7.8. Методи захисту від корозії
На сьогодні існує кілька способів
запобігання корозії.
Відокремлення металу від
агресивного середовища — фарбування, змащування маслами, покриття неактивними металами або емаллю
(І), Приведення поверхні металів у контакт із більш активними
металами (II). Використання
речовин, що сповільнюють корозію (інгібітори корозії), та сплавів, стійких до корозії (III).
I. Найпростіший спосіб захистити сталь від корозії — це
ізолювати метал від
атмосферного повітря. Це можна зробити за допомогою масляного, жирового змащування
або нанесення захисного шару фарби.
Зараз широко застосовують захисні покриття з органічних полімерів. Покриття можна робити різних кольорів,
і це досить гнучке розв’язання проблеми корозії. Навіть побіжний погляд на речі, які оточують нас у побуті, дає масу
прикладів такого розв’язання:
холодильник, сушарка для посуду,
піднос, велосипед тощо.
II. Іноді залізо покривають тонким шаром іншого металу. Деякі виробники виготовляють кузови автомобілів зі сталі з гальванічним цинковим покриттям. При такій обробці утворюється
міцно зчеплений з основою
шар цинк оксиду, і якщо гальванічне
покриття не ушкоджене, воно добре захищає від іржі.
Навіть якщо таке покриття
має вади, сталевий корпус машини все ж таки захищений від швидкого руйнування,
тому що в цій системі переважно кородує цинк, а не залізо, оскільки цинк більш активний метал, аніж залізо. У даному разі цинк приносять у жертву. Одна з найперших пропозицій щодо використання протекторних («жертовних») металів була зроблена в 1824 році для захисту від корозії металевої
обшивки корпусів морських човнів.
Сьогодні цинкові блоки використовують для захисту від корозії
нафтовидобувних платформ у морях:
корозія з дорогих складних сталевих конструкцій переводиться
на шматки металу, які легко
замінити. У чому ж полягає принцип такого захисту? Проілюструємо його за допомогою схеми.
Через певні проміжки
вздовж усієї опори, що перебуває в морі, прикріплені цинкові блоки. Оскільки цинк активніший, аніж залізо (розташований лівіше в електрохімічному ряді напруг), то переважно окислюється цинк, а залізна поверхня переважно залишається недоторканою. У принципі, будь-який метал, розташований лівіше заліза в електрохімічному ряді напруг, може бути використаний для захисту сталевих виробів. Одним зі способів захисту
заліза від корозії є катодний захист (мал 7). При катодному захисті
активний метал (цинк) бере
участь в анодному процесі. На залізі
відбувається катодне відновлення кисню.
Мал . 7. Катодний
захист заліза.
На відміну від цього, анодні
металічні покриття, такі як цинкові чи алюмінієві по сталі, будучи більш
електронегативними, захищають основний метал, який у їх присутності працює як
катод і тому зберігається практично без змін до тих пір, поки не розчиниться
цинк (алюміній). Цей принцип досить
широко використовується і в практиці: в
протекторному захисті: до захищеного від корозії металу на певній відстані один
від одного підвішують протекторні цинкові аноди, які дозволяють охороняти від
корозії цінну конструкцію (мал. 8).
Мал.
8. Схема протекторного захисту
Таке ж завдання
має і катодний захист, який застосовують для захисту від корозії магістральних
трубопроводів, морських нафтопромислових споруд і деяких інших
відповідальних конструкцій. В цьому
випадку конструкцію, яку захищають, під’єднують до негативного полюса постійного джерела
струму і таким чином підвищують потенціал сталі, роблячи її катодом по
відношенню до якогось непотрібної металевої рельси,
яка під’єднана до позитивного полюса джерела струму і виконує функцію аноду. В
цьому випадку ми «пожертвуємо» малоцінними відходами металу, захищаючи
конструкцію від корозії. Схема катодного захисту показана на мал. 9.
Мал. 9.
Схема катодного захисту магістрального трубопроводу
В практиці зустрічаються і випадки прискорення корозії під впливом
постійного електричного струму. Таке руйнування металу, що називають електрокорозією, чи корозією блукаючими струмами відбувається при підключенні конструкції до
позитивного джерела струму. Цей випадок реалізується, наприклад, в умовах, коли
трубопровід знаходиться поблизу струмонесучих трамвайних рейс, а грунт не має на якій-небудь ділянці достатніх ізолюючих
властивостей. Інтенсивній локальній корозії піддається та частина трубопроводу,
де блукаючі струми виходять з металу в грунт (анодна
зона), тоді як на інших ділянках трубопроводу корозія не посилюється.
Аналогічний принцип
використовують для захисту залізобетонних конструкцій житлових будинків, в яких
усі залізні прути з’єднані один з одним і з’єднуються зі шматком магнію,
заритим у землю.
III. Дуже розповсюдженим
розв’язанням проблеми захисту від корозії є використання іржостійких сплавів.
Багато зі сталевих виробів, використовуваних у побуті, особливо ті, що
перебувають у постійному контакті з водою: кухонний посуд, ложки, виделки,
ножі, бак пральної машини тощо — виготовлені з іржостійкої сталі, яка не
вимагає додаткового захисту.
Іржостійку сталь винайшов у 1913 році хімік із Шеффілда
Гаррі Бріарлі. Він досліджував швидке зношування
нарізки збройових стволів і вирішив спробувати сталь із високим вмістом хрому,
щоб подивитися, чи не можна в такий спосіб продовжити життя зброї.
Зазвичай
при проведенні аналізу сталі зразок розчиняли
в кислоті. Бріарлі, проводячи такий аналіз, зіштовхнувся з несподіваними труднощами. Його сталь, із високим вмістом хрому, не розчинялася. Він також помітив, що залишені в лабораторії
зразки зберігали первісний блиск. Бріарлі відразу ж зметикував, що він винайшов сталь, стійку до корозії.
Винахід Гаррі Бріарлі наштовхнувся
на деякі забобони. Один з головних виробників металевого посуду в Шеффілді вважав саму ідею Бріарлі такою, «що суперечить природі», а інший заявив, що «стійкість до корозії — не таке вже й велике
достоїнство ножів, які за своїм призначенням
вимагають чищення після кожного використання». Сьогодні ми сприймаємо як належне те, що посуд зберігає свій блиск
і не піддається дії кислот,
які містяться в їжі.
Іржостійка
сталь не піддається корозії
тому, що на її поверхні утворюється плівка хром(ІІІ) оксиду. На відміну
від іржі, на цей оксид не діє вода, і він міцно зчеплений
з металевою поверхнею. Маючи товщину всього
кілька нанометрів, оксидна плівка невидима для неозброєного ока й не приховує природний блиск металу. При цьому вона непроникна для повітря та води й захищає метал. Більше того, якщо зішкребти поверхневу плівку, вона швидко відновиться.
На
жаль, іржостійка сталь дорога, і ми змушені зважати на це при виборі сталі
для використовування. У сучасній
техніці найчастіше використовують іржостійку сталь
такого складу: 74% заліза, 18% хрому, 8% нікелю.
Оскільки використання іржостійкої сталі не завжди економічно виправдане, як і використання захисних шарів змазок та фарб, то сьогодні досить часто використовують покриття залізних виробів тонким шаром цинку (оцинковане
залізо) або олова (луджене залізо). Останнє дуже часто використовують при виготовленні консервів.
Метод
захисту консервів покриттям внутрішньої металевої поверхні оловом запропонував англієць Пітер Дюранд. Із
таким захистом консерви впродовж тривалого часу залишаються придатними для їжі. На жаль, виробництво продуктових консервів та напоїв не позбавлене труднощів. Різні продукти створюють усередині банки різне середовище, яке по-різному діє на метал і може спричинити корозію.
На
початку XX століття стали випускати
баночне пиво. Однак новий продукт не мав блискавичного успіху, і причиною цього було те, що банки кородували зсередини. Тонкий шар олова, що
ним покривали банки, дуже рідко виходив суцільним.
Найчастіше він мав незначні вади. У водному розчині залізо окислюється швидше, ніж олово (через більш високу активність). Йони Феруму Fe2+ розчинялися в пиві (яке загалом є непоганим засобом від анемії)
і надавали напою присмаку металу,
а крім того, зменшували його прозорість. Це знижувало популярність
баночного пива. Утім, виробникам
вдалося подолати цю проблему після того, як вони
стали покривати внутрішність
банок спеціальним інертним органічним лаком.
У банках з консервованими фруктами є органічні
кислоти, наприклад лимонна кислота. У розчині ці кислоти сприяють
зв’язуванню йонів Стануму Sn2+ і
тим самим збільшують швидкість розчинення олов’яного покриття, тому в консервованих фруктах (персиках тощо)
переважно кородує олово. Йони Стануму, які
потрапляють у такий спосіб у їжу, нетоксичні.
Вони не змінюють суттєво смакові якості консервованих фруктів, хіба що надають
їм гоструватого присмаку. Однак якщо таку банку зберігати занадто довго, можуть виникнути
проблеми. Тонкий шар олова, який
окислюється, зрештою зруйнується й під впливом органічних кислот почне досить швидко
кородувати залізний шар.
Питання для самоконтролю:
1. Який процес називають корозією?
2. Назвіть фактори, які викликають корозію.
3. Яким чином можна зменшити корозію
залізобетонних конструкцій?
4. Чим схожі і відрізняються катодний і протекторний захист металів?
5.
Які речовини називають інгібіторами? Наведіть приклади.