Защита металлов от коррозии

Коррозия наносит большой ущерб в практической деятельности человека, что делает необходимым разработку способов защиты металлов и изделий из них от коррозии. Условия, в которых происходят коррозионные процессы, крайне разнообразны, поэтому нет универсального способа защиты металлов от коррозии. Применимость того или иного метода защиты обосновывается его доступностью, экономической эффективностью и другими параметрами. Различают несколько направлений в борьбе с коррозией металлов. Рассмотрим важнейшие из них.

• 1. Создание материалов или сплавов, устойчивых к коррозии в данной среде. Известно, что при эксплуатации стальные трубы в водопроводной сети подвергаются коррозии. В некоторых узлах сталь можно с успехом заменить на детали из полиэтилена, который в данных условиях является достаточно стойким материалом. Другим примером этого направления защиты является замена металлических раковин и ванн на фарфоровые или керамические. Но этот метод далеко не всегда применим, так как коррозионно-стойкий материал может быть либо дорогим, либо редким.
• 2. Изменение состава агрессивной среды. Суть этого направления борьбы с коррозией состоит в том, что в среду добавляют вещества, изменяющие ее агрессивность, либо ее изменяют целиком.

Одним из способов изменения состава среды является введение добавок, в качестве которых используют ингибиторы коррозии металлов, эффективных в данной среде.

Ингибиторы — вещества, которые значительно уменьшают скорость коррозии, не ухудшая или улучшая физико-механические свойства металлов или их сплавов.

Ингибиторы иначе называют замедлителями. Замедлители коррозии вводят в агрессивную среду в небольших количествах. В настоящее время изучено большое число химических соединений в качестве ингибиторов коррозии металлических изделий и конструкций. Было показано, что сильно уменьшать скорость разрушения металлов могут как отдельные вещества, так и смеси веществ. Так, нитрит натрия, дихромат калия и пикриновая кислота довольно сильно замедляют коррозию стали в водных растворах хлорида натрия. Однако полного торможения коррозионного процесса в присутствии этих соединений не наблюдается. Если в агрессивную среду ввести смесь дихромата калия и ализаринового масла, то защитное действие этой смеси оказывается большим, чем одного дихромата калия.

По характеру воздействия на скорость коррозии ингибиторы подразделяют на группы. Одной из важнейших групп замедлителей коррозии являются пассиваторы, которые переводят металл в пассивное состояние. К ним относится нитрит натрия при его воздействии на разрушение стали в бетонах.

Существуют и ингибиторы адсорбционного действия, например ализариновое масло. Эти замедлители уменьшают скорость коррозии за счет адсорбции на поверхности металла. Используют и другие классы ингибиторов. Применение ингибиторов экономически выгодно, но. не всегда возможно, особенно когда они из конструкции могут переходить в окружающую среду. Поэтому их можно применять только в замкнутых системах.

• 3. Изоляция поверхности металла от окружающей среды. Это направление находит наиболее широкое применение. Оно основано на том, что на поверхность металлического изделия наносят вещество, защищающее его от коррозии. Методы изоляции поверхности металлов сложны и многообразны. Рассмотрим некоторые из них.
• 3.1. Физические методы. Поверхность металла защищается смазками, лаками, красками, эмалями, полимерными покрытиями и металлами. Нанесение одного металла на поверхность другого методом распыления называется металлизацией. Таким способом можно нанести на поверхность изделия расплав алюминия (алитирование) и другие металлы.
• 3.2. Физико-химические методы. Поверхность защищаемого металла покрывается другим металлом путем электролиза. Так осуществляют меднение, хромирование, цинкование, лужение (покрытие оловом), никелирование.

Металлические покрытия бывают анодными и катодными.

Анодными называют металлические покрытия в случае, если основной металл покрывают более активным металлом.

К таким покрытиям относят цинковую пленку на железе (стандартный электродный потенциал цинка отрицательнее потенциала железа). При нарушении целостности покрытия конструкция не будет разрушаться до тех пор, пока полностью не разрушится слой цинка (в данном случае покрытие будет анодом, а конструкция — катодом).

Катодными называют покрытия, если основной металл изолируют менее активным металлом, т. е. стандартный электродный потенциал основного металла более отрицателен, чем у металла, которым покрывают конструкцию.

Таким покрытием является пленка олова на стали (такую сталь называют луженой). В этом случае эффективная защита реализуется только до тех пор, пока покрытие не нарушено. В случае появления дефектов в покрытии начинается усиленная коррозия основного металла (в этом случае основной металл выступает в роли анода, а покрытие — катода).

3.3. Химические методы изоляции металлов. В этих случаях поверхностная защитная пленка формируется за счет химических процессов, к которым относят фосфатирование, оксидирование и другие способы.

Оксидирование — получение защитных пленок, состоящих из оксидов, за счет окисления поверхности металлов различными окислителями (кислородом, хроматами и другими веществами-окислителями). Примером оксидирования является получение вороненой стали.

Фосфатирование — получение защитных фосфатных пленок при взаимодействии металлов с кислыми фосфатами цинка или марганца (Н).

Фосфатирование чистой фосфорной кислотой не производят, так как в этом случае происходит сильное растравливание поверхности металла и эффективных защитных пленок не получается.

Однако в большинстве случаев оксидные и фосфатные пленки имеют невысокую защитную эффективность, поэтому фосфатирование и оксидирование применяют для защиты металлов либо в межоперационный период изготовления конструкций, либо в период подготовки поверхности металла перед нанесением других покрытий. Эффективность фосфатирования резко возрастает, если в состав фосфатной пленки ввести ингибиторы коррозии металлов. Так, введение в состав фосфатных пленок комплексонов, нитрита натрия, дихромата калия и пикриновой кислоты в десятки раз увеличивает защитные свойства получаемых покрытий.

• 3.4. Смешанные методы формирования защитных пленок. Сущность этого метода состоит в том, что сначала защитная пленка формируется химическим методом (оксидированием и фосфатированием), а затем на нее наносят краски, лаки, смазки (в этом случае фосфатирование используется как способ подготовки поверхности). Применение фосфатирования эффективно потому, что нет необходимости удалять ржавчину механическим путем — она преобразуется в соединения, создающие защитную пленку. Кроме того, фосфатированная поверхность способствует более прочному соединению (адгезии) лакокрасочного покрытия с металлом. Если в состав фосфатной пленки ввести ингибитор, то эффективность смешанного покрытия значительно возрастет.
• 4. Электрохимическая защита и использование протекторов.

Электрохимическая защита металлических конструкций состоит в их поляризации катодным или анодным током. Различают катодную и анодную защиту.

Катодная защита — поляризация конструкции катодным током: на конструкцию от внешнего источника подают потенциал более отрицательный, чем стационарный для металла.

В случае применения катодной защиты конструкция играет роль катода и не подвергается коррозионному разрушению. Недостатком этого метода является возможность выделения молекулярного водорода, который может раствориться в металле и привести к сильному уменьшению его прочности (за счет водородного растрескивания).

Анодная защита — поляризация конструкции анодным током.

На защищаемый металл подается потенциал более положительный, чем стационарный потенциал его коррозии. Анодная защита не имеет недостатков, присущих катодной защите, но ее можно применять только для металлов, способных к пассивации в данных условиях. Кроме того, необходимо строго следить за величиной подаваемого потенциала, так как металл может перейти в транспассивнос (коррозионно-активное) состояние.

Применение протекторов аналогично катодной защите.

Протектор — более активный металл, чем металл конструкции, присоединенный к ней проводником; материал протектора является анодом, а конструкции — катодом; пока протектор не разрушится, конструкция не будет подвергаться коррозии.

Роль протектора играет кусок цинка (анод), соединенный с корпусом судна (катод).

Применение разнообразных способов антикоррозионной защиты делает более эффективной экономику хозяйственной деятельности человека, позволяет снизить негативное воздействие его деятельности на природные экологические процессы.

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, почему коррозию относят к окислительно-восстановительным процессам, и приведите два обоснованных примера, иллюстрирующих роль коррозии в природе и деятельности человека.
• 2. Назовите известные вам виды коррозии; приведите соответствующие примеры.
• 3. Поясните различие химической и электрохимической коррозии; приведите соответствующие примеры.
• 4. Докажите необходимость разработки мер по защите металлических изделий от коррозии.
• 5. Назовите важнейшие, известные вам направления защиты металлов от коррозии; приведите соответствующие примеры.