Что такое ржавчина и как с ней бороться: оксиды железа

Экономический ущерб от коррозии

Коррозия ухудшает работу трубопроводов.

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE, ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.

Обрушение Серебряного моста.

Ржавчина является одной из наиболее распространённых причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения в 1983 году, когда подшипники кронштейна моста проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста. Согласно исследованию Национального совета по безопасности на транспорте, разрушение моста было вызвано механической поломкой наружного кронштейна, удерживающего пролёт моста и его обоих штифтов. Ржавчина образовалась в подшипнике штифта. А так как её объём всегда гораздо больше, нежели исходная стальная деталь, это привело к неравномерному прилеганию друг к другу частей конструкции. В случае с мостом, ржавая масса отодвинула внутренний кронштейн от конца штифта, скрепляющего между собой наружный и внутренний кронштейны. (При этом возникло усилие, превышающее проектные пределы для зажимов, удерживающих штифты!) Из-за этого вся масса пролёта переместилась на внешний кронштейн. Эта дополнительная нагрузка на него вызвала усталостную трещину в штифте. Когда два тяжелых грузовика въехали в данную секцию моста, штифты окончательно вышли из строя, и пролёт моста упал в реку…

15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Пойнт Плезант, штат Западная Виргиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виргинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия.
Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.

Какой выбрать?

Современный рынок химических средств, предназначенных для защиты от ржавчины, представлен широким ассортиментом. Чтобы определить наилучшее средство, рекомендуется учитывать несколько моментов.

Во-первых, важна эффективность очищения от ржавого слоя и качество защитного покрытия

Во-вторых, рекомендуется обращать внимание на пролонгированный эффект. Длительность защиты может играть определяющую роль.

Еще одним важным критерием при выборе является удобство применения. Преобразователи могут иметь:

• жидкую,
• аэрозольную,
• гелевую,
• пастообразную консистенцию.

Выбор следует делать, исходя из качества, формы и площади очищаемой поверхности.

Если необходимо обработать труднодоступный участок, выручает аэрозоль. Такое средство удобно наносить, если нет возможности прямого контакта с поверхностью.

При очищении горизонтальной поверхности большой площади целесообразны гели и жидкости. Если ржавчина имеет незначительное распространение или локализуется на наклонной поверхности, то лучше использовать пасту или гель.

О свойствах преобразователей производители сообщают в описании на упаковке

Однако ради объективности рекомендуется принимать во внимание и отзывы потребителей, которые уже испытали средства на практике

Преобразователи отличаются не только эффективностью, удобством применения, но и ценовой планкой. Соотношение «цена — качество» должно быть оптимальным, чтобы вложенные средства окупились результатом и сроком антикоррозионной защиты.

Предотвращение ржавления

Отслаивающаяся краска обнажает участки ржавой поверхности листового металла.

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующий слой оксида хрома(III). Подобное проявление пассивации происходит с магнием, титаном, цинком, оксидом цинка, алюминием, полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации, который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования, либо методом гальванотехники. Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее кадмий. Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм. Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия, чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Основная статья: Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом, чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы от коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

Покрытие слоем металла

Ржавчина может полностью разрушить железо

Обратите внимание на гальванизацию незаржавевших участков.

• Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
• Лужение: мягкая листовая сталь покрывается слоем олова. В настоящее время практически не используется из-за высокой стоимости олова.
• Хромирование: тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

Воронение

Воронение — это способ, который может обеспечить ограниченную устойчивость к коррозии для мелких предметов из стали, таких как огнестрельное оружие и др. Способ состоит в получении на поверхности углеродистой или низколегированной стали или чугуна слоя окислов железа толщиной 1-10 мкм. Для придания блеска, а также для улучшения защитных свойств окисной плёнки, её пропитывают минеральным или растительным маслом.

Снижение влажности

Ржавчины можно избежать, снижая влажность окружающего железо воздуха. Этого можно добиться, например, с помощью силикагеля.

Ингибиторы

Ингибиторы коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах. Некоторые ингибиторы коррозии чрезвычайно ядовиты. Одним из лучших ингибиторов выступают соли технециевой кислоты.

2 метода защиты от коррозии металлов

Коррозия в переводе с латинского означает «разъедание», это легко объясняет сущность данного понятия. С научной точки зрения коррозия является процессом самопроизвольного разрушения металлов вследствие химических и физико-химических взаимодействий с окружающей средой.

Причиной для начала данного процесса служит отсутствие термодинамической устойчивости того или иного металла при воздействии веществ, которые находятся в контактирующей с ним среде.

Сегодня проблема антикоррозийной защиты различных видов конструкций, продукции и материалов достаточно актуальна для многих стран мира. Особенно страдают промышленно развитые страны, ведь коррозия металлов причиняет весомый ущерб экономике этих государств.

Поэтому данный вопрос занимает довольно большую роль не только в быту, но и в государственных масштабах, ведь его решение должно быть основано на необходимости сохранения природных ресурсов, защиты окружающей среди и, конечно же, рационального использования и хранения различного рода металлических конструкций в производстве.

Если нет времени ждать сантехника, значит необходимо принимать решение по самостоятельной чистке раковины.

Также узнайте, как бороться с засором в унитазе.

Коррозия имеет широкое распространение и разнообразие тех условий и сред, в которых она может начаться. Поэтому конкретной классификации различных случаев коррозии пока нет.

В таблице представлена обширная типизация коррозии, существующая на сегодняшний день.

Огромное количество видов коррозии повлекло за собой появление столь же большого количества методов и приемов борьбы с каждым из них. Но вопрос этот не закрыт и продолжаются работы по созданию новых методов, которые будут более действенными.

Электронное строение

Все металлы имеют слабую связь валентных электронов (электронов внешнего энергетического уровня) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, то есть течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

Борьба с коррозией при помощи органических покрытий

Использование подобных соединений в борьбе против ржавчины предусматривает достаточно преимуществ, среди которых простота и доступная цена не являются единственными:

• Используемые покрытия могут придавать обрабатываемому изделию различный цвет, в результате это позволяет не только надежно защитить изделие от ржавчины, но и обеспечить конструкциям более эстетичный внешний вид;
• Отсутствие сложностей с реставрацией защитного слоя в случае его повреждения.

Увы, однако у лакокрасочных составов имеются и определенные недостатки, к числу которых нужно отнести следующие:

• низкий коэффициент термической стойкости;
• низкая устойчивость в водной среде;
• низкая стойкость к воздействию механического характера.

Это вынуждает, чему не противоречат требования действующих СНиП, прибегать к их помощи в ситуации, когда изделия подвергаются воздействию со стороны коррозии с максимальной скоростью 0,05 мм в год, при этом расчетный срок службы не должен превышать 10 лет.

Ассортимент предлагаемых сегодня на рынке лакокрасочных составов может быть представлен в виде следующих элементов:

• Краски. Под ними подразумеваются суспензии пигментов, характеризующихся минеральной структурой;
• Лаки. Представлены в виде растворов и масел, присутствующих в растворителях органического происхождения. При их использовании эффект достигается лишь по завершении полимеризации смолы или масла или же в момент испарения, вызванного воздействием дополнительных катализаторов или же нагревом;
• Пленкообразователи. Речь идет о природных и искусственных соединениях. Среди них наибольшую известность получила олифа, которую используют в целях защиты конструкций из стали и чугуна;
• Эмали. Имеют вид лаковых растворов, содержащих группу подобранных пигментов в измельченном виде;
• смягчители и разнообразные пластификаторы. Сюда следует отнести адипиновую кислоту, представленную в виде эфира, дибутилфтолат, касторовое масло, трикрезилфосфат, каучук, а также иные элементы, благодаря которым можно повысить эластичность защитного слоя;
• этилацетат, толуол, бензин, спирт, ксилол, ацетон и другие. К помощи перечисленных компонентов прибегают для улучшения адгезии используемых лакокрасочных составов;
• Инертные наполнители. Представлены в виде мельчайших частиц асбеста, талька, мела и каолина. Благодаря их применению пленки приобретают повышенную устойчивость к коррозии, при этом удается добиться уменьшения расхода иных компонентов лакокрасочных покрытий;
• Пигменты и краски;
• Катализаторы, которые в среде специалистов именуются как сиккативы. Их польза заключается в сокращении времени, необходимого для высыхания защитных составов. Наибольшее распространение получили кобальтовые и магниевые соли жирных органических кислот.

При выборе того или иного лакокрасочного состава следует обращать внимание на условия эксплуатации обрабатываемых конструкций из металла. Применять материалы на основе эпоксидных элементов желательно для тех изделий, которые будут эксплуатироваться в атмосферах, содержащих испарения хлороформа, двухвалентного хлора, а также для обработки изделий, которые планируется использовать в разных типах кислот

Высокую стойкость к кислотам демонстрируют и лакокрасочные материалы, содержащие полихлорвинил. Вдобавок к этому к ним прибегают в целях обеспечения защиты металла, который будет контактировать с маслами и щелочами. Если же возникает задача в обеспечении защиты конструкций, которые будут взаимодействовать с газами, то обычно выбор останавливают на материалах, содержащих полимеры.

Решая вопрос с предпочтительным вариантом защитного слоя, следует обращать внимания на требования отечественных СНиП, предусмотренных для конкретной отрасли промышленности. Подобные саннормы содержат перечень таких материалов и способов защиты от коррозии, к которым допускается прибегать, а также те, которые не следует применять. Скажем, если обратиться к СНиПу 3.04.03-85, то там представлены рекомендации по защите строительных сооружений различного назначения:

• систем трубопроводов, используемых для транспортировки газа и нефти;
• обсадных стальных труб;
• тепломагистралей;
• конструкций, выполненных из стали и железобетона.

Топ-3 аналога

Кроме Химика, существует достаточно много других средств борьбы с коррозией. Они бывают не только с кислотой, но и бескислотные. В состав многих входят добавки для увеличения эффективности средств и поднятия качества обработки.

Цинкарь

Цинкарь – российский препарат, который имеет много сторонников. Это средство – одно из наиболее недорогих. Цинкарь выпускается в упаковках различного объема. Максимальная – канистра в 10 литров.

Отличительные особенности препарата:

• эффективность;
• ортофосфорная кислота – основное действующее вещество;
• вхождение соединений марганца и цинка;
• необходимость завершающей смывки;
• выпуск в таре различного объема.

Цена – от 100 рублей за маленькую упаковку.

Astrohim Antiruster

Выпускается препарат российской компанией. Астрохим популярен среди автовладельцев в качестве средства для кузовных работ.

Особенности препарата:

• эргономичная упаковка;
• эффективность;
• доступная стоимость;
• экономичный расход;
• основной компонент – ортофосфорная кислота;
• необходима смывка преобразователя перед покраской.

Цена – от 140 рублей.

Hi-Gear Rust Treatment

Один из наиболее эффективных преобразователей – продукт Hi-Gear. Упаковка выполнена в виде аэрозольного баллончика. Препарат удобно наносить на поверхность, охватывая даже труднодоступные участки.

Характерные особенности средства:

• высокая результативность;
• экономичный расход;
• хорошее распределение по поверхности;
• подходит для запущенной коррозии;
• требует аккуратного нанесения;
• нуждается в тщательной смывке спиртовым раствором.

Цена – в районе 700 рублей.

Немного химии для понимания процесса образования ржавчины на металле

Ржавчина – это продукт окисления железа. Чаще всего он представляет собой химическое соединение Fe₂O₃. Этот окисел придает рыжеватый оттенок. Однако часто можно наблюдать и темные вкрапления.

Они свидетельствуют о том, что у металла имеются не только трехвалентные свойства, а также и двухвалентное. Поэтому окись запишется химической формулой FeO.

На основании многочисленных исследований установлено, что превалирует Fe₂O₃. Оно встречается в 85…88 % случаев.

Информация для любознательных. Железо выплавляется из руды. Ее принято обозначать в виде соединения Fe₃O₄, но эта формула не дает реальной картины. В природе соединение возникает в доменных печах при температуре выше 850 ⁰С.

Железо на открытом воздухе активно взаимодействует с кислородом воздуха. Поэтому окисная пленка образуется довольно быстро. На практике для предотвращения окислительных процессов производят защиту поверхности металла.

Плотность пленки окислов может быть различной. Если стальной предмет в течение длительного времени находился на открытом воздухе, то металл может быть весь пронизан дырами, состоящими из окисла (ржавчины). Фактически полностью теряет свои свойства.

Предметы, недавно оказавшиеся без дополнительной защиты, покрываются только тонким налетом. Толщина окисной пленки измеряется микронами. В подобном случае прочность ее сцепления незначительная. Она легко снимается с поверхности.

При выплавке железа из руды под действием высокой температуры протекают процессы восстановления металла углеродом и водородом:

• 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂;
• Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;
• FeO + CO = Fe + CO₂;
• 3Fe₂O₃+ H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O;
• Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O;
• FeO + H₂ = FeO + H₂O

Кроме образования чистого железа Fe, в доменном процессе образуется карбид железа Fe₃C. Реакция его образования происходит при температуре 950…1000 ⁰С.

3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂.

В дымовом газе присутствуют окись углерода СO₂ и водяной пар H₂O. При температуре 1536 ⁰С происходит плавление железа Fe.

В природе происходит обратный процесс. При этом чугун из-за высокого содержания карбида железа окисляется в несколько раз медленнее, чем сталь.

Важно! Сталью считают механическое соединение железа с углеродом при условии содержания не более 2,14%. При увеличении содержания углерода сплав представляет собой чугун

Антикоррозионная защита — зачем она нужна

Коррозия представляет собой процесс, сопровождающийся разрушением поверхностных слоев конструкций из стали и чугуна, возникающий в результате электрохимического и химического воздействия. Негативным следствием этого становится серьезная порча металла, его разъедание, что не позволяет использовать его по назначению.

Экспертами было проведено достаточно доказательств тому, что ежегодно порядка 10% от общего объема добычи металла на планете уходит на устранение потерь, связанных с воздействием коррозии, из-за которой происходит расплавление металлов и полная потеря эксплуатационных свойств металлическими изделиями.

При первых признаках воздействия коррозии изделия из чугуна и стали становятся менее герметичными, прочными. В то же время ухудшаются такие качества, как теплопроводность, пластичность, отражательный потенциал и некоторые иные важные характеристики. В дальнейшем конструкции и вовсе нельзя применять по назначению.

Вдобавок к этому именно с коррозией связывают большинство производственных и бытовых аварий, а также и некоторые экологические катастрофы. Трубопроводы, используемые для транспортировки нефти и газа, имеющие значительные участки, покрытые ржавчиной, могут в любой момент лишиться своей герметичности, что может создать угрозу для здоровья людей и природы в результате прорыва подобных магистралей

Это дает понимание того, почему так важно предпринимать меры по защите конструкций из металла от коррозии, прибегая к помощи традиционных и новейших средств и методов

К сожалению, пока не удалось создать такой технологии, которая бы смогла полностью защитить стальные сплавы и металлы от коррозии. При этом имеются возможности для задержания и уменьшения негативных последствий подобных процессов. Эта задача решается посредством использования большого количества антикоррозионных средств и технологий.

Предлагаемые сегодня методы борьбы с коррозией могут быть представлены в виде следующих групп:

• Использование электрохимических методов защиты конструкций;
• Создание защитных покрытий;
• Разработка и производство новейших конструкционных материалов, демонстрирующих высокую стойкость к коррозионным процессам;
• Добавление в коррозионную среду особых соединений, благодаря которым можно замедлить распространение ржавчины;
• Грамотный подход к выбору подходящих деталей и конструкций из металлов для сферы строительства.