Почему металлы ржавеют и как предотвратить появление ржавчины?

— является общим термином для определения оксидов железа. В разговорной речи это слово применяется к красным оксидам, образующимся в ходе реакции железа с кислородом в присутствии воды или влажного воздуха. Есть и другие формы ржавчины, например, продукт, образующийся в ходе реакции железа с хлором при отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, в арматуре, используемой в подводных бетонных столбах, и называют его
зелёной ржавчиной
. Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью спектроскопии, они образуются при разных внешних условиях. Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа (III) Fe2O3·nH2O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH)3). При наличии кислорода, воды и достаточного времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.

Ржавчиной, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно оксиды железа обычно называют ржавчиной.

Причины возникновения

Причины коррозионных процессов:

• соприкосновение разных видов металлов, сплавов;
• частые перепады температуры;
• трение между металлическими поверхностями;
• длительное воздействие влаги;
• влияние кислот, щелочей, химических элементов;
• использование некачественных жидкостей при механической обработке материала;
• жировые пятна, остающиеся на металлических поверхностях после прикосновения к ним.

Ржавчина может образовываться при периодическом воздействии статического или постоянного тока.

Химические покрытия

Относятся к методам временной антикоррозионной защиты стали, например, во время пластического деформирования при повышенных температурах. Наибольшее распространение получили технологии фосфатирования и оксалатирования.

При фосфатировании поверхность покрывают сплошным слоем фосфатных солей железа и марганца, а при оксалатировании – водорастворимыми солями щавелевой кислоты. Фосфатирование используется для обработки нелегированных сталей, оксалатирование – легированных. Покрытие прочно сцепляется с поверхностью, способствуя снижению трения и уменьшению износа инструмента. После окончания штамповки покрытие удаляют.

Виды

Коррозионные процессы классифицируются зависимо от разных критериев. Основные из них — цвет, механизм образования ржавчины, тип агрессивной среды, характер разрушения.

По цвету

Зависимо от цвета бывают разные виды ржавчины. Она может быть черной, желтой, коричневой, красной. Оттенок зависит от химической формулы образовавшегося вещества.

Ржавый металл

Желтая

Химическая формула желтой ржавчины — FeO(OH)H2O. Она появляется под воздействием высокой влажности, в среде с малым количеством кислорода. Подобный вид ржавчины можно увидеть под водой.

Коричневая

Химическая формула коричневой ржавчины — Fe2O3. Встречается крайне редко, появляется без воздействия влаги.

Красная

Химическая формула красной ржавчины — Fe2O3•H2O. Образуется при одновременном воздействием воды и кислорода. Встречается чаще других видов. Разрушительный процесс протекает равномерно, постепенно распространяется на всю поверхность.

Черная

Химическая формула — Fe3O4. Появляется без воздействия влаги, в среде с малым количеством кислорода. Часто используется для создания сверхпроводников, поскольку является ферромагнетиком.

По механизму протекания

Виды:

• химическая;
• электромеханическая.

Процессы отличаются по механизму разрушения материала.

Химическая

Процесс разрушения металла, провоцирующий распад металлических связей, развитие химических реакций между атомами материала. Элементы, которые взаимодействуют между собой, пространственно не разделяются. Скорость разрушения детали зависит от скорости протекания химической реакции.

Электрохимическая

Данный процесс разрушения металлических деталей протекает в среде электролитов и сочетается с возникновением тока.

Ржавый корабль

По типу агрессивной среды

Виды:

1. Атмосферная.
2. Газовая.
3. Радиационная.
4. Подземная.
5. Контактная.
6. Биокоррозия.
7. Коррозия током.
8. Коррозийная кавитация.
9. Коррозия под напряжением.
10. Фреттинг-коррозия.

Атмосферная

Естественный процесс разрушения. Может протекать в воздушной или газовой атмосфере. Важное условие — повышенный уровень влажности. Чем он выше, тем быстрее разрушится материал.

Газовая

Процесс разрушения металлических деталей, который протекает в условиях газовой среды. Отличается низким уровнем влажности. Процесс образования ржавчины ускоряется при повышении температуры.

Радиационная

Возникает при интенсивном воздействии радиационного излучения. У сплавов высокой плотности протекает медленно.

Подземная

Если металлическая деталь какое-то время полежит под землей, можно заметить на ее поверхностях зеленый налет или другие цветовые искажения. Это следствие окислительный процессов, которые протекают в разных видах грунта.

Контактная

Быстро появляется в местах, где два разных металла соприкасаются друг с другом. Это обуславливается разницей стационарного потенциала в электролите.

Биокоррозия

Процесс разрушения металлических деталей, который обуславливается воздействием разных микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности.

Ржавые обломки судов

Коррозия током

Может происходить при воздействии блуждающего или внешнего тока. Скорость распространения ржавчины зависит от силы тока, длительности, периодичности его воздействия на металлические детали.

Коррозийная кавитация

Один из многочисленных процессов саморазрушения разных видов металлов. Он запускается при воздействии внешней среды, механического повреждении.

Коррозия под напряжением

Процесс разрушения сплавов, который происходит при взаимодействии механического напряжения с коррозийно-активной средой. Этот вид коррозии опасен для металлоконструкций, которые подвержены большим нагрузкам.

Фреттинг-коррозия

Сложный коррозионный процесс, который протекает под воздействием коррозийной среды с различными вибрациями. Чтобы не допустить образования ржавчины, важно снизить коэффициент трения металлических деталей.

По характеру разрушения

Виды:

• сплошная;
• избирательная;
• местная;
• подповерхностная;
• межкристаллическая;
• щелевая.

Они отличаются локализацией, степенью углубления в материал, тяжестью разрушения.

Сплошная

При таком коррозионном процессе ржавчиной покрываются все металлические поверхности. Она может быть равномерной или неравномерной, зависимо от скорости разрушения материала в разных местах детали.

Избирательная

Подобный процесс затрагивает один из элементов металлоконструкции, который не имеет антикоррозийного покрытия, затормаживающего процесс разрушения.

Ржавый автомобиль (Фото: pixabay.com)

Местная

Пятна ржавчины разбросаны по металлической поверхности. Они представляют собой углубления разного размера, одна часть которых могут быть поверхностными, другие сквозными.

Подповерхностная

Появляется под металлическими поверхностями. Она быстро проникает вглубь материала. Данный вид коррозионных процессов характеризуется расслоением металла.

Межкристаллическая

Начинает появляться по границам отдельных зерен материала. Ее крайне сложно выявить по внешнему виду. Быстро ухудшаются показатели плотности, прочности, пластичности. Детали становятся хрупкими.

Щелевая

Образуется на местах соединения двух металлических деталей. Может появляться в технологических зазорах, под техническими прокладками.

Ущерб, ущерб…

Все видели эти оранжево-бурые или желтоватые пятна ржавчины на металлических деталях. Экономический ущерб от коррозии металлов огромен. В США и Германии подсчитанный ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составляют примерно 3 % ВВП. При этом потери металла, в том числе из-за выхода из строя конструкций, изделий, оборудования, составляют до 20 % от общего объема производства стали в год. По России точные данные о потерях от коррозии не подсчитаны.

Доподлинно известно, что именно проржавевшие металлоконструкции стали причиной обрушения нескольких мостов в Соединенных Штатах, в том числе с многочисленными человеческими жертвами. Крайне неприятен и экологический вред: утечка газа, нефти при разрушении трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды.

Методы защиты

Чтобы защитить металлические поверхности от образования коррозии, применяются разные методики. Каждая из них уникальна, имеет определенные особенности.

Нанесение защитного покрытия

Защитные покрытия могут быть двух видов — металлические, неметаллические. Виды неметаллических покрытий:

1. Химический слой. Чаще это оксидные пленки, которые образуются на поверхности под воздействием пара, воздуха. Один из вариантов оксидирования — погружение деталей в раствор азотной кислоты, нагретой до 140°C.
2. Лакокрасочные покрытия. Главный недостаток лакокрасочных покрытий — низкая устойчивость к перепадам температуры, механическому повреждению.
3. Порошковые краски. Наносятся специализированным оборудованием в закрытых покрасочных камерах.
4. Различные полимерные покрытия.

Металлические покрытия

Эти методы предотвращения коррозии заключаются в погружении стали в расплав металла, электрический потенциал которого меньше, чем железа (чем больше разница, тем эффективнее покрытие).

Практическое применение находят гальванические покрытия цинком или оловом, а также диффузионные покрытия никелем, хромом, кремнием или алюминием. По сравнению с другими методами защиты от коррозии гальванизация известна более низкими начальными затратами, устойчивостью и универсальностью.

Поскольку расход металла-протектора довольно велик, преимущество получают технологии, отличающиеся экономичностью используемых компонентов и прочностью создаваемых покрытий. Первым в этом списке находится цинкование. Железо в стали вступает в реакцию с цинком, образуя прочное покрытие из сплава, которое служит защитой.

Способы удаления коррозии

Если ржавчина уже появилась, удалить ее можно разными способами — механическим, химическим. Также можно воспользоваться народными средствами.

Ржавый замок (Фото: pixabay.com)

Механическая очистка

Подразумевает использование абразивных инструментов. Поврежденные части будут очищаться путем трения.

Щеткой по металлу

Представляет собой классическую ручную щетку со множеством металлических волокон, которыми происходит зачистка. Подходит для частичного удаления последствий коррозии.

Изменение состава технического металла и коррозионной среды

Заключается в специальном легировании стали элементами, повышающими её коррозионную стойкость. Если это возможно, то в механическую систему, которая работает в условиях повышенной температуры и влажности, вводят смазку, содержащую противокоррозионные компоненты (восстановители).

Элементом, который положительно влияет на коррозионную стойкость стали, является хром. Для реализации этого эффекта сталь должна содержать не менее 13% хрома. Каждые дополнительные 5% хрома обеспечивают еще лучшую коррозионную стойкость.

Никель — второй важный элемент для улучшения коррозионной стойкости стали, причём добавка никеля приводит также к стабилизации аустенита. Третьим важным элементом повышения коррозионной стойкости является молибден. Однако его добавки повышают коррозионную стойкость только нержавеющих сталей с достаточным содержанием хрома и никеля.

Рекомендации

Советы:

1. На защите деталей лучше не экономить, и покрыть их резиновой или полимерной краской.
2. Перед использованием абразивов нужно попробовать удалить ржавчину щадящими составами.
3. Сложные коррозионные процессы можно останавливать с помощью агрессивных химикатов, но прежде чем их использовать, нужно изучить свойства состава, характеристики металла, чтобы предотвратить возможные негативные реакции.

Сразу после удаления ржавчины поверхности нужно покрыть защитным составом, чтобы снизить риск повторного распространения коррозии.

Коррозионные процессы могут быстро разрушить любой материал. Порча металлоконструкций в некоторых ситуациях может иметь катастрофические последствия. Изучив способы защиты от образования коррозии, нужно применить один из наиболее подходящих.

Экономический эффект

Ржавчина вызывает деградацию изделий и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстрому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое поеданием ржавчиной

. Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус (штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главной причиной разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

Мост Кинзу после разрушения.
Мост Кинзу в штате Пенсильвания был снесён смерчем в 2003 году в значительной степени потому, что центральные опорные болты, соединяющие сооружение с землёй, проржавели, из-за чего мост держался лишь под действием силы тяжести.

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские трудности. Это один из наиболее распространённых отказов железобетонных мостов.

Таблица 1. Совместимость металлов

Таблица 2. Совместимость стали с металлами

Видео описание

Разрушитель ржавчины-убийца WD-40,или лайфхак с WD-40

Народные средства

Если химические составы отсутствуют либо работать с ними нельзя, ржавчину с металлических изделий можно попробовать убрать с помощью бытовой химии, прочих эффективных растворов. Некоторые из них придется приготовить самостоятельно.

Cilit

Гель предназначен для устранения ржавчины в кухне, ванной. Его часто применяют для очищения кранов, смесителей, металлических приборов, иных железных изделий. Прежде чем использовать состав, важно учесть, что он способен разъесть краску.

Силит принадлежит к средствам быстрого действия, его нельзя оставлять на обработанной поверхности больше пяти минут Источник cdn.comfy.ua

Керосин и парафин

Рекомендуемое соотношение ингредиентов – 10:1. После соединения компонентов средство необходимо выдержать на протяжении суток, затем нанести на поврежденные ржавчиной элементы. Спустя 12 часов обработанное место следует протереть сухой тряпкой. Подобный метод отлично подойдет для стройматериалов, инструментов.

Специфический запах керосина не позволяет обрабатывать открытые поверхности, побитые ржавчиной, на кухне или в ванной Источник ritualica.ru

Сферы применения коррозийно-устойчивых сплавов

Получаемые сплавы с примесью титана активно применяют в аэрокосмической промышленности и рекреационных сферах, мельхиора – в медицине, латуни – в химической промышленности и машиностроении.

В целом, комбинируя различные металлы в разном соотношение можно получить огромное количество коррозионно-стойкий сплавов, пригодных для использования в ряде сфер деятельности современного человека.

Корро́зия, ржавление, ржа, ржавчина

— это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Разрушение по физическим причинам не является коррозией, а характеризуется понятиями «эрозия», «истирание», «износ». Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

Пример — кислородная коррозия железа в воде:

4 F e + 6 H 2 O + 3 O 2 → 4 F e ( O H ) 3 < m <4Fe+6H_<2>O+3O_<2> ightarrow 4Fe(OH)_<3>>>>

Гидроксид железа Fe(OH)3 и является тем, что называют ржавчиной.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление» — коррозия железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состоящих из гидратированных остатков железа.

На неметаллические материалы определение коррозии не распространяется. Применительно к полимерам существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия.

Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.