Напомним, что коррозией называется процесс разрушения металлов и их сплавов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды.
Металл, стойкий к коррозии в одних условиях, может разрушаться в других. Так, например, алюминий стоек к коррозии, вызываемой жидким топливом, и не стоек к действию натриевой щелочи (так называемое явление пассивности и активности). Окись алюминия создает химически инертный защитный слой, толщина которого составляет 20—100Å. Алюминий, поверхность которого очищена от защитной пленки, может реагировать с водой, выделяя при этом водород. Под влиянием окислителей поверхность алюминия пассивируется, поэтому кислород, содержащийся в воздухе или растворенный в воде, повышает его коррозионную стойкость.
Коррозионная стойкость алюминия в значительной степени зависит от содержания примесей других металлов. Как известно, при контакте двух металлов, погруженных в среду электролита, образуется гальваническая пара, где более активный металл становится анодом, а менее активный — катодом. В результате электрохимической реакции анод разрушается. Большинство примесей (за исключением металлов, более активных, чем алюминий) играют роль катода по отношению к алюминию, т.е. способствуют его разрушению. По этой причине алюминий высокой чистоты отличается более высокой коррозионной стойкостью, чем технический металл, который, в свою очередь, более устойчив к коррозии, чем сплавы алюминия. Кроме того, коррозионная стойкость алюминия зависит от характеристик окружающей среды и от реакций, вызываемых этой средой в алюминии.
Механизм коррозии алюминия
В присутствии окислителей поверхность алюминия покрывается защитным слоем окиси алюминия. Защитный слой, в свою очередь, состоит из двух слоев:
Внутреннего слоя Al2O3, который образуется при непосредственной реакции кислорода с металлом. Внутренний слой оксида прочно прилегает к металлу основы, а его структура и толщина зависят от температуры окисления.
Наружного, образующегося в результате реакции внутреннего слоя с внешней средой, в основном, с водой. Толщина этого слоя зависит от времени протекания коррозии и концентрации агрессивных веществ в окружающей среде. Увеличение толщины наружного слоя происходит за счет окисления металла основы. Наружный слой порист, он пропускает воздух и влагу.
В результате коррозионных процессов на поверхности алюминия общая толщина защитного слоя увеличивается, но толщина внутреннего слоя при этом остается постоянной.
Виды коррозии
Коррозию металлов можно разделить на химическую и электрохимическую.
Электрохимическая коррозия происходит при действии на металл растворов электролитов (т.е. растворов, содержащих носители электрического тока — ионы) и сопровождается возникновением электрического тока. Химическая коррозия происходит при воздействии на металл сухих газов, пыли, жидких веществ (не электролитов) и не сопровождается возникновением электрического тока. Разрушающее действие коррозии всегда начинается с поверхности металла. Затем коррозия распространяется в глубину со скоростью, зависящей от вида металла или сплава, его состава, структуры, характеристик, а также состава и характеристик окружающей среды. Этому процессу чаще всего сопутствуют изменения внешнего вида поверхности: она становится матовой, изменяет цвет, появляются точки, пятна, вздутия и т. д. В результате взаимодействия алюминия с окружающей средой образуются вещества (продукты коррозии), свойства которых в значительной мере влияют на протекание коррозионных процессов. Рассмотрим возможные разновидности такого влияния:
В процессе коррозии образуются летучие или растворимые вещества, которые легко и быстро удаляются с места реакции и не препятствуют распространению коррозии. В результате реакция проходит по всей поверхности металла, доступной для коррозионного воздействия, и без помех распространяется в глубину.
На поверхности металла возникают тонкие, прозрачные, прочно связанные с металлом слои, которые перекрывают доступ агрессивного реагента к металлу основы. Эти слои являются причиной так называемой "пассивации" поверхности. С образованием такого слоя коррозия практически полностью останавливается, а остаточные процессы происходят только на наружной поверхности слоя, который может частично растворяться в агрессивной среде.
Неоднородность поверхностного слоя приводит к проявлению неравномерной или местной коррозии. Слой продуктов коррозии неравномерно распределяется по всей поверхности корродирующего металла.
В зависимости от свойств продуктов коррозии можно выделить следующие разновидности последней:
Локальная коррозия в виде пятен на поверхности металла.
Локальная коррозия в виде разъеданий, которая возникает в случае, если процесс происходит на поверхности малой площади и интенсивно распространяется вглубь металла.
Межкристаллическая коррозия, возникающая в случае, если агрессивное вещество поступает вглубь металла и разрушает внешние границы кристаллов (зерен), из которых состоит сплав. Продукты коррозии остаются внутри металла, причем на наружной поверхности не происходит никаких заметных изменений. Это особенно опасный вид коррозии с точки зрения скорости процесса. В этом случае материал, создающий границу зерен, выполняет роль анода по отношению к зернам, которые занимают значительную площадь и действуют, как катод.
Коррозия напряжения и ее разновидность — коррозия усталости, возникающая в случае, если, помимо воздействия коррозионной среды, изделие из металла подвергается постоянным или переменным нагрузкам.
Селективная (избирательная) коррозия, во время которой одна или несколько составных частей сплава подвергается коррозии, а пористая основа сплава сохраняет первоначальную форму изделия.
Электрохимическая коррозия
В техническом алюминии (или в его сплавах) содержатся примеси металлов в виде отдельных вкраплений (магний, титан, железо, марганец и др.) Благодаря наличию таких вкраплений сплав, погруженный в электролит, представляет собой совокупность большого количества микроскопических гальванических очагов. В результате электрохимической реакции, возникающей в этих очагах, металл, выступающий в роли анода (а в нашем случае это основной компонент сплава, алюминий), растворяется, в то время как на микрокатодах выделяется водород.Такие микроисточники коррозии по своей природе являются обычными гальваническими элементами и отличаются:
1 микроскопическими размерами анода и катода;
2 горизонтальным расположением электродов;
3 прямым соединением катода и анода.
Процесс электрохимической коррозии не всегда является результатом возникновения микроскопических гальванических элементов. В ряде случаев очаги коррозии имеют "видимые" (макроскопические) размеры. Механизм электромеханического коррозионного разрушения для разной величины поверхности катода (сталь) и анода (алюминий) представлен на рис. 3.
Атмосферная коррозия
Атмосферной коррозией называют процесс разрушения металлов на воздухе в результате происходящих на их поверхности химических и электрохимических реакций. Это наиболее распространенный пример разрушения металлов.
Основной причиной атмосферной коррозии является тонкий слой влаги, который образуется на поверхности металла, если его температура находится ниже точки росы. С понижением температуры или при увеличении содержания водяного пара в воздухе излишек пара оседает в виде капель воды. Если поверхность негладкая, покрыта пылью и слоями продуктов коррозии, то значительно раньше достижения точки росы во всех углублениях, порах и трещинах конденсируется пар и образуется слой воды. Некоторые газообразные вещества, содержащиеся в атмосфере, такие как оксиды азота, серы, хлорид водорода и другие, растворяются в конденсированной влаге, образуя кислоты. Поскольку растворимость этих веществ в воде очень высока, они концентрируются в слое воды даже тогда, когда их содержание в воздухе сравнительно невелико. Скорость коррозии зависит как от характеристик коррозионной среды (внешних факторов), так и от характера самого металла (внутренних факторов).
К внешним факторам относятся:
состав среды;
температура;
давление;
ветровые нагрузки;
блуждающие токи.
К внутренним факторам относятся:
Влияние атмосферы на процесс коррозии зависит от климатической зоны, уровня развития промышленности в регионе и загрязненности атмосферы. Наиболее существенными факторами, определяющими коррозионные свойства атмосферы, являются содержание пыли, газов, влажность и температура. Влиянием этих факторов объясняется различная скорость процесса коррозии в различных точках земного шара. Например, чем ближе к морю, тем больше в воздухе морских солей, ускоряющих коррозию, особенно NaCl. В регионах, где много промышленных объектов, в воздухе много таких соединений, как SO2. Отметим, что скорость коррозии на воздухе, как правило, значительно ниже, чем в пресной воде или почве. Атмосферную коррозию можно разделить на сухую, влажную и морскую. Сухая (газовая) атмосферная коррозия проходит в условиях полного отсутствия влаги на поверхности металла. Этот вид коррозии протекает очень медленно. Если в атмосфере содержатся агрессивные газы, то скорость коррозии значительно ускоряется.
Влажная атмосферная коррозия протекает в слое электролита малой толщины. Скорость процесса зависит от влажности воздуха, атмосферных загрязнений и гигроскопичности продуктов коррозии: если эти вещества задерживают влагу на поверхности металла, скорость коррозии возрастает.
Морская атмосферная коррозия. В регионах с морским климатом в состав атмосферы входит большое количество солей, на поверхности металла собираются капли морской воды, соли и другие загрязнения, ускоряющие коррозию.
Взаимодействие алюминия и его сплавов с другими металлами и сплавами
В среде электролита два различных металла, соприкасающиеся между собой или соединенные проводником, образуют гальванический элемент, в котором генерируется электрический ток. Направление движения электронов в гальваническом элементе определяется величинами электродных потенциалов металлов, Интенсивность коррозии, возникающей при соединении двух металлов, зависит от их расположения в ряду напряжений (разности потенциалов), от соотношения площади поверхности и уровня их поляризации. Чем больше разность потенциалов в гальваническом элементе, тем выше напряжение и тем интенсивнее разрушается анод. Значения потенциалов, приведенные в электрохимическом ряде напряжений, определены для стандартных условий (температура 25°С и единичная активность ионов в растворе электролита). Нужно учитывать, что в зависимости от состава электролита эти значения могут меняться. Так, например, в щелочных растворах алюминий корродирует значительно сильнее, чем в кислых. Цинк, потенциал которого близок к потенциалу алюминия, может использоваться для непосредственного контакта с алюминием. Если такой контакт происходит в нейтральных и кислых средах, цинк выполняет функцию анода и поэтому защищает катодный алюминий от коррозии. Однако в щелочных средах, наоборот, активность алюминия возрастает, поэтому цинк ускоряет коррозию алюминия. При контакте стальных оцинкованных деталей (шурупов и т.д.) с алюминием слой цинка вначале обеспечивает защиту алюминия, но после стирания цинка стальная поверхность становится открытой, что может привести к коррозии алюминия. В контакте с алюминием рекомендуется применение стали, оцинкованной горячим методом, поскольку в этом случае толщина покрытия больше, чем при электролитической оцинковке.
Ни в коем случае алюминий не должен соединяться с медью и ее сплавами, поскольку это приводит к быстрой коррозии алюминия (так называемой "катастрофической коррозии"). В связи с этим в алюминиевых конструкциях недопустимы всякого рода элементы и дополнения из меди. По этой же причине не следует допускать влияния на алюминий дождевой воды, которая стекает с медных крыш и труб непосредственно на алюминиевые конструкции, даже тогда, когда она содержит небольшие количества ионов меди.
Следует также избегать контакта с оловом и его соединениями, особенно в атмосфере, загрязненной промышленными отходами. Соли олова, образующиеся в кислой среде, сильно разрушают поверхность алюминия.Свинцовый сурик, при наличии влаги, содержащей кислоту, проявляет сильную коррозионную активность. Поэтому при контакте с алюминием следует избегать стальных элементов, покрытых свинцовым суриком.Ртуть и ее соли уже в присутствии следов влаги вызывают сильную коррозию алюминия. В этом случае процесс коррозии усиливается благодаря образованию амальгамы: амальгамированный алюминий интенсивно взаимодействует с водой в даже отсутствие кислот и щелочей! Поэтому при складировании алюминиевых профилей даже пары ртути (из разбитой лампочки) могут привести к мгновенной коррозии.Соединение алюминия и стали допустимо в сельской местности, но на приморских и промышленных территориях сталь ускоряет коррозию алюминия. Поэтому при контакте стали и алюминия необходимо избегать их непосредственного контакта, например, путем оцинковки стали, покраски алюминия с одновременным использованием изолирующих прокладок из синтетических материалов. При соединении железа, никеля и хрома с алюминием возникает значительная разность потенциалов, поэтому их не следует соединять непосредственно друг с другом. Кроме того, соли этих металлов (хлориды, сульфаты и т. д.), которые образуются в результате их коррозии, также способствуют разрушению алюминия.
Химическая коррозия.
Процесс химической коррозии протекает при воздействии сухих газов, жидких неэлектролитов и других материалов (в том числе и строительных) на алюминий.
В результате химической коррозии на поверхности алюминия образуется защитный слой, состоящий из продуктов коррозии и препятствующий взаимодействию агрессивных веществ с металлом. Скорость и вид химической коррозии определяет процесс диффузии агрессивного вещества через защитный слой. Как мы упоминали ранее, слой окиси алюминия возникает на поверхности в результате окисления металла кислородом воздуха. На воздухе в отсутствие влаги толщина этого слоя в течение нескольких минут достигает 10 Å.
