Korozja i sposoby jej zapobiegania

Korozją nazywa się stopniowe niszczenie tworzywa pod wpływem
chemicznego oddziaływania środowiska. W przypadku metali rozróżnia się
korozję chemiczną i elektrochemiczną. Korozja chemiczna jest spowodowana
oddziaływaniem suchych gazów lub cieczy nie przewodzących prądu
elektrycznego,
z aś
korozja
elektrochemiczna
jest
spowodowana
oddziaływaniem na metal roztworów przewodzących (elektrolitów). Korozja
miejscowa objawia się plamami czy wżerami o znacznej głębokości i wpływa
silnie na zmniejszenie wytrzymałości zarówno materiału jak i konstrukcji.
Najgroźniejsza jest korozja międzykrystaliczna, powodująca zniszczenia na
granicach ziaren postępujące w głąb takich materiałów jak stopy glinu czy
asteniczne stale żaroodporne. W wielu przypadkach ten typ korozji
powodującej silne obniżenie wytrzymałości, jest trudny do zauważenia na
powierzchni metalu.
1
Korozja elektromechaniczna. Powstaje na skutek działania krótko zwartych
ogniw na styku metalu z elektrolitem. Ogniwa te powstają na skutek
niejednorodności chemicznej lub fizycznej fazy metalicznej (styk różnych
metali, niejednorodność różnych faz krystalicznych stopu, wtrącania faz
obcych, lokalne różnice naprężeń odkształceń i
stanu gładkości
powierzchni) albo na skutek różnic w stężeniu elektrolitu. Produkty reakcji
elektrochemicznych biegnących na elektrodach takiego lokalnego ogniwa
mogą blokować dalszy postęp procesu, co objawia się obniżeniem
potencjału katody lub podwyższeniem potencjału anody, tzw. polaryzacją
elektrod. Oczywiście polaryzacja katodowa czy anodowa wpływa
hamująco
na
proces
korozji
i
odwrotnie.
Przyczyną
korozji
elektrochemicznej mogą też być prądy błądzące np. prąd stały z szyn trakcji
elektrycznej.
Jest
to
korozja
biegnąca
na
zasadzie
anodowego
rozpuszczania metali w procesie elektrolizy, w którym rolę elektrolitu
spełniają roztwory wodne soli zawartych w glebie, zaś rolę elektrod
rurociągi, kable i konstrukcje żelbetowe zakopane w ziemi.
Korozja
chemiczna.
Korozyjne
działanie
suchych
gazów
jest
szczególnie intensywne w podwyższonych temperaturach. Na przykład
wodór powoduje "chorobę wodorową miedzi", gdy wnika do metalu
zawierającego zanieczyszczenia tlenowe np. Cu2O. Wytworzona w
trakcie redukcji para wodna dąży do wydobycia się z metalu i wywołuje
pęknięcia. Dwutlenek siarki i siarkowodór atakują m.in. srebro, miedź i
nikiel. Powietrze i gazy spalinowe mogą wywołać odwęglanie stali i jej
utlenienie. Wytworzona na powierzchni warstewka tlenku może chronić
głębsze warstwy metalu przed korozją o ile jest dostatecznie zwarta i
gruba. Dzieje się tak w trakcie utleniania, np. glinu, cynku, niklu,
miedzi, chromu i żelaza. Trwałość warstewki ochronnej pasywującej
zmniejszają naprężenia mechaniczne oraz jej zła spójność z metalem
wynikła z różnic objętości molowej tlenku i objętości molowej metalu.
2
Duży wpływ na postęp utleniania metalu ma szybkość dyfuzji atomów
metalu poprzez warstewkę tlenku do powierzchni zewnętrznej i dyfuzja
tlenu do powierzchni metalu.
Korozja lokalna. Jeżeli korozja metalu w środowisku wodnym zachodzi
nierównomiernie, to obszary katodowe i anodowe występujących ogniw
korozyjnych
można
wyróżnić
bądź
gołym
okiem,
bądź
pod
mikroskopem.
Korozja ogólna. Przy bardzo małych rozmiarach ogniw metal ulega
korozji równomiernej, w której na całej powierzchni występują miejsca
anodowe i katodowe zmieniając w czasie swoje położenie. Jeżeli
produkty korozji nie przechodzą do roztworu, to wydzielają się
równomierne na całej powierzchni metalu. Korozja elektrochemiczna
ogólna prowadzi do zniszczeń równomiernych. Potencjał katody jest
równomierny potencjałowi anody i dalej potencjałowi korozyjnemu.
Korozję elektrochemiczną lokalną charakteryzują anody oddzielone od
katod. Powierzchnia anody jest przy tym dużo mniejsza od powierzchni
katody, a potencjał anody - niższy od potencjału katodowego. Produkty
korozji nie chronią przed dalszą korozją, po przekroczeniu iloczynu
rozpuszczalności wytrącają się i odkładają pomiędzy anodą i katodą.
Korozja z depolaryzacją wodorową. Ten typ korozji zachodzi przede
wszystkim w kwasach, a w przypadku niektórych metali - również w
roztworach silnie alkalicznych. Szybkość wydzielania wodoru, a w
efekcie i korozji metalu może zależeć od procesu katodowego lub
anodowego. Korozję metali w środowiskach kwaśnych charakteryzuje,
zarówno w procesie katodowym jak i anodowym, występowanie
polaryzacji aktywacyjnej. Cynk jest przykładem metalu, który
charakteryzuje się małą polaryzacją aktywacyjną rozpuszczania a
wysokim
nad
napięciem
wydzielanego
na
nim
wodoru.
Zanieczyszczenia cynku miedzią czy żelazem zmniejszają polaryzację
3
katodową cynku i powodują zwiększenie szybkości korozji. O przebiegu
korozji metali łatwo pasywujących się w rozcieńczonych kwasach
decydują najczęściej procesy anodowe. Wzrost stężenia utleniacza w
roztworze zwiększa polaryzację anodową, a z kolei obecność silnych de
pasywatorów zmniejsza polaryzację anodową. Obok dominującej
funkcji procesów katodowych może mieć miejsce jednakowe ich
działanie. Oznacza to, że w procesie korozyjnym występuje jednakowa
polaryzacja katodowa i anodowa. Stal węglowa koroduje z większą
szybkością niż czyste żelazo. Obecność w nim siarki zwiększa jeszcze
szybkość korozji.
Korozja z depolaryzacją tlenową. Korozja metali w wodzie i roztworach
obojętnych jest bardziej powszechna niż w środowiskach kwaśnych. W
procesie anodowym występuje polaryzacja aktywacyjna, w procesie
katodowym redukcji tlenu występuje polaryzacja stężeniowa związana z
ograniczoną rozpuszczalnością tlenu w środowisku wodnym. O
szybkości procesu korozji będzie decydować graniczna gęstość prądu
katodowej redukcji tlenu, która zależy od stężenia tlenu. Szybkość
ogólnej korozji różnych stali w wodzie jest uzależniona od szybkości
dyfuzji tlenu do ich powierzchni. Wielkość polaryzacji anodowej w
pewnym zakresie nie ma znaczenia, decyduje wielkość prądu
granicznego redukcji tlenu.
Korozja atmosferyczna. Korozja atmosferyczna jest przykładem korozji
elektrochemicznej. Szybkość jej jest uzależniona od zawartości wilgoci
oraz zanieczyszczeń w powietrzu i na metalu. Przyjmuje się, że zjawisko
korozji atmosferycznej ma miejsce w atmosferze o wilgotności względnej
powyżej 70%, gdyż wtedy może nastąpić kondensacja pary wodnej na
powierzchni metalu. Duże znaczenie ma również strefa klimatyczna, a
także
mikroklimat
występujący
w
obrębie
tych
stref.
Korozję
4
atmosferyczną przyspieszają zanieczyszczenia atmosfery, np. SO2, które
zwiększa ją przewodnictwo skondensowanej na powierzchni metalu pary
wodnej.
Dalszym
czynnikiem
przyspieszającym
korozję
są
zanieczyszczenia stałe osadzające się na metalu, a szczególnie sadze i pył
węglowy, które intensyfikują proces katodowej redukcji tlenu.
Korozja galwaniczna. Korozja ta jest wywołana kontaktem dwóch metali
czy stopów o różnych potencjałach, powodującym wytworzenie się
ogniwa galwanicznego. Różnica potencjałów w szeregu galwanicznym,
mniejsza niż 50 mV, nie ma praktycznie znaczenia. Efektywność ogniwa
zwiększa się ze wzrostem różnicy potencjału stykających się z sobą metali
w środowisku korozyjnym. Przykładem tego rodzaju korozji może być
korozja stali węglowej znajdującej się w kontakcie ze stalą chromowoniklową, miedzi lub mosiądzu ze stałą zwykłą lub ocynkowaną, która po
rozpuszczeniu cynku będzie ulegała korozji. W przypadku metali silnie
pasywujących się, mimo znacznych różnic potencjałów, efekty korozyjne
mogą być niewielkie, bowiem warstewki pasywne mogą dobrze chronić
przed korozją. W praktyce w celu zmniejszenia efektu galwanicznego w
przypadku konieczności łączenia metali czy stopów należy przestrzegać,
żeby różnica potencjałów była jak najmniejsza i tak dobierać metale, żeby
metal stanowiący katodę w ogniwie galwanicznym miał małą
powierzchnię, a metal anody dużą. Pozwoli to rozłożyć efekt korozyjny
na dużej powierzchni i w ten sposób zmniejszyć jej szkodliwość. Dlatego
śruby, nakrętki, spawy powinny być w takich przypadkach wykonane z
bardziej szlachetnego materiału niż materiał blach czy konstrukcji.
Korozja
galwaniczna
jest
groźniejsza
w
roztworach
o
małym
przewodnictwie, np. w miękkich wodach, ponieważ atak korozyjny
koncentruje się blisko złącza metali. Korozja galwaniczna może być
wywołana nie tylko obecnością wspomnianych makro-ogniw, lecz także i
5
takich mikro-ogniw, które występują w obrębie jednego kawałka metalu.
Przykładem tego rodzaju korozji może być selektywna korozja stopów,
polegająca na rozpuszczaniu się składnika mniej szlachetnego, np. cynku
w mosiądzu. Dalszym przykładem korozji galwanicznej wywołanej
obecnością mikro-ogniw jest selektywna korozja żeliwa szarego w wodzie
lub glebie, prowadząca do przemiany żelaza w rdzę, w której pozostaje
rozrzucony grafit.
Korozja naprężeniowa. Która zachodzi w przypadku współdziałania
czynników
elektrochemicznych
z
naprężeniami
mechanicznymi.
Korozja tego typu, związana z dyslokacjami w metalu, może objawiać się
jako pękanie międzykrystaliczne lub śródkrystaliczne.
Korozja zmęczeniowa. Zachodząca przy cyklicznych naprężeniach metalu
w środowisku agresywnym, objawiająca się pękaniem określonych miejsc
konstrukcji, zwłaszcza w kotłach parowych i środowisku wody morskiej.
Korozja cierna. Zachodząca na powierzchniach granicznych dwu ściśle
dopasowanych
płaszczyzn
metali,
które
ulegają
drganiom
lub
przesunięciom oscylacyjnym.
Korozja kawitacyjna. Spowodowana powstawaniem luk próżniowych w
cieczach wskutek szybkiego ruchu lub wibracji (śruby okrętowe, wirniki
turbin hydraulicznych itp.)
Korozja szczelinowa. Która objawia się w szczelinie między metalami o
niedostatecznym dostępie powietrza i tlenu, co uniemożliwia samoodnawianie się warstewki tlenkowej na stali i stopach aluminium.
Korozja kontaktowa. Zachodząca na styku dwóch metali o różnych
potencjałach w roztworze.
Korozja selektywna. Spowodowana lokalnym zubożeniem stopu w chrom
przez jego związanie w węgliki i wydzielanie na granicy ziaren metalu.
Korozja wżerowa. Występująca szczególnie w środowisku chlorków,
powodująca głębokie wżery w metalu
6
Korozja wysokotemperaturowa (gazowa). Która jest chemicznym
procesem utleniania metali w różnego typu spalinach lub środowiskach
zawierających siarkę, siarkowodór lub chlorowce. Objawia się ona
zniszczeniem metalu i zmianą wytrzymałości mechanicznej.
Korozja katastrofalna. Która jest skrajnym przypadkiem korozji
wysokotemperaturowej, gdy proces zniszczenia metalu zachodzi szybko.
Korozja kwasowa. Gdy w tworzywo nieorganiczne wnika ośrodek o pH
niższym od 7 i działa chemicznie na materiał.
Korozja siarczanowa. W czasie której siarczany środowiska działają na
związki zawarte w cemencie portlandzkim, powodując powstanie soli
Candlota o dużej objętości właściwej, rozsadzającej strukturę betonu.
Czynniki powodujące niszczenie metali:
Woda
Kwaśne deszcze
Zasady
Kwasy
Czynniki atmosferyczne
Zachodzi pod wpływem tlenu znajdującego się w powietrzu
Obecność wilgoci
Gwałtowne zmiany temperatury
7
Doświadczenie
Badanie wpływu różnych czynników na metale i ich stopy
Potrzebne rzeczy:
 stalowe gwoździe (ich głównym składnikiem jest żelazo)
 3 słoiki
 olej
 woda
Obserwacje:
Do
trzech
słoiczków
włożyłam
kolejno po jednym gwoździu. Do
pierwszego
wlałam
olej,
drugi
zostawiłam pusty, a do trzeciego
wlałam wodę. (zdjęcie nr 1).
Pierwszego
dnia
mogłam
zaobserwować, że w słoiku trzecim
( z wodą ) końcówka gwoździa
lekko
pokryła
pozostałych
się
rdzą.
słoikach
zaobserwowałam żadnych
W
nie
zmian
(zdjęcie nr 2).
8
W dniu drugim gwóźdź w słoiku z wodą prawie w całości pokryty był rdzą. W
pozostałych słoikach nie zaobserwowałam żadnych zmian.
W dniu kolejnym gwóźdź w słoiku z woda był całkowicie pokryty rdzą, woda
lekko mętna. W pozostałych słoikach nie zaobserwowałam żadnych zmian
(zdjęcie nr 3 i 4).
Wnioski:
Obserwowane zjawisko w słoiku trzecim to korozja. Gwoździe umieszczone w
oleju nie ulegają zniszczeniu. Na gwoździach znajdujących się w powietrzu nie
widać zmian, ale pozostawienie ich na dłużej, zwłaszcza w wilgotnym
powietrzu, sprawia, że też pokryją się rdzą.
Ochrona metali przed korozją:
- malowanie materiału farbą olejną, lakierem bądź lepikiem,
- pokrywanie metali warstwą sztucznego tworzywa,
- cynkowanie, chromowanie, niklowanie,
- obniżenie agresywności czynników środowiska.
9
Źródło:


Ciekawa chemia część 2 WSiP , autorzy: Hanna Gulińska, Jarosław Haładuda, Janina Smolińska
ttp://www.lekcja.eduseek.interklasa.pl/~lekcja06/
Opracowane przez: Marię Pietrzak
10