Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.

Ржавчина — ключевая проблема, которая означает, что каждая металлическая поверхность время от времени нуждается в обновлении и защите. Практически нет возможности полностью исключить процесс коррозии, но, в зависимости от типа металла, техническое обслуживание данной конструкции может в некоторой степени замедлить коррозию. Здесь эффективны различные препараты и защитные обработки.

Железо и сталь в электротехнике

Среди известных в настоящее время ферромагнитных металлов железо занимает особое положение. Высокая проницаемость, весьма высокое насыщение наряду с невысокой стоимостью, хорошими механическими и технологическими свойствами — все это обусловило исключительное распространение железа и его сплавов, главным образом с кремнием, в качестве мягких магнитных материалов.

В электротехнике железо применяется для сердечников и полюсных башмаков электромагнитов всевозможных конструкций и назначений, для различных деталей реле, пускателей, электромагнитных измерительных приборов, для магнитопроводов, мембран в телефонии, магнитных экранов, для проводящих постоянный магнитный поток полюсов электрических машин и т. п.

Листовая электротехническая сталь является важнейшим магнитным материалом, имеющим наибольшее распространение в электротехнике. Эта сталь применяется в электродвигателях, генераторах, трансформаторах всех видов и назначений, в дросселях, электромагнитных механизмах, реле, пускателях, измерительных приборах.

Причины ржавления

Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, алюминий , и магний — добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.

Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы — они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.

Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.

Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.

О склонности металла к электрохимической коррозии можно судить до некоторой степени по его положению в электрохимическом ряду напряжений.

Так, металлы, имеющие более отрицательный электрохимический потенциал, являются «менее благородными» и более способны корродировать, чем металлы, находящиеся на другом конце ряда и которые являются «более благородными» и мало или совсем не поддаются коррозии. На величину потенциала и, следовательно, на положение металла в ряду напряжений могут влиять разные внешние и внутренние факторы.

Потенциалы сплавов зависят от состава и структуры сплавов. Сплавы эвтектического типа имеют потенциал менее благородной составляющей. Сплавы, образующие твердые растворы, обычно дают при некотором процентном составе скачкообразный переход от потенциала одного компонента к потенциалу другого. В случае более сложных структур появление новой фазы влечет также скачкообразное изменение потенциала сплава.

Например, потенциалы медноцинковых сплавов (латуней) до 39% Zn ( α -латуни) равны потенциалу меди. При дальнейшем повышении содержания цинка наступают скачкообразные изменения потенциала в сторону более отрицательных значений.

Потенциалы интерметаллических химических соединений, образующихся в сплавах, всегда выше потенциала менее благородного компонента, а иногда бывают выше (благороднее) потенциалов обоих компонентов.

Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.

Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.

Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.

Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.

Пути защиты от коррозии

Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.

Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.

Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.

Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.

Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.

Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.

Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.

Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.

Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.

В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.

Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.

Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, — применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.

Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.

Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.

Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?

Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, — станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.

Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..

Текущее положение дел

Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.

Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.

Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.

Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.

Что нужно помнить при выполнении защиты металла от коррозии?

Правильная подготовка поверхности — это важнейшая часть всего процесса консервации металла, потому что время и скорость последующей коррозии во многом зависят от подготовки поверхности к покраске. Металл следует очистить, хотя бы от отслаивающихся фрагментов старых лакокрасочных покрытий и очагов ржавчины, вымыть, очистить от пыли и после этого нужно дать ему полностью высохнуть.

Подходящая краска — предназначена для окраски данного металла и определенного типа поверхности. Если необходимо использовать грунтовочный слой (предоставляется производителем краски), его нельзя пропускать!

Условия нанесения — при окраске на открытом воздухе важны температура и общие погодные условия. Следует избегать экстремальных погодных явлений и по возможности учитывать риск их возникновения, учитывая время высыхания только что нанесенной краски.

Для разных красок рекомендации могут быть совершенно разными. Часто двухкомпонентные краски требуют немного более высокой температуры нанесения, чем однокомпонентные краски. Некоторые из них крайне непереносимы к влаге, потому что время затвердевания слоя будет значительно больше. В случае очень влажного основания краска может не затвердеть, потому что вода связывает отвердитель.

Метод нанесения краски — инструменты, используемые для окраски, могут придать поверхности определенную структуру или просто служат для окраски всей поверхности. Окраска распылением — самый быстрый способ, и его обычно выбирают для защиты больших поверхностей или мест сложной формы и / или труднодоступных мест.