«Коррозия металлов»

Коррозия металлов, разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней (коррозионной) средой. В результате К. ежегодно теряется от 1 до 1,5% всего металла, накопленного и эксплуатируемого человечеством. В денежном выражении прямые потери от К. (на воспроизводство и замену вышедшего из строя оборудования) составили, по примерной оценке, в США за 1955 около 5,5 млрд. долларов, во Франции за 1959 около 250 млрд. франков. В СССР в конце 60-х гг. они были не ниже 5—6 млрд. рублей в год. Трудно учесть более высокие косвенные потери от простоев и снижения производительности оборудования, подвергшегося К., от нарушения нормального хода технологических процессов, от аварий, обусловленных снижением прочности металлических конструкций, и т. п. В народном хозяйстве всё шире применяются всевозможные средства и методы борьбы с К. (см. Антикоррозионная защита).

Причина К.: термодинамическая неустойчивость системы, состоящей из металла и компонентов окружающей (коррозионной) среды. Мерой термодинамической неустойчивости является свободная энергия, освобождаемая при взаимодействии металла с этими компонентами. Но свободная энергия сама по себе ещё не определяет скорость коррозионного процесса, т. е. величину, наиболее важную для оценки коррозионной стойкости металла. В ряде случаев адсорбционные или фазовые слои (плёнки), возникающие на поверхности металла в результате начавшегося коррозионного процесса (см. Пассивирование металлов), образуют настолько плотный и непроницаемый барьер, что К. прекращается или очень сильно тормозится. Поэтому в условиях эксплуатации металл, обладающий большим сродством к кислороду, может оказаться не менее, а более стойким (так, свободная энергия образования окисла у Cr или Al выше, чем у Fe, а по стойкости они часто превосходят Fe).

Коррозионные процессы классифицируют: а) по виду (геометрическому характеру) коррозионных разрушений на поверхности или в объёме металла, б) по механизму реакций взаимодействия металла со средой (химическая и электрохимическая К.), в) по типу коррозионной среды, г) по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

Виды коррозионных разрушений. К., захватившая всю поверхность металла, называется сплошной. Её делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинакова ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной К. поражения локальны и оставляют практически незатронутой значительную (иногда подавляющую) часть поверхности. В зависимости от степени локализации различают коррозионные пятна, язвы и точки (питтинг). Точечные поражения могут дать начало подповерхностной коррозии. распространяющейся в стороны под очень тонким (например, наклёпанным) слоем металла, который затем вздувается пузырями или шелушится. Наиболее опасные виды местной К. — межкристаллитная (интеркристаллитная), которая, не разрушая зёрен металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и транскристаллитная, рассекающая металл трещиной прямо через зёрна. Почти не оставляя видимых следов на поверхности, эти поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали или конструкции. Близка к ним по характеру ножевая К., словно ножом разрезающая металл вдоль сварного шва при эксплуатации некоторых сплавов в особо агрессивных растворах. Иногда специально выделяют поверхностную нитевидную К., развивающуюся, например, под неметаллическими покрытиями, и послойную К., идущую преимущественно в направлении пластической деформации. Специфична избирательная К., при которой в сплаве могут избирательно растворяться даже отдельные компоненты твёрдых растворов (например, обесцинкование латуней).

Химическая и электрохимическая К.К. является химической, если после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Химическая К. возможна в любой коррозионной среде, однако чаще всего она наблюдается в тех случаях, когда коррозионная среда не является электролитом (газовая К., К. в неэлектропроводных органических жидкостях). Скорость её чаще всего определяется диффузией частиц металла и окислителя через поверхностную плёнку продуктов К. (высокотемпературное окисление большинства металлов газами), иногда — растворением или испарением этой плёнки (высокотемпературное окисление W или Mo), её растрескиванием (окисление Nb при высоких температурах) и изредка — конвективной доставкой окислителя из внешней среды (при очень малых его концентрациях).

К. является электрохимической, если при выходе из металлической решётки образующийся катион вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды; окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. Такой процесс возможен в тех случаях, когда в окружающей среде существуют два типа реагентов, из которых одни (сольватирующие или комплексообразующие) способны соединяться устойчивыми связями с катионом металла без участия его валентных электронов, а другие (окислители) могут присоединять валентные электроны металла, не удерживая около себя катионы. Подобными свойствами обладают растворы или расплавы электролитов, где сольватированные катионы сохраняют значительную подвижность. Т. о., при электрохимической К. удаление атома из металлической решётки (что составляет суть любого коррозионного процесса) осуществляется в результате двух независимых, но сопряжённых, связанных между собой электрическим балансом, электрохимических процессов: анодного — переход сольватируемых катионов металла в раствор, и катодного — связывание окислителем освобождающихся электронов. Отсюда следует, что процесс электрохимической К. можно замедлить не только путём непосредственного торможения анодного процесса, но также воздействуя на скорость катодного. Наиболее распространены два катодных процесса: разряд водородных ионов (2е + 2H+ = H2) и восстановление растворённого кислорода (4e+O2+4H+ = 2H2O или 4e+O2+2H2O =4ОН-), которые часто называют соответственно водородной и кислородной деполяризацией.

Анодный и катодный процессы с той или иной вероятностью и в той или иной последовательности протекают в любых точках металлической поверхности, где катионы и электроны могут взаимодействовать с компонентами коррозионной среды. Если поверхность однородна, то катодные и анодные процессы равновероятны по всей её площади; в таком идеальном случае К. называют гомогенно-электрохимической (отмечая таким образом отсутствие какой-либо неоднородности в распределении вероятности электрохимических процессов в любой точке поверхности, что, конечно, не исключает термодинамической гетерогенности взаимодействующих фаз). В действительности на металлических поверхностях существуют участки с различными условиями доставки реагирующих компонентов, с разным энергетическим состоянием атомов или с различными примесями. На таких участках возможно более энергичное протекание либо анодного, либо катодного процессов, и К. становится гетерогенно-электрохимической.

Проводимость металла очень высока, и при возникновении избыточного заряда электроны практически мгновенно перераспределяются, так что плотность заряда и электрического потенциал металла меняются одновременно по всей его поверхности независимо от того, в каких её точках электроны освободились после ухода катионов, а в каких захватываются окислителем. В частности, это означает, что от мест, где преимущественно осуществляется анодная реакция, электроны перемещаются в металле к местам протекания катодной. Соответственно раствор вблизи анодных участков принимает избыточный положительный заряд растворившихся катионов, а вблизи катодных заряжается отрицательно в результате захвата электронов растворённым окислителем. В растворе эти заряды не перераспределяются так легко, как в металле. Поэтому с повышением скорости процесса потенциал раствора в непосредственной близости от анодных участков становится всё более положительным, что затрудняет дальнейший выход из металла положительно заряженных катионов, а вблизи катодных участков — более отрицательным, что затрудняет катодный процесс. Иначе это можно представить, как вызванное протеканием тока омическое падение напряжения между прианодным и прикатодным слоями раствора, с учётом которого потенциал металла по отношению к прианодному слою оказывается несколько более отрицательным, а по отношению к прикатодному — более положительным, чем по отношению к объёму раствора. В случаях, когда такое омическое падение напряжения велико (очень высокая плотность тока, низкая электрическая проводимость раствора, большое взаимное удаление катодных и анодных участков), коррозионную систему удобнее представить в виде системы короткозамкнутых микро- или макрогальванических элементов. В остальных случаях при определении средней по площади скорости растворения металла современная теория наряду с такой моделью позволяет также представлять электрохимически гетерогенную поверхность как квазигомогенную. Тогда ей приписывают удельные анодные и катодные характеристики, равные интегрально усреднённым по площади значениям одноимённых характеристик моделируемой гетерогенной поверхности, и графически изображают их на коррозионной диаграмме в виде анодных и катодных поляризационных кривых. Эти кривые показывают, как влияет электродный потенциал на усреднённые по площади и выраженные в единицах (или логарифмах) плотности тока скорости выхода катионов и электронов с данной поверхности в данный электролит. Диаграмма может быть очень сложной, т. к. в реальных системах на форму кривых могут влиять многие факторы, в том числе диффузия окислителя или переходящих в раствор катионов, пассивация металла и различные нарушения пассивного состояния (см. Пассивирование металлов). На рисунке дана схематическая коррозионная диаграмма для простейшего гипотетического случая, когда ни один из перечисленных факторов не оказывает влияния.

Анодный и катодный процессы, как было отмечено выше, связаны электрическим балансом. Электроны, оставляемые уходящими катионами, сообщают металлу отрицательный заряд, который затрудняет выход катионов в раствор, но одновременно ускоряет катодный процесс. Последний, в свою очередь, способствуя уменьшению отрицательного заряда металла, самозатормаживается, но облегчает протекание анодной реакции. Т. о. происходит саморегулирование заряда металлической поверхности, являющееся одним из важных элементов механизма установления стационарного потенциала К. (jст), при котором катодная (К) и анодная (А) поляризационные кривые пересекаются (точка S). Хотя скорость электрохимической К. и зависит от потенциала, однако связь эта далеко неоднозначна, что можно видеть на следующем примере. Если при неизменных анодных характеристиках (кривая А) на поверхности металла появляются дополнительные активные катоды, то вызванное ими облегчение катодного процесса (описываемого теперь кривой К') может привести к ускорению растворения металла (до тех пор, пока не будет достигнута плотность тока i*ст) со сдвигом потенциала в положительном направлении (до j*ст). Наоборот, при неизменных катодных характеристиках (кривая К) и появлении дополнительных анодных участков (что соответствует протеканию процесса, описываемого кривой А') К. ускоряется (до i**ст) со сдвигом потенциала в отрицательную сторону (до j**ст). Однако при пропорциональном облегчении обоих процессов (кривые A' и К') значительное ускорение К. (до i***ст) возможно без изменения потенциала. Более сложные случаи наблюдаются при пассивации, а также нарушениях пассивного состояния.

К. в различных средах, влияние дополнительных факторов (воздействий).Некоторые коррозионные среды и вызываемые ими разрушения столь характерны, что по названию этих сред классифицируются и протекающие в них коррозионные процессы. Так, выделяют газовую К., т. е. химическую К. под действием горячих газов (при температуре много выше точки росы). Характерны некоторые случаи электрохимической К. (преимущественно с катодным восстановлением кислорода) в природных средах: атмосферная — в чистом или загрязнённом воздухе при влажности, достаточной для образования на поверхности металла плёнки электролита (особенно в присутствии агрессивных газов, например СО2, Cl2, или аэрозолей кислот, солей и т. п.); морская — под действием морской воды и подземная — в грунтах и почвах.

К. под напряжением развивается в зоне действия растягивающих или изгибающих механических нагрузок, а также остаточных деформаций или термических напряжений и, как правило, ведёт к транскристаллитному коррозионному растрескиванию, которому подвержены, например, стальные тросы и пружины в атмосферных условиях, углеродистые и нержавеющие стали в паросиловых установках, высокопрочные титановые сплавы в морской воде и т. д. При знакопеременных нагрузках может проявляться коррозионная усталость, выражающаяся в более или менее резком понижении предела усталости металла в присутствии коррозионной среды. Коррозионная эрозия (или К. при трении) представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.). Родственная ей кавитационная К. возникает при кавитационных режимах обтекания металла агрессивной средой, когда непрерывное возникновение и «захлопывание» мелких вакуумных пузырьков создаёт поток разрушающих микрогидравлических ударов, воздействующих на поверхность металла. Близкой разновидностью можно считать и фреттинг-К., наблюдаемую в местах контакта плотно сжатых или катящихся одна по другой деталей, если в результате вибраций между их поверхностями возникают микроскопические смещения сдвига.

Утечка электрического тока через границу металла с агрессивной средой вызывает в зависимости от характера и направления утечки дополнительные анодные и катодные реакции, могущие прямо или косвенно вести к ускоренному местному или общему разрушению металла (К. блуждающим током). Сходные разрушения, локализуемые вблизи контакта, может вызвать соприкосновение в электролите двух разнородных металлов, образующих замкнутый гальванический элемент, — контактная К. В узких зазорах между деталями, а также под отставшим покрытием или наростом, куда проникает электролит, но затруднён доступ кислорода, необходимого для пассивации металла, может развиваться щелевая К., при которой растворение металла в основном происходит в щели, а катодные реакции частично или полностью протекают рядом с ней на открытой поверхности.

Принято выделять также биологическую К., идущую под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий и др. организмов, и радиационную К. — при воздействии радиоактивного излучения.

Количественная оценка К. Скорость общей К. оценивают по убыли металла с единицы площади (К), например в г/м2×ч, или по скорости проникновения К., т. е. по одностороннему уменьшению толщины нетронутого металла (П), например в мм/год. При равномерной К. П = 8,75К/r, где r — плотность металла в г/см3. При неравномерной и местной К. оценивается максимальное проникновение. По ГОСТу 13819—68 установлена 10-балльная шкала общей коррозионной стойкости (см. табл.). В особых случаях К. может оцениваться и по др. показателям (потеря механической прочности и пластичности, рост электрического сопротивления, уменьшение отражательной способности и т. д.), которые выбираются в соответствии с видом К. и назначением изделия или конструкции.

10-балльная шкала для оценки общей коррозионной стойкости металлов

Группа стойкости

Скорость коррозии металла, мм/год. Балл

Совершенно стойкие

Менее 0,001

1

Весьма стойкие

Свыше 0,001 до 0,005

Свыше 0,005 до 0,01

2

3

Стойкие

Свыше 0,01 до 0,05

Свыше 0,05 до 0,1

4

5

Пониженно-стойкие

Свыше 0,1 до 0,5

Свыше 0,5 до 1,0

6

7

Малостойкие

Свыше 1,0 до 5,0

Свыше 5,0 до 10,0

8

9

Нестойкие

Свыше 10,0

10

При подборе материалов, стойких к воздействию различных агрессивных сред в тех или иных конкретных условиях, пользуются справочными таблицами коррозионной и химической стойкости материалов или проводят лабораторные и натурные (непосредственно на месте и в условиях будущего применения) коррозионные испытания образцов, а также целых полупромышленных узлов и аппаратов. Испытания в условиях, более жёстких, чем эксплуатационные, называют ускоренными.

Лит.: Акимов Г. В., Основы учения о коррозии и защите металлов, М., 1946; Томашов Н. Д., Теория коррозии и защита металлов, М., 1959; Эванс Ю. P., Коррозия и окисление металлов, пер. с англ., М., 1962; Розенфельд И. Л., Атмосферная коррозия металлов, М., 1960; Бялобжеский А. В., Радиационная коррозия, М., 1967. См. также лит. при ст. Коррозионностойкие материалы.

А. В. Бялобжеский, В. М. Новаковский.

самопроизвольное физико-химическое разрушение и превращение полезного металла в бесполезные химические соединения. Большинство компонентов окружающей среды, будь то жидкости или газы, способствуют коррозии металлов; постоянные природные воздействия вызывают ржавление стальных конструкций, порчу корпусов автомобилей, образование питтингов (ямок травления) на хромированных покрытиях и т.д. В этих примерах поверхность металла видимым образом разрушается, но понятие коррозии включает случаи внутреннего разрушительного воздействия, например на границе между кристаллами металла. Эта так называемая структурная (межкристаллитная) коррозия протекает внешне незаметно, но может приводить к авариям и даже несчастным случаям. Зачастую неожиданные повреждения металлических деталей связаны с напряжениями, в частности, связанными с коррозионной усталостью металла. Не всегда коррозия имеет деструктивный характер. Например, зеленая патина, часто наблюдаемая на бронзовых скульптурах, является оксидом меди, который эффективно защищает металл под оксидной пленкой от дальнейшей атмосферной коррозии. Этим объясняется прекрасное состояние многих старинных бронзовых и медных монет. Борьба с коррозией проводится методами защиты, разработанными на основе хорошо известных научных принципов, однако она остается одной из самых серьезных и сложных задач современной техники. Ок. 20% общего количества металлов ежегодно теряется из-за коррозии, и огромные средства тратятся на защиту от коррозии.

Электрохимическая природа коррозии. М. Фарадеем (1830-1840) была установлена связь между химическими реакциями и электрическим током, что явилось основой электрохимической теории коррозии. Однако детальное понимание коррозионных процессов пришло только в начале 20 в. Электрохимия как наука возникла в 18 в. благодаря изобретению А.Вольта (1799) первого гальванического элемента (вольтов столб), с помощью которого был получен непрерывный ток за счет преобразования химической энергии в электрическую. Гальванический элемент состоит из одной электрохимической ячейки, в которой два различных металла (электроды) частично погружены в водный раствор (электролит), способный проводить электричество. Электроды вне электролита соединяются электрическим проводником (металлической проволочкой). Один электрод ("анод") растворяется (корродирует) в электролите, образуя ионы металла, которые переходят в раствор, в то время как ионы водорода накапливаются на другом электроде ("катоде"). Поток положительных ионов в электролите компенсируется посредством прохождения тока электронов (электрического тока) от анода к катоду во внешней цепи.

СХЕМА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА иллюстрирует принцип естественного процесса коррозии металла.

Ионы металла, переходя в раствор, реагируют с компонентами раствора, давая продукты коррозии. Эти продукты зачастую растворимы и не препятствуют дальнейшей коррозии металлического анода. Так, если две смежные области, например на поверхности стали, хотя бы слабо отличаются друг от друга по составу или структуре, то в подходящей (например, влажной) среде на этом месте образуется коррозионная ячейка. Одна область является анодом по отношению к другой, и именно она будет корродировать. Таким образом, все малые локальные неоднородности металла образуют анодно-катодные микроячейки, по этой причине металлическая поверхность содержит многочисленные участки, потенциально подверженные коррозии. Если сталь опустить в обычную воду или почти любую водосодержащую жидкость, то уже готов подходящий электролит. Даже в умеренно влажной атмосфере на поверхности металла будет оседать конденсат влаги, приводящий к возникновению электрохимической ячейки. Как уже отмечалось, электрохимическая ячейка состоит из электродов, погруженных в электролит (т.е. из двух полуячеек). Потенциал (электродвижущая сила, ЭДС) электрохимической ячейки равен разности потенциалов электродов обеих полуячеек. Потенциалы электродов измеряются относительно водородного электрода сравнения. Измеренные электродные потенциалы металлов сведены в ряд напряжений, в котором благородные металлы (золото, платина, серебро и др.) находятся на правом конце ряда и имеют положительное значение потенциала. Обычные, неблагородные, металлы (магний, алюминий и т.д.) имеют сильно отрицательные потенциалы и располагаются ближе к началу ряда слева от водорода. Положение металла в ряду напряжений указывает на его устойчивость к коррозии, которая возрастает от начала ряда к его концу, т.е. слева направо.

См. также ЭЛЕКТРОХИМИЯ; ЭЛЕКТРОЛИТЫ.

Поляризация. Движение положительных (водородных) ионов в электролите по направлению к катоду с последующим разрядом приводит к образованию молекулярного водорода на катоде, что изменяет потенциал данного электрода: устанавливается обратный по знаку (стационарный) потенциал, который уменьшает общее напряжение ячейки. Ток в ячейке очень быстро спадает до чрезвычайно малых величин; в этом случае говорят, что ячейка "поляризована". Это состояние предполагает уменьшение или даже прекращение коррозии. Однако взаимодействие растворенного в электролите кислорода с водородом может свести на нет подобный эффект, поэтому кислород называют "деполяризатором". Эффект поляризации иногда проявляется в уменьшении скорости коррозии в стоячих водах вследствие недостатка кислорода, хотя такие случаи нетипичны, поскольку эффекты конвекции в жидкой среде обычно достаточны для подвода растворенного кислорода к поверхности катода. Неравномерное распределение деполяризатора (как правило, это кислород) над поверхностью металла тоже может вызывать коррозию, поскольку при этом образуется кислородная концентрационная ячейка, в которой коррозия происходит таким же образом, как в любой электрохимической ячейке.

Пассивность и другие анодные эффекты. Термин "пассивность" (пассивирование) был первоначально использован по отношению к коррозионной стойкости железа, погруженного в концентрированный раствор азотной кислоты. Однако это более общее явление, так как в определенных условиях многие металлы находятся в пассивном состоянии. Феномен пассивности был объяснен в 1836 Фарадеем, который показал, что ее причиной является чрезвычайно тонкая оксидная пленка, образующаяся в результате химических реакций на поверхности металла. Такая пленка может восстанавливаться (изменяться химически), и металл вновь становится активным при контакте с металлом, имеющим более отрицательный потенциал, например, железо в соседстве с цинком. При этом образуется гальваническая пара, в которой пассивный металл является катодом. Водород, выделяющийся на катоде, восстанавливает его защитную оксидную пленку. Оксидные пленки на алюминии защищают его от коррозии, и потому анодированный алюминий, получающийся в результате анодного окислительного процесса, используется как в декоративных целях, так и в быту. В широком химическом смысле все анодные процессы, протекающие на металле, являются окислительными, однако термин "анодное окисление" подразумевает целенаправленное образование значительного количества твердого оксида. Пленка определенной толщины образуется на алюминии, являющемся анодом в ячейке, электролитом которой служит серная или фосфорная кислота. Во многих патентах описаны различные модификации этого процесса. Первоначально анодированная поверхность имеет пористую структуру и может быть окрашена в любой желаемый цвет. Введение в электролит бихромата калия дает яркий оранжево-желтый оттенок, в то время как гексацианоферрат(II) калия, перманганат свинца и сульфид кобальта окрашивают пленки в голубой, красно-коричневый и черный цвета соответственно. Во многих случаях применяются водорастворимые органические красители, и это придает металлический глянец окрашенной поверхности. Образующийся слой необходимо закрепить, для чего достаточно обработать поверхность кипящей водой, хотя используются и кипящие растворы ацетатов никеля или кобальта.

Структурная (межкристаллитная) коррозия. Различные сплавы, в частности алюминиевые, увеличивают свою твердость и прочность при старении; процесс ускоряют, подвергая сплав термообработке. При этом образуются субмикроскопические частицы, которые располагаются вдоль пограничных слоев микрокристаллов (в межкристаллитном пространстве) сплава. В определенных условиях область, непосредственно примыкающая к границе, становится анодом по отношению к внутренней части кристалла, и в коррозионной среде границы между кристаллитами будут преимущественно подвержены коррозии, причем коррозионные трещины глубоко внедряются в структуру металла. Эта "структурная коррозия" серьезно влияет на механические свойства. Ее можно предотвратить либо с помощью правильно подобранных режимов термообработки, либо защитой металла непроницаемым для коррозии покрытием. Плакирование - холодное покрытие одного металла другим: высокопрочный сплав прокатывается между тонкими полосками чистого алюминия и уплотняется. Металл, входящий в подобную композицию, становится коррозионностойким, при этом само покрытие слабо сказывается на механических свойствах.

См. также МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ.

Предотвращение коррозии. При электрохимической коррозии образующиеся продукты часто растворяются (переходят в раствор) и не препятствуют дальнейшему разрушению металла; в некоторых случаях в раствор можно добавить химическое соединение (ингибитор), которое реагирует с первичными продуктами коррозии с образованием нерастворимых и обладающих протекторными свойствами соединений, которые осаждаются на аноде или на катоде. Например, железо легко корродирует в разбавленном растворе обычной соли (NaCl), однако при добавлении сульфата цинка в раствор образуется малорастворимый гидроксид цинка на катоде, а при добавлении фосфата натрия - нерастворимый фосфат железа на аноде (примеры катодных и анодных ингибиторов соответственно). Такие методы защиты можно применять только в тех случаях, когда конструкция целиком или частично погружена в жидкую коррозионную среду. Для уменьшения скорости коррозии часто используют катодную защиту. В этом методе на систему накладывается электрическое напряжение таким образом, чтобы вся защищаемая конструкция была катодом. Это осуществляется подключением конструкции к одному полюсу выпрямителя или генератора постоянного тока, в то время как к другому полюсу подключается внешний химически инертный анод, такой, как графит. Например, в случае защиты от коррозии трубопроводов нерастворимый анод зарывается в землю вблизи от них. В некоторых случаях для этих целей используются дополнительные защитные аноды, например, подвешенные внутри емкостей для хранения воды, причем вода в емкости выполняет роль электролита. В других методах катодной защиты обеспечивается достаточный ток, протекающий от какого-либо иного источника через конструкцию, которая полностью становится катодом и содержит возможные локальные аноды и катоды при одном и том же потенциале. Для этого к защищаемому металлу подсоединяют металл с более отрицательным потенциалом, который в образуемой гальванической паре играет роль протекторного анода и разрушается первым. Протекторные аноды из цинка применялись уже с 1825, когда знаменитый английский химик Х.Дэви предложил использовать их для защиты медной обшивки деревянных корпусов кораблей. Аноды на основе магниевых сплавов широко используются для защиты корпусов современных кораблей от коррозии в морской воде. Протекторные аноды чаще применяются по сравнению с анодами, связанными с внешними источниками тока, поскольку они не требуют энергозатрат. Окрашивание поверхности также используется для защиты от коррозии, особенно если конструкция не полностью погружена в жидкость. Металлические покрытия можно наносить путем напыления металлов или при помощи гальванотехники (например, хромирование, цинкование, никелирование).

Типы специфической коррозии. Коррозия в напряженном состоянии представляет собой разрушение металла под влиянием комбинированного действия статической нагрузки и коррозии. Основной механизм - первоначальное образование коррозионных питтингов и трещин с последующим разрушением конструкции, вызванным концентрациями напряжения в этих трещинах. Детали механизма коррозии сложны и не всегда понятны, они могут быть связаны с остаточными напряжениями. Чистые металлы, а также латунь не склонны к коррозии в напряженном состоянии. В случае сплавов появляются трещины в межкристаллитном пространстве, которое является анодом по отношению к внутренним участкам зерен; это увеличивает вероятность коррозионного воздействия вдоль межкристаллитных границ и облегчает последующий процесс растрескивания по ним. Коррозионная усталость также является следствием совместного действия механического напряжения и коррозии. Однако циклические нагрузки опаснее статических. Усталостное растрескивание часто наступает и в отсутствие коррозии, но разрушительный эффект коррозионных трещин, которые создают места концентрации напряжения, очевиден. Вероятно, все так называемые усталостные механизмы включают коррозию, так как невозможно полностью исключить поверхностную коррозию. Коррозия под действием жидких металлов - особая форма коррозии, которая не включает электрохимический механизм. Жидкие металлы имеют большое значение в системах охлаждения, в частности, ядерных реакторов. В качестве охладителей используются жидкие калий и натрий и их сплавы, а также жидкие свинец, висмут и свинцово-висмутовые сплавы. Большинство конструкционных металлов и сплавов при контакте с подобной жидкой средой в той или иной степени подвергаются деструкции, при этом механизм коррозии в каждом случае может быть различным. Во-первых, материал контейнера или труб в системе теплопередачи может в небольшой степени растворяться в жидком металле, а так как растворимость обычно изменяется с температурой, растворенный металл может осаждаться из раствора в охлажденной части системы, забивая при этом каналы и клапаны. Во-вторых, возможно межкристаллитное проникновение жидкого металла, если существует его селективная реакция с легирующими добавками конструкционного материала. Здесь, как и в случае электрохимической межкристаллитной коррозии, механические свойства ухудшаются без видимых проявлений и без изменения массы конструкции; правда, такие случаи разрушительного воздействия встречаются редко. В-третьих, жидкий и твердый металлы могут взаимодействовать с образованием поверхностного сплава, который в некоторых случаях служит диффузионным барьером по отношению к дальнейшему воздействию. Эрозионная коррозия (ударная, кавитационная коррозия) относится к механическому воздействию жидкого металла, текущего в турбулентном режиме. В экстремальных случаях это приводит к кавитации и эрозионному разрушению конструкции.

См. также КАВИТАЦИЯ. Коррозионные эффекты радиации интенсивно исследуются в связи с развитием атомной энергетики, однако в открытой печати мало информации по этому вопросу. Общеупотребительный термин "радиационное повреждение" относится ко всем изменениям механической, физической или химической природы твердых материалов, которые обусловлены воздействием радиации следующих типов: ионизирующее излучение (рентгеновское или g), легкие заряженные частицы (электроны), тяжелые заряженные частицы (a-частицы) и тяжелые незаряженные частицы (нейтроны). Известно, что бомбардировка металла тяжелыми частицами высоких энергий приводит к возникновению нарушений на атомном уровне, которые при соответствующих обстоятельствах могут быть местами возникновения электрохимических реакций. Однако более важное изменение происходит не в самом металле, а в его окружении. Такие непрямые эффекты возникают в результате действия ионизирующего излучения (например, g-лучей), которое не изменяет свойства металла, но в водных растворах вызывает образование высокореакционных свободных радикалов и пероксида водорода, а подобные соединения способствуют возрастанию скорости коррозии. Кроме того, такой ингибитор коррозии, как дихромат натрия, будет восстанавливаться и терять свою эффективность. Под действием ионизирующего излучения оксидные пленки также ионизируются и теряют свои коррозионнозащитные свойства. Все вышеперечисленные особенности сильно зависят от конкретных условий, связанных с коррозией.

Окисление металлов. Большинство металлов взаимодействует с кислородом воздуха с образованием стабильных оксидов металла. Скорость, с которой происходит окисление, сильно зависит от температуры, и при нормальной температуре на металлической поверхности образуется только тонкая пленка оксида (на меди, например, это заметно по потемнению поверхности). При более высоких температурах процесс окисления протекает быстрее. Благородные металлы представляют исключение из этого правила, так как обладают малым сродством к кислороду. Предполагается, что золото вообще не окисляется при нагревании на воздухе или в кислороде, а слабое окисление платины при температурах до 450° С прекращается при нагревании до более высоких температур. Обычные же конструкционные металлы окисляются с образованием четырех типов оксидных соединений: летучих, плотных, защитных или непористых. Небольшое число тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, становятся хрупкими при высоких температурах и образуют летучие оксиды, поэтому защитный оксидный слой не образуется и при высокой температуре металлы следует защищать инертной атмосферой (инертные газы). Сверхлегкие металлы образуют, как правило, слишком плотные оксиды, которые пористы и не защищают металлы от дальнейшего окисления. По этой причине магний окисляется очень легко. Защитные оксидные слои образуются у многих металлов, но обычно они обладают умеренной защитной способностью. Оксидная пленка на алюминии, например, полностью покрывает металл, однако при напряжениях сжатия развиваются трещины, по-видимому, за счет изменений температуры и влажности. Защитный эффект оксидных слоев ограничивается относительно низкими температурами. Многие "тяжелые металлы" (например, медь, железо, никель) образуют непористые оксиды, которые, хотя и не растрескиваются, не всегда защищают основной металл. Теоретически эти оксиды представляют большой интерес и активно исследуются. Они содержат менее стехиометрического количества металла; отсутствующие атомы металла образуют дырки в решетке оксида. Вследствие этого атомы могут диффундировать сквозь решетку, и толщина оксидного слоя постоянно увеличивается.

Применение сплавов. Так как все известные конструкционные металлы склонны к окислению, элементы конструкции, которые находятся при высоких температурах в окислительной среде, следует изготовлять из сплавов, которые в качестве легирующего элемента содержат металл, стойкий к действию окислителя. Этим требованиям отвечает хром - достаточно дешевый металл (применяемый в виде феррохрома), который присутствует в составе почти всех высокотемпературных сплавов, отвечающих требованиям устойчивости к окислению. Поэтому все нержавеющие стали, легированные хромом, имеют хорошую устойчивость к окислению и находят широкое применение в домашнем хозяйстве и промышленности. Сплав нихром, который повсеместно применяется в качестве проволоки для спиралей электрических печей, содержит 80% никеля и 20% хрома и вполне стоек к окислению при температурах до 1000° С. Не меньше, чем устойчивость к окислению, важны механические свойства, и часто оказывается, что определенные элементы сплавов (такие, как хром) придают сплаву и высокотемпературную прочность, и устойчивость к окислению, так что проблема высокотемпературного окисления не вносила серьезных затруднений до тех пор, пока не стали использовать (в газотурбинных двигателях) в качестве топлива мазут, содержащий ванадий или натрий. Эти загрязнения вместе с серой в топливе дают продукты сгорания, обладающие чрезвычайно сильным коррозионным действием. Попытки решить эту проблему завершились разработкой добавок, которые при сгорании образуют безопасные летучие соединения с ванадием и натрием. Фреттинг-коррозия не включает в себя электрохимическую коррозию или прямое окисление в газовой фазе, а является в основном механическим эффектом. Это повреждение сочленных металлических поверхностей в результате истирания при их малых многократных относительных смещениях; наблюдается в виде царапин, язв, раковин; сопровождается заклиниванием и снижает устойчивость к коррозионной усталости, т.к. образующиеся царапины служат исходными точками для развития коррозионной усталости. Типичные примеры - повреждения в пазах крепления лопаток турбин при вибрации, истирание рабочих колес компрессора, изнашивание зубьев шестеренок, резьбовых соединений и т.д. При малых многократных смещениях защитные оксидные пленки разрушаются, истираются в порошок и увеличивается скорость коррозии. Фреттинг-коррозия стали легко идентифицируется по наличию красно-коричневых частиц оксида. Борьбу с фреттинг-коррозией ведут путем совершенствования конструкций, применения защитных покрытий, эластомерных прокладок, смазок.

См. также

МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ;

МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.

ЛИТЕРАТУРА

Кеше Г. Коррозия металлов. М., 1984 Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. М., 1985 Люблинский Е.Я. Что нужно знать о коррозии. Л., 1986 Фомин Г.С. Коррозия и защита от коррозии. Энциклопедия международных стандартов. М., 1994

(от позднелат. corrosio - разъедание), физ.-хим. взаимодействие металлич. материала и среды, приводящее к ухудшению эксплуатац. св-в материала, среды или техн. системы, частями к-рой они являются. В основе К. м. лежит хим. р-ция между материалом и средой или между их компонентами, протекающая на границе раздела фаз. Чаще всего это - окисление металла, напр.

3Fe+2О ₂=Fe₃O₄; Fe+H₂SO₄=FeSO₄+Н ₂

По стехиометрии такие р-ции довольно просты, но по механизму они относятся к наиб. сложным гетерог. р-циям. Иногда при К. м. происходит и восстановление нек-рых компонентов материала; напр., при высоких давлениях и т-рах карбиды восстанавливаются в стали проникающим водородом. К К. м. нередко относят также нек-рые случаи их растворения в жидких металлах (напр., растворение сталей в жидкометаллич. теплоносителях ядерных реакторов). К. м. - самопроизвольный процесс, сопровождающийся уменьшением энергии Гиббса системы конструкц. материал - среда. Для р-ций К. м. изменения энергии Гиббса по порядку величины таковы же, как и для самопроизвольно протекающих хим. р-ций. Термодинамич. нестабильность системы конструкц. металл - среда является причиной широкой распространенности К. м. во всех отраслях техники. Нормальная эксплуатация оборудования, коммуникаций, транспортных средств и т. п. часто возможна лишь при достаточном замедлении К. м., достигаемом при помощи многообразных способов и средств защиты от коррозии. Изменением состава материала или среды или созданием особых условий можно добиться того, что К. м. самотормозится из-за образования поверхностных защитных слоев (см. Пассивность металлов, Ингибиторы коррозии, Коррозионностойкие материалы). На нек-рых металлах (Al, Ti и др.) защитные слои в ряде сред образуются и без спец. мер. Несмотря на успехи в борьбе с К. м., ее проблемы обостряются из-за непрерывного роста металлич. фонда и ужесточения условий эксплуатации металлов. Это связано с использованием высокоагрессивных сред (хим. пром-сть, ядерная и геотермальная области энергетики, разработка шельфа и др.), повышением рабочих т-р, давления и скоростей потоков, загрязнением атмосферы SO, и др. примесями и т. п. Новые конструкц. материалы нередко подвергаются малоизученным и трудно прогнозируемым коррозионным разрушениям. Повышаются экологич. требования к средствам и технологиям защиты от коррозии; становится менее доступным сырье для произ-ва ряда коpрозионностойких материалов. В итоге возрастают как безвозвратные потери металла, стоимость к-рых входит в прямые убытки от К. м., так и затраты на защиту от коррозии. Однако наиб. велики косвенные убытки от К. м., связанные с простоями и снижением фондоотдачи, потерями и ухудшением качества продукции, авариями и т. п. В сумме косвенные и прямые убытки от К. м. и затраты на защиту [в соотношении примерно (3-4):1:1] в промышленно развитых странах достигают 4% национального дохода и более.

Механизм К. м. определяется прежде всего типом агрессивной среды. В сухих окислит. газах при повыш. т-рах на пов-сти большинства конструкц. металлов образуется слой твердых продуктов коррозии (окалина). При условии сплошности этого слоя скорость К. м. чаще всего лимитируется диффузией через него ионов металла к границе слой - газ или окислителя (напр., О ^2-) к границе слой-металл (подробнее см. Газовая коррозия). Иной механизм имеет очень распространенная К. м. в электролитич. средах - р-рах электролитов (в т. ч. в виде тонких пленок на пов-сти металла), пропитанных электролитами пористых и капиллярно-пористых телах (почвы, бетоны, нек-рые изоляц. материалы, рыхлые отложения и др.), а также в расплавах электролитов. В таких средах суммарный процесс К. м. можно записать в виде р-ции: