Как защитить металл от коррозии

Как защитить металл от коррозии

Металлы и сплавы – прочные конструкционные материалы с высокой износостойкостью, долговечностью, механическими свойствами. Но многие из них склонны к окислению. В статье поговорим о том, как защитить металл от коррозии, какие способы подходят для предотвращения окисления.

Что такое окисление и почему металл склонен к появлению коррозии? 

Если на год оставить пластиковое и железное ведро на улице, можно заметить, что металл покрылся пятнами ржавчины, а пластмасса – нет. Почему так происходит? Причиной тому – окружающая среда. Когда металл находится в контакте с воздухом, он вступает в химическую реакцию с кислородом. Передача электронов приводит к появлению на поверхности оксидов – соединений металла с кислородом. Например, ржавчина на стали – это ни что иное, как оксид железа. Это и называется процессом окисления. 

Полимеры, впрочем, тоже подвержены окислению кислородом. Но оно значительно менее быстрое, чем у металлов. Потому что молекулярная структура у полимеров другая. К тому же, в процессе производства в пластмассы добавляют антиоксиданты – наполнители, препятствующие окислению. 

Коррозия – это результат окисления. То есть переход металла в состояние более химически стабильного оксида. Как правило, коррозия затрагивает только верхний слой металла, но бывают и исключения. 

Окисление – не всегда результат взаимодействия с кислородом. Ускорить химическую реакцию может тесный контакт с другим металлом, воздействие влаги, ультрафиолета. Со временем все это приводит к потере прочности, а затем к полному износу и разрушению. 

Коррозию железосодержащих сплавов называют ржавчиной. Она имеет характерный бурый цвет. 

Металлы имеют разную устойчивость к окислению. Железо плохо сопротивляется ржавчине, как и щелочные металлы. А вот алюминий, цинк, медь, бронза и нержавеющие стали хорошо противостоят окислению. Выше всего устойчивость у золота, платины, серебра, ртути. Они практически не окисляются при нормальных условиях и постоянном контакте с кислородом. 

Какая бывает коррозия

Окисление может быть почвенное, атмосферное и морское – самая агрессивная коррозия. Это зависит от того, где эксплуатируется металлическое изделие, соответственно, в почве, например, трубопроводы, на воздухе или в морской воде. 

Дополнительное воздействие может ускорить распространение коррозии. К примеру, при большой механической нагрузке встречается коррозионное растрескивание. Оно встречается в точках, на которые опирается большой вес. А эрозионная коррозия получается в местах, куда приложена большая сила трения. 

По распространению коррозия может быть сплошной или точечной. Ржавление может проникать на разную глубину. Но самый опасный вид коррозии – межкристаллическая. При ней изделие уже не подлежит ремонту. 

Способы защиты металлов от коррозии

Многие способы борьбы с окислением начали придумывать уже несколько веков назад. Рассмотрим те методы, которые остались актуальны в XXI веке и доказали свою эффективность. 

Легирование стали

Один из методов предотвращения коррозии – добавление в сплав легирующих компонентов, которые улучшают устойчивость металла к окружающей среде. Самым удачным примером являются нержавеющие стали

В состав нержавейки входит хром. Его большое содержание (от 10,5% и до 26%) приводит к тому, что на поверхности стали образуется тонкая защитная пленка – оксид хрома. То есть окисление происходит. Но кислород вступает в реакцию не с железом, а с хромом в составе. 

Эта оксидная пленка достаточно тонкая, но прочная. А главное, она препятствует проникновению кислорода во внутреннюю структуру стали. Тем самым препятствуя ржавлению. 

Легирование – трудоемкий процесс. Нужно точно определить пропорции всех компонентов, чтобы при добавлении хрома не пострадали другие свойства стали: прочность, устойчивость к высоким температурам и проч. 

Однако использование нержавеющей стали – это более надежный способ защиты металлической конструкции от коррозии, чем все другие. Потому что защитный элемент, в данном случае хром, находится не на поверхности, как, например, при оцинковке, а внутри сплава. И при деформации, резке или других металлообрабатывающих процедурах на поверхности сразу появляется оксидная пленка. 

Прокат из нержавеющей стали очень разнообразен. Трубы, листы, швеллеры, сетки, проволоки и прочие изделия подходят для любых конструкций. А использование кислотостойкой нержавеющей стали увеличивает устойчивость конструкции к окислению в агрессивных условиях. 

К наиболее устойчивым к коррозии маркам нержавеющей стали можно отнести AISI 304, AISI 316, AISI 316T, AISI 321.

Кроме хрома, при легировании в сплав добавляют и другие пассивные металлы, в том числе титан, стронций, молибден, алюминий.

Защитное покрытие 

Краски, эмали, полимерные пленки и изоляция из резины и других материалов помогает продлить срок эксплуатации металлического изделия, защитить его от воздействия окружающей среды и коррозии. 

Механически нанесенное покрытие обладает высокими характеристиками для защиты. Однако изоляционный слой может быть стерт или полностью убран таким же механическим воздействием. Например, краска подвергается истиранию. Чтобы не образовывалась ржавчина, конструкции нужно регулярно перекрашивать. 

Металлическое покрытие 

Иногда один металл, склонный к коррозии, покрывают слоем другого металла – пассивного. Один из примеров – это цинкование железосодержащих сплавов. Верхний слой препятствует окислению железа. 

Однако при механическом повреждении катодной металлической защитной пленки (например, железо-никель) процесс окисления возобновится, в том числе из-за образования гальванической пары. А если пленка анодная, как в случае пары железо-цинк, то при механическом повреждении произойдет реакция восстановления. То есть защитная пленка продолжит оберегать металл от коррозии. 

Для нанесения металлического покрытия используют: 

  • Лужение и горячее цинкование – процесс погружения заготовки в горячий расплав металла.
  • Оксидирование. Металл помещают в нагретый щелочной или кислотный раствор. Например, едкий натр или нитрат натрия. На поверхности металла происходит окислительно-восстановительная реакция. В результате образуется прочная защитная оксидная пленка. 
  • Фосфатирование. Если в предыдущем методе на поверхности образовывались оксидные пленки, то сейчас – фосфатные. Для этого раствор для погружения должен состоять из фосфорной кислоты и дигидроортофосфосфата марганца. Технология окислительно-восстановительной реакции аналогична предыдущей. 
  • Анодирование. Заготовка помещается в раствор. Дополнительно в него погружается анод, например, свинцовый, цинковый или никелевый. Через систему проводят электрический ток. При электрохимической реакции ионы защитного металла оседают на заготовке, образуя прочный слой, предотвращающий коррозию. 

Электрозащита от коррозии

Процесс окисления связан с передачей электродов. Окисление – это отделение электродов. А восстановление – их приобретение. Если снизить электрическую активность металла, то устойчивость к коррозии повысится. 

По этому принципу работает две технологии электрозащиты металлов: 

  • Активная. Через деталь пропускают ток. Он задействуют все свободные электроны. А значит, больше нет тех, которые могут участвовать в окислении. Все электроны заняты проведением электричества. 
  • Пассивная. К защищаемому металлу ставят пару из другого сплава, который более активно перетягивает электроды. Например, на стальном корпусе судна могут быть цинковые заклепки. Они как бы перетягивают на себя процесс коррозии. 

Ингибиторы коррозии

Это составы, которые меняют окружающую среду. Например, если металл подвержен окислению в кислотной среде, то ингибитор выравнивает рН. Их могут наносить на поверхность сплава как аэрозоль, то есть распылением, в виде пасты или жидкости. Это не помогает полностью избавиться от окисления, однако замедляет процесс коррозии.

Термообработка

При изменении температуры структура металла может изменяться. К методам термообработки относят отжиг, нормализацию, закалку и проч. Коррозийная устойчивость меняется из-за перестройки кристаллической решетки. 

Например, сталь 12Х18Н10Т  устойчива при комнатной температуре, но при нагреве выше 500 градусов больше подвержена межкристаллической коррозии. А если провести отпуск при 870 градусах, то в интервале 400 – 800 градусов сталь будет устойчива к коррозии.

Этот пример показывает только поведение одного сплава. Но подобным образом можно усиливать коррозионную устойчивость других металлов.

Некоторые методы защиты металла от коррозии доступны только в производственных условиях. Например, контролируемый нагрев изделия в печи до нескольких сотен градусов. Но некоторые способы защиты от ржавления можно реализовать и в домашних условиях. Например, покрасить изделие краской или обработать иго ингибитором коррозии. Внимательно читайте инструкцию и следуйте ее рекомендациям.