Korozja metali

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Metale szlachetne nie ulegają korozji w warunkach naturalnych – występują w środowisku jako pierwiastki rodzime, np. samorodki złota
Rdza na powierzchni stali powstaje w wyniku korozji elektrochemicznej, zachodzącej w obecności wody zawierającej elektrolity
Na anodach ogniw korozyjnych zachodzi utlenianie metalu (rozpuszczanie), a na katodach reakcja redukcji depolaryzatora (np. tlenu. Korodujący metal pełni funkcję metalicznego połączenia elektrod, a obwód elektryczny zamyka elektrolit (przewodnictwo jonowe). Rdza powstaje w roztworze i osadza się zwykle koło katody.
Tlenki, powstające na stali w wysokich temperaturach w wyniku korozji chemicznej, mogą mieć formę zwartych cienkich warstewek (np. niebieski nalot wokół spawu) lub odpadającej od metalu zgorzeliny
Żaroodporna stal chromowa nie ulega utlenianiu, ponieważ powierzchniowa warstwa tlenku Cr2O3 stanowi skuteczną barierę dla reagentów korozji chemicznej: tlenu i jonów metali – składników stopu (pasywacja

Korozja metali (łac. corrosio - zżeranie) – procesy stopniowego niszczenia (korozji) struktury metalu w wyniku jego chemicznych reakcji ze składnikami otoczenia lub procesów elektrochemicznych. W wielu przypadkach kierunek przemian i ich szybkość zależą również od czynników fizycznych (np. naprężenia w elementach obciążonej konstrukcji, zewnętrzne pole elektryczne, promieniowanie) lub mikrobiologicznych[1][2][3][4][5][6].

Podstawy fizykochemiczne[edytuj | edytuj kod]

Teoretyczny opis procesu korozji opiera się na podstawach termodynamicznych i kinetycznych. Z punktu widzenia termodynamiki chemicznej korozja metali jest nieuchronnym procesem samorzutnym. W naturalnym środowisku termodynamicznie trwałe są tylko nieliczne metale szlachetne, np. platyna, złoto – występują w stanie niezwiązanym, jako samorodki (pierwiastki rodzime). Pozostałe metale–pierwiastki, stosowane od wieków jako metaliczne materiały konstrukcyjne, są uzyskiwane przez wydobycie rud i przetwarzanie w procesach metalurgicznych, z dużym nakładem energii. W czasie tych procesów układ termodynamiczny metal–otoczenie oddala się od stanu równowagi (obniżenie entropii, wzrost potencjałów termodynamicznych).

Wśród przemian, jakim ulegają metale powracające do stanu równowagi z otoczeniem, wyodrębnia się dwie podstawowe grupy:

  • procesy korozji elektrochemicznej[7][8]
  • procesy korozji chemicznej[9][10]

Są to zwykle procesy wieloetapowe. Szybkość korozji jest zależna od szybkości najwolniejszego z etapów, np. od szybkości dyfuzji tlenu przez zwartą warstwę tlenków, powstających na powierzchni metalu w czasie korozji gazowej.

Korozja elektrochemiczna[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Korozja elektrochemiczna.

Procesy korozji elektrochemicznej są najbardziej powszechne. Zachodzą w wodzie słodkiej i morskiej, w innych wodnych roztworach elektrolitów, w powietrzu atmosferycznym lub w gruncie (np. w glebie). Istotą procesu jest powstawanie ogniw korozyjnych, w których elektrodami są fragmenty powierzchni korodującego obiektu, o różnych potencjałach standardowych, a obwód elektryczny zamyka ciecz wykazująca przewodnictwo jonowe (warstewka, krople na powierzchni albo ciecz, w której konstrukcja jest zanurzona). W przypadku stali na anodach takich ogniw zachodzi utlenianie żelaza i dodatków stopowych do jonów (kationów), przechodzących do roztworu. Na katodach redukuje się depolaryzator. W naturalnym środowisku jest nim najczęściej rozpuszczony w wodzie tlen, który ulega redukcji do jonów wodorotlenkowych. Rdza (tlenki i wodorotlenki żelaza i innych metali), najczęściej obserwowany objaw korozji metali, jest produktem wtórnych chemicznych reakcji między jonami – produktami reakcji pierwotnych na elektrodach, które są od siebie oddalone[7].

Korozja chemiczna[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Korozja chemiczna.

Procesy korozji chemicznej zachodzą w specyficznym środowisku nie przewodzącym prądu elektrycznego:

  • suche gazy, warunki wykluczające możliwość kondensacji par na powierzchni metalu
  • ciecze nie przewodzące prądu elektrycznego (dielektryki, np. tłuszcze)

Utlenianie korodującego metalu zachodzi w czasie bezpośredniego kontaktu z cząsteczkami utleniacza (reakcja chemiczna). W przypadku oddziaływania tlenu powietrza na powierzchnię stali w wysokiej temperaturze tworzy się zgorzelina – warstwa produktów reakcji utleniania. Warstwy tlenków żelaza, powstających na gorących powierzchniach stali niskostopowych w walcowniach i w kuźniach, są zwykle luźno związane z metalem. Samoistnie odpadają po ochłodzeniu wyrobu, albo są usuwane metodami mechanicznymi (np. ciągnienie i przeginanie drutów, piaskowanie lub śrutowanie blach). Wolniej narastające warstwy tlenków mogą być bardzo mocno związane z powierzchnią metalu. W przypadku stali zawierających takie dodatki stopowe jak np. Cr, Cu, Zn, warstwy tlenków są bardzo zwarte. Jeżeli sieci krystaliczne tlenków nie tworzą roztworów stałych z tlenem i składnikami stopu, to kontakt tych reagentów zostaje zablokowany już po wytworzeniu bardzo cienkiej warstewki (zahamowanie reakcji, pasywacja). Jeżeli przynajmniej jeden z reagentów jest rozpuszczalny w sieci tlenku, korozja zachodzi z szybkością malejącą wraz ze wzrostem grubości warstewki (spada szybkość dyfuzji, która decyduje o szybkości całego procesu)[9][10].

Umowna skala odporności na korozję[edytuj | edytuj kod]

W oparciu o zasady termodynamiki chemicznej przyjmuje się, zgodnie z kryterium zdefiniowanym przez Pourbaix[7], że metal jest odporny na korozję, jeżeli jest w stanie równowagi termodynamicznej z roztworem o aktywności jonów Mz+ ≥ 10−6 gramojonów/litr.

W praktyce są stosowane skale umowne, takie jak skala dziesięciostopniowa przedstawiona w tabeli[1]. Klasyfikacja dotyczy wyłącznie korozji równomiernej (ogólnej).

Stopień odporności Grupa odporności Szybkość korozji [mm/rok]
1
I. Całkowicie odporna
poniżej 0,001
2
3
II. Bardzo odporne
0,001 - 0,005
0,05-0,01
4
5
III. Odporne
0,01 - 0,05
0,5-0,1
6
7
IV. Mniej odporne
0,1 - 0,5
0,5-1,0
8
9
V. Mało odporne
1,0 - 5,0
5,0 - 10
10
V. Nieodporne
powyżej 10

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Encyklopedia techniki; Metalurgia. Katowice: Wydawnictwo "Śląsk", s. 255–261, seria: 1978.
  2. Encyklopedia techniki; Chemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo–Techniczne, 1993, s. 361-365, 488. ISBN 83-204-1312-5.
  3. "Leksykon naukowo-techniczny z suplementem". T. A-O. Warszawa: WNT, 1989, s. 392-393. ISBN 83-204-0969-1.
  4. Encyklopedia techniki, Materiałoznawstwo. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1969, s. 269–271.
  5. Barbara Surowska: Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją. Lublin: Politechnika Lubelska, 2002, s. 1-143.
  6. G. G. Wranglen: Podstawy korozji i ochrony metali. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1969.
  7. 7,0 7,1 7,2 Marcel Pourbaix: Wykłady z korozji elektrochemicznej. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1978.
  8. Gustaw Kortüm: Elektrochemia. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1970.
  9. 9,0 9,1 ćwiczenie: Korozja gazowa. W: Skrypt ZUT: orozja i ochrona przed korozją [on-line]. www.zmio.zut.edu.pl. [dostęp 2011-04-20].
  10. 10,0 10,1 Ćwiczenie: Korozja gazowa. W: Skrypt UCS [on-line]. www.ztch.umcs.lublin.pl. [dostęp 2011-04-20].