Какво е химическа корозия и как да я премахнем?

Химическата корозия е процес, състоящ се в унищожаване на метал при взаимодействие с агресивна външна среда. Химическото разнообразие от корозионни процеси не е свързано с въздействието на електрически ток. При този вид корозия възниква окислителна реакция, при която материалът, който трябва да бъде унищожен, е в същото време редуциращ агент за елементите на средата.

Съдържание:

• Газова корозия
• Характеристики на оксидния филм
• Степен на корозия
• Корозия в неелектролитни течности
• Методи за защита от корозия
• Органосиликатни покрития

Класификацията на разнообразни агресивни среди включва два вида разрушаване на метали:

• химическа корозия в неелектролитни течности;
• химическа газова корозия.

Газова корозия

Най-често срещаната форма на химическа корозия - газ - е корозивен процес, който протича в газове при повишени температури. Този проблем е типичен за работата на много видове технологично оборудване и части (фитинги на пещи, двигатели, турбини и др.). В допълнение, ултрависоките температури се използват при обработката на метали под високо налягане (нагряване преди валцуване, щамповане, коване, термични процеси и др.).

Характеристиките на състоянието на металите при повишени температури се определят от две от техните свойства - топлоустойчивост и термоустойчивост. Топлоустойчивостта е степента на стабилност на механичните свойства на метал при ултрависоки температури. Под стабилността на механичните свойства се разбира запазването на здравина за дълго време и устойчивост на пълзене. Топлоустойчивостта е устойчивостта на метала към корозивната активност на газовете при повишени температури.

Степента на развитие на корозия на газ се определя от редица показатели, включително:

• атмосферна температура;
• компоненти, включени в метал или сплав;
• параметри на околната среда, където се намират газовете;
• продължителност на контакта с газообразната среда;
• свойства на корозивни продукти.

Процесът на корозия е по-повлиян от свойствата и параметрите на оксидния филм, който се е появил върху металната повърхност. Образуването на оксид може да бъде разделено хронологично на два етапа:

• адсорбция на кислородни молекули върху метална повърхност, взаимодействаща с атмосферата;
• контакт на металната повърхност с газ, което води до химическо съединение.

Първият етап се характеризира с появата на йонна връзка, в резултат на взаимодействието на кислород и повърхностни атоми, когато кислородният атом взема двойка електрони от метала. Възникналата връзка се отличава с изключителната си сила - тя е по-голяма от връзката на кислорода с метала в оксида.

Обяснението за тази връзка се крие в ефекта на атомното поле върху кислорода. Веднага след като металната повърхност се напълни с окислител (и това се случва много бързо), при ниски температури, благодарение на силата на ван дер Ваал, започва адсорбцията на окислителни молекули. Резултатът от реакцията е появата на най-тънкия мономолекулен филм, който с течение на времето става по-дебел, което усложнява достъпа на кислород.

На втория етап възниква химическа реакция, по време на която окисляващият елемент на средата взема валентни електрони от метала. Химическата корозия е крайният резултат от реакцията.

Характеристики на оксидния филм

Класификацията на оксидните филми включва три вида:

• тънка (невидима без специални устройства);
• среда (промяна в цвета);
• дебел (видим с просто око).

Полученият оксиден филм има защитни способности - забавя или дори напълно инхибира развитието на химическа корозия. Също така, наличието на оксиден филм увеличава топлинната устойчивост на метала.

Въпреки това, наистина ефективен филм трябва да отговаря на редица характеристики:

• не бъдете порести;
• имат непрекъсната структура;
• имат добри адхезивни свойства;
• различават се по химическа инертност по отношение на атмосферата;
• да бъде твърд и устойчив на износване.

Едно от горните условия - солидната структура е особено важна. Условието за непрекъснатост е превишението на обема на молекулите на оксидния филм над обема на металните атоми. Непрекъснатостта е способността на оксида да покрие цялата метална повърхност с непрекъснат слой. Ако това условие не е изпълнено, филмът не може да се счита за защитен. Има обаче изключения от това правило: за някои метали, например за магнезий и елементи от алкалоземни групи (с изключение на берилия), приемствеността не принадлежи към критичните показатели.

За да се определи дебелината на оксидния филм, се използват няколко техники. Защитните качества на филма могат да се изяснят в момента на неговото формиране. За целта изучаваме скоростта на окисляване на металите и параметрите на промяната на скоростта във времето.

За вече образувания оксид се използва друг метод, който се състои в изучаване на дебелината и защитните характеристики на филма. За да направите това, върху повърхността се нанася реагент. На следващо място, експертите записват времето, което ще отнеме на проникването на реагента и въз основа на получените данни правят заключение, че дебелината на филма.

Обърнете внимание! Дори окончателно образуваният оксиден филм продължава да взаимодейства с окислителната среда и метала.

Степен на корозия

Интензитетът, с който се развива химическата корозия, зависи от температурния режим. При високи температури окислителните процеси се развиват по-бързо. Освен това намаляването на ролята на термодинамичния фактор в хода на реакцията не влияе върху процеса.

От съществено значение е охлаждането и променливото нагряване. Поради топлинните натоварвания в оксидния филм се появяват пукнатини. Чрез дупките окислителният елемент удря повърхността. В резултат на това се образува нов слой оксиден филм, а първият се обелва.

Не най-малка роля играят компонентите на газовата среда. Този фактор е индивидуален за различните видове метали и съответства на температурните колебания. Например, медта може бързо да корозира, ако е в контакт с кислород, но е устойчива на този процес в среда на серен оксид. За никела, напротив, серният оксид е фатален и се наблюдава стабилност в кислорода, въглеродния диоксид и водната среда. Но хромът е устойчив на всички тези среди.

Обърнете внимание! Ако нивото на налягане на дисоциацията на оксида надвишава налягането на окислителния елемент, процесът на окисляване спира и металът придобива термодинамична стабилност.

Компонентите на сплавта също влияят върху скоростта на окислителната реакция. Например, манганът, сярата, никелът и фосфорът не допринасят за окисляването на желязото. Но алуминий, силиций и хром правят процеса по-бавен. Кобалт, мед, берилий и титан забавят още повече окисляването на желязото. Добавки за ванадий, волфрам и молибден ще помогнат да се подобри процеса по-интензивно, което се обяснява със запалимостта и летливостта на тези метали. Окислителните реакции протичат най-бавно с аустенитната структура, тъй като тя е най-адаптирана към високи температури.

Друг фактор, от който зависи скоростта на корозия, е характеристиката на обработената повърхност. Гладките повърхности се окисляват по-бавно, а неравните повърхности по-бързо.

Корозия в неелектролитни течности

Непроводими течности (т.е.неелектролитни течности) включват такива органични вещества като:

• бензол;
• хлороформ;
• алкохоли;
• въглероден тетрахлорид;
• фенол;
• масло;
• бензин;
• керосин и др.

В допълнение, малко количество неорганични течности, като течен бром и разтопена сяра, се класифицират като неелектролитни течности.

Трябва да се отбележи, че самите органични разтворители не реагират с металите, но при наличие на малко количество примеси се получава интензивен процес на взаимодействие.

Сярните елементи в маслото увеличават степента на корозия. Също така високите температури и наличието на кислород в течността засилват корозионните процеси. Влагата засилва развитието на корозия в съответствие с електромеханичния принцип.

Друг фактор за бързото развитие на корозия е течният бром. При нормални температури е особено вредно за високо въглеродните стомани, алуминия и титана. По-малко значим е ефектът на брома върху желязото и никела. Най-голямата устойчивост на течния бром се проявява от олово, сребро, тантал и платина.

Разтопената сяра влиза в агресивна реакция с почти всички метали, предимно с олово, калай и мед. Въглеродните степени на стоманата и титановата сяра са по-слабо засегнати и почти напълно унищожават алуминия.

Защитните мерки за метални конструкции, разположени в непроводима течна среда, се извършват чрез добавяне на метали, устойчиви на определена среда (например стомани с високо съдържание на хром). Също така се използват специални защитни покрития (например в среда, в която има много сяра, се използват алуминиеви покрития).

Методи за защита от корозия

Методите за контрол на корозията включват:

• обработка на основния метал със защитен слой (например, нанасяне на боя);
  
• използването на инхибитори (например хромати или арсенити);
• въвеждането на материали, устойчиви на корозионни процеси.

Изборът на конкретен материал зависи от потенциалната ефективност (включително технологична и финансова) от използването му.

Съвременните принципи за защита на металите се основават на такива техники:

1. Подобряване на химическата устойчивост на материалите. Химически устойчивите материали (високополимерни пластмаси, стъкло, керамика) успешно са се доказали.
2. Изолация на материал от агресивна среда.
3. Намаляване на агресивността на технологичната среда. Примерите за такива действия включват неутрализиране и отстраняване на киселинността в корозивни среди, както и използването на различни инхибитори.
4. Електрохимична защита (налагане на външен ток).

Горните методи са разделени на две групи:

1. Повишената химическа устойчивост и изолация се прилагат преди пускането в експлоатация на металните изделия.
2. Намаляването на агресивността на околната среда и електрохимичната защита вече се използват в процеса на използване на метални изделия. Прилагането на тези две техники прави възможно въвеждането на нови методи за защита, в резултат на което се осигурява защита чрез промяна на условията на работа.

Един от най-често използваните методи за защита на метала - галванично антикорозионно покритие - е икономически неизгоден за големи повърхности. Причината е високата цена на подготвителния процес.

Водещото място сред методите за защита е покритието на металите с бои и лакове. Популярността на този метод за борба с корозията се дължи на комбинация от няколко фактора:

• високи защитни свойства (хидрофобност, отблъскване на течности, ниска газопроницаемост и паропропускливост);
• производствения цех;
• широки възможности за декоративни решения;
• поддръжка;
• икономическа обосновка.

В същото време използването на широко достъпни материали не е без недостатъци:

• непълно намокряне на металната повърхност;
• нарушена адхезия на покритието с основния метал, което води до натрупване на електролит под устойчиво на корозия покритие и по този начин допринася за корозия;
• порьозност, което води до повишена пропускливост на влага.

И въпреки това, боядисаната повърхност предпазва метала от корозивни процеси дори с фрагментарни повреди на филма, докато несъвършените галванични покрития могат дори да ускорят корозията.

Органосиликатни покрития

За висококачествена защита от корозия се препоръчва използването на метали с високо ниво на хидрофобност, непроницаемост във водна, газова и парна среда. Тези материали включват органосиликати.

Химическата корозия на практика не се прилага за органосиликатни материали. Причините за това се крият в повишената химическа стабилност на такива състави, тяхната устойчивост на светлина, хидрофобни качества и ниско водопоглъщане. Органосиликатите също са устойчиви на ниски температури, имат добри адхезивни свойства и износоустойчивост.

Проблемите с разрушаването на металите в резултат на корозията не изчезват, въпреки развитието на технологии за борба с тях. Причината е постоянното увеличаване на производството на метали и все по-трудните условия на работа на продукти от тях. На този етап е невъзможно окончателно да се реши проблема, затова усилията на учените са насочени към намиране на възможности за забавяне на корозионните процеси.