Когда железо подвергается воздействию влаги вместе с кислородом, оно подвергается коррозии — процессу окисления , включающему потерю электронов. Эту реакцию также называют ржавлением , в ходе которой обычно образуется красновато-коричневый гидрат оксида железа.
Коррозия железа предполагает образование FeO(OH) или Fe(OH) 3 в присутствии кислорода и влаги. Минимальные требования для этой электрохимической реакции — это электролит (например, частицы воды) и окружающая среда с достаточным количеством кислорода. Загрязнители ускоряют процесс коррозии.
Коррозия железа происходит естественным путем, когда рафинированное железо и его сплавы превращаются в химически стабильные соединения железа. Для рафинированного металла это процесс постепенной деградации . Реакция имеет электрохимический или химический характер.
Некоторые примечательные особенности коррозии железа обсуждаются в этой статье.
1. Коррозия железа не образует надежной защитной оксидной пленки.
В то время как некоторые важные металлы, такие как алюминий, первоначально корродируют, образуя защитную пленку из оксидов металлов , которая действует как эффективный барьер для подложки , защищая ее от дальнейшего разрушения, железо не образует защитной пленки из своих оксидов. Вместо этого коррозия железа приводит к образованию красновато-коричневого, хлопьевидного, порошкообразного вещества (гидратированного оксида железа), называемого ржавчиной, которое не действует как устойчивый барьер защиты от дальнейшей коррозии. По мере формирования слоя гидратированных оксидов железа он неоднократно отслаивается , вместо того чтобы прилипать к поверхности подложки, что делает подложку склонной к продолжающимся электрохимическим реакциям, включающим дальнейшую коррозию в присутствии кислорода, влаги и других загрязняющих веществ.
2. Слой гидратированного оксида железа не самовосстанавливается.
Алюминий образует самовосстанавливающуюся оксидную пленку толщиной в несколько нанометров, которая автоматически восстанавливается при дальнейшем разрушении, тогда как слой гидратированного оксида железа, образовавшийся в результате коррозии металлического железа, не восстанавливается при разрушении. Следовательно, материалы из черных металлов остаются склонными к продолжительной коррозии, если их воздействие кислорода и влаги не прекращено каким-либо другим методом.
3. Магнетитовый тип оксида железа (Fe3O4) может остановить дальнейшую коррозию железных деталей.
Сине-черный оксид железа, называемый магнетитом , может образовывать защитную пленку на поверхности железа, которая защищает его от дальнейшего коррозионного повреждения в среде, богатой кислородом. Однако образование слоя Fe 3 O 4 затруднено, и этот оксид может перейти в другие формы оксидов железа, такие как Fe 2 O 3 , красный оксид железа, который реагирует с H 2 O и приводит к образованию волдыри и хлопья. Это отрицательно влияет на защиту, обеспечиваемую магнетитовой пленкой. С другой стороны, оксид алюминия обеспечивает стабильную защиту от коррозии без риска изменения образования оксидов.
4. Нержавеющая сталь может быть некоррозионной.
Нержавеющие стали, содержащие минимум 11% хрома, могут образовывать пассивную пленку оксида хрома, которая предотвращает коррозию железа, содержащегося в стали. Пленка оксида хрома также является самовосстанавливающейся, поэтому защита от коррозии, обеспечиваемая оксидом хрома, стабильна и долговечна.
5. Сталь, как правило, более склонна к коррозии, чем чистое железо.
Коррозия — это связанная электрохимическая реакция между одним анодом и одним или несколькими катодами. В углеродистой стали может быть две и более фаз; одна из фаз будет действовать как анод, а другая (другие) — как катод (катоды). Коррозия как реакция окисления происходит на аноде.
Например, ферритная фаза образует гальваническую пару вместе с такими фазами, как мартенсит, и корродирует предпочтительнее мартенсита. В ферритно-мартенситном сочетании фаз при увеличении доли феррита плотность тока коррозии будет увеличиваться.
Чистое железо имеет лучшую устойчивость к окислительной коррозии, но недостаточно устойчиво к агрессивным и другим химически активным химическим веществам. По сравнению с кованым железом чистое железо имеет значительно более высокую коррозионную стойкость, которое из-за своей однородной структуры ржавеет на внешней поверхности, тогда как кованое железо с слоистой структурой создает слои ржавчины между своими пластинами.
Металлическое железо высокой чистоты может оставаться свободным от коррозии в лабораторных условиях в течение многих лет . Однако в соленой среде или загрязненной промышленной среде чистое железо имеет плохую устойчивость к коррозии.
Коррозионная стойкость чистого железа в воде зависит от pH воды и присутствия в ней растворенного кислорода . Если значение pH выше 5 и растворенный кислород незначителен, то скорость коррозии практически незначительна. Если pH немного ниже 5, риск коррозии возрастает.
Риск коррозии также зависит от степени погружения железных поверхностей. Если поверхности постоянно и полностью погружены в воду, то скорость коррозии минимальна, а коррозионная стойкость максимальна. Если погружение является частичным и циклически переменным, когда некоторые детали циклически подвергаются воздействию воздуха, то риск коррозии и скорость коррозии могут возрасти.
6. Коррозионная стойкость чугуна зависит от его легирующих элементов.
Выбрав правильную комбинацию легирующих элементов, можно оптимизировать коррозионную стойкость чугуна для конкретных условий эксплуатации. Молибден, медь, хром, никель и кремний являются одними из важных легирующих элементов.
Молибден повышает механическую прочность чугуна и значительно повышает коррозионную стойкость к соляной кислоте. Для улучшения этих свойств в чугун добавляют около 4% молибдена.
Небольшое количество меди , добавленное в чугун, повышает его коррозионную стойкость к кислотам, таким как соляная кислота и серная кислота.
Добавление хрома в меньших количествах помогает улучшить устойчивость к коррозии в соленой воде . Более высокие проценты (до 30%) отрицательно влияют на пластичность , но способствуют повышению коррозионной стойкости металла к азотной кислоте.
Никель , добавляемый обычно для улучшения механических свойств, также повышает коррозионную стойкость чугуна, создавая на поверхности пленку оксида никеля. Иногда этому способствуют легирующие элементы, такие как кремний и хром. Повышая твердость металла, никель также защищает от кавитационной коррозии или эрозионной коррозии , вызванной захваченными твердыми частицами в жидкости, вступающими в контакт с металлом.
Содержание кремния незначительно улучшает коррозионную стойкость чугуна, хотя его доля составляет менее 14%. Выше этого уровня коррозионная стойкость значительно возрастает, чаще всего за счет пластичности, механической прочности и обрабатываемости .
Коррозионную стойкость чугуна с низким содержанием легирующих элементов можно повысить путем нанесения покрытий.
7. Низкоуглеродистые стали более устойчивы к коррозии, чем высокоуглеродистые и среднеуглеродистые стали.
Мягкая сталь (низкоуглеродистая сталь с процентным содержанием углерода выше 0,08 и ниже 0,28) часто используется в тех случаях, когда требуется устойчивость к коррозии. Его коррозионная стойкость повышается за счет обработки поверхности, например нанесения покрытия. Влага и кислород в окружающей среде вызывают начальный приступ коррозии мягкой стали. Если мягкая сталь полностью погружена в движущуюся воду, она корродирует быстрее, чем при погружении в стоячую (статическую) воду.
Скорость коррозии низкоуглеродистой стали увеличивается из-за промышленных загрязнителей, влажности окружающей среды и морской среды. Коррозию бетона часто можно свести к минимуму за счет применения метода катодной защиты . (О других методах можно узнать в статье « Коррекция и предотвращение коррозии бетона ».) Мягкую сталь, используемую в судах, автодорожных и железнодорожных мостах и коммерческих зданиях, можно сделать долговечной и устойчивой к коррозии путем тщательного выбора подходящего защитного покрытия и системы катодной защиты.
8. Коррозию железа можно предотвратить.
Некоторые популярные методы предотвращения коррозии железа включают в себя:
- Защитные покрытия
Покрытия, если их правильно подобрать и нанести, действуют как физический барьер и как диэлектрический барьер, останавливая перенос электрических зарядов, тем самым предотвращая электрохимическую реакцию, которая приводит к коррозии подложки из железа.
- Жертвенные металлические покрытия
Если цинковое покрытие наносится на поверхность черных металлов, цинк сначала будет корродировать (окисляться) и защищать нижележащую поверхность черных металлов. Этот процесс называется гальванизацией . Цинк более активен по сравнению с черными металлами.
- Воронение
В результате этого процесса на поверхности железа образуется пленка магнетита (сине-черного оксида железа). Огнестрельное оружие часто защищают от коррозии воронением . Помимо магнетитового покрытия, огнестрельное оружие содержится в хорошей смазке.
- Метод катодной защиты
Этот метод снижает скорость коррозии металлической поверхности, делая ее катодом в схеме электрохимической ячейки, в которой жертвенный металл (например, цинк) подключается в качестве анода . Если пассивного гальванического тока недостаточно, например, при защите крупных сооружений, к системе катодной защиты подключают отдельный источник постоянного тока. Таким образом, система катодной защиты обеспечивает электроны, необходимые подложке из черного металла, чтобы сделать ее катодом по отношению к жертвенному аноду, предусмотренному в системе.
Заключение
Понимая электрохимические реакции, связанные с коррозией железа, инженеры-коррозионисты могут заранее обнаружить проблемы коррозии и обеспечить принятие мер по их устранению. Покрытие может уменьшить коррозионное повреждение железа, поскольку оно предотвращает процесс электрохимической реакции. Аналогичным образом, катодная защита также может защитить поверхности черных металлов от коррозионного повреждения.
