Коррозия металлов: определение и сущность процесса
Коррозия металлов представляет собой самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Согласно ГОСТ 9.106-2021, коррозия определяется как физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, приводящее к изменению свойств металла и часто к значительному ухудшению функциональных характеристик металлического изделия или всей системы.
Процесс коррозии является термодинамически выгодным для металлов, так как большинство из них существуют в природе в химически связанном состоянии (оксиды, сульфиды). Для извлечения чистого металла из руды необходимо затратить значительную энергию, а обратный процесс окисления происходит самопроизвольно, возвращая металл в более стабильное энергетическое состояние.
Виды коррозии металлов
Классификация коррозионных процессов осуществляется по нескольким критериям: механизму протекания, характеру разрушения, условиям протекания и типу коррозионной среды. Основной является классификация по механизму взаимодействия металла с окружающей средой.
Химическая коррозия
Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих электрический ток, при отсутствии электрохимических процессов на границе фаз. Этот вид коррозии характерен для взаимодействия металла с сухими газами при высоких температурах. Примеры химической коррозии включают газовую коррозию металлов при термической обработке, окисление стали при горячей прокатке и коковке, разрушение деталей двигателей внутреннего сгорания.
При химической коррозии на поверхности металла образуются различные химические соединения - оксиды, сульфиды, хлориды в виде пленки. Защитные свойства этих пленок определяют скорость дальнейшей коррозии. Алюминий, хром, никель и титан способны образовывать плотные защитные пленки, препятствующие дальнейшему разрушению. Пленки на поверхности железа и его сплавов непрочны, легко разрушаются и не препятствуют проникновению коррозии в глубь металла.
Электрохимическая коррозия металлов
Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным видом коррозии и протекает в средах, проводящих электрический ток (электролитах). Этот процесс сопровождается переносом электронов от металла к окислителю и включает в себя два сопряженных процесса: анодный (окисление металла) и катодный (восстановление окислителя).
Примеры электрохимической коррозии: ржавление стальных конструкций в атмосфере, коррозия корпусов судов в морской воде, разрушение стальной арматуры в бетоне гидросооружений, коррозия подземных трубопроводов. При электрохимической коррозии на аноде происходит растворение металла (переход ионов металла в раствор), а на катоде восстанавливается окислитель, присутствующий в среде (кислород, ионы водорода).
Катодный процесс (кислородная деполяризация): O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
Катодный процесс (водородная деполяризация): 2H+ + 2e- → H2
По характеру разрушения различают сплошную (равномерную) и местную (локальную) коррозию. Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла относительно равномерно и легко поддается контролю. Местная коррозия концентрируется на отдельных участках и включает питтинговую (точечную), язвенную, щелевую и межкристаллитную коррозию. Питтинговая коррозия является одним из наиболее опасных видов разрушения из-за своей локализованности и малой заметности.
Защита металлов от коррозии
Защита металлов от коррозии - комплекс мероприятий, направленных на замедление или предотвращение коррозионных процессов. Методы защиты классифицируются на несколько групп в зависимости от принципа действия и способа реализации.
Металлические защитные покрытия
Металлические покрытия создают барьер между защищаемым металлом и агрессивной средой. По отношению к защищаемому металлу покрытия делятся на анодные и катодные. Анодное покрытие (например, цинк на стали) имеет более отрицательный электрохимический потенциал и защищает сталь даже при нарушении сплошности покрытия. Катодное покрытие (например, никель, медь, олово на стали) защищает только при сохранении целостности слоя.
Горячее цинкование является одним из наиболее эффективных методов защиты. Процесс заключается в погружении стальных изделий в расплавленный цинк при температуре 440-460°C. Толщина покрытия составляет 50-150 мкм, что обеспечивает защиту на срок до 50 лет. Audi стала пионером в применении полной оцинковки кузовов в массовом производстве, внедрив эту технологию в 1984 году на поколении B2, а затем продолжив на B3 с 1986 года.
Холодное цинкование - нанесение цинксодержащих составов (краски с содержанием цинка до 96%) на поверхность металла. Метод проще в применении и подходит для обработки крупногабаритных конструкций, обеспечивая защиту на 10-25 лет. Гальваническое покрытие - электрохимическое нанесение металлов (хром, никель, медь, цинк) в гальванической ванне с получением покрытий толщиной 5-50 мкм.
Неметаллические покрытия от коррозии
Лакокрасочные покрытия - наиболее распространенный метод защиты, основанный на создании барьерного слоя между металлом и средой. Современные лакокрасочные материалы содержат ингибиторы коррозии, пигменты и наполнители, повышающие защитные свойства. Срок службы качественного лакокрасочного покрытия составляет 5-10 лет при правильной подготовке поверхности и нанесении.
Полимерные покрытия включают эпоксидные, полиуретановые, полиэтиленовые покрытия, а также резину, каучук. Они обладают высокой химической стойкостью, эластичностью и долговечностью (10-20 лет). Применяются для защиты трубопроводов, резервуаров, судовых корпусов. Современные нанотехнологии позволяют создавать самовосстанавливающиеся покрытия, способные "залечивать" микротрещины.
Электрохимическая защита от коррозии
Протекторная защита основана на использовании более активного металла (протектора), который в образующейся гальванической паре является анодом и разрушается, защищая основную конструкцию. В качестве протекторов используют магний, цинк, алюминий и их сплавы. Метод широко применяется для защиты подземных трубопроводов, корпусов судов, нефтяных резервуаров.
Катодная защита заключается в подаче внешнего электрического тока от постоянного источника, при этом защищаемая конструкция становится катодом, а вспомогательный анод разрушается. Метод эффективен для защиты магистральных трубопроводов, подземных и подводных сооружений. Срок службы анодного заземления составляет 15-25 лет.
Ингибиторы коррозии
Ингибиторы коррозии - химические вещества, которые при добавлении в коррозионную среду в небольших количествах замедляют или полностью останавливают процесс коррозии. Принцип действия основан на адсорбции ингибитора на поверхности металла и образовании защитной пленки, либо на изменении свойств коррозионной среды.
По механизму действия ингибиторы классифицируются на анодные (замедляют анодный процесс окисления металла), катодные (замедляют катодный процесс восстановления окислителя) и смешанные (воздействуют на оба процесса). По химическому составу различают органические (амины, имидазолины, танины), неорганические (нитриты, хроматы, фосфаты) и летучие ингибиторы (нитриты летучих аминов).
Эффективность ингибитора оценивается степенью защиты Z (%), определяемой по формуле:
где v0 - скорость коррозии без ингибитора, г/(м²·ч);
vи - скорость коррозии с ингибитором, г/(м²·ч)
Применение ингибиторов широко распространено в нефтегазовой промышленности для защиты трубопроводов и скважинного оборудования (АМДОР-ИК, Олазол-Т2П, Корексит-6350), в системах охлаждения двигателей (входят в состав современных антифризов), в системах отопления и водоснабжения (бикарбонат кальция, нитрит натрия), при травлении металлов (катионные ингибиторы КПИ-9, КПИ-1).
Скорость коррозии металла
Скорость коррозии - количественная характеристика коррозионного процесса, показывающая интенсивность разрушения металла в единицу времени. Различают весовой показатель скорости коррозии (потеря массы с единицы площади в единицу времени) и глубинный показатель (средняя глубина проникновения коррозии в металл).
Для равномерной коррозии весовой показатель скорости определяется по формуле:
где v - скорость коррозии, г/(м²·ч) или мг/(см²·сут);
Δm - убыль массы, г;
S - площадь поверхности, м²;
t - время испытания, ч
Глубинный показатель скорости коррозии рассчитывается по формуле:
где П - глубинный показатель, мм/год;
8,76 - коэффициент перехода (8760 ч/год ÷ 1000);
v - весовая скорость коррозии, г/(м²·ч);
ρ - плотность металла, г/см³
Согласно ГОСТ 9.908-85, по скорости коррозии металлы классифицируются на весьма стойкие (< 0,001 мм/год), стойкие (0,001-0,01 мм/год), пониженной стойкости (0,01-0,1 мм/год), малостойкие (0,1-1,0 мм/год) и нестойкие (> 1,0 мм/год).
Факторы, влияющие на скорость коррозии:
- Температура - с повышением температуры на каждые 10°C скорость коррозии увеличивается в 1,5-3 раза
- pH среды - в кислых средах коррозия протекает быстрее, чем в нейтральных и щелочных
- Концентрация окислителя - увеличение содержания кислорода в воде ускоряет коррозию
- Скорость движения среды - при турбулентном течении коррозия интенсивнее
- Наличие примесей - соли, кислоты, сероводород увеличивают агрессивность среды
- Механические напряжения - приводят к коррозионному растрескиванию
Коррозия автомобиля и методы защиты
Коррозия автомобиля - одна из основных проблем, снижающих срок службы транспортного средства. Наиболее подверженные коррозии элементы: днище автомобиля, колесные арки, пороги, дверные стойки, капот, крышка багажника, сварные швы и скрытые полости.
Основные причины коррозии автомобилей:
- Дорожные реагенты - соль и химические противогололедные смеси в зимний период
- Механические повреждения - сколы и царапины лакокрасочного покрытия от камней
- Влага - атмосферные осадки, конденсат в скрытых полостях
- Конструктивные недостатки - накопление грязи и воды под накладками, в полостях
- Некачественная мойка - повреждение покрытия абразивами, гидроудары
Современные методы защиты автомобиля от коррозии включают заводскую оцинковку кузова (полную или частичную), качественное лакокрасочное покрытие, антикоррозийную обработку днища мастиками или жидкими составами (ML, Dinitrol), обработку скрытых полостей консервирующими составами, применение антигравийных пленок на наиболее уязвимые участки.
Производители автомобилей, предоставляющие длительную гарантию на защиту от коррозии (12-30 лет): Audi (полная оцинковка с 1986 года), BMW, Mercedes-Benz, Volvo, Porsche. Бюджетные производители (Kia, Hyundai, Lada, Nissan) часто применяют частичную или холодную оцинковку, что снижает срок антикоррозионной защиты до 5-7 лет.
ГОСТы и стандарты по коррозии металлов
Нормативно-техническая база по коррозии и защите металлов в России представлена системой ГОСТов серии 9.xxx (Единая система защиты от коррозии и старения - ЕСЗКС), а также строительными нормами и правилами (СП).
ГОСТ 9.106-2021 устанавливает термины и определения основных понятий в области коррозии металлов и методов защиты. Согласно этому стандарту, коррозия классифицируется на два основных типа: химическую и электрохимическую.
ГОСТ 9.908-85 определяет методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости металлов и сплавов. Стандарт устанавливает количественные показатели (весовой, глубинный, механический) и методы их определения при различных видах коррозии.
ГОСТ 9.602-2016 устанавливает общие требования к защите от коррозии подземных сооружений. Документ регламентирует применение лакокрасочных покрытий, полимерных материалов, электрохимической защиты для трубопроводов и металлических конструкций, эксплуатируемых в грунте.
СП 28.13330.2017 "Защита строительных конструкций от коррозии" устанавливает требования к проектированию и выбору методов защиты строительных металлических конструкций от коррозии в различных условиях эксплуатации. Документ содержит рекомендации по выбору защитных покрытий, прибавкам на коррозию при расчете конструкций.
ГОСТ ISO 9226-2022 определяет методы оценки коррозионной агрессивности атмосферы и классифицирует атмосферы по степени коррозионной активности на категории C1 (очень низкая) до CX (экстремальная). Стандарт применяется для прогнозирования долговечности металлических конструкций.
