Coroziunea metalelor şi metodele de combatere a ei

I.Coroziunea metalelor

Prin coroziune (lat. corrodere – „a roade”) se înţeleg procesele de degradare şi deteriorare a metalelor, sau obiectelor metalice, sub acţiunea agenţilor chimici din mediu. Cauza acestor modificări nedorite ale metalelor sunt reacţiile chimice şi în special electrochimice, care pornesc de la suprafaţa metalului respectiv.

 
Rugina – cel mai comun exemplu de coroziune

Faptul că multe metale reacţionează cu vecinătatea lor este cunoscut de multă vreme. Astfel, fierul rugineşte, argintul işi pierde luciul, cuprul capătă o patină, aluminiul se oxidează (formând un strat foarte subţire de oxid, care împiedică reacţia mai departe), zincul şi plumbul îşi pierd treptat luciul metalic.

Cu excepţia metalelor aşa zise nobile, toate celelalte metale sunt nestabile în contact cu aerul atmosferic. Modul în care se manifestă această nestabilitate, ca şi gradul în care ea apare, depinde atât de natura metalului, cât şi a vecinătăţii lui.

După mecanismul de desfăşurare se pot distinge trei tipuri de coroziune:

• coroziunea chimică
• coroziunea electrochimică
• coroziunea biochimică

1. Coroziunea chimică

Distrugerea metalelor are loc sub acţiunea gazelor (O₂; SO₂; H₂S; HCl(g); CO; CO₂; H₂), într-un mediu uscat. Coroziunea se produce la temperaturi înalte, când nu este posibilă condensarea vaporilor la suprafaţa metalului.

Coroziunea chimică provoacă modificări ale metalului manifestate prin:

• dizolvarea părţilor componente şi pierderi de material;
• spălarea componenţilor;
• dezagregarea materialului de către cristalele sărurilor care se formează în porii săi;
• mărirea sau reducerea particulelor, deci şi a întregii mase a metalului.

Intensitatea procesului de coroziune chimică este condiţionată de:

• natura materialului,
• natura materialului corosiv,
• concentraţia,
• temperatura şi presiunea mediului corosiv şi durata de contact.

2. Coroziunea electrochimică

Coroziunea electrochimică apare la contactul metalului cu aerul umed, soluţii de electroliţi. În acest caz alături de procese chimice (cedare de ē) au loc şi procese electrice (transfer de ē).

Aşadar, în comparaţie cu coroziunea chimică, cea electrochimică are o importanţă mai mare. Coroziunea electrochimică este rezultatul apariţiei unor elemente locale (microelemente) la suprafaţa metalului.

Dintre principalele cauze care determină apariţia elementelor locale pot fi menţionate :

• impurificări cu metale nobile, oxizi ai metalelor;
• heterogenităţi chimice, de exemplu: existenta mai multor faze;
• heterogenităţi fizice, care pot sa apară ca urmare a unui tratament mecanic sau termic neuniform.

Pentru apariţia acestui tip de coroziune este necesar să existe un anod, un catod, un electrolit şi un conductor, deci un element galvanic. Prin înlăturarea uneia dintre aceste condiţii, coroziunea electrochimică nu se produce.

Exemple tipice de coroziune electrochimică se întâlnesc în cazul coroziunii atmosferice (ruginirea fierului) şi la coroziunea provocată de curenţii electrici de dispersie din sol numiţi şi curenţi vagabonzi.

Ruginirea fierului

În cazul fierului oxidarea în atmosferă a acestuia cu formarea oxizilor de fier (rugina) are loc în trepte.

În prima treaptă de oxidare a fierului, se formează FeO, oxidul feros, care este stabil numai în absenţa oxigenului. Când apare oxigenul atmosferic, oxidul feros se transformă în hidroxid de fier (Fe2O3H2O) sau FeO(OH), dintre care se cunosc 2 faze:

• Faza 1 care corespunde unui exces mare de oxigen;
• Faza 2 caracterizată prin o cantitate de oxigen, insuficientă, din care cauză, oxidarea evoluează încet.

În funcţie de culoare se pot deosebi 3 feluri de rugină şi anume:

1.Rugina albă Fe(OH)2 , care se formează după reacţia:

Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2

Acest tip de rugină trece rapid, prin oxidare, în rugină brună, de aceea se observă foarte rar.

2. Rugina brună, apare în urma reacţiei:

4Fe(OH)2+O2→4FeO*OH+2H2O

3. Rugina neagră, este formată din oxid feros şi feric; fiind denumită şi magnetită din cauza proprietăţilor sale magnetice şi este considerată ca fiind forma cea mai stabilă a oxidului de fier. Ea formează pe suprafaţa metalului un strat protector, cu structură omogenă şi aderentă. Reacţia decurge astfel:

2FeO*OH+Fe(OH)2→Fe3O4+2H2O

În problemele practice de coroziune importantă este cunoaşterea vitezelor reale cu care procesul se desfăşoară. Dacă procesul de coroziune este posibil, dar are o viteză de desfăşurare foarte mică, se poate considera că materialul este rezistent la coroziune. Viteza de coroziune se exprimă prin masa de metal distrus pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp g/m²h sau adâncimea la care au ajuns degradările în unitatea de timp mm/an.

3. Coroziunea biochimică

Acest tip de coroziune este provocat de microorganismele care pot folosi metalul în calitate de mediu nutritiv. Produşii activităţii vitale a microogranismelor pot fi, de asemenea, agresivi.

II.Metode de protecţie anticorozivă a materialelor metalice

Protecţia împotriva coroziunii reprezintă totalitatea măsurilor care se iau pentru a feri materialele tehnice de acţiunea agresivă a mediilor corosive. Metodele şi mijloacele de protecţie anticorosivă sunt foarte variate şi numeroase.

Principalele se pot grupa în următoarele categorii:

• metode de prevenire a coroziunii;
• utilizarea metalelor şi aliajelor rezistente la coroziune;
• metode de acţionare asupra mediului corosiv;
• metode de acoperire a suprafeţelor metalice.

Cămăşuirea este un proces metalurgic de legare a straturilor ale aceloraşi sau diferite metale. Combinaţia rezultată, care de multe ori se realizează la preţuri mici, poate avea proprietăţi de duritate, conductivitate şi rezistenţă împotriva coroziunii care nu pot fi întâlnite într-un metal pur. Un exemplu de metal de acest gen este aşa-numitul aur suflat, care constă din nucleu de alamă sau oţel acoperit de un strat de aur la suprafaţă. Componentele cămăşuite ale unui avion pot avea un strat gros de aliaj de aluminiu dur în interior şi apoi straturi subţiri de foi de aluminiu pur care este rezistent la coroziune. Straturile diferite de metal sunt de obicei încălzite şi rulate una peste alta. Alte metode de cămăşuire includ sudarea sau turnarea metalului topit în jurul nucleului întărit. În afară de foi şi dungi, metalele cămăşuite sunt produse şi sub formă de fire, bare şi tuburi.

Electrometalizarea (placarea metalelor) este un proces electrochimic de depozitare a unui strat subţire de metal pe un alt element, de obicei de origine metalică şi acesta. Obiectele sunt electrometalizate pentru a preveni coroziunea, pentru a obţine o suprafaţă dură sau o finisare atractivă, pentru purificarea metalelor sau pentru separarea metalelor pentru analiza cantitativă. Cadmiul, cromul, cuprul, aurul, nickelul, argintul şi cositorul sunt metalele cele mai des folosite în electrometalizare. Cele mai întâlnite produse realizate prin această metodă sunt tacâmurile argintate, accesoriile de maşină cromate, oalele placate cu cositor.

Smălţuirea în industrie este folosită în mod obişnuit pentru protecţia suprafeţelor împotriva coroziunii sau frecării. Smălţuirea a fost introdusă în Statele Unite acum jumătate de secol pentru a înlocui placarea cu cositor, atunci fiind cea mai întâlnită metodă de placare a metalelor. Smălţuirea este considerată a fi mai practică decât cealaltă metodă, mai ieftină şi mult mai atractivă pentru consumator. În industrie, smălţuirea este întrebuinţată pe fier turnat sau pe folii de oţel care au fost mai întâi matriţate în forma dorită.

Galvanizarea este procesul de acoperire a unui metal, cum ar fi fierul sau oţelul, cu un strat subţire de zinc pentru a-l proteja de acţiunea coroziunii. Zincul este întrebuinţat cu mai multă uşurinţă decât alte metale de protecţie cum ar fi cositorul, cromul, nickelul sau aluminiul. Stratul de zinc protejează metalul chiar şi în locurile unde s-au format fisuri sau mici găuri pe înveliş, pentru că oxigenul reacţionează mai mult cu zincul decăt cu metalul care trebuie protejat. Cea mai întrebuinţată metodă de galvanizare este procesul de înmuiere la cald. Fierul sau alt element pe bază de metal este cufundat în acid pentru curăţarea de praf, mizerii sau grăsimi. Apoi este spălat şi înmuiat în zinc topit. În alt proces galvanic, obiectul metalic este acoperit cu praf de zinc şi încălzit într-un spaţiu îngust la o temperatură ce variază între 300 şi 420 grade Celsius. Alte metode de galvanizare includ depunerea electrolitică a zincului pe metal sau aplicarea zincului topit cu ajutorul unui pulverizator. Exemple de produse galvanizate în mod curent sunt coşuri de gunoi, folii ondulate pentru acoperiş, ţevi din fier şi sârma.

Metode de prevenire a coroziunii

Metodele de prevenire a coroziunii constau în:

• alegerea corectă a materialelor utilizate în construcţia de aparate şi utilaje industriale, din punct de vedere al rezistenţei la coroziune;
• evitarea punerii în contact a unui metal cu un alt metal mai electronegativ decât el, de exemplu, aluminiul alături de aliajele cuprului sau oţelurilor aliate, bronz în contact cu oţelul etc.;
• la fel se va evita punerea în contact a metalelor ecruisate cu metalele recoapte sau turnate, deoarece din cauza diferenţei de potenţial electrochimic dintre ele, în prezenţa unui electrolit corespunzător, primele se corodeaza;
• prelucrarea mai îngrijită a suprafeţei metalului, deoarece adânciturile, zgârieturile favorizează şi accelerează coroziunea.

Utilizarea metalelor şi aliajelor rezistente la coroziune

Din grupa metalelor şi aliajelor rezistente la coroziune fac parte metalele nobile şi aliajele lor, dar utilizarea lor devine dificilă din cauza costului lor ridicat.

Se pot utiliza, în schimb, metalele şi aliajele autoprotectoare, adică metalele şi aliajele care în urma coroziunii iniţiale se acoperă cu o peliculă izolatoare datorită fenomenului de pasivare (exemplu – pasivarea Ag în HCl prin formarea peliculei de AgCl, a Fe in HNO₃ concentrat etc).

În majoritatea cazurilor se recurge la alierea metalelor cu un component adecvat. Uneori concentraţii relativ scăzute ale componentului de aliere, reduc considerabil viteza de coroziune (ex. introducerea Cu de 0,2…0,3%,Cr sau Ni în oţeluri etc.)

Metode de acţionare asupra mediului corosiv

Printre metodele de acţionare asupra mediului corosiv sunt:

• modificarea pH-ului mediului de coroziune (exemplu neutralizarea apelor reziduale cu substanţe chimice);
• îndepărtarea gazelor (O₂;CO₂) care măresc viteza de coroziune a mediilor corosive, mai ales a apei;
• utilizarea inhibitorilor sau a pasivatorilor, ce sunt substanţe organice sau anorganice, care introduse în cantităţi minime în mediul corosiv, micşorează sau anulează complet viteza de coroziune a acesteia;
• protecţia catodică constă în aplicarea unor metode galvanice de protecţie a metalelor, folosind anozi metalici auxiliari, care se corodează în locul metalului protejat.

Metode de acoperire a suprafeţelor metalice cu învelişuri anticorozive

Protecţia prin învelişuri anticorozive se realizează prin acoperirea metalului cu un strat subţire de material autoprotector. Stratul autoprotector trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

• să fie compact şi aderent;
• să fie suficient de elastic şi plastic;
• grosimea lui să fie cât mai uniformă.

Stratul protector poate fi metalic sau nemetalic; cele metalice depuse pe suprafaţa metalului protejat se pot realiza: pe cale galvanică, pe cale termică şi prin placare.

Straturile protectoare nemetalice pot fi organice sau anorganice, realizate prin utilizarea lacurilor, vopselelor, emailurilor sau a foliilor de masă plastică etc.

Alegerea uneia sau alteia dintre metodele de protecţie are loc în funcţie de:

• parametrii tehnologici de funcţionare a instalaţiei;
• forma şi dimensiunile obiectului protejat;
• calitatea materialului suport;
• amplasarea obiectului de protejat în instalaţie;
• tehnologiile de aplicare şi posibilităţile de execuţie a protecţiei anticorosive.

Surse:

• ru.scribd.com
• skodablog.wordpress.com
• bircaveaceslav.blogspot.com
• ro.wikipedia.org
• Manualul de Chimie pentra clasa a 10-a – Svetlana Kudriţcaia, Nadejda Velişco