Ce este coroziunea chimică și cum să o elimini?

Coroziunea chimică este un proces care constă în distrugerea metalului atunci când interacționează cu un mediu extern agresiv. Varietatea chimică a proceselor de coroziune nu este legată de efectele curentului electric. În acest tip de coroziune, are loc o reacție oxidativă, în care materialul care trebuie distrus este în același timp un agent reducător pentru elementele mediului.

Cuprins:

• Coroziunea gazelor
• Caracteristicile filmului cu oxid
• Rata de coroziune
• Coroziune în lichide neelectrolite
• Metode de protecție la coroziune
• Acoperiri organosilicate

Clasificarea unei varietăți de medii agresive include două tipuri de distrugere a metalelor:

• coroziune chimică în lichide neelectrolite;
• coroziunea chimică a gazelor.

Coroziunea gazelor

Cea mai frecventă formă de coroziune chimică - gaz - este un proces coroziv care se produce în gaze la temperaturi ridicate. Această problemă este tipică pentru funcționarea mai multor tipuri de echipamente și piese tehnologice (fitinguri de cuptoare, motoare, turbine etc.). În plus, temperaturile ultrahigh sunt utilizate la prelucrarea metalelor sub presiune înaltă (încălzire înainte de rulare, ștanțare, forjare, procese termice etc.).

Caracteristicile stării metalelor la temperaturi ridicate sunt determinate de cele două proprietăți ale acestora - rezistența la căldură și rezistența la căldură. Rezistența la căldură este gradul de stabilitate a proprietăților mecanice ale unui metal la temperaturi ultrahigh. Sub stabilitatea proprietăților mecanice se referă la păstrarea rezistenței timp îndelungat și la rezistența la fluaj. Rezistența la căldură este rezistența unui metal la activitatea corozivă a gazelor la temperaturi ridicate.

Rata de dezvoltare a coroziunii gazelor este determinată de o serie de indicatori, printre care:

• temperatura atmosferei;
• componente incluse într-un metal sau aliaj;
• parametrii de mediu în care se află gazele;
• durata contactului cu mediul gazos;
• proprietățile produselor corozive.

Procesul de coroziune este influențat mai mult de proprietățile și parametrii filmului de oxid care apare pe suprafața metalului. Formarea oxidului poate fi împărțită cronologic în două etape:

• adsorbția moleculelor de oxigen pe o suprafață metalică care interacționează cu atmosfera;
• contactarea suprafeței metalice cu gaz, rezultând un compus chimic.

Prima etapă se caracterizează prin apariția unei legături ionice, ca urmare a interacțiunii de oxigen și atomii de suprafață, când un atom de oxigen preia o pereche de electroni din metal. Legătura care a apărut se distinge prin rezistența sa excepțională - este mai mare decât legătura de oxigen cu metalul din oxid.

Explicația acestei conexiuni constă în efectul câmpului atomic asupra oxigenului. De îndată ce suprafața metalică este umplută cu un agent oxidant (și acest lucru se întâmplă foarte repede), la temperaturi scăzute, datorită rezistenței van der Waals, începe adsorbția moleculelor oxidante. Rezultatul reacției este apariția celui mai subțire film monomolecular, care în timp devine mai gros, ceea ce complică accesul oxigenului.

În a doua etapă, are loc o reacție chimică în timpul căreia elementul oxidant al mediului îndepărtează electronii de valență din metal. Coroziunea chimică este rezultatul final al reacției.

Caracteristicile filmului cu oxid

Clasificarea filmelor cu oxid include trei tipuri:

• subțire (invizibil fără dispozitive speciale);
• mediu (decolorare);
• gros (vizibil cu ochiul liber).

Filmul de oxid rezultat are capacități de protecție - încetinește sau chiar inhibă complet dezvoltarea coroziunii chimice. De asemenea, prezența unui film de oxid crește rezistența la căldură a metalului.

Cu toate acestea, un film cu adevărat eficient trebuie să îndeplinească o serie de caracteristici:

• nu fi poros;
• au o structură continuă;
• au proprietăți bune de adeziv;
• diferă în inerția chimică în raport cu atmosfera;
• fii greu și rezistent la uzură.

Una dintre condițiile de mai sus - o structură solidă este deosebit de importantă. Starea de continuitate este excesul de volum al moleculelor filmului de oxid peste volumul atomilor de metal. Continuitatea este capacitatea oxidului de a acoperi întreaga suprafață metalică cu un strat continuu. Dacă această condiție nu este îndeplinită, filmul nu poate fi considerat protector. Cu toate acestea, există excepții de la această regulă: pentru unele metale, de exemplu, pentru magneziu și elemente ale grupărilor alcaline-pământești (exclusiv beriliu), continuitatea nu aparține indicatorilor critici.

Pentru a determina grosimea peliculei de oxid, sunt utilizate mai multe tehnici. Calitățile protectoare ale filmului pot fi clarificate în momentul formării acestuia. Pentru a face acest lucru, studiem rata de oxidare a metalului și parametrii schimbării vitezei în timp.

Pentru oxidul deja format, se folosește o altă metodă, care constă în studierea grosimii și caracteristicilor de protecție ale filmului. Pentru a face acest lucru, se aplică un reactiv pe suprafață. În continuare, experții înregistrează timpul necesar pentru a pătrunde reactivul și, pe baza datelor obținute, ajung la concluzia că grosimea filmului.

Atenție! Chiar și pelicula de oxid final formată continuă să interacționeze cu mediul oxidant și cu metalul.

Rata de coroziune

Intensitatea cu care se dezvoltă coroziunea chimică depinde de regimul de temperatură. La temperaturi ridicate, procesele oxidative se dezvoltă mai rapid. Mai mult, scăderea rolului factorului termodinamic în cursul reacției nu afectează procesul.

De o importanță considerabilă este răcirea și încălzirea variabilă. Din cauza tensiunilor termice apar fisuri în filmul cu oxid. Prin găuri, elementul oxidant lovește suprafața. Drept urmare, se formează un nou strat de film de oxid, iar primul este decojit.

Cel mai puțin rol îl joacă componentele mediului gazos. Acest factor este individual pentru diferite tipuri de metale și este în concordanță cu fluctuațiile de temperatură. De exemplu, cuprul se poate coroda rapid dacă este în contact cu oxigenul, dar este rezistent la acest proces într-un mediu cu oxid de sulf. Pentru nichel, dimpotrivă, oxidul sulfuric este fatal, iar stabilitatea este observată în oxigen, dioxid de carbon și mediul acvatic. Dar cromul este rezistent la toate aceste medii.

Atenție! Dacă nivelul de presiune al disocierii oxidului depășește presiunea elementului oxidant, procesul de oxidare se oprește și metalul capătă stabilitate termodinamică.

Componentele aliajului afectează, de asemenea, viteza reacției oxidative. De exemplu, manganul, sulful, nichelul și fosforul nu contribuie la oxidarea fierului. Dar aluminiul, siliconul și cromul fac procesul mai lent. Cobaltul, cupru, beriliu și titanul încetinesc și mai mult oxidarea fierului. Aditivii de vanadiu, tungsten și molibden vor ajuta la intensificarea procesului, ceea ce se explică prin fuzibilitatea și volatilitatea acestor metale. Reacțiile de oxidare se desfășoară cel mai lent cu structura austenitică, deoarece este cea mai adaptată la temperaturi ridicate.

Un alt factor de care depinde rata de coroziune este caracteristica suprafeței tratate. Suprafețele netede se oxidează mai lent, iar suprafețele inegale mai repede.

Coroziune în lichide neelectrolite

Fluide ne conductoare (adicălichide neelectrolite) includ substanțe organice precum:

• benzen;
• cloroform;
• alcooli;
• tetraclorură de carbon;
• fenol;
• ulei;
• benzină;
• kerosen etc.

În plus, o cantitate mică de lichide anorganice, cum ar fi bromul lichid și sulful topit, sunt clasificate ca lichide neelectrolite.

Trebuie menționat că solvenții organici înșiși nu reacționează cu metalele, cu toate acestea, în prezența unei cantități mici de impurități, are loc un proces de interacțiune intens.

Elementele de sulf din ulei cresc rata de coroziune. De asemenea, temperaturile ridicate și prezența oxigenului în lichid îmbunătățesc procesele de coroziune. Umiditatea intensifică dezvoltarea coroziunii în conformitate cu principiul electromecanic.

Un alt factor în dezvoltarea rapidă a coroziunii este bromul lichid. La temperaturi normale, dăunează în special oțelurilor cu conținut ridicat de carbon, aluminiu și titan. Mai puțin semnificativ este efectul bromului pe fier și nichel. Cea mai mare rezistență la bromul lichid este prezentată de plumb, argint, tantal și platină.

Sulful topit intră într-o reacție agresivă cu aproape toate metalele, în principal cu plumb, staniu și cupru. Gradele de carbon din oțel și sulf de titan sunt mai puțin afectate și aproape distrug aluminiu.

Măsurile de protecție pentru structurile metalice situate în medii lichide neconductive se realizează prin adăugarea de metale rezistente la un mediu specific (de exemplu, oțeluri cu un conținut ridicat de crom). De asemenea, se folosesc acoperiri speciale de protecție (de exemplu, într-un mediu în care există mult sulf, se folosesc acoperiri de aluminiu).

Metode de protecție la coroziune

Metodele de control al coroziunii includ:

• prelucrarea metalului de bază cu un strat protector (de exemplu, aplicarea vopselei);
  
• utilizarea inhibitorilor (de exemplu, cromatici sau arseniți);
• introducerea materialelor rezistente la procesele de coroziune.

Alegerea unui material specific depinde de eficacitatea potențială (inclusiv tehnologice și financiare) a utilizării acestuia.

Principiile moderne de protecție a metalelor se bazează pe astfel de tehnici:

1. Îmbunătățirea rezistenței chimice a materialelor. Materialele rezistente chimic (materiale plastice cu înalt polimer, sticlă, ceramică) s-au dovedit cu succes.
2. Izolarea materialului dintr-un mediu agresiv.
3. Reducerea agresivității mediului tehnologic. Exemple de astfel de acțiuni includ neutralizarea și îndepărtarea acidității în medii corozive, precum și utilizarea diferitor inhibitori.
4. Protecția electrochimică (impunerea curentului extern).

Metodele de mai sus sunt împărțite în două grupuri:

1. Rezistența chimică crescută și izolația sunt aplicate înainte de punerea în funcțiune a metalelor.
2. Reducerea agresivității mediului și protecția electrochimică sunt deja utilizate în procesul de utilizare a produselor metalice. Aplicarea acestor două tehnici face posibilă introducerea de noi metode de protecție, în urma cărora protecția este asigurată prin schimbarea condițiilor de operare.

Una dintre cele mai utilizate metode de protecție a metalului - o acoperire galvanică anticorozivă - nu este profitabilă din punct de vedere economic pentru suprafețele mari. Motivul este costul ridicat al procesului pregătitor.

Locul principal dintre metodele de protecție este acoperirea metalelor cu vopsele și lacuri. Popularitatea acestei metode de combatere a coroziunii se datorează unei combinații de mai mulți factori:

• proprietăți mari de protecție (hidrofobicitate, repulsie a lichidelor, permeabilitate scăzută la gaze și permeabilitate la vapori);
• manufacturability;
• oportunități ample pentru soluții decorative;
• mentenabilitate;
• justificare economică.

În același timp, utilizarea materialelor disponibile pe scară largă nu este lipsită de dezavantaje:

• umezirea incompletă a suprafeței metalice;
• aderența ruptă a acoperirii cu metalul de bază, ceea ce duce la acumularea electrolitului sub acoperirea rezistentă la coroziune și, prin urmare, contribuie la coroziunea;
• porozitate, ceea ce duce la creșterea permeabilității la umiditate.

Cu toate acestea, suprafața vopsită protejează metalul de procesele corozive chiar și cu deteriorarea fragmentară a filmului, în timp ce acoperirile galvanice imperfecte pot chiar accelera coroziunea.

Acoperiri organosilicate

Pentru protecția la coroziune de înaltă calitate, se recomandă utilizarea de metale cu un nivel ridicat de hidrofobie, impermeabilitate în medii apoase, cu gaze și vapori. Aceste materiale includ organosilicați.

Coroziunea chimică practic nu se aplică materialelor organosilicate. Motivele acestei situații constau în stabilitatea chimică crescută a unor astfel de compoziții, rezistența lor la lumină, calitățile hidrofobe și absorbția redusă a apei. Organosilicatele sunt, de asemenea, rezistente la temperaturi scăzute, au proprietăți bune de adeziv și rezistență la uzură.

Problemele distrugerii metalelor din cauza efectelor coroziunii nu dispar, în ciuda dezvoltării tehnologiilor de combatere a acestora. Motivul este creșterea constantă a producției de metale și condițiile de funcționare din ce în ce mai dificile ale produselor de la acestea. Este imposibil să rezolvați definitiv problema în acest stadiu, astfel încât eforturile oamenilor de știință sunt concentrate pe găsirea de oportunități de încetinire a proceselor de coroziune.