Коррозия металлов

25.02.2025 | Категория: Учебные материалы

23. Виды коррозии металлов

Коррозией называют постепенное разрушение металла от воздействия окружающей среды.

Сущность коррозии металлов заключается в следующем. Металлы, применяемые в строительстве, чаще всего встречаются в природе в виде устойчивых соединений с кислородом: Fe2О3; Fe3О4; А12О3 и с серой CuS; CuFeS2. При получении чистого металла эти соединения искусственным путем разрушают. Коррозия металлов в большинстве случаев заключается в восстановлении этих связей. Чаще всего образующиеся при коррозии соединения Fe2О3; CuS имеют неплотную структуру, плохо связаны с металлом. В таких случаях коррозия металла вызывает снижение прочности и даже разрушение металлических конструкций и деталей.

Коррозия металла, как правило, начинает развиваться с поверхности металла. Если она идет по всей поверхности металла, то носит название сплошной (рис. 18, а), если поражает отдельные участки металла, то называется местной (рис. 18, б). Коррозию, протекающую по границам зерен металла, называют межкристаллитной (рис. 18, в).

Начало коррозии сопровождается потерей поверхностью металла блеска. По мере протекания коррозии уменьшается сечение детали или конструктивного элемента.

По характеру протекания процесса металлы подвергаются двум видам коррозии: химической и электрохимической.

Химической коррозией называют процессы разрушения металла в сухих газах или жидкостях, не проводящих электрический ток (масло, бензин).

Газовая коррозия наиболее интенсивно протекает при повышенной температуре, например в печах. В этом случае на поверхности металлов интенсивнее протекают окислительные процессы, результатом которых является образование окисных пленок — так называемых окалин. При нормальной температуре через окисные пленки газы медленно диффундируют к поверхности металла. При высокой температуре скорость диффузии увеличивается, что приводит к интенсивному окислению поверхности металла и увеличению толщины слоя окалины. Окалина, слабо сцепляясь с металлом, постепенно отпадает от него, что ускоряет дальнейшую коррозию металла.

Жидкостной химической коррозии подвергаются металлы под воздействием нефти и особенно продуктов переработки — различных видов смазочных масел.

Такой коррозии подвергается поверхность металла трущихся деталей (осей, валов, подшипников).

Под воздействием температур, повышающихся от сил трения, давления, действия металлов как окислителей и катализаторов, смазочные масла постепенно разлагаются. Выделяющиеся из масел продукты, в том числе кислоты, разрушают металл трущихся деталей в поверхностях, контактирующих со смазкой.

Электрохимической коррозией называются процессы разрушения металла при соприкосновении с жидкостями, проводящими электрический ток (водными растворами солей, кислот, щелочей).

Большинство металлических конструкций и деталей подвергается электрохимической коррозии. Так же коррозия протекает во влажном воздухе (атмосферная коррозия), в минерализованных или кислых водах (подводная коррозия), во влажных грунтах (почвенная коррозия).

Процесс разрушения металла при электрохимической коррозии является результатом работы множества микрогальванических элементов, возникших па поверхности металла. Ниже рассмотрена атмосферная электрохимическая коррозия стали.

В атмосферной влаге растворены азот, кислород, что делает ее слабым электролитом. Если в воздухе имеются такие газы, как сернистый газ S02, то электрические

свойства воды повышаются. При попадании влаги на незащищенную поверхность стали расположенные рядом зерна цементита и феррита, выходящие на поверхность металла, частично погружены в воду — электролит. При погружении в электролит двух различных металлов или металла с неметаллом, соединенных между собой вне электролита проводником, возникает гальванопара (рис. 19). В паре металл — неметалл в электролите растворяется металл. Если пара состоит из двух металлов, то растворяется металл, стоящий правее в нижеприведенном ряду Au; Pt; Ag; Сu; Bi; Sb; Pb; Sn; Ni; Co; Fe; Cr; Zn; Mn; Ti; Al; Mg.

В рассматриваемом случае анодом (растворяющимся металлом) будет феррит, а катодом — цементит или неметаллические включения в стали. Растворившееся в воде железо в результате химических взаимодействий с водой образует гидрат окиси железа Fe(OH)3. С течением времени он переходит в соединение nFе2Оз*mН2О — хлопьевидное вещество, оседающее на поверхности металла,— ржавчину.

Чем однороднее металл, тем лучше он сопротивляется коррозии. Загрязненность поверхности металла, наличие на ней неровностей, царапин, трещин, увеличивают количество адсорбированной влаги, являющейся электролитом, что ведет к развитию коррозии. Усилению электрохимической коррозии способствует повышение температуры среды и влажности воздуха.

24. Защита металлов от коррозии

От коррозии металлических изделий в настоящее время теряется примерно 12% ежегодного производства черных металлов.

Металлы защищают от коррозии следующими способами.

Конструктивные и профилактические меры защиты.

Повышение коррозионной стойкости металла.

Изоляция поверхности металла конструкции от окружающей среды.

Перенесение коррозии с защищаемого металла на другой (протекторная защита).

Конструктивные к профилактические меры. При обработке поверхности металла для повышения коррозионной стойкости необходимо повышать чистоту обработки. При всех равных прочих условиях наиболее коррозионно стойки металлы в деталях с полированными поверхностями. Металлоконструкции в эксплуатируемых сооружениях, а также станки, оборудование и инструменты следует содержать в чистоте. Нельзя без необходимости наносить на поверхности металла удары. В месте удара возникают деформации, которые снижают коррозионную стойкость металла.

Конструкции и оборудование из металла следует предохранять от дождя и снега. Особенно необходимо защищать металл от отпотевания при изменении температуры.

Все металлическое оборудование и станки в соответствии с указаниями инструкций по уходу за ними должны периодически смазываться маслом. При длительной остановке или консервации оборудования металлические поверхности покрывают защитными смазками. Особо сложные и дорогостоящие станки и оборудование при консервации закрывают полиэтиленовыми мешками, куда вводят летучие замедлители коррозии.

Повышение коррозионной стойкости металла. Для этой цели при выплавке металла вводят легирующие добавки. Для сталей антикоррозионными легирующими добавками являются хром, никель, марганец, титан, медь. Из этих легирующих элементов больше всего распространен хром. Он образует на тщательно обработанной поверхности детали, лучше всего отполированной, плотную пленку окислов. Эта пленка предохраняет сталь от коррозии. Еще большей коррозионной стойкостью обладают хромоникелевые нержавеющие стали Х18Н10 ч Х18Н10Т. Они устойчивы против действия азотной и серной кислоты. В углеродистые и низколегированные стали, применяемые в строительстве, в качестве добавки, повышающей коррозионную стойкость, вводят медь. Так, сталь 15ХСНД содержит 0,2—0,4% меди, сталь 10ХСНД — 0,4—0,65%- Обе стали обладают повышенной коррозионной стойкостью против атмосферных воздействий.

Изоляция поверхности металла от непосредственного воздействия окружающей среды. Это наиболее распространенный способ защиты, заключающийся в нанесении на поверхность металла неметаллических и металлических покрытий пли в образовании в поверхностном слое металла защитной пленки.

Неметаллические покрытия получают путем нанесения на поверхность металла красок, лаков, эмалей, пластмасс, резины.

Красочные составы состоят в основном из пленкообразующих веществ и пигментов. В качестве пленкообразующего вещества применяют олифы, в качестве пигментов — свинцовый и железный сурик, а также свинцовые, цинковые, титановые белила.

Лаковые покрытия отличаются от красочных пленкообразующим веществом, в качестве которого применяют синтетические смолы, реже битумы, дегти.

Эмалевые покрытия наносят, как правило, в процессе изготовления детали. На защищаемые от коррозии поверхности металла наносят тонкий слой сырьевой смеси для получения специального стекла. Затем изделия обжигают. Слой эмали, обладая высокой химической стойкостью, защищает металл от коррозии.

Пластические массы являются наиболее современным антикоррозионным покрытием. Эти покрытия с каждым годом находят все большее распространение. В настоящее время связующими в пластмассах, применяемых для антикоррозионных покрытий, используют полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, эпоксидные н другие смолы. Пластические массы наносят на поверхность металла путем напыления слоя полимера газопламенным методом или путем наклеивания па поверхность металла листов или пленок из пластмассы. Для защиты закладных деталей сборных железобетонных конструкций на их поверхность наносят цементно-полистиролыгые и цементно-перхлорвиниловые обмазки.

Резиновые покрытия — это нанесение на поверхность металла сырой резины или резинового клея (гуммирование) с последующей вулканизацией.

Металлические антикоррозионные покрытия получают нанесением на поверхность металла тонкого слоя цинка, хрома, никеля, кадмия, олова, свинца и других металлов. Различают анодные и катодные покрытия. При анодном покрытии наносимый металл стоит в ряду, приведенном в конце параграфа 23, правее защищаемого металла. Если покрытие частично нарушено, то в этом месте создается гальванопара, в которой анодом (растворяющимся металлом) будет металл покрытия. Коррозия основного металла происходить не будет. Анодной защитой стали являются покрытия ее цинком и алюминием. Также покрытия наносят на закладные детали в сборных железобетонных конструкциях.

Катодные покрытия защищают металл только путем изоляции его от воздействия среды. Для таких покрытий применяют химически стойкие металлы, хорошо сцепляющиеся с защищаемым металлом. Катодную защиту стали осуществляют нанесением на ее поверхность никеля, хрома, свинца, олова. При местном нарушении защитного катодного покрытия начинается коррозия стали.

Нанесение металла защитного слоя осуществляют одним из описываемых ниже способов покрытия: гальваническим, металлизацией, горячим, диффузионным, плакированием.

Гальванический способ нанесения металлического защитного покрытия заключается в погружении изделия в ванну с электролитом и подведения к нему постоянного тока, которое делает изделие катодом. Анодом служит помещенная в ванну пластина или стержень из металла покрытия. При подаче тока к электродам протекает электрохимический процесс, при котором металл анода растворяется в электролите и затем осаждается тонким слоем на поверхности изделия. Гальваническое нанесение применяют при хромировании, никелировании, цинковании, кадмировании, меднении. В результате образуется тонкий плотный слой металла.

Металлизацию применяют для нанесения более толстого слоя цинка, алюминия, латуни, кадмия. Таким способом наносят на поверхности закладных деталей бетонных и железобетонных изделий цинк, алюминий или сплавы цинка с алюминием.

Осуществляется металлизация следующим способом. В пистолет — металлизатор подается проволока из металла покрытия. В пистолете создается электродуга, в которой металл покрытия расплавляется. Подводимый к пистолету сжатый воздух через форсунку выбрасывает расплавленный металл в виде мельчайших капелек. Ударяясь о поверхность детали или изделия, расплавленный металл сцепляется с защищаемым металлом, образуя плотное покрытие требуемой толщины. Для закладных деталей толщина цинкового покрытия составляет 0,1—0,15 мм. В городах, где наблюдается повышенная концентрация сернистых газов, толщина покрытия достигает 0,2 мм.

Горячее покрытие металлом осуществляют только в том случае, если расплавленный металл обладает свойством смачивать поверхность защищаемого металла, равномерно покрывать поверхность тонким слоем, прочно соединяющимся с защищаемым металлом. Для сталей такими металлами являются цинк, олово и свинец.

Горячее покрытие применяют для защиты от коррозии соединительных скоб, накладок и других элементов стыков крупноблочных и крупнопанельных бетонных и железобетонных зданий. Для этого соединительные элементы из стали с тщательно очищенной и обезжиренной поверхностью погружают в ванну с расплавленным цинком, температура которого 450—480° С. После извлечения из ванны на поверхности детали образуется защитный слой цинка, который частично сплавляется со сталью.

Диффузионный способ нанесения является одним из наиболее эффективных. Защитным металлом насыщают поверхностный слой металла детали или изделия. Диффузионным способом насыщают поверхностный слой металла хромом, алюминием, цинком. Поверхность металла насыщают, помещая деталь в порошок из защитного металла и присадок с последующим нагревом до температуры 400—1100° С (в зависимости от температуры плавления защитного металла).

Плакирование заключается в обертывании заготовок металла тонкими листами защитного металла и последующей горячей прокатки. В результате защитный металл приваривается к основному, образуя плотный защитный слой. Наиболее широко плакирование применяют для защиты дюралюминия, где в качестве защитного металла применяют чистый алюминий. Плакированию подвергают также углеродистую сталь. В качестве защитного металла при этом используют нержавеющую сталь, латунь.

Область применения металлических покрытий зависит от условий эксплуатации. Наибольшее распространение из металлических защитных покрытий получило хромовое. Цинковое применяют для защиты только от атмосферной коррозии и подводной в пресных водах. Оно получило наибольшее распространение для защиты закладных деталей и соединительных элементов в стыках сборных крупноблочных и крупнопанельных конструкций. Для подводной защиты в морских водах применяют кадмиевое покрытие. Никелевое покрытие используют не только как антикоррозионное, но и декоративное. Олово используют для защиты металлов в аппаратуре.

Защитные пленки получают путем превращения поверхностного слоя металла в соединения, обладающие большей коррозионной стойкостью, чем металл детали или изделия. При этом соединения должны быть плотными и хорошо соединяться с основным металлом. Чаще других на поверхности создают оксидные и фосфатные пленки.

Оксидирование (воронение) производят кипячением деталей в водном растворе, содержащем едкий натр, селитру и перекись марганца. На поверхности образуется пленка, состоящая в основном из магнитной окиси железа, которая предохраняет металл от окисления. Пленка имеет красивый темно-синий или черный цвет.

Фосфатную пленку образуют путем погружения изделия в растворную смесь фосфатной кислоты с ее железными и марганцевыми солями. Пленка состоит из фосфорнокислых соединений железа и марганца, обладающих высокой стойкостью против атмосферной и подводной (в пресных водах) коррозии. Цвет фосфатных пленок — серый или темно-серый.

Протекторная защита. К металлу конструкции прикрепляют протектор — пластину или цилиндр из металла, который находится в ряду, приведенном на стр. 83, правее защищаемого металла. Металл протектора в образованной с металлом конструкции гальванопаре является анодом, вследствие чего он разрушается. Коррозии защищаемого металла происходить не будет. Для стальных конструкций трубопроводов, мачт, опор ЛЭП и т. д. протекторы изготовляют из цинка, цинково-алюминиевых и магниевых сплавов.