Корозия и защита на металите от корозия

Корозия е термин, който идва от латински (corrodere)  и означава разяждане. В природата и в урбанизираните райони под действието на корозията се разрушава почти всичко – почви, скали, сгради, съоръжения и пр. Тази публикация обаче е посветена само на корозионното разрушаване на металите.

Корозия на металите е физикохимичен процес на разрушаването им под въздействието на външни фактори. Подобни процеси са естествена част от кръговрата на веществата, но влияят негативно на стопанската дейност на човека. Според произхода и механизма си, металната корозия бива химична, електрохимична и биохимична.

Химична корозия на металите

При химичната корозия  разрушаването на металите става в следствие на химични реакции, при които няма електричен ток. Обикновено това са взаимодействия на метала с газове и течности – неелектролити.

Газовата корозия протича при високи температури и обикновено е резултат от наличието на кислород в газовете. Този тип корозионно въздействие е характерно за индустриалните структури с метален произход. Те често са изложени на ефектите на въглеродния диоксид, серния диоксид, азотните оксиди и други.

Степентта на разрушаване зависи от афинитета на съответния метал или сплав към кородиращия газ. Понякога се образува коричка от метален оксид, който действа пасивиращо и забавя или спира  корозионния процес. В други случаи образуваният покривен слой не е достатъчно плътен и корозията продължава до пълната оксидация на метала.

Когато става дума за газова корозия на сплави, отново трябва да се има предвид кой метал притежава най-силен афинитет към газа. Различната скорост на процеса за различните съставки на сплавта изменя и нейното химично съдържание.

Корозия при контакт с неелектролити обикновено се наблюдава в резервоари с горива (нефт, керосин и други). Най-често се формират железни сулфиди.

Електрохимична корозия

Електрохимичната корозия е най-често срещаният тип. При нея металите и сплавите биват разяждани  в резултат на процесите, които протичат във формиращите се микрогалванични елементи по металната повърхност. Тя се осъществява при контакт на металите с водата или водни разтвори.

Електрохимичната корозия се причинява главно от разтворения във водата кислород и по-рядко от водородните йони в нея. Например желязото се поддава на газова корозия, но в присъствието на вода (влага в атмосферата) процесът придобива значими размери, в следствие на което се образува ръжда:

Fe + O₂ (H₂O) → Fe₂O₃.xH₂O

Някои участъци на желязото, които са в контакт с водата имат по-голяма окислителна способност. Те се превръщат в анод, който отдава железни катиони в разтвора, а електроните остават в метала.

От своя страна електроните се придвижват към съседен метален участък, който е в непрекъснат контакт с атмосферния кислород. Там желязото играе ролята на катод, върху който протича редукция. Възникват различни електрични потенциали и се формира микрогалваничен елемент. Химичните уравнения на процесите могат да бъдат видяни на схематичното изображение.

Самият процес на корозия на желязото е съпроводен от формирането на много такива микрогалванични елементи. Участъците, които изпълняват ролята на анод се разяждат и се покриват с „железни язви“, а върху катодните участъци се натрупва дижелезен триоксид кристалохидрат (ръжда).

Контактна корозия

Когато два различни метала са в контакт помежду си и едновременно с това с електролит, се заформя галванична двойка и съответно се наблюдава цялостна галванична корозия (контактна корозия). Металът, който е по-активен отдава електрони и се зарежда положително, а другият отрицателно.

Например в двойката мед-желязо, медта се зарежда отрицателно, а желязото придобива положителни заряди. Поставени в леко кисел разтвор (газирана вода H₂O + CO₂ ↔ H₂CO₃), водородните катиони играят ролята на окислител. Затова на медната повърхност се отделя газообразен водород, а в разтвора попадат железни йони. В този случай катодът е медта, а желязото е анодът, който кородира. При контактната корозия се разрушава от двата винаги по-активния метал.

Биохимична корозия

Биохимичната корозия се причинява от специфични микроорганизми, които могат живеят както в аеробни, така и в анаеробни условия. Обикновено това са хемоавтотрофни организми, които набавят енергията си посредством комплекс от химични реакции. Съществуват бактерии, способни директно да окисляват желязото до железни оксиди.

Други особености

Върху скоростта на корозията влияние оказват множество различни фактори. От значение са химическия състав на сплавите и замърсителите на чистите метали. Роля играят също температурата, състава на корозионната среда, металната структура и други. Присъствието на електролити засилва процеса, което прави морската вода враг на много метални изделия и съоръжения.

На действието на електрохимичната корозия са подложени всички плавателни съдове, тръбопроводите, нефтените платформи и всеки незащитен метал в досег с водата.

Корозионна защита на металите

Защитата на металите от корозия може да става по един от следните три начина: създаване на корозионноустойчиви сплави, създаване на защитни покрития или обработка на корозионната среда.

Корозионноустойчивите сплави притежават много добра устойчивост на корозионни въздействия, но същевременно са и доста скъпи. Например хром-никеловите стомани (неръждаеми) са широко разпространени в ежедневието и при специалните разработки, ала рядко намират приложение в големи проекти, където се използват тонове метал.

Защитните покрития са най-често използваните антикорозионни методи. Те могат да бъдат както метални, така и неметални.  Доброто защитно покритие трябва да прилепва плътно, да е устойчиво на износване и да не се нарушава цялостта му при деформации и температурни изменения.

Неметалните покрития обикновено са лакове, блажни бои, емайли и минерални масла. Те са изключително ефективни до момента, в който се наруши защитното покритие.

Металните покрития се нанасят чрез галванопластика. Те най-често са от хром, цинк, никел, калай, кадмий и по-рядко от благородни метали. Тяхното прилагане е познато в практиката под различни названия – поцинковане, никелиране, калайдисване и пр.

Когато металното покритие е от по-активен метал, тогава е налице електрохимична защита. Това означава, че при напукване, то приема функцията на анод и започва да се разрушава, а основният метал остава защитен от корозия. Така създадената защита се нарича още катодна и се използва например при корабите. Там вместо покритие се прикрепват кем корабния корпус цинкови блокчета, които играят ролята на анод.

Добър начин за защита на металите от корозия е тяхното пасивиране, при което повърхността им се покрива оксидна корица или сол, които са неразтворими и слабо реактивоспособни. Например железни материали могат да се обработят със соли на фосфорната киселина и по този начин желязото да се покрие със защитен фосфатен слой.

Обработката на средата, в която се намират металът или сплавта, цели намаляването на нейните корозионни свойства. Това се постига най-често като към нея се добавят вещества наречени инхибитори. Те обикновено се адсорбират върху повърхността на метала и са подходящи за разтвори с ограничени обеми.