Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

KOROZJA METALI

Korozja jest pojęciem ogólnym, które odnosi się do procesu niszczenia metali i ich stopów (również materiałów budowlanych oraz tworzyw sztucznych) na skutek reakcji chemicznej lub elektrochemicznej przebiegającej w wyniku zetknięcia z otoczeniem. Najczęściej są to stalowe konstrukcje, metalowe sprzęty lub opakowania żywności. Szybkość korozji określa się poprzez ubytek masy próbki metalu pod wpływem działania czynnika korodującego na jednostkę powierzchni i czasu. Korozja powoduje osłabienie trwałości konstrukcji metalowych, zmniejsza walory estetyczne wyrobów, a w przypadku opakowań produktów spożywczych powoduje zmniejszenie ich wartości odżywczej a nawet prowadzi do nieprzydatności do spożycia. Korozja jest bardzo poważnym problemem gospodarczym, ponieważ straty przez nią powodowane szacuje się w krajach rozwiniętych na 3 do 5% produktu krajowego brutto. Rozróżnia się dwa rodzaje korozji: chemiczną oraz elektrochemiczną.

Korozja chemiczna

Korozja
chemiczna polega na bezpośredniej reakcji metalu z czynnikiem wywołującym korozje. Czynnikiem tym może być na przykład tlen z powietrza. Typowym przykładem jest utlenianie żelaza do jego tlenków w wysokiej temperaturze. Do tej samej grupy procesów należą również:
  • czernienie przedmiotów srebrnych na powietrzu (pokrywanie się nalotem, którego głównym składnikiem jest siarczek srebra),
  • pasywacja np. glinu w HNO3, który pokrywa się warstwą tlenkową odporną na dalsze działanie roztworu.
Korozja chemiczna atakuje najczęściej całą powierzchnię stykającą się z czynnikiem wywołującym korozję. Nie stanowi ona na ogół dużego zagrożenia dla konstrukcji i przedmiotów metalowych w niezbyt wysokich temperaturach.

Utlenianie metalu do jego tlenków nie zawsze jest procesem szkodliwym. Jeżeli warstwa tlenku jest dostatecznie zwarta i mocno związana z powierzchnią metalu, chroni ona metal przed dalszym utlenianiem. Zjawisko tworzenia takiej warstwy nosi nazwę pasywacji. Pasywacja jest przyczyną dość wysokiej odporności glinu na korozję, mimo, że jest on metalem o dużej reaktywności. Taką ochronną warstwę można wytworzyć nie tylko na powierzchni glinu ale również innych metali, także stali. Proces ten nosi nazwę oksydacji i jest jedną z metod ochrony antykorozyjnej.

Korozja elektrochemiczna

Korozja elektrochemiczna jest wynikiem działania lokalnych ogniw galwanicznych tworzących się na powierzchni metalu w momencie zetknięcia z wilgocią, która pełni rolę elektrolitu. Lokalne ogniwa powodujące korozję to najczęściej ogniwa powstające na skutek:
  • stykania się ze sobą dwóch metali,
  • stykania się metalu ze składnikami niemetalicznymi (np. z węglem, będącym dodatkiem w każdej stali),
  • częściowego pokrycia metalu warstwą tlenku,
  • kontaktu metalu z elektrolitem o różnym składzie (np. roztworem mającym odmienne stężenie tlenu w różnych częściach objętości) tworzą się wówczas ogniwa stężeniowe.
Elektrolitem najczęściej jest woda opadowa lub wilgoć kondensująca na powierzchni metalu.
Dla zobrazowania procesu korozji elektrochemicznej warto wyobrazić sobie sytuacje, w której do dachu przybijamy stalowymi gwoździami blachę miedzianą. Podczas kontaktu z wodą opadową czyli najprościej ujmując – deszczu powstaje ogniwo. W ogniwie tym żelazo (czyli główny składnik stalowego gwoździa) jest metalem o niższym potencjale czyli jest anodą, zaś miedź posiada wyższy potencjał i jest katodą. Gwóźdź zacznie powoli roztwarzać się w elektrolicie czyli ulegnie utlenieniu, natomiast elektrony za pośrednictwem miedzi będą przekazywane rozpuszczonemu w wodzie tlenowi lub innym jonom zawartym w roztworze. Wynika z tego, że stalowe gwoździe dość szybko ulegną zaawansowanej korozji.

Stal oprócz żelaza zawiera również 0,1 – 0,2% węgla w postaci grafitu lub węgliku żelaza (cementytu) Fe3C. Na jej powierzchni znajdują się zatem obszary o różnym składzie chemicznym, które w zetknięciu z elektrolitem przyjmują różne potencjały. Powstają w ten sposób mikroogniwa, w których żelazo jest zawsze biegunem ujemnym czyli pełniącym rolę anody. Grafit oraz węglik żelaza mają wyższe potencjały od żelaza, a zatem pełnią rolę katody.

Reakcja anodowa przebiega następująco:
\(Fe   \rightarrow  Fe^{2+}   +    2 e^-\)

Procesy elektrodowe mogą przebiegać w różny sposób. Najbardziej typowe procesy katodowe zachodzą z udziałem tlenu atmosferycznego w wodzie. W zależności od pH roztworu reakcje te mają różny przebieg:

- reakcja katodowa w roztworze obojętnym (tlen ulega redukcji powodując tym alkalizację roztworu)

\(2 H_2O    +    O_2    +    4 e^-   
\rightarrow   4 OH^-\)

- reakcja katodowa w roztworze kwasowym (tlen ulega redukcji powodując zobojętnienie roztworu)

\(4 H^+    +    O_2    +    4 e^-   \rightarrow    2 H_2O\)

Jony żelaza (II) stykając się początkowo z jonami OH- tworzą wodorotlenek żelaza (II), który następnie ulega utlenieniu tlenem atmosferycznym do uwodnionego tlenku żelaza (III), czyli rdzy. Reakcje te przebiegają w sposób następujący:

\(Fe^{2+}    +    2 OH^-    \rightarrow     Fe(OH)_2↓\)

\(4 Fe(OH)_2    +    O_2   \rightarrow   2 Fe_2O_3 · H_2O    +    2 H_2O\)

Ochrona przed korozją

Znając mechanizmy korozji można świadomie jej zapobiegać. Istnieje wiele sposobów zapobiegania korozji, jednak najważniejszą i najszerzej stosowaną jest nakładanie odpowiednich powłok ochronnych. Powłoki te można podzielić na bierne i czynne:

- powłoki bierne chronią przedmiot przed korozją izolując go od wpływów otoczenia. Zalicza się do nich:
  • pokrycia lakiernicze, otrzymywane przez malowanie odpowiednimi farbami i lakierami,
  • emalie (np. na naczyniach kuchennych),
  • powłoki z tworzyw sztucznych,
  • powłoki metaliczne wytwarzane z metali szlachetniejszych od metalu chronionego, czyli położonych na prawo od niego w szeregu napięciowym.
    Te ostatnie nanosi się najczęściej drogą elektrolizy. W przypadku stali najczęściej nanosi się pokrycia z cyny, niklu i chromu, ponieważ ulegają one korozji znacznie wolniej od stali.

    Należy pamiętać, że powłoki te spełniają swoją role dopóki nie zostaną uszkodzone. Niewielkie nawet uszkodzenie powłoki powoduje nie tylko brak ochrony przed korozją, ale nawet jej znaczne przyspieszenie

    - powłoki czynne w odróżnieniu od biernych chronią przedmiot przed korozją nawet wtedy, gdy nie są całkowicie szczelne. Wykonuje je się z metali mniej szlachetnych czyli leżących na lewo od żelaza w szeregu napięciowym – najczęściej z cynku, glinu lub kadmu. Utworzenie się ogniwa korozyjnego w takim przypadku spowoduje, że metal stanowiący powłokę będzie elektrodą ujemną i będzie ulegał utlenieniu. Produkty utlenienia tworzą warstwę na powierzchni metalu dodatkowo hamując jego korozję. Przykładem jest blacha ocynkowana, z której wytwarza się wiadra, rynny, pokrycia dachów itp.

    Do ochrony dużych obiektów stalowych stosuje się tzw. protektory, wykonane z aktywnych metali, np. cynku lub magnezu, które po przyspawaniu stanowią biegun ujemny powstałego ogniwa, ulegając zniszczeniu. Po zużyciu protektory wymienia się na nowe. W ten sposób chroni się takie obiekty jak kadłuby statków, podziemne zbiorniki, rurociągi itp.