение происходит на анодах, которые и контактируют с окружающей средой через множество микроэлектродов, которые входят в состав поверхности любого металла и замкнуты на себя.

Характерными примерами электрохимической коррозии можно считать протекание коррозионных процессов на днищах морских судов или в атмосфере на металлических конструкциях.

Необходимость антикоррозионной защиты

Защита металла от воздействий, которые разрушающе действуют на его поверхность – одна из основных задач, возникающих перед теми людьми, которые работают с механизмами, агрегатами и машинами, морскими судами и строительными процессами.

Любой металл, кроме благородных, в той или иной степени, подвергается воздействию разрушительных процессов.

Чем активнее эксплуатируется устройство или деталь, тем больше шансов у нее подвергнуться разрушительному воздействию и атмосферных условий, жидкостей, с которыми приходится сталкиваться в процессе работы. Над защитой металла от коррозии работают многие отрасли науки и промышленного производства, но основные способы остаются при этом неизменными, и состоят в создании защитных покрытий:

металлических;
неметаллических;
химических.

Неметаллические покрытия создаются с помощью органических и неорганических соединений, их принцип действия достаточно эффективен и отличается от остальных типов защиты. Для создания неметаллической защиты в промышленном и строительном производстве используются лакокрасочные составы, бетон и битум и высокомолекулярные соединения, особенно активно взятые на вооружение в последние годы, когда больших высот достигла химия полимеров.

Химия внесла свой вклад в создание защитных покрытий методами:

оксидирования (создания защитной пленки на металле с помощью оксидных пленок);
фосфатирования (фосфатных пленок);
азотирования (насыщения поверхности стали азотом);
цементации (соединения с углеродом);
воронения (соединения с органическими веществами);
изменения состава металла путем введения в него антикоррозийных добавок);
модификации окружающей коррозийной среды путем введения ингибиторов, влияющих на нее.

Электрохимическая защита от коррозии – это процесс, обратный электрохимической коррозии. В зависимости от смещения потенциала металла в положительную или отрицательную стороны, различают анодную и катодную защиту. Путем подсоединения к металлическому изделию протектора или источника постоянного тока на металлической поверхности создается катодная поляризация, которая и препятствует разрушению металла через анод.

Электрохимические методы защиты состоят в двух вариантах:

металлическое покрытие защищено другим металлом, у которого более отрицательный потенциал (то есть, защищающий металл менее устойчив, чем защищаемый), и это называется анодное покрытие;
покрытие нанесено из менее активного металла, и тогда он является и называется катодным.

Анодная защита от коррозии – это, например, оцинкованное железо. Пока не израсходуется весь цинк с защитного слоя, железо будет в относительной безопасности.

Защита катодным способом – это никелирование или нанесение меди. В этом случае разрушение защитного слоя приводит и к разрушению того слоя, который он защищает. Присоединение протектора для предохранения металлического изделия ничем не отличается от протекания реакции в других случаях. Протектор выступает в роли анода, а то, что находится под его протекторатом, остается в сохранности, используя созданные ему условия.

Способы защиты металла

Электрохимическая коррозия – одно из основных препятствий, которые встречаются на пути человеческой деятельности. Защита от воздействия разрушительных процессов и их протекания на поверхности конструкций и сооружений – одна из перманентных и насущных задач любого промышленного производства, и любой бытовой деятельности человека.

Разработано несколько способов такой защиты, и все они активно применяются в повседневном цикле жизнедеятельности:

Электрохимическая защита – электролитическое по принципу работы использование химических закономерностей, защищает металл с помощью анодного, катодного и протекторного принципа.
Э лектроискровая обработка с использованием различных установок – бесконтактных, контактных, анодно-механических.
Электродуговое напыление – основное преимущество в толщине наносимого слоя и относительной дешевизне производимого процесса.
Эффективная антикоррозийная обработка – удаление загрязнений и очистка обрабатываемой поверхности, с последующим нанесением на поверхность сначала противокоррозионного, а затем и дополнительного защитного слоя.

Все эти способы наработаны в процессе деятельности человека с целью защиты инструментария, средств передвижения и транспортировки на стыке нескольких промышленных отраслей, и с использованием научных достижений.

Электрохимическая коррозия, которая является естественным процессом разрушения поверхности металла под воздействием нейтральных или агрессивных факторов окружающей среды, представляет собой сложную проблему. Убытки от нее терпят и машиностроительные, и транспортные, и промышленные предприятия, средства передвижения. И это проблема, которая требует ежедневного разрешения.

Электрохимическая коррозия относится к наиболее часто встречающимся процессам постепенного разрушения металла.

Как мы знаем, наше окружение наполнено электричеством.

В зависимости от среды, меняются показатели проводимости. Не отличается то, что при контакте с такой средой сталь начинает постепенно портиться.

У процесса есть несколько важных отличий.

В первую очередь – неодновременное протекание восстановления окислительного процесса и ионизации атомов металла.

На интенсивность распространения при этом влияет такой параметр, как электродный потенциал металла.

Главная причина электрохимической коррозии в том, что большинство металлов проявляют термодинамическую неустойчивость.

Примеры распространения коррозии такого типа встречаются в воде, почве, на открытом воздухе.

Она часто становится причиной потери прочности и постепенного разрушения металла на днище судов, трубопроводов, опор ЛЭП и других объектов.

Если говорить о типах электрохимической коррозии, то называют 3 разновидности:

щелевые поражения;
питтинги;
межкристаллическое повреждение.

Повреждаться могут разные типы металлов в зависимости от их расположения. Ржавчина появляется при контакте со стоячей и текущей водой, в местах соединения разных металлов, а также на сварных швах.

Какие механизмы отвечают за протекание электрохимической коррозии

Такое повреждение металла проводится двумя механизмами – гомогенным и гетерогенным. Рассмотрим каждый из них подробно.

Гомогенный. Первоначально затрагивается поверхностный слой металлического изделия. Постепенно металл начинает растворяться под действием актов – катодного или анодного. На протяжении определенного времени происходит миграция катода и анода. Со временем процесс ускоряется. Особенность гомогенного механизма в том, что затрагивает как твердые, так и жидкие металлы. Меняется только скорость течения.
Гетерогенный. У большинства твердых металлов не наблюдается гомогенной поверхности. Это связано с тем, что в самом материале состав кристаллической решетки может отличаться. Также как и в описанном выше случае, формируется анодный и катодный процессы, металл начинает постепенно разрушаться.

У такого вида процесса есть несколько особенностей.

В первую очередь – четкое деление на катодный и анодный процесс. Один из основных факторов, влияющих на их скорость протекания относительно друг друга – это время.

Схема электрохимической коррозии

В зависимости от типа металла, коррозия может быть локализована на отдельных участках. Также наблюдается растворение поверхностного слоя на анодах, что позволяет поражению затронуть обширные площади.

Здесь появляется еще одна особенность протекания процесса – формирование гальванических элементов. Это происходит из-за специфики структуры поверхности, на которой присутствуют микроэлектроды.

Из-за чего начинает развиваться коррозия

После того, как мы рассмотрели суть электрохимической коррозии, пришло время обратить внимание на причины распространения коррозии.

Среди них три распространенные:

Сплав имеет неоднородную структуру. В большинстве сплавов поверхность негомогенная, потому что в кристаллической решетке присутствуют посторонние включения. Ухудшает ситуацию и присутствие пор макро и микротипа. Это приводит к тому, что продукты коррозии также начинают образовываться неравномерно.
Неоднородная среда, в которой находится металл. Чтобы коррозия протекла быстрее, важен фактор доступа окислителя. Электрохимическая реакция может быть ускорена.
Отличие физических условий. Коррозия усиливается в том случае, если происходит облучение, в среде присутствуют блуждающие тока. Негативно влияет и температура, особенно при перепадах. В таком случае разница между холодными и теплыми местами становится причиной появления анода.

Именно по причине различия в критических факторах, скорость электрохимической коррозии может сильно меняться.

Главные внутренние факторы протекания электрохимической коррозии

На интенсивность распространения коррозийного поражения влияют две группы факторов – внешние и внутренние.

Текущее состояние поверхности металла

Когда поверхность металла неровная, коррозийный процесс протекает намного интенсивнее. Если на поверхности присутствуют небольшие выступы, они начинают накапливать воду.

Это может негативно повлиять на интенсивность распространения.

Чтобы не допустить такого фактора, важно использовать отшлифованный или отполированный металл.

Когда сталь гладкая, вода не так сильно повреждает ее, потому что постепенно происходит формирование равномерной пленки по всей поверхности.

Также хорошим средством для уменьшения поражения становится применение пассивирования, а также ряд других способов.

Степень термодинамической стойкости металла

Разные виды материалов отличаются разными показателями термодинамической устойчивости.

Наиболее стойкие разновидности материала не разрушаются при помещении в агрессивную среду.

Чтобы понять, есть ли у металла склонность к коррозии под действием термодинамических факторов, измеряют потенциал анодного и катодного процесса, а также изобарно-изотермического.

Именно такой фактор оказывает большое влияние на потенциальное воздействие среды на постепенное развитие коррозии.

К сожалению, у большинства представленных в продаже марок металлов стойкость невысокая. Есть и неустойчивые разновидности, у которых этот риск нивелируется благодаря склонности к образованию пассивных пленок на поверхности.

Кристаллографическая структура

Оказывает прямое воздействие на металл.

Как известно, атомы в кристаллической решетке располагаются по-разному. Лучше защищены те разновидности, у которых атомы упакованы неплотно.

Особенности решетки также учитывают при планировании защиты материала методом создания на нем специальных пленок. И пленка и сам основной материал должны четко соответствовать по составу друг другу или быть максимально приближенными.

В этом случае исключается появление напряжения, которое негативно отражается на текущем состоянии заготовки. Если контакт с агрессивной средой все-таки происходит, материал начинает разрушаться слой за слоем.

Гетерогенность

Этот фактор рассматривается в непосредственной связи с величиной зерна металла.

Если в сплаве есть выраженные анодные включения, они сильно влияют на ускорение протекания коррозии.

Катодные включения не столь опасны, потому что на интенсивности процесса не отражаются. Величина зерна как фактор риска рассматривается не так часто и этим показателем можно пренебречь.

Не стоит сбрасывать со счетов и механические факторы

Важно понимать, что многие конструкции из металла используются под постоянным напряжением.

К этой категории относится повышенное внутреннее напряжение, когда сильно увеличивается риск деформации.

Негативно влияют на качество металла также воздействие истирания, периодические контакты с другими металлическими изделиями.

Такой фактор оказывает значительное влияние на интенсивность распространения повреждения.

Даже если само сырье первоначально обладало стойкостью к потенциальным повреждениям, в таком случае она уменьшится – формируемые пленки просто не будут закрепляться на поверхности.

Потому лучше сразу исключить это условие электрохимической коррозии – постараться не использовать металлоконструкции под пиковыми сильными нагрузками, не допускать возникновения трения и соприкосновения между собой стальных деталей.

Основные внешние факторы электрохимической коррозии

Кроме внутренних, на металл также влияют и внешние факторы.

Они могут не только ускорять, но и замедлять процесс, а также влиять на характер его протекания.

К ним относятся следующие:

Температура. Температура сильно влияет на то, как себя ведет металл в разных условиях. От нее сильно зависит то, насколько быстро будут растворяться вторичные продукты коррозии. Среди других особенностей – запуск и стимуляция диффузионных процессов в металле, создание перенапряжения на электродах и другие проявления. Когда металлическое изделие помещается в растворы с кислородной деполяризацией, по мере прогрева электролита диффузия окислителя ускоряется. На фоне этого наблюдается сильное снижение перенапряжения ионизации кислорода.

Если деталь помещается в растворы неокисляющихся кислот, наблюдается коррозия с водородной деполяризацией.

Повышение температуры уменьшает скорость распространения повреждений, потому что сильно снижается перенапряжение водорода.

Отдельно стоит отметить ситуацию, когда металл уже покрывается специальной защитной пленкой. В этом случае сам тип пленки будет влиять на то, как именно она поведет себя при контакте с разными видами внешних угроз, в том числе, с повышением температуры.

Нагрев и охлаждение могут отразиться на состоянии катодов и анодов через их внутренние процессы.

В некоторых случаях полярность электродов значительно меняется.

Как мы уже отмечали выше, проблемы могу возникать из-за того, что разные участки детали нагреты до отличающихся друг от друга температур.

В этом случае стремительно увеличивается количество термогальванических пар, стимулирующих распространение коррозии на новые участки.

Уровень рН раствора, в который помещен металл. Такой показатель как рН указывает, насколько в растворе будут активными ионы водорода, и как быстро коррозия будет распространяться по материалу. Это опасно, потому что может непредсказуемо менять потенциал катодных процессов, формирование окисных пленок. Также создается значительное перенапряжение реакции на электродах. Рекомендуется не допускать контакта металла со средами, у которых показатель рН высокий.

Если по каким-то причинам металлическая заготовка оказалась помещена в раствор, большое значение будет иметь скорость, с которой он движется, а также само наличие внутренних колебаний.

Заранее определить точное воздействие будет сложно по той причине, что всегда непросто предсказать, как поведут себя нейтральные электролиты.

Cчитается, что при смешении электролита, меняются показатели диффузии кислорода, что значительно отражается на процессе протекания коррозии.

Можно уделять меньше внимания скорости движения электролита в том случае, если вы имеете дело со средами повышенной кислотности.

На них подобное поражение оказывает минимум влияния.

Чем отличаются анодный и катодный процессы

Если вы внимательно проследите за тем, как работает гальванический элемент, то увидите, что в нем протекают сразу два связанных друг с другом процесса – анодный и катодный.

Рассмотрим их более подробно.

Анодный процесс

В химии показывается формулой Fe → Fe2+ + 2e. Она показывает, что постепенно запускается окисление, ионы металла начинают переход в раствор.

Катодный процесс

Может протекать по-разному.

В частности, переизбыток электронов решается ассимиляцией атомами электролита и его молекул. На фоне этого происходит восстановительная реакция непосредственно на самом катоде.

Формула будет зависеть от того, в каких условиях протекает реакция.

Так при наличии водородной деполяризации можно записать процесс как 2 H+ + 2e → H2.

Важно понимать, что оба процесса сильно связаны друг с другом под влиянием кинетического фактора.

С течением времени может происходить взаимное замедление или ускорение анодного или катодного процесса. При этом сам анод всегда будет оставаться тем местом, на котором формируется коррозия металла.

Во время анализа протекания процесса коррозии часто обращают внимание на электропроводящие фазы и момент после их соприкосновения.

Обычно одна фаза имеет положительный заряд, в то время как другая – отрицательный. Это приводит к появлению разности потенциалов.

Таким образом возникает ДЭС или как его часто называют ученые – двойной электрический слой с ассиметричным расположением частиц в местах, где фазы разделяются.

Опасным для металла становится скачок потенциалов. Он может стимулироваться двумя центральными причинами:

Большая накопленная энергия гидратации. В таком случае наблюдается отрыв ионов металла и постепенное перетекание их в раствор. На поверхности в результате остается аналогичное число электронов, заряд становится отрицательным. Далее, в соответствии с законами физики, наблюдается перетекание катионов из раствора, формируется ДЭС на границе, как мы уже описывали выше.
Разряжение катионов электролита. В результате металл начинает стремительно принимать положительный заряд. ДЭС появляется из-за активности анионов раствора в контакте с катионами электролита.

Что происходит в том случае, если поверхностный слой металла совсем не имеет определенного заряда?

В таком случае ДЭС наблюдаться не будет, возникнет явление нулевого заряда.

Его потенциал будет отличаться в зависимости от того, с каким металлом вам приходится работать.

Описанный процесс значительно отражается на том, как протекает коррозия и как быстро она захватывает все новые и новые участки металла.

В современной науке нет средств, которые могли бы точно измерить величину скачка потенциала, значит и процесс формирования электродвижущей силы оказывается на таким интенсивным.

Если рассматривать вопросы, связанные с процессом поляризации, можно написать отдельную статью на эту тему.

Потому далее мы рассмотрим другой важный показатель – поляризацию.

Поляризация и ее влияние на скорость протекания коррозии

Процесс поляризации связан с интенсивностью распространения электрохимической коррозии.

Этот показатель отражает, насколько сильное перенапряжение наблюдается на определенном участке.

Принято выделять три вида поляризации:

Электрохимическая. Чаще всего наблюдается в ситуации, когда катодный и анодный процессы начинают замедляться.
Фазовая. Возникает в том случае, если на поверхности материала формируется новая фаза.
Концентрационная. Этот процесс появляется в том случае, если есть очень малые показатели скорости отвода продуктов коррозии, а также подхода деполяризатора.

Особенности поляризации также стоит учитывать в том случае, если вы заинтересованы в дополнительной защите металлов от постепенного разрушения.

Обеспечиваем эффективную защиту от коррозии

Наша компания предлагает заказчикам защиту металлоконструкций разных типов от коррозии.

В пользу работы с нами говорит сразу несколько факторов:

Опыт работы с 2007 года, есть постоянные заказчики.
Большие производственные площади. Три цеха для горячего цинкования, мощность 120 тысяч тонн в год.
Универсальность. Работаем со множеством видов изделий благодаря установленной на предприятии самой глубокой ванны в ЦФО – 3,43 метра.

Мы используем в процессе проверенное европейское оборудование. Даем гарантию соответствия качества товаров требованиям ГОСТ 9.307-89.

Чтобы получить дополнительные консультации и ответы на интересующие вас вопросы, звоните нам или оставляйте заявку на сайте.

Читайте также: