Скорость коррозии металла: виды, расчеты, факторы влияния

Понятие и виды коррозии металла

Коррозией принято называть химическое разрушение металлов при взаимодействии с различными факторами окружающей среды. Этот процесс не следует путать с эрозией, которая происходит вследствие только физических причин.

Среды, под действием которых разрушается материал, принято называть коррозионными. В ходе самопроизвольного разрушения металла образуются продукты коррозии. Коррозионная стойкость, соответственно, определяется способностью противостоять воздействию разрушающих факторов окружающей среды.

Существует ряд разновидностей этого процесса, которые отличаются механизмом и характером. Механизм, по которому протекает разъедание материала, зависит от особенностей коррозионной среды и ряда других немаловажных факторов. Коррозия может быть химической или электрохимической.

В сухой газовой или жидкой среде, не проводящей электричество (спирт, метилбензол, бензин), коррозия происходит по механизму, для которого характерна гетерогенная химическая реакция с параллельным окислением металла и восстановлением окисленных компонентов среды или деполяризаторов. Такой вид взаимодействия материала с коррозионной средой называют химической коррозией.

Условия, в которых протекают процессы, легли в основу их разделения на:

• газовую коррозию, при которой металл окисляется в газовой среде, где высокая температура не дает влаге возможности конденсироваться на его поверхности;
• коррозию в жидких средах, которые не проводят электричество.

Электрохимический механизм коррозионного разрушения материалов имеет место в средах с ионной проводимостью. Такой вид коррозии отличается параллельным течением двух реакций, когда отдельные участки поверхности деталей становятся местом окисления металла и восстановления окисленных компонентов коррозионной среды (деполяризаторов).

Средой для электрохимической коррозии служат водные растворы активного вещества (кислота, щелочь или соли). Чаще всего по этому механизму металлы корродируют в таких средах, как морская вода, земля или газ с небольшим количеством жидкости.

В зависимости от вида среды выделяют:

1. Газовую коррозию, когда разрушение металла протекает химическим путем в газе.
2. Атмосферную, протекающую в атмосфере влажных газов или на воздухе. Для такого разрушения типичен равномерный поверхностный характер.
3. Коррозию в электролитных растворах.
4. Почвенную или подземную коррозию металлоконструкций.
5. Биологическую коррозию, вызванную воздействием, оказываемым на поверхность металлического изделия продуктами жизнедеятельности микробов.

Электрохимическая коррозия металла может быть двух видов:

• Подземная электрокоррозия, происходящая из-за блуждающих токов от внешних источников.
• Контактная коррозия металлов, когда металл разрушается при взаимодействии с другим металлическим предметом с более высоким положительным электродным потенциалом.

Расчет скорости коррозии металла

Для определения скорости равномерного корродирования материала пользуются формулой:

V = Δm / S × t, где

V – скорость процесса, измеряемая в граммах на метр квадратный в час или миллиграммах на сантиметр квадратный в сутки;

m – изменение массы;

S – площадь;

t – время.

Расчет интенсивности по весовому показателю может быть нецелесообразным при необходимости сравнительного анализа коррозии двух металлов различной плотности. Для подобных случаев следует определять среднюю глубину, на которую проникли изменения.

Помимо скорости коррозии металла, нередко пользуются другими показателями:

• изменение массы, соотнесенное с показателем площади;
• глубина проникновения;
• соотношение чистой поверхности с той, что уже затронута процессом;
• число очагов коррозионного разрушения на единицу площади;
• количество выделяемого водорода или поглощаемого кислорода в пересчете на площадь;
• время, потребовавшееся на формирование первого очага изменений;
• период, потребовавшийся на коррозионное растрескивание или полное разрушение изделия;
• сила коррозионного тока.

Скорость коррозии металла в год можно рассчитать по формуле:

∏ = 8,76 × v/ρ, где

8,76 – коэффициент для перерасчета весового показателя на глубинный за 1 год (24 ч × 360 = 8 760 ч);

v – скорость коррозии, г/м2 ч;

ρ – плотность, г/см3;

Если разрушение происходит неравномерно, то нецелесообразно определение его скорости при помощи весового коэффициента и показателя глубинности процесса. Скорость коррозионного изъязвления определяется по максимальной глубине. Межкристаллитное разъедание и появление трещин требуют количественной оценки по косвенным показателям, таким как потеря прочности:

Kσ = (σ0 – σ1 / σ0) × 100 %, где

σ0 – предел прочности до коррозии;

σ1 – предел прочности после коррозии, отнесенный к первоначальному поперечному сечению детали.

Факторы, влияющие на скорость коррозии металла

Интенсивность разъедания материала деталей при их эксплуатации может зависеть от разных факторов:

• внутренних, на которые влияют как физика и химия объекта, так и его внутреннее строение, качество механической обработки поверхности, внутренние напряжения и т. д.;
• внешних, то есть окружающих условий, интенсивности движения окружающего вещества, химических особенностей, нагрева, присутствия субстанций, угнетающих или стимулирующих реакции и многих других;
• механических, заключающихся в появлении трещин, циклических нагрузках, разрушающих материал, кавитационной и появляющейся при разрушении оксидной пленки от трения коррозии и пр.;
• конструктива металлических изделий.

Среди наиболее важных показателей, оказывающих влияние на темпы коррозионного разрушения материала, следует назвать:

1. Термодинамическую устойчивость, которая в водном растворе определяется по справочным диаграммам Пурбе. Для этого нужно отложить по оси абсцисс pH коррозионной среды, а по оси ординат значение окислительно-восстановительного потенциала, сдвиг которого в сторону увеличения говорит о большей устойчивости металла. В среднем, она может быть определена как нормальный равновесный потенциал.
2. Атомный номер, уменьшение которого связано с возрастанием скорости процесса. Наименьшая коррозионная стойкость свойственна щелочным и щелочноземельным металлам.
3. Кристаллическую структуру, которая сказывается на коррозионной стойкости по-разному. От равномерности распределения фаз в целом зависит равномерность коррозионного разрушения металлов. Так, при неоднородном распределении коррозия образует очаги. В агрессивных средах на переходах от одной фазы к другой образуется разность потенциалов. Крупное зерно в структуре металла не способствует его более быстрому разрушению, но является фактором, благоприятствующим избирательной коррозии.
4. Различную энергию атомов в структуре металла. Расположенные по углам граней микроскопических неровностей частицы с более высоким энергетическим потенциалом активно участвуют в химическом разрушении, становясь его центрами. С учетом сказанного, особое внимание следует уделять механической обработке изделий, их шлифовке, доводке и полировке. Повышенная коррозионная устойчивость при этом объясняется, в том числе и тем, что на гладкой поверхности формируется более равномерная и плотная оксидная пленка.

При химическом коррозионном разрушении металла многое зависит от концентрации электрически заряженных атомов водорода, которые сказываются на:

• растворимости продуктов коррозии;
• формировании защитной пленки из окислов;
• скорости коррозии.

В кислых растворах с рН в диапазоне от 4 до 10 на скорость коррозии металла в значительной степени влияет то, насколько интенсивно атомарный кислород достигает его верхних слоев. По мере увеличения щелочности среды на первых порах происходит пассивация поверхности материала, снижающая темпы разрушения. Далее при значениях pH от 13 и более скорость коррозии нарастает за счет разъедания защитного слоя из оксидов.

Различные металлы и сплавы по-разному меняют свою коррозионную стойкость при изменении pH-среды. Наибольшую устойчивость к разрушению в кислых растворах проявляют платина, золото и серебро. Цинк и алюминий интенсивно корродируют как в кислой, так и в щелочной среде, а никель и кадмий быстро разрушаются в кислотных растворах, но проявляют стойкость к действию щелочных.

Если среда нейтральна, на скорость разрушения главным образом влияют химические свойства солей и их процентное содержание:

• гидролиз соли в коррозионной среде сопровождается образованием ионов, активирующих или замедляющих процесс коррозии;
• скорость разрушения можно увеличить, внося в раствор добавки, повышающие кислотность типа кальцинированной соды, или уменьшить, повышая щелочность добавлением, например, хлористого аммония;
• хлориды и сульфаты, вносимые в раствор, активируют процесс коррозии до определенного процентного содержания, по достижении которого начинают ингибировать его, снижая растворимость кислорода.

Способы защиты от коррозии металла

В зависимости от преобладающих механизмов разрушения, устойчивость окрашенных поверхностей к коррозии может быть различна. Активное химическое воздействие среды заметно меняет разность потенциалов между сердцевиной металлической детали и ее поверхностью. Возникающие из-за этого коррозионные токи стимулируют повреждение. Так разрушаются, к примеру, стальные трубы в проложенных под землей магистралях. Защитить такие изделия с помощью краски невозможно.

Покрытие металлами

Иначе обстоят дела при нанесении металлического покрытия с отрицательным электролитическим потенциалом в отношении окислительно-восстановительных реакций. Если преобладает окисление, стальные детали хорошо защищает покрытие на основе алюминия и цинка, так как эти элементы обладают меньшей кислородной активностью.

Цинкованием и алитированием часто защищают стальные изделия, работающие в кислых средах. С помощью окрашивания здесь решают в основном эстетические задачи.

Восстановительная среда требует защиты с помощью покрытий из металлов, располагающихся «справа» от водорода, тут идут в дело покрытия из меди или благородных металлов. Высокая стоимость меднения не позволяет применять его широко, речь обычно идет о защите малых площадей. В таких случаях на помощь приходят лакокрасочные покрытия.

Окрашивание

Защита, которую обеспечивают краски, осуществляется за счет наличия в их составе ингибиторов коррозии. Формула таких покрытий разрабатывается с учетом свойств среды и замедляет образование ржавых пятен. Благодаря эластичности современные краски также эффективно справляются и с провоцирующими коррозию поверхностными натяжениями.

Для увеличения антикоррозионных свойств в состав краски вводят полимеры на основе кремнийорганических соединений, повышающие устойчивость металла к температурным колебаниям, воздействию влаги и другим атмосферным факторам. К недостаткам подобных покрытий следует отнести:

• токсичность;
• низкую эффективность в отношении электролитического разрушения.

Сказанное выше подчеркивает особую важность правильного подбора красящих защитных составов и индивидуального подхода к защите металлических деталей и узлов от воздействия факторов окружающей среды.