Что такое коррозия?

Коррозия является одной из главных проблем металлургической отрасли. Это процесс изменения или износа материала, вызванный химической и электрохимической реакцией, начинающейся на поверхности материала и распространяющейся в его более глубокие слои. Проще говоря, это процесс естественных химических реакций, происходящих на металлических поверхностях. Химическая структура, образующаяся в результате этого процесса, называется ржавчиной.

Одна из самых распространенных проблем, с которой сталкиваются производители в металлургической промышленности, — это ржавчина. Защита как необработанных, так и обработанных металлов от коррозии при хранении и транспортировке — критически важный процесс для производителей. Особенно в международных перевозках, где высокая влажность ускоряет процесс ржавления, очень важно максимально эффективно защищать детали во время транспортировки. Даже в хорошо упакованных деталях может остаться немного воздуха, что может запустить процесс коррозии. Чтобы избежать этого риска, всегда лучше покрывать детали защитным слоем.

Кроме того, ржавчина не только ухудшает внешний вид поверхности, но и усложняет обработку материала. Со временем ржавчина может проникнуть вглубь материала, сокращая его срок службы. Корродированные материалы требуют механической или химической обработки для дальнейшего использования, что приводит к дополнительным затратам на рабочую силу, потерю материала и время. Поэтому защита материала от коррозии с самого начала является более выгодным вариантом.

Коррозия может происходить двумя различными способами: химическим и электрохимическим.

1.Электрохимическая коррозия кислорода
Этот тип коррозии происходит в результате реакций окисления-восстановления (редокс-реакций). Атом, который является электрически нейтральным, может терять или получать электроны под воздействием определенных факторов. В водных средах реакции, происходящие при потере (окисление) или приеме (восстановление) электронов, называются "электрохимическими реакциями". Все коррозионные реакции, происходящие в воде, воздухе и под землей, являются электрохимическими. Это также называется влажной коррозией.

Структура коррозийной ячейки и реакции
Коррозия, происходящая на микро- или макроуровне, может быть смоделирована с использованием коррозионной ячейки. Коррозионная ячейка состоит из анода, катода, проводящей среды (электролита) и проводящего соединения между анодом и катодом. Если один из этих четырех компонентов отсутствует, коррозия не происходит. Коррозия возникает на материале, выполняющем роль анода. Электролитом может быть даже небольшое количество влаги в трещине или остаточный слой воды.

Процесс коррозии начинается с того, что кислород в воздухе взаимодействует с водой на металлической поверхности. Под каплей воды металлы начинают растворяться, а на краях капель ионов OH-, образующихся из кислорода в воздухе, реагируют с растворенным металлом, сначала образуя гидроксиды металлов (Me(OH)3), а затем превращая их в ржавчину (MeO(OH)).

Анод: Металл, подвергающийся коррозии (окисление)
Me → Me+n + ne-

Катод: Поверхность, на которой происходит реакция с электронами, освобожденными от анода (восстановление)
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

Электрический проводник: Металлический проводник, который переносит электроны от анода к катоду.

Электролит: Проводящая растворенная среда, обеспечивающая ионную связь между анодом и катодом.

Анодная реакция: Атомы металла теряют отрицательный заряд и превращаются в положительно заряженные ионы металла, при этом образуются электроны.
Me → Me+n + ne-

Катодная реакция: Функция катодной реакции — использовать электроны, образующиеся в анодной реакции.
Me+n + ne- → Me

2.Химическая коррозия (сухая коррозия)
Это процесс окисления металлов и сплавов в газовой среде. В атмосферных условиях основными коррозийными веществами являются O2, H2S и галогены, что приводит к образованию оксидов и сульфидов на металлической поверхности. Однако коррозия, вызванная окружающей влажной атмосферой, не входит в это описание. Наиболее распространенным примером является образование оксидных слоев на железе и стали при высоких температурах.

Коррозионные реакции для различных металлов:

Коррозия железа:
Fe+2 + 2OH- → Fe(OH)2 (k)
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3(k)
2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O(k) + 2H2O

1. Fe2O3.H2O является основным компонентом ржавчины красно-коричневого цвета и может образовывать минерал гематит.
2. Fe3O4.H2O обычно зеленый, но может быть темно-синим при наличии органических комплексов.
3. Fe3O4 — это магнитит, который черного цвета.

Коррозия алюминия:
4Al(k) + 3O2(g) → 2Al2O3(k) (белый-серый цвет)

Коррозия цинка:
2Zn(k) + O2(g) → 2ZnO(k)

Коррозия меди:
2Cu + H2O ↔ Cu2O + 2H+
Cu2+ + H2O ↔ CuO + 2H+

Ржавчина меди имеет зеленый цвет.

Атмосферная коррозия
Атмосферная коррозия является распространенным типом коррозии. Исследования показывают, что около 80% металлических конструкций подвергаются атмосферной коррозии. Множество стальных конструкций, таких как столбы, мосты, ограды, железные дороги, склады и кузова транспортных средств, постоянно подвергаются воздействию атмосферы. Железо и сталь корродируют при воздействии кислорода и влаги в воздухе, образуя ржавчину. Ржавчина, будучи физически мягкой и проницаемой, не защищает металл от дальнейшей коррозии. Напротив, она создает подходящую среду для конденсации водяного пара и поглощения серных оксидов на поверхности металла. Даже в естественных условиях чистого атмосферного состава коррозия может происходить из-за присутствия водяного пара. Промышленные загрязнения, особенно серные оксиды, являются основным фактором атмосферной коррозии. Эти оксиды соединяются с водяным паром в воздухе, образуя кислоты и другие химические вещества.

Солевые частицы, переносимые ветром, часто присутствуют в прибрежных зонах и способствуют коррозии при оседании на металлических поверхностях.

Типы коррозии по структуре

1.Однородная коррозия: Коррозия, происходящая равномерно по всей поверхности материала. Это наиболее распространенная форма, которая вызывает наибольшие потери материала.

2.Коррозия точечная: Локализованная коррозия, приводящая к образованию маленьких ямок или отверстий в материале.

3.Коррозия трещин: Коррозия, возникающая в трещинах или узких промежутках на металлической поверхности.

4.Гальваническая коррозия: Происходит, когда два металла с разными электрохимическими потенциалами находятся в одной электролитной среде.

5.Интеркристаллическая коррозия: Коррозия, происходящая на границах зерен материала.

6.Деламинационная коррозия: Процесс, при котором коррозия повреждает слои материала.

7.Коррозия усталости: Процесс, при котором материал трескается под действием динамических нагрузок.

8.Эрозионная коррозия: Процесс, происходящий из-за относительного движения между металлом и коррозионной средой.

9.Выборочная коррозия: Процесс, при котором один из элементов сплава корродирует быстрее других.