§ 35. Коррозия металлов и способы защиты от неё

Определения и обозначения

Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды. При этом металл постепенно переходит в соединения, поэтому изделие теряет массу, прочность и другие полезные свойства. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему детали ржавеют, покрываются налётом и становятся непригодными.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с компонентом среды без возникновения электрического тока. Например, магний при нагревании реагирует с кислородом: 2Mg + O₂ → 2MgO. Так называют процесс, когда между участками поверхности не возникает электрохимическая цепь.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в среде электролита, то есть вещества или раствора, проводящего ток благодаря ионам. На участках с разными электрохимическими свойствами идут окислительно-восстановительные процессы. Это понятие помогает понять механизм ржавления железа во влажном воздухе.

Ингибитор коррозии — вещество, которое замедляет коррозию после добавления в окружающую среду. Оно может уменьшать скорость окисления металла или затруднять отдельные стадии реакции. Кроме ингибиторов, используют покрытия, изменение состава сплава и электрохимические способы защиты.

Как это устроено

Различие между двумя видами коррозии определяется условиями процесса. Если металл прямо реагирует с сухим газом или жидкостью и электрический ток между участками не возникает, коррозию считают химической. Если появляется электролит и участки поверхности становятся анодом и катодом, процесс становится электрохимическим. Поэтому одна и та же среда может давать разные результаты при изменении влажности и состава.

Во влажном воздухе на железе образуется тонкая водная плёнка. В ней растворяются кислород, углекислый газ и соли, поэтому плёнка проводит ток и становится электролитом. На анодных участках железо окисляется: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻, а на катодных участках кислород принимает электроны и восстанавливается. Вода не просто смачивает поверхность, а обеспечивает перенос ионов между участками реакции.

Ржавчина появляется не в одну стадию. Сначала образуются ионы железа, затем соединения железа(II), а при участии кислорода они превращаются в соединения железа(III) и гидроксиды. Эти продукты обезвоживаются и смешиваются с другими веществами среды. Поэтому ржавчина имеет непостоянный состав и не является одним чистым оксидом железа.

Скорость коррозии зависит от свойств металла и условий окружающей среды. Влажность создаёт электролит, кислород поддерживает катодный процесс, а растворённые соли увеличивают проводимость плёнки. При контакте разных металлов образуется гальваническая пара, и более активный металл обычно разрушается быстрее. Температура, кислотность и наличие повреждений покрытия также могут заметно менять скорость процесса.

Защита от коррозии основана на разрыве хотя бы одного звена процесса. Покраска, смазка или полимерная оболочка изолируют металл от воды и кислорода. Легирование изменяет состав сплава и может сделать его поверхность более устойчивой, а ингибитор замедляет реакции в среде. При протекторной защите к изделию присоединяют более активный металл, который окисляется вместо него.

Коррозия металлов и способы защиты

Сначала определите, идёт ли речь о разрушении или о защите металла. Затем сопоставьте условия с принципом действия: электролит указывает на электрохимическую коррозию, а изоляция — на покрытие. Для способов защиты полезно спросить, какой объект принимает на себя окисление и что происходит при повреждении защитного слоя.

Разбор задач

Задача 1

Железный предмет хранится в сухом воздухе, а другой находится во влажном воздухе. Нужно сравнить скорость коррозии. Учитываем, что для электрохимического ржавления нужна проводящая водная плёнка.

1. В сухом воздухе на поверхности почти нет электролита, поэтому перенос ионов затруднён.
2. Во влажном воздухе вода растворяет кислород и примеси, образуя электролит.
3. На участках железа возникают процессы окисления железа и восстановления кислорода.

Ответ: быстрее корродирует предмет во влажном воздухе, потому что вода обеспечивает электрохимический процесс.

Задача 2

Металл взаимодействует с сухим кислородом при нагревании. Требуется определить вид коррозии и записать уравнение реакции. Возьмём магний, который при нагревании энергично реагирует с кислородом.

1. Среда сухая, поэтому водного электролита нет.
2. Металл непосредственно соединяется с кислородом, значит, процесс относится к химической коррозии.
3. Балансируем атомы магния и кислорода: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Ответ: это химическая коррозия; уравнение реакции: 2Mg + O₂ → 2MgO.

Задача 3

Железную деталь используют на открытом воздухе. Нужно сравнить окрашивание, цинковое покрытие и контакт с более активным металлом. Выбор зависит от целостности покрытия и от того, готово ли предприятие заменять расходуемый защитный металл.

1. Краска изолирует железо от воды и кислорода, но при царапине коррозия может начаться под слоем.
2. Цинк создаёт покрытие и при повреждении защищает железо как более активный металл.
3. Присоединённый протектор также окисляется вместо железа, однако его нужно контролировать и заменять.

Ответ: для открытого воздуха часто выбирают цинкование: оно сочетает изоляцию и электрохимическую защиту. Если деталь крупная или покрытие трудно обновлять, применяют отдельный протектор; окрашивание удобно при возможности регулярно осматривать поверхность.

Типичные ошибки

Ошибка: считать ржавление только реакцией железа с кислородом. Так думают из-за заметного участия кислорода, но во влажной среде важны вода и перенос ионов. Проверьте себя: если есть водная плёнка, рассмотрите электрохимическую коррозию.

Ошибка: полагать, что вода всегда вызывает одинаково быстрое ржавление. Скорость зависит от доступа кислорода, солей, кислотности и температуры, поэтому условия нужно сравнивать полностью. Проверьте, есть ли в среде растворённые вещества и контакт разных металлов.

Ошибка: называть ржавчину оксидом железа строго постоянного состава. Продукты коррозии образуются в несколько стадий и смешиваются, поэтому их состав меняется. Проверка проста: не приписывайте ржавчине одну формулу без уточнения условий её образования.

Ошибка: считать любое металлическое покрытие одинаково надёжным. При царапине результат зависит от активности покрытия и основного металла: один вариант ускорит разрушение основы, другой будет защищать её. Всегда выясняйте, какой металл окисляется первым.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии нужны знания об окислении и восстановлении. Окисление железа означает отдачу электронов, а восстановление кислорода — их принятие. Ряд активности металлов помогает предсказать, какой металл будет разрушаться раньше.

Электролиты и гальванические элементы объясняют движение ионов и электронов при электрохимической коррозии. Протекторная защита использует тот же принцип, только его направляют на сохранение нужной детали. Поэтому коррозия связана с электрохимическими процессами.

Знания о коррозии пригодятся при изучении металлов и сплавов. Они помогают выбирать материалы для машин, мостов, труб и бытовых изделий. По условиям работы можно подобрать покрытие, устойчивый сплав или протектор.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды.
• Различают химическую и электрохимическую коррозию.
• Влага и растворённые соли часто ускоряют электрохимическую коррозию.
• Ржавчина имеет переменный состав и не является одним чистым веществом.
• Защитные покрытия отделяют металл от среды.
• Легирование и ингибиторы помогают замедлить коррозию.
• При протекторной защите более активный металл разрушается вместо защищаемого.