Металл со временем разрушается. Ежегодно коррозия съедает примерно треть мирового производства металла. С точки зрения химии коррозия – не что иное, как окисление металла. Суть процесса одинакова – металл окисляется; разнятся лишь конечные продукты, металл превращается в оксид, гидроксид, сульфид, карбонат или другие соединения. Если металл вступает в реакцию с атмосферным кислородом, образуются оксиды. При участии в процессе коррозии водяного пара или капельной влаги могут образоваться гидроксиды, основные соли или кристаллогидраты. Результат совместного действия кислорода и атмосферной влаги на железо - Fe2O3·xH2O, ржавчина. Медная патина – основной карбонат меди. Серебро чернеет на воздухе из-за образования сульфида. Коррозия технически чистого металла относится к химической. Коррозия, протекающая по электрохимическому типу, наблюдается там, где есть сочетание металлов отличающихся по химической активности. В этом случае окисление происходит сообразованием гальванического элемента.
Металлы высокой степени чистоты электрохимической коррозии не подвержены. Обычно же металл массового производства содержит примеси. Они, как правило, не растворены равномерно, а локализованы точечно в толще основного металла. В присутствии атмосферной влаги на поверхности металла в местах расположения вкрапления примесей образуются микроскопические гальванические элементы. При этом в первую очередь начинает разрушаться самый неблагородный, основной металл. Именно поэтому наиболее нежелательны примеси металлов, расположенных в конце ряда относительной активности. При отсутствии нежелательных примесей гальванические пары могут возникать между участками, подвергшимися разным типам обработки, в местах образования неэлектропроводных пленок, в узких зазорах. Яркий пример: сварные швы – входные ворота одного из самых опасных видов коррозии, межкристаллитной.
(Фото: Коррозионный элемент // ru.wikipedia.org)
Разность потенциалов может быть обусловлена и разной аэрацией среды, что особенно актуально для судостроения. Концентрация кислорода в воде уменьшается с увеличением глубины, следовательно, существует уровень погружения металла, где возникает равновесный потенциал восстановления кислорода. При этом поверхность металла, расположенная выше этого уровня ведет себя как катод. Металл находящийся ниже становится анодом и начинает разрушаться. Сходная картина наблюдается и в каплях воды на поверхности металла: в центре капли образуется анод, края капли играют роль катода. Коррозия ускоряется также при ряде физических воздействий.
Для защиты металла от окисления используют специальные добавки (легированные стали); на поверхность наносят покрытия, изолирующие металл от прямого контакта с кислородом. Это разнообразные эмали, лаки, полимеры, асфальт и т.д. Такой метод пригоден для неподвижных конструкций. Там где детали соединены подвижно такие покрытия непригодны. Поэтому широкое распространение получили покрытия из металла. Для нанесения защитного покрытия используются относительно дешевые металлы, устойчивые к внешним воздействиям. Необходимое условие – металл покрытия должен располагаться в ряду относительной активности перед основным металлом. Для защиты от коррозии железо чаще всего покрывают цинком, который полностью соответствует перечисленным условиям. При повреждении цинкового покрытия цинк становится анодом, железо – катодом. Цинк начинает разрушаться, а железо сохраняется до тех пор, пока цинк не окислится полностью. Консервные банки покрывают оловом, так как этот металл более устойчив к действию слабоагрессивных сред консервированных продуктов, чем цинк. Когда банку вскрывают, железо становится анодом, а роль катода выполняет олово. Следовательно, выброшенная банка из белой жести довольно быстро превратится в горку ржавчины.
Впрочем, клин клином вышибают и против электрохимической коррозии применяются электрохимические способы защиты. Для того, чтобы получать красивые и устойчивые покрытия, например, из никеля, требуются дополнительные ухищрения. Поскольку никель тоже расположен в ряду активности правее железа, наносить его непосредственно на поверхность означает подписать смертный приговор основному металлу. Поэтому сначала на железо наносится медное покрытие, а поверх него – никель. При повреждении никелевого слоя образуется гальваническая пара между никелем и медью, а основной металл не пострадает. Для образования надежного многослойного покрытия достаточно тонких слоев металлов.
Еще один способ уберечь металл от коррозии – протекторная защита. Этот вариант антикоррозионной защиты давно применяют в судостроении. Морская вода – прекрасный электролит, и часть корпуса ниже ватерлинии активно окисляется. Для защиты днища корабля к корпусу крепят цинковые пластины, т.е. целенаправленно создают гальваническую пару. Цинковый анод – своеобразный технический камикадзе, этой деталью жертвуют для защиты стального корпуса. После полного растворения цинка устанавливают новые пластины. Протектор может быть изготовлен из того же металла, что и сам корпус, но в таком случае важно внешнее напряжение. Для этого между протектором и корпусом корабля подают напряжение, чтобы протектор представлял собой анод. В этом случае важно правильно подключить источник тока, в противном случае коррозия получит подкрепление и процесс пойдет более активно. Метод протекторной защиты применяют также для защиты подземных трубопроводов, различных резервуаров, кузовов автомобилей и т.д.
Электрохимическая теория коррозии позволила создать довольно эффективные способы защиты металла, но пока не привела к полной победе над этим разрушительным явлением.
