Коррозия металла: процессы, категории и влияние на экономику
Что такое коррозия?
Коррозия - это ухудшение свойств материалов из-за взаимодействия с окружающей средой, и коррозия большинства металлов (и многих материалов с этой точки зрения) неизбежна.
Несмотря на то, что в основном это связано с металлическими материалами, все типы материалов подвержены постепенному ухудшению свойств. Ухудшение свойств полимерных изоляционных покрытий на проводке была проблемой при старении самолетов. Даже керамика может подвергаться ухудшению свойств в результате избирательного растворения. Коррозия это то, чего пытаются избежать, но в конечном итоге это то, с чем нужно научиться иметь дело.
Основной причиной или движущей силой любой коррозии является снижение энергии Гиббса в системе. Производство почти всех металлов (и инженерных компонентов из металлов) включает в себя добавление энергии в систему.
В результате этой тяжелой термодинамической борьбы металл имеет сильную движущую силу, чтобы вернуться в свое исходное, низкоэнергетическое оксидное состояние. Этот возврат к природному состоянию оксида является тем, что называется коррозией, и, хотя это неизбежно, существенные барьеры (методы контроля коррозии) могут быть использованы для замедления его продвижения к равновесному состоянию.
Таким образом, именно скорость подхода к равновесию часто представляет интерес. Эта скорость контролируется не только природой металлической поверхности, но и природой окружающей среды, а также эволюцией обоих.
Ежегодные прямые затраты на коррозию
В свете термодинамической основы для коррозии неудивительно, что затраты, связанные с коррозией, высоки. Несколько исследований, проведенных за последние 30 лет, показали, что ежегодные прямые затраты на коррозию для промышленной экономики составляют примерно 3,1% от валового национального продукта страны (ВНП). В Соединенных Штатах это составляет более 276 миллиардов долларов в год.
Только расходы на коррозию министерство обороны составляют 20 долл. США. Из-за значительного экономического, безопасного и исторического воздействия коррозии на общество, а также из-за того, что коррозия металлов является электрохимическим процессом, неудивительно, что отдел коррозии является одним из самых старых подразделения в ECS.
Отдел был создан в 1942 году, но коррозия была важной темой в Обществе с 1903 года. Обзоры ранней литературы и истории Отдела были подготовлены Улигом к 50-й и 75-й годовщинам Общества, а также столетним обзором Исаака был опубликован совсем недавно. Читателям, которые ищут хороший общий источник информации о коррозии, рекомендуется обратиться к Руководству по коррозии Улиг.
Коррозионные процессы
Большинство процессов коррозии включают, по крайней мере, две электрохимические реакции (одну анодную и одну катодную). Корродирующую поверхность можно рассматривать как короткозамкнутую батарею; реакция растворения на аноде подает электроны для реакции восстановления на катоде. Короткое замыкание - это электрическое соединение, создаваемое проводником между двумя физическими участками, которые часто находятся на очень небольшом расстоянии.
Таким образом, изучение процессов коррозии включает в себя использование многих тех же инструментов, которыми электрохимики изучают батареи, топливные элементы и физическую и аналитическую электрохимию использования. Применение теории смешанного потенциала к коррозии было первоначально представлено Вагнером и Траудом и обсуждено позже в Журнале Электрохимического Общества Петрочелли.
В 1957 году Стерн и Гири теоретически проанализировали форму кривых поляризации, обеспечивающих основу для первичной экспериментальной техники (электрохимическая поляризация), используемой в электрохимических исследованиях коррозии. Образование поверхностных оксидных пленок имеет решающее значение для снижения скорости растворения металла, поэтому коррозионисты имеют много общего с теми, кто изучает диэлектрики для других целей. Именно эти тонкие (<10 нм) нативные оксидные пленки делают возможным технологическое использование металлических материалов, служа барьерами для растворения.
Категории коррозии
Традиционно коррозия подразделяется на восемь категорий на основе морфологии атаки, а также типа окружающей среды, которой подвергается материал.
Однородная или общая коррозия является наиболее распространенным типом коррозии, и примеров этого типа коррозии предостаточно; включая ржавление стальных мостов, ржавление подземных трубопроводов, потускнение серебра и образование патины на медных крышах и бронзовых статуях. Любой, кто оставил кусок незащищенной стали снаружи, знаком с равномерной коррозией.
К счастью, равномерная коррозия является предсказуемой и может контролироваться различными методами, такими как покраска поверхности или нанесение слоя жертвенного металла, такого как цинк, на сталь. Эта коррозия c протекторной защитой поверхностного слоя цинка для защиты лежащей в основе стали фактически является формой гальванической или биметаллической коррозии. В этом случае, как в батарее, коррозия используется в интересах общества.
Поверхности некоторых металлов (таких как алюминий, нержавеющая сталь и титан) защищены от равномерной коррозии чрезвычайно тонкой оксидной пленкой, которая образуется естественным путем. Многие практические применения материалов зависят от присутствия этого защитного оксида. Мы не смогли бы использовать плоскости (или почти любые другие конструкции), сделанные из алюминия, если бы не эта тонкая защитная пленка.
К сожалению, эта пленка может локально разрушаться, что приводит к таким видам коррозии, как точечная коррозия алюминиевых пластин, щелевая коррозия крепежа из нержавеющей стали или коррозионное растрескивание труб в ядерных реакторах. Защита конструкций и оборудования от этих форм коррозии является необходимой и возможной.
Подходы, доступные для борьбы с коррозией, включают нанесение защитных покрытий на металлические поверхности в качестве барьера или, возможно, обеспечение жертвенной защиты, добавление химических веществ в окружающую среду для предотвращения коррозии, изменение химического состава сплава, чтобы сделать его более устойчивым к коррозии, и обработка поверхности металла для повышения его устойчивости к коррозии.
Органические покрытия, как правило, являются первой линией защиты от коррозии, а в таких элементах, как автомобили и самолеты, используются системы покрытий, состоящие из нескольких слоев и механизмов защиты. Эти покрытия используются для изоляции металла от окружающей среды, и их барьерные свойства представляют особый интерес.
Некоторые виды при добавлении в электролит преимущественно мигрируют в анодные и / или катодные участки, замедляя процесс коррозии. Хроматы, фосфаты, нитраты, молибдаты и различные органические соединения обеспечивают защиту от коррозии систем трубопроводов на электростанциях, химических перерабатывающих заводах и в нефтегазовой промышленности.
Вы добавляете ингибитор в свой автомобильный радиатор всякий раз, когда добавляете охлаждающую жидкость. Кроме того, вы препятствуете коррозии стали, когда распыляете WD-40 TM на поверхность. Нержавеющая сталь является классическим примером легирования для улучшения коррозионной стойкости.
В большинстве сред повсеместное ржавление стали облегчается добавлением по меньшей мере 12% хрома. Хром изменяет состав естественно формирующейся оксидной пленки на поверхности металла, и при концентрациях хрома, превышающих 12%, пленка содержит достаточно оксида хрома, чтобы значительно уменьшить коррозию. Защитные пленки на других металлах (таких как алюминий и магний) также могут быть улучшены за счет легирующих добавок.
Поскольку коррозия обычно возникает на поверхности металла, многие успешные методы контроля коррозии включают обработку или изменение поверхности металла. Эти обработки могут быть такими же рутинными, как дробеструйная обработка поверхности металла, чтобы улучшить его устойчивость к коррозионной усталости; или они могут быть высокотехнологичными, такими как лазерное плавление поверхности, для получения гладкой, измененной по составу поверхности.
Будущие тенденции в исследованиях коррозии включают разработку экологически безопасных ингибиторов, точное прогнозирование срока службы конструкции и поиск способов сделать коррозию полезной! Огромные суммы денег расходуются на ингибиторы в самых разных отраслях промышленности. Один трубопровод может тратить миллион долларов в год на ингибиторы, которые добавляются в нефть перед транспортировкой.
Хотя хром является мощным ингибитором коррозии на многих металлических поверхностях, он является канцерогенным. Таким образом, поиск заключался в том, чтобы найти ингибитор, который столь же эффективен, как хромат, но экологически безопасен. Это требует междисциплинарной работы, включающей химию, электрохимию, поверхностные науки и металлургию.
Поскольку инфраструктура промышленно развитых стран продолжает стареть, происходит все больше и больше сбоев из-за коррозии. Замена всех мостов и трубопроводов (газ, нефть, вода) будет чрезмерно дорогой и ненужной, поскольку большинство из них находятся в хорошем состоянии и могут обеспечить еще долгие годы эксплуатации.
Выяснение того, какие из них выходят из строя и как долго они могут длиться, является функцией прогнозирования срока службы. Эта область предполагает работу с компьютерными учеными, инженерами всех видов (гражданские, механические, химические, электрические, информационные), а также экономистами. Точные модели требуют точного представления процессов размером более десяти порядков (от <0,1 нм до 10 м) и во времени более двадцати порядков (от 1 пс до 50 лет или более). Убедительным примером серьезной проблемы в этой области является прогнозирование коррозионных свойств контейнеров, отобранных для хранения радиоактивных отходов высокого уровня в течение 10 000 лет или более.
Коррозия может быть хорошей вещью. Растворение можно использовать для избирательного удаления одного компонента из материала (известного как деаллоинг), оставляя пористую структуру, которую можно использовать для удерживания и медленного вымывания лекарств при имплантации структуры. Включение такого материала на поверхность коронарного стена может позволить заменить используемые в настоящее время полимерные пленки, которые могут растрескиваться при расширении стента. Аналогичным образом стенты из магния находят применение в качестве биоабсорбируемых стентов. Многое было изучено в отношении коррозии за последние сто лет.
Это исследование позволило понять природу коррозии - что вызывает ее появление и как ее можно предотвратить. В настоящее время доступны возможности для продления срока службы множества конструкций и компонентов, начиная от легковых и грузовых автомобилей и заканчивая контейнерами для хранения ядерных отходов.
До 1980-х годов коррозия транспортных средств была проблемой, с которой у большинства людей в США был личный опыт (как у аспирантов - авторов этой статьи).
