Металдың коррозиясы

1 Металдың коррозиясы

 

Коррозия  – сыртқы ортаның әсерінен металл конструкция бетінде дамитын  химиялық және электрохимиялық процесстерден  туындаған қатты денелердің бұзылуын айтады. Тіпті, коррозия сөзінің өзі  кейінгі латын тілінен шыққан «corrosio» – жеу деген мағынаны білдіреді. Ең үлкен шығынды металдар коррозиясы әкеледі. Коррозияның бізге  таныс және кең таралған түрі –  темірдің тат басуы. «Коррозия» термині  металдарға, бетондарға және кейбір пластмассаларға  тән құбылыс. Коррозиядан басқа, металдық конструкциялар эрозия әсеріне, яғни механикалық әсердің арқасында  материалдың беткі қабатының  бұзылуына ұшырайды. Эрозияны жаңбырлар, желдер, топырақтық шаң-тозаңдар және басқа табиғи факторлар тудырады. Сондықтан да көпірлердің аркаларын, құрылыс фермаларын және басқа құбырларды комплексті қорғау қажет. Сөйтіп, коррозия – бұл металдың бұзылуына әкелетін ортамен металдың физико-химиялық өзара  әсерлесуі. Коррозия нәтижесінде металдар табиғатта кездесетін оксидтер немесе тұздар күйіндегі тұрақты қосылыстарға айналады.

Коррозия  және тат басу сөздерін шатастыруға  болмайды. Егер коррозия – бұл процесс  болса, тат басу оның нәтижелерінің  бірі болып табылады. Бұл сөз шойын  мен болаттың құрамына кіретін темірге  ғана қатысты. ISO 8044 мемлекеттік стандарты  бойынша коррозия терминін металдың, ортаның немесе олардың техникалық жүйелері енетін қасиеттерінің бұзылуына  әкелетін орта мен металдың арасындағы химиялық немесе физико-химиялық әсерін түсіндіреді. ТАТ БАСУ – бұл коррозия нәтижесіндегі темірдің балқымаларындағы және беткі қабатындағы түзілген темір оксидінің гидратталған қабаты. Коррозиялық бұзылуға бетон, құрылыс  тастары, ағаш және басқа материалдар  жатады.

 

1.1 Коррозия теорияларының негіздері

 

Металдың  коррозияғы ұшырайтын ортасын коррозиялық  немесе агрессивтік орта деп атайды. Металдардың коррозиясы жайлы айтсақ, олардың ортамен өзара әсерлесуінің болмау мүмкіндігін көздейді.

Коррозия  барысындағы металдың физико-химиялық өзгерісі металдың тотығуы болып  табылады. Әрбір коррозиялық процесс  көп сатылы болады:

1. Металдың бетіне коррозиялық ортаның немесе оның жеке компоненттерінің жақындауы қажет.
2. Ортаның металмен әсерлесуі.
3. Металдың бетінен өнімдердің толық немесе бөлшектік

Көптеген  металдар (Ag, Pt, Cu, Au) табиғатта ион  түрінде кездеседі: оксидтер, сульфдтер, карбонаттар және т. б. Металдың иондық түрі өте ұтымды, ол ішкі энергиясының өте аз мөлшерімен сипатталады. Бұл  металдардың рудалардан және олардың  коррозиясынан алынуынан байқалады. Қосылыстағы металдың тотықсыздану кезіндегі жұтылған энергия металдық қосылысқа қарағанда бос металдың энергиясы көп екендігіне куәлік етеді. Бұл коррозиялық-активтік ортамен  контактіде болған металл, энергияның артық мөлшерімен энергетикалық ұтымды жағдайға өтуге тырмысатына әкеледі. Яғни, коррозияның басты себебі, қоршаған ортаның компоненттерінен және металдың термодинамикалық жүйесінің  тұрақсыздығы болып табылады. Осы компоненттермен металдың өзара әсері нәтижесінде босатылатын бос энергия – термодинамикалық тұрақтылықтың шараларының бірі. Бірақ, бос энергия өзінен-өзі коррозиялық процестің жылдамдығын анықтамайды, яғни, металдың коррозиялық тұрақтылығының бағасы үшін маңызды роль ойнайтын ұзындығы. Коррозиялық процестің басталу нәтижесінде металдың бетінде өте жүрмейтін немесе коррозия тоқтатылатын нығыз және өтпейтін барьер түзіледі. Сондықтан да эксплуатация шарттарында оттекпен жақын тұратын металл өте тұоақты болуы мүмкін.

Қорғалмаған шойын және болат көптеген ортада коррозия ұшырайды, бірақ коррозиялық  бұзылудың дәрежесі бірнеше факторлардан құралады, олардың ішінде ең бастысы  металдың құрамы мен бетінің күйіне және коррозиялық орта мен жергілікті жағдайға байланысты.

Аз және орташа көміртекті конструкциялық болаттың механикалық қасиеттерін қоспалар арқылы арттыруға болады.

Қарапайым болаттың құрамында темір мен  көміртек және болаттың механикалық  қасиетімен қамтамасыз ететін  марганец мен кремний элементтерінің аз мөлшердегі қоспасынан құралады. Құрамының өзгеруі  қорытылған бірдей металл партияларында  аз байқалады. Бірақ мыстың болат  құрамында болуының бір ерекшелігі. Құрамында мыс жоқ болатқа 0,2% Cu қосатын болсақ, болаттың ауадағы  коррозия жылдамдығын екі-үш есеге  азайтады, ал мыс концентрациясын  ұлғайта беретін жағдайда болаттың коррозияға шағын беріктігі пайда  болады.

Егер  біз коррозиялық қасиет теталдың құрамына байланысты десек, онда темір  негізіндегі қорытпаларды үш үлкен  топқа бөлуге болады:

1) қарапайым  шойын, дәнекерленетін темір,  қоспалысыз болат – бұл материалдардың  барлығы дерлік коррозияға оңай  беріледі.

2) 2-3% көбінесе мыс, хром және никельмен аз қоспаланған болат. Бұлар да коррозияға бейім, бірақ белгілі бір атмосфералық жағдайда пайда болатын коррозиялық пленка қорғанышты болады. Жоғарыды айтылған болатқа қарағанда мұндай болатта коррозиялық процестің жылдамдығы бірнеше есеге азаяды. Мұндай аз қоспаланған болат қартайып жатқан деп аталады.

3) мысалыға 18% Cr, 8% Ni и 3% Mo-мен көп қоспаланған, тот баспайтын болат. Бұл болат белгілі бір жағдайда мүлдем коррозияға ұшырамайды.

Тот баспайтын  болат көптеген тұздарға (оның ыдырауы  кезінде пайда болатын концентрациясы жоғары қышқылға дейін) беріктілік көрсетеді. Бірақ галоидтсуттекті қышқылдардың тұздары белгілі бір жағдайда өздері питтингті коррозияға соқтырады. Әдеттегінше жоғарғы температура мен осы тұздардың жоғарғы концентрациясында, рН-тың төменгі көрсеткішінде жүретін коррозияның бұл түріне хром, никель, молибденнің көп мөлшері бар болат түрі үлкен беріктілік көрсетеді.

 

 

2. Коррозиялық процесстердің классификациясы

 

2.1 Металдың көлеміндегі немесе беткі қабатындағы коррозиялық бұзылулардың типі бойынша (геометриялық мінездемесі)

 

Металдың  беткі қабатын толық алған  коррозияны жазық коррозия деп атайды. Оны әр-түрлі учаскесіндегі коррозиялық бұзылуына қарай тегіс және тегіс емес деп бөледі. Жергілікті коррозиясындағы бұзылулар локальды және беткі қабаттың көп бөлігін тиісілмеген күйде қалдырады. Локализация дәрежесіне қарай коррозиялық дақтарды, язваларды және нүктелерді (питтинг) деп бөледі. Нүктелік бұзылулар беткі қабаттың коррозиясының бастапқы көріністерін береді. Жергілікті коррозияның қауіпті түрлерінің бірі – металл бөлшектерін бұзбай, олардың тұрақты шектерінен өтетін кристалларалық (интеркристалдық), және бөлшектер арқылы металда тіке жарықтар туғызатын транскристалдық болып табылады. Беткі қабатта ешқандай іздер қалдырмастан бұл бұзылулар детальдың немесе конструкцияның бұзылуына және тұрақтылығының жойылуына әкеледі. Бұларға характері жағынан пышақтық коррозия жақын. Агрессивтік ерітінділердегі кейбір балқымалардың эксплуатациясы нәтижесінде металдың бойымен пышақпен кесу сияқты. Кейде беттік жіптік коррозияны көрсетеді. Ол, мысалы, металдық емес беттерде дамиды. Және пластикалық деформация бағытымен жүретін қабаттық коррозияны бөліп көрсетеді. Спецификалық болып балқымаларда қатты ерітінділердің жеке компоненттері ери алатын таңдамалы коррозия көрінеді.

 

2.2 Металл бетінің өзгеруіне байланысты немесе олардың физико-химиялық қасиеттерінің дәрежесінің өзгеруіне байланысты коррозия процесстерінде ортаның қасиеттеріне қарамастан, коррозиялық желімденудің бірнеше түрі

 

1) Егер коррозия металдың түгел, барлық бетінде жүретін болса, ондай коррозияны тұтас коррозия деп атайды. Коррозияның мұндай түрі қышқылдардың, сілтілердің, атмосфраның әсрінен пайда болады. Оның өзін бірқалыпты және бірқалыпты емес деп бөледі. Металдың талқандауы бірдей жылдамдықпен металың түгел бетінде жүретін коррозия түрі бірқалыпты емес деп аталады.

2) Таңдамалы коррозия процесі жүргенде металл құймасының бір ғана құраушысы талқандап, қалғандары өзгеріссіз қалады.

3) Жергілікті коррозия кезінде металдардың бетінде бөлек қызыл дақ түрінде металдардың ішіне қатты тереңдетілген күйінде табылады.

4) Бет асты коррозия металдардың бетіндегі бөлек аудандарының қорғаныш қаптамаларының бұзылуынан басталады.

5) Кристалитаралық коррозия ристалиттер шекарасындағы металдардың бұзылуы. Металл бұл жағдайда өзінің механикалық төзімділігін жоғалтады. Бірақ металдың сыртқы түрі өзгермейді.

2.3 Металдың ортамен әрекеттесу реакциясының механизмі бойынша жіктелуі

 

1) Химиялық коррозия дегеніміз – металдың валенттік электрондарын өзіне тартып алатын тотықтырғыштардың құрамына кіретін атом топтарымен немесе сол атомдармен тікелей химиялық байланыспен қосылған және металдық байланыстан ажыраған металл атомдарын айтады. Химиялық коррозия әрбір коррозиялық ортада өтеді, алайда электролит емес коррозиялық ортада олар жиі байқалады. Оның жылдамдығы көбінесе металл бөлшектерінің диффузиясымен және коррозия өнімдерінің беттік пленкасы арқылы өтетін тотықтырғышпен анықталады. Кейде – осы пленканың еруімен немесе булануымен, оның жарылуымен және кей жағдайда ішкі ортадан тотықтырғыштың конвективтік алынуымен (оның өте кіші концентрациясында).

2) Электрохимиялық коррозия деп – металдық тордан шыққан кездегі түзілген катион тотықтырғышпен емес, басқа компоненттермен коррозиялық ортаға түсуін айтады; тотықтырғышқа ктион түзілген кездегі босаған электрондар беріледі. Мұндай процесс тек қоршаған ортада реагенттердің екі типі болған кезде жүреді. Олардың біріншісі (сольватталатын және комплекстүзуші) олардың валенттік электрондарының қатысуынсыз металл катионымен тұрақты байланысты бола алатын, ал екіншісі (тотықтырғыштар) өздерінің маңында катиондарды ұстамай металдың валенттік электрондарын қоса алатындар. Ұқсас қасиеттер сольватталған катиондары қозғалысты сақтап тұратын электролиттердің балқымаларында немесе ерітінділерінде кездеседі. Сөйтіп, электрохимиялық коррозия барысында металдық тордан атомның жойылуын екі тәуелсіз, бірақ қабысқан электрохимиялық процесстер: анодтық – металдың сольватталған катиондарының ерітіндіге ауысуын, және катодтық – босатылған электрондарының тотықтырғыштарымен байланысқан. Осыдан барып, электрохимиялық коррозияны баяулатудың тікелей анодтық процестің тоқтауымен ғана емес, сонымен қатар, катодтық жылдамдыққа әсер етумен де болады екен. Ең кең тараған екі катодтық процесс бар: сутек иондарының разрядталуы                 (2e + 2H⁺ = H₂) мен еріген оттектің тотықсыздануы (4e + O₂ + 4H⁺ = 2H₂O немесе 4e + O₂ + 2H₂O = 4OH^-), бұлар көбінесе жиі оттектік және суттектік деполяризация деп аталады.

Анодтық және катодтық процестер катиондары мен электрондары коррозиялық ортаның  компоненттерімен әсерлесе алатын металл бетінің әр-түрлі жерінде өтеді. Егер беткі қабат біркелкі болса, онда анодтық және катодтық процестер  аудандары бойынша тепе-тең болады. Мұндай идеалды жағдайда коррозияны гомогенді-электрохимиялық деп атайды. Шынында да металдық беттерде әр-түрлі  қоспалармен немесе әр түрлі атомдардың энергетикалық жағдайларымен әсерлесетін  компоненттердің шартты бөліктері  бар екен. Мұндай бөліктерде анодтық  немесе катодтық процестердің энергетикалық  өтуі әбден мүмкін және коррозия гетерогенді-электрохимиялық  болады.

 

2.4 Коррозиялық орта бойынша

 

Кейбір  коррозиялық орталар және лардан туындайтын бұзылулар осы ортамен  аталған және онда өтетін коррозиялық  процестердің классифицирленуімен  сипатталады. Ереже бойынша, металдық бұйымдар мен конструкциялар коррозияның  көптеген түрлерінің әсеріне ұшырайды. Мұнда жағдайларда аралас коррозия деп аталатын әсер туралы айтылып  отыр.

1) Газдық коррозия – жоғары температурада газдық ортада өтетін коррозияны айтады.

2) Атмосфералық коррозия – металл бетінде электролиттік пленканың түзілуіне қажетті ылғалдылығы бар атмосферада өтетін коррозияны айтады. Атмофералық коррозияның ерекшілігі – ол жылдамдылыққа және металл бетіндегі ылғалдылық қабатының механизмі немесе түзілген коррозиялық өнімдердің ылғалдық дәрежесіне тәуелілігінде.

3) Сұйықтық коррозия – сұйық орадағы коррозия. Сұйық ортаның металға әсері бойынша коррозияның бұл типінде өзіне қатысты қасиеттері бар толық батырылған, толық батырылмаған, аралас батырылған коррозия сипатталады.

4) Жерасты коррозиясы – топырақтағы металдардың коррозиясы. Жерасты коррозиясының ерекшелігі әр түрлі топырақтағы жерасты конструкцияларының бетіне оттегінің түсу жылдамдығымен сипатталады.

 

2.5 Қосымша әсер етуіне байланысты

 

1) Кавитациялық коррозия – кавитациялық ортаның бір уақытта әсер етуі. Үздіксіз немесе уақытша кернеуде жүретін кррозия. Егер де бұл созылатын кернеу болса, коррозиялық шытынау болуы мүмкін.

2) Контакттық коррозия – кезіндe  тегі әр түрлі екі металдың электролиті ішінде үйкеліс туғызатын, жабық гальваникалық элемент қалыптастыратын ұқсас бұзылуы жүреді.

3) Саңылаулық коррозия – металдың саңылаудағы бұзылуы. Ол көбіне саңылауда рналасқан конструкция учаскесіне пайда болады. Металдарға агрессивті орта әсер етеді. Сонымен қатар металл бір мезгілде қосымша әсерге ұшырайды. Соған қарай коррозиялық процесс бөлінеді.

4) Радиациондық коррозия – радиоактивтік сәулелену әсерінен жүретін коррозия түрі.

5) Биологиялық коррозия – бактериялардың өмір сүруі нәтижесінде пайда болатын өнімдер әсерінен жүретін коррозия түрі.

 

3 Металдарды коррозиядан сақтау тәсілдері

 

Қазір ғылым мен практика коррозия процесін шектеудің, азайтудың, тіпті мүлдем болдырмаудың көптеген әдіс – тәсілдерін ұсынады. Жалпы алғанда, коррозиямен күресудің бірнеше бағыттары бар.

Коррозия электролит ерітінділерінде өтеді. Ол белсенділігі төмен металдардың қатысуымен күшейе түседі. Электрондардын ауысуымен, микротоктың пайда болуымен жүреді.

Тотықтырғыштар: электролиттердің гидраттанған ионы. Мысалы: тасымал құбырлардың, рельстердін, кеме корпусының, әр түрлі металдан жасалған конструкциялардың желінуі.

Жоғары температурада бейэлектролит тотыктырғыштардың әсерінен бүлінеді. Тотықтырғыштар: О₂, Cl₂, SO₂, және басқа газдар, әртүрлі отын түрлері, су буы. Мысалы, іштен жанатын қозғалтқыштардың, химиялық құрылғылардың, қондырғылардың, электр станцияларындағы құбыр тетіктерінің желінуі.

1) металл коррозиясы – металдардың сыртқы (коррозиялық) ортамен химиялық немесе электрхимиялық реакцияға түсуі салдарынан олардың бүліну процесі. Коррозия салдарынан металл бірте – бірте желініп өзінің бастапқы қасиетін жоғалтып, бұзылады. Металдардағы коррозияны болдырмау мақсатында металл құрамына коррозияға ұшырамайтын құраушылар енгізіледі (осындай әдіспен тоттанбайтын болаттар алынады): металл бетін бояу, лактау, оған эмаль жалату, сақтандырғыш май жағу; металл бұйымды мырыштау, никельдеу, кадмийлеу, хромдау, күміс және алтынмен қаптау арқылы коррозияға қарсы қорғаныс жасау әдісін қолдану;

2) бетон және темір – бетон коррозиясы – сыртқы жебір ортаның әсерінен бетонның және темір – бетонның босап бұзылуы (мүжілуі, коррозиясы). Су және су ерітінділері бетон арқылы өткенде, бетон құраушылары мен арматуралар өзара әсерлесуінен, бетон мен темір – бетон коррозияға ұшырайды. Қорғану тәсілі: коррозияға төзімді материалдар (цементтер, толтырғыштар), тығыздығы жоғары бетон қолдану, бетонның төзімділігін, су өткізбейтін құрамын, арматуралардың қорғаныс қабатының қалыңдығын арттыру, сыртын сырлап немесе үлпек (пленка) жабыстырып бетонның сіңіргіштік қабілетін әлсірету, т.б. қаптауларды қолдану арқылы коррозиядан сақтануға болады.