Korozja i zapobieganie - E

KOROZJA I SPOSOBY ZAPOBIEGANIA
Pojęcie korozja (łac. corrosio – zżeranie) oznacza niszczenie materiałów
spowodowane oddziaływaniem otaczającego środowiska.
Procesy korozyjne mogą mieć charakter reakcji chemicznych
lub elektrochemicznych, ale też procesów fizycznych (topnienie i inne
przemiany fazowe, skutek promieniowania) lub mikrobiologicznych
(zniszczenia wywołane działaniem drobnoustrojów).
Korozją nazywa się również niszczenie pod wpływem tarcia
(korozja cierna) oraz kruchość wodorową metali (inaczej: choroba wodorowa,
wodorowe zużycie metali) – proces fizycznego lub równocześnie fizycznego
Chociaż zjawisko korozji dotyczy również innych materiałów, jak beton, żelbet,
skały, szkło i tworzywa sztuczne, powszechnie kojarzy się przede
wszystkim z niszczeniem metali. Nieprzypadkowo, ponieważ to właśnie korozja
stopów żelaza jest największym praktycznym problemem i powoduje największe
straty – zarówno bezpośrednie,związane z kosztami zniszczonych materiałów
i ochrony konstrukcji, jak i pośrednie, związane z narażeniem życia i zdrowia
ludzi (korozja konstrukcji elementów budynków, mostów, środków transportu)
oraz zagrożeniem dla środowiska (wycieki niebezpiecznych substancji do wód i gleby).
Wśród zjawisk korozyjnych można wyodrębnić różne typy korozji w
zależności od charakteru zniszczeń
(korozja ogólna (równomierna), lokalna, wżerowa itd.),
środowiska (np. korozja atmosferyczna, wodna, biochemiczna)
i rodzaju powstających produktów (rdzewienie, tworzenie barw nalotowych,
tworzenie zgorzeliny, tworzenie patyny). Podstawowy podział zjawisk
korozyjnych związany jest jednak z mechanizmem przebiegu reakcji i według
tego kryterium wyróżnia się korozję chemiczną i elektrochemiczną.
Korozja chemiczna
Korozja chemiczna polega na bezpośredniej reakcji metalu ze środowiskiem bez
wymiany ładunku elektrycznego. Zachodzi w środowisku suchych gazów
(przede wszystkim z udziałem tlenu, ale też chlorowców, siarkowodoru oraz
par siarki, bromu, jodu) oraz w cieczach nie przewodzących prądu elektrycznego.
Największe znaczenie wśród elementarnych procesów korozji chemicznej
ma utlenianie.
Na mechanizm utleniania składa się adsorpcja tlenu cząsteczkowego
(proces wiązania cząsteczek, atomów lub jonów na granicy faz fizycznych),
następnie dysocjacja cząstek na atomy lub jony i reakcja chemiczna tlenu
atomowego z metalem, w wyniku której na granicymetal/środowisko
powstaje warstwa tlenkowa:
x Me + yO2 => MexO2y
W początkowym okresie utlenianie limitowane jest szybkością reakcji.
Później – szybkością dyfuzji w utworzonej warstwie tlenku jonów metalu
(migrujących ku granicy tlenek/atmosfera) lub jonów tlenu
(migrujących do granicy tlenek/metal) i elektronów
(migrujących ku granicy tlenek/atmosfera).
Szybkość dyfuzji, a tym samym szybkość procesu korozyjnego
i zakres zniszczeń, zależy w dużym stopniu od temperatury,
ale przede wszystkim od właściwości tlenków (lub innych związków,
jeśli czynnikiem agresywnym jest inny gaz)
Korozja elektrochemiczna
Korozja elektrochemiczna – będąca najbardziej powszechnym rodzajem korozji –
związana jest z przepływem ładunków elektrycznych przez granicę faz.
Zachodzi w środowiskach przewodzących prąd elektryczny, takich jak zawierająca
elektrolity woda, ziemia, wilgotne gazy.
Procesy korozyjne zachodzą na skutek różnic potencjałów na powierzchni
korodującego metalu. W takiej sytuacji powstają ogniwa korozyjne, w których obszary
o niższym potencjale stają się anodami (zachodzi na nich utlenianie metalu), a
obszary
o wyższym potencjale katodami (redukcja tzw. depolaryzatora, zazwyczaj jonów
wodoru lub tlenu). W czasie równomiernej korozji metalu na jego powierzchni
obie reakcje zachodzą równolegle.
Korozja stopów żelaza w różnych środowiskach
Czystego żelaza, które koroduje stosunkowo powoli, nie używa się jak materiału
konstrukcyjnego. Natomiast stopy żelaza (różne gatunki stali i żeliwa)
zawierają dodatek węgla np. w postaci kryształów grafitu
lub cementytu Fe3C, które w obecności elektrolitu (woda wraz z rozpuszczonymi
gazami i solami)
tworzą z żelazem ogniwa korozyjne. Przy elektrochemicznym mechanizmie korozji
stali niestopowych czynnikiem
limitującym postęp korozji w powietrzu jest stopień jego wilgotności, w wodzie –
transport tlenu,
a w glebie – albo transport tlenu albo poziom wilgotności, zależnie od aktualnych
warunków.
W czystym, suchym powietrzu, w temperaturze otoczenia korozja polerowanej
stali niestopowej jest nieznaczna dzięki utworzeniu na powierzchni cienkiej
warstwy ochronnej, złożonej głównie z Fe2O3. W warunkach kontaktu stali
z wilgocią – praktycznie zawsze obecną w atmosferze – zachodzi proces
korozji elektrochemicznej. Pierwszym produktem reakcji jest wodorotlenek żelazawy,
który w wyniku dalszych reakcji z parą wodną i tlenem tworzy szereg uwodnionych
wodorotlenków żelaza, a następnie luźno związana z podłożem, przepuszczalną
warstwę czerwonobrunatnej rdzy, złożonej głównie z mieszaniny odmian
uwodnionego tlenku żelazowego Fe2O3 · H2O.
Istotnym składnikiem zanieczyszczenia jest także kurz,
gdyż właściwości higroskopijne cząstek kurzu sprzyjają
zatrzymywaniu wilgoci na stali.
Wody naturalne lub przemysłowe są w większości przypadków dobrymi elektrolitami i
tworzą sprzyjające warunki dla procesów korozji (szczególnie wody słone lub kwaśne).
Najważniejsze czynniki określające agresywność korozyjną środowiska wodnego
to rodzaj i ilość rozpuszczonych substancji stałych, wartość pH, twardość wody,
zawartość CO2 i tlenu oraz obecność substancji organicznych.
Ubytki korozyjne może znacząco powiększać zarówno organiczna substancja
nieożywiona (np. zakwaszający wodę torf), jak i organizmy żywe (bakterie),
stymulujące reakcje chemiczne na powierzchni zanurzonej w wodzie stali.
Korozja stopów żelaza w glebie ma zdecydowanie elektrochemiczny charakter.
Jej szybkość zależna jest od wielu czynników, m.in. rodzaju i jednorodności gleby,
ilości tlenu, wilgotności i zmienności poziomu wód, obecności prądów błądzących.
Mniej agresywne są gleby suche piaszczyste i wapienne, wykazujące duży opór
elektryczny, a najbardziej agresywne – zasolone, ciężkie gleby gliniaste w okolicach
o wysokim poziomie wód podziemnych. Ważną rolę odgrywają również bakterie,
stymulujące reakcje chemiczne (np. redukcję siarczanów w gipsie), w wyniku
których wyzwalany jest tlen powodujący rdzewienie konstrukcji podziemnych.
Ochrona metali przed korozją
W większości materiałów nie można całkowicie uniknąć korozji,
stąd też w praktyce dąży się nie tyle do jej zapobiegania,
co do maksymalnego ograniczenia skutków niszczenia korozyjnego.
Metale szlachetne, występujące w naturze w postaci niezwiązanej,
nie wymagają ochrony przed korozją, natomiast ochrona innych materiałów
sprowadza się do spowolnienia tego procesu poprzez:
1.Odpowiedni dobór materiałów o odporności na procesy korozyjne
2.Obniżenie agresywności środowiska korozyjnego, polegające na
usuwaniu składników korozjogennych (przez ich wytrącanie lub zobojętnianie)
lub wprowadzenie czynników sprzyjających pasywacji
(np. dodanie do elektrolitu inhibitorów korozji: chromianów, arsenianów, selenianów).
3.Stosowanie niemetalicznych lub metalicznych powłok ochronnych,
zabezpieczających metal przed dostępem do środowiska.
Na powłoki metaliczne używa się metali łatwo ulęgających pasywacji
(Cr, Ni, Al, stal kwasoodporna) lub tworzących ochronne warstewki
produktów korozji (Cu, Zn, Sn, Cd). Nakłada się je przez zanurzenie
w ciekłym metalu, galwanicznie lub poprzez platerowanie.
Do powłok niemetalicznych należą np. farby, lakiery, emalie, tworzywa sztuczne.
Bardzo istotne jest tu dokładne przygotowanie wstępne powierzchni,
umożliwiające uzyskanie dobrej przyczepności i trwałości nakładanej warstwy.
4.Stosowanie tzw. ochrony protektorowej tam, gdzie nie jest możliwe
zabezpieczenie powłoką metalową całej powierzchni konstrukcji.
Do elementu narażonego na zniszczenie (np. kadłub statku [fot. 5])
przytwierdza się blok metalu bardziej aktywnego niż żelazo
(zwykle stop Al-Mg-Zn), który stanowi anodę zwartego ogniwa.
5.Ochronę katodową, polegającą na obniżeniu potencjału elektrodowego metalu lub
stopu (osłabieniu jego tendencji do przechodzenia do roztworu),
poprzez podłączenie do konstrukcji ujemnego bieguna źródła napięcia o
wartości 1-2 V. Metodę tę stosuje się do zabezpieczenia konstrukcji
zakopanych w podłożu (np. rurociągów), zbiorników wody, wrót śluz,
obudów kanałów, elementów konstrukcji przemysłowych.