Чтобы предотвратить и замедлить этот негативный процесс, необходимы меры по защите металла от коррозии: по данным NACE International, ежегодно в мире на эти цели тратится более 2,5 триллиона долларов. Как показывает практика, металлические изделия не могут использоваться длительное время без специальных защитных мер.
Основными “виновниками” коррозии являются такие природные факторы, как вода, повышенная влажность, высокие температуры, кислотные вещества, включая сульфаты и хлориды, частицы различных веществ в воздухе, соли и промышленные смазочные материалы.
Виды коррозии металла
Существует три основных вида коррозии, в зависимости от типа реакции, происходящей на границе раздела между металлом и окружающей средой:
- химическая коррозия возникает при контакте металлов с солями или сухими газообразными соединениями. Примером может служить контакт днища кузова автомобиля с солью, которой посыпают российские автострады зимой. На деталях автомобиля образуются слои солей натрия и калия, которые разъедают сталь и другие металлы.
- электрохимический, образующийся при контакте с водой. Встречается чаще других типов.
- биокоррозия, при которой металлические поверхности разрушаются микроорганизмами или радиоактивным излучением.
В зависимости от формы поражения, коррозия может включать в себя питтинг, при котором открываются узкие, глубокие отверстия во внутренней части металла и сохраняется целостность поверхности. Это наиболее характерно для изделий из алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.
Второй тип – равномерная коррозия, которая проявляется в виде равномерного слоя отложений на поверхности металла; третий – щелевая коррозия, которая захватывает небольшие вдавленные участки, где скапливается влага; четвертый – межкристаллитная коррозия, которая возникает в зерновой структуре металла и вызывает локальные повреждения; третий тип – точечная коррозия, которая возникает на поверхности металла и чаще всего встречается в изделиях из алюминиевых сплавов и нержавеющей стали. Также выделяют коррозионное растрескивание, при котором в металле появляются трещины под действием агрессивной среды в сочетании с постоянными или периодическими высокими нагрузками.
Сегодня используются различные способы защиты металлов от коррозии. Выбор определяется условиями эксплуатации металлического изделия, такими как местный климат, свойствами самой металлической конструкции и совместимостью антикоррозийного состава с обрабатываемым материалом.
Все виды защиты металла от коррозии можно разделить на три основных типа, направленных на изменение одного из факторов:
- Характеристики самого металла
- Характеристики окружающей среды
- Характер взаимодействия между металлическим изделием и средой на границе контакта.
Изменение свойств металла для предотвращения коррозии
К этой группе методов относятся легирование, поверхностная обработка и термообработка. Первые два относятся к химическим методам, третий – к техническим.
Легирование предполагает включение в состав металла при его изготовлении химических элементов, которые с наименьшей вероятностью вступают в химическую реакцию с кислородом. Это хром, медь, цинк, серебро, алюминий и платина.
Другой метод – металлизация (гальванический метод), при котором поверхность изделия покрывается металлом, устойчивым к воздействию кислорода. Металл подается в мелкодисперсной форме в виде ионных токов. К ним относятся холодное цинкование и горячее цинкование.
Фосфатная или оксалатная обработка (обработка металлических поверхностей фосфатом марганца и цинка или щавелевой кислотой) также может использоваться для защиты от коррозии.
Термическая обработка – это нагрев металлов до температуры выше +900◦ C. Как правило, они используются в сочетании с методами, насыщающими поверхность заготовки элементами, повышающими коррозионную стойкость металла, такими как хром, азот, алюминий и кремний.
Вышеперечисленные методы защиты называются активными. К ним относится анодное окисление, которое изменяет структуру двойного электрического слоя. Поверхность металла подвергается воздействию постоянного электрического поля с параметрами напряжения, выбранными в зависимости от свойств металла. Это повышает электродный потенциал и улучшает коррозионную стойкость поверхностного слоя. Этот метод обычно используется для защиты алюминия от коррозии.
Изменение свойств окружающей среды
Параметры среды, окружающей металлические изделия, могут быть изменены путем подавления, раскисления, осушения смешанного воздуха и удаления агрессивных веществ (солей, кислот и т. д.).
Если предмет небольшой, вокруг него можно создать вакуум. Поскольку кислорода в воздухе практически нет, риск коррозии сводится к минимуму.
Другой метод – заполнить пространство вокруг металлической детали или конструкции инертным газом (неоном, ксеноном или аргоном). Этот метод может быть очень эффективным, но значительно сложнее в использовании. Он требует установки защитных камер и ношения специальной защитной одежды лицами, работающими с металлическим оборудованием. Этот метод обычно используется в лабораториях и на опытных производствах, где необходимо поддерживать особый микроклимат.
Изменение взаимодействия металла с окружающей средой
Это антикоррозионная обработка металлов, для которой используются различные методы.
- Защитные покрытия – лаки, краски, масла, смазки и т. д.
- Устранение катодной поляризации в виде защиты от коррозии контактного типа, электролитического дренажа, устранения блуждающих токов и т. д.
- Соответствующее проектирование металлических конструкций. При этом выбираются металлы, наиболее устойчивые к воздействию конкретных факторов окружающей среды, исключаются зазоры, зоны задержки, контакты разнородных металлов и т. д.
Для борьбы с коррозией металла широкое распространение получило покрытие лакокрасочными материалами. На сегодняшний день этот вариант используется особенно часто. Используются специальные органические краски, компоненты которых не вступают в реакцию с кислородом, а также составы с алюминием. Первые блокируют доступ O₂. Вторые предотвращают коррозионное разрушение стали благодаря наличию алюминия – химически инертного элемента. Кроме того, используются и относительно новые решения – защитные пленки и жидкие пластики.
На эффективность такой защиты влияет качество подготовки поверхности металла к нанесению покрытия, равномерность нанесения, толщина и прочность слоя, устранение пустот и другие факторы.
Метод характеризуется простотой реализации и низкой экономической стоимостью. Однако его эффективность недолговечна. Со временем происходит механическое разрушение покрытия. Также важно понимать, что лакокрасочные покрытия препятствуют возникновению коррозии, но не предотвращают ее, что является основанием называть этот метод защиты от коррозии пассивным. Преобразить ржавчину можно, нанеся на ржавый металл специальные краски, которые образуют защитный слой антикоррозийного покрытия.
Необычный способ – высоковязкая техническая смазка из оксида железа (Fe3O4 iron oxide). Температура образования этого вещества составляет +250-500 °С. Его можно использовать для обработки металлов, чтобы предотвратить их ржавление. Fe3O4, образуя на поверхности плотную пленку, не пропускает кислород к металлу и препятствует возникновению фрикционной химической коррозии. Этот метод используется на металлургических предприятиях в процессе быстрого деформирования сплавов и труднодеформируемых видов металлов.
Методы удаления коррозии
Когда на металлах появляется ржавчина, риск разрушения деталей и конструкций резко возрастает. Коррозию необходимо удалить, и для этого рекомендуется использовать один из следующих методов. – Традиционным вариантом является ручная машинная очистка. Поверхность изделия обрабатывается металлическими щетками, наждачной бумагой или абразивными кругами. Это можно сделать вручную или с помощью дрели или угловой шлифовальной машины, оснащенной соответствующими насадками. Этот способ требует больших затрат труда и времени:
- Специальные химические составы, вступающие в реакцию с оксидом железа. Этот вариант подходит для изделий сложной формы и рифленых поверхностей. Однако этот метод нельзя использовать для изделий, содержащих неметаллические компоненты. Кроме того, при работе с этим методом необходимо соблюдать особую осторожность, так как он может быть вреден для человеческого организма.
- Электрохимические методы. Металлическое изделие опускается в электролит и подключается к источнику электрического тока. Под действием тока, проходящего через электролит и металл, слой ржавчины отделяется от поверхности. Однако этот метод подходит не для всех металлических изделий.
- Пескоструйная и дробеструйная обработка с помощью ультразвуковых волн очищает металл от оксида железа и сбивает его с поверхности.
- Сухой лед (криобластинг) очистка достигается путем впрыскивания гранул сухого льда. При попадании на металл частицы льда испаряются. При этом выделяется углекислый газ, который мгновенно расширяется, задерживая и удаляя ржавчину.
Инвестиции в предотвращение коррозии металла помогают продлить срок службы компонентов и конструкций и увеличить частоту их замены.
Для достижения максимальной эффективности необходимо сочетать несколько методов. Например, для защиты металлических элементов в воде используется сочетание катодной защиты от коррозии и покраски. Защита от коррозии гребных винтов, направляющих и сопел включает в себя использование коррозионно-стойкой стали, электрическое разделение различных материалов, катодную защиту и покраску.
