Korozja metali i jej zwalczanie

Korozją nazywamy stopniowe niszczenie tworzyw z skutek działania środowiska. Nazwa pochodzi pod łacińskiego wyrazu corrodere – zżerać. Pojęcie korozji dotyczy przede wszystkim metali i stopów, choć stosuje się je również do tworzyw niemetalowych, jak betony, materiały ceramiczne i tworzywa sztuczne. Przyczyną korozji są różnorodne procesy chemiczne, elektrochemiczne, biologiczne i mechaniczne.

Korozja chemiczna polega na reakcjach z tlenem (atmosferycznym), chlorem, tlenkami siarki i azotu. Główny typ zjawisk korozyjnych w przypadku metali i ich stopów stanowi korozja elektrochemiczna.

Produkt korozji żelaza i jego stopów nosi nazwę rdzy. Warunkiem koniecznym do powstania rdzy jest obecność tlenu i wody. Żelazo powstające w kontakcie z wodą i tlenem przechodzi powoli w trudno rozpuszczalny tlenek wodorotlenek żelaza (II),
który może utleniać się dalej do, a oba wodorotlenki przechodzą częściowo w tlenki lub węglany. Na powierzchni żelaza tworzy się rdza, będąca mieszaniną wodorotlenków, tlenków i węglanów.

Korozja czystego żelaza przebiega stosunkowo powoli, natomiast takie stopy żelaza, jak różnorodne stale niszczeją znacznie szybciej, ponieważ procesy chemiczne przebiegają na ich powierzchni według mechanizmu elektrochemicznego.

Korozja elektrochemiczna polega na tworzeniu się ogniwa galwanicznego o schemacie: gdzie – metal roztwarzający się, a więc niszczony, - metal, którego obecność powoduje korozję.

W przypadku gdy metalem niszczonym jest żelazo (główny składnik stali), wówczas rolę metalu powodującego korozję spełnia węgiel zawarty w stali w postaci ziaren grafitu lub węglik żelaza

Szybkość procesu korozji może ulec zmniejszeniu lub zwiększeniu pod wpływem różnych czynników. Np. szybciej koroduje blacha w obecności chlorku sodu. Wyraźne zahamowanie reakcji następuje w obecności zasady, ponieważ jony , zgodnie z regułą Le Chateliera, przesuwają równowagę reakcji w lewo.
1. Korozja stali jest szybsza w roztworach o odczynie kwaśnym (pH=0), a wolniejsza w roztworach zasadowych (pH=14). Z tego też powodu, na przykład, płyny do napełniania chłodnic samochodowych mają odczyn lekko zasadowy. Z kolei kwaśne deszcze, spadające na drogi, przyspieszają korozję samochodów.
2. Korozja stali jest szybsza w wodnych roztworach soli, a powolna w czystej wodzie. Dlatego też stosowanie soli do posypywania jezdni zimą w celu zwalczania gołoledzi powoduje niestety, przyspieszoną korozję nadwozi samochodowych.

Znajomość mechanizmu korozji i czynników wpływających na jej szybkość umożliwia stosowanie różnorodnych czynników zabezpieczających wyroby stalowe przed korodującym działaniem środowiska. Do najważniejszych z nich należą:

Niemetaliczne powłoki ochronne. Zadaniem powłok niemetalicznych jest izolowanie powierzchni metali od dostępu tlenu i wilgoci. Konstrukcje stalowe (np. mosty) maluje się farbami olejnymi i lakierami, a niekiedy nakłada minię, smołę lub asfalt. Naczynia z blachy stalowej i żeliwa pokrywa się emaliami. Narzędzia i trące o siebie części maszyn można chronić jedynie przez nałożenie warstwy smaru. Skuteczną lecz drogą metodą jest pokrywanie wyrobów metalowych cienką warstewką tlenku. Niektóre metale, wśród nich glin, samorzutnie pokrywają się na powietrzu warstwą tlenku, który chroni metal przed dalszą korozją. Zjawisko to jest nazywane pasywacją.

Metaliczne powłoki ochronne z metali o niższym od żelaza potencjale standardowym. Przez zanurzenie w ciekłym metalu, natryskiwanie lub osadzanie elektrolityczne uzyskuje się powierzchnię ochronną, izolującą metal od wpływu wilgoci i powietrza. Nawet jeśli powłoka ulegnie uszkodzeniu, do roztworu nie będzie przechodziło żelazo, tylko metal tworzący powłokę.

Metaliczne powłoki ochronne z metali o wyższym od żelaza potencjale standardowym. Działanie powłoki wykonanej z miedzi, cyny lub niklu jest czysto mechaniczne i powłoka spełnia swoje zadanie tylko wtedy, gdy jest zupełnie szczelna. Z chwilą jej uszkodzenia proces korozji staje się intensywniejszy niż bez powłoki.

Ochrona katodowa. Elementy konstrukcji narażone na korozję łączy się z ujemnym biegunem źródła prądu stałego o napięciu rzędu 1-2 V. Dodatni biegun łączy się z grafitową płytką przylegającą do konstrukcji. Ponieważ elektrony doprowadzane do źródła prądu zobojętniłyby powstające jony, proces nie zachodzi.

Ochrona protektorowa. Do chronionego rurociągu lub kadłuba okrętu przytwierdza się tzw. protektory – bloki z metalu o niższym od żelaza potencjale standardowym (np. z magnezu, cynku). Protektor stanowi anodę zwartego ogniwa i sam zużywa się, przechodząc do roztworu (wody gruntowej lub morskiej). Elementy ochronne muszą być co pewien czas wymieniane.

Dodawanie inhibitorów. W kotłach parowych (np. centralnego ogrzewania) i instalacjach chłodniczych (np. samochodowych) ciecz znajdująca się w zamkniętym obiegu stanowi środowisko sprzyjające korozji. Dodawanie niewielkich ilości substancji silnie absorbujących się na powierzchni metalu i blokujących dostęp jonów wodorowych opóźnia znacznie procesy korozyjne.