Защита металла от коррозии: виды коррозии и способы защиты

Что такое коррозия металла

Коррозия металла — самопроизвольный процесс разрушения металла в результате химических реакций или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. По сути это окисление: металл переходит в более устойчивое состояние — оксиды, гидроксиды и соли. Продукт коррозии железа и его сплавов называют ржавчиной: по ГОСТ 5272-68 это преимущественно оксиды, которые образуются при электрохимической коррозии. Ржавчина рыхлая и не является защитным слоем, поэтому чёрный металл без защиты разрушается слой за слоем, пока деталь не потеряет прочность.

На скорость коррозии влияют две группы факторов. Внутренние связаны с самим металлом: химический состав, структура, внутренние напряжения после сварки и деформации, состояние поверхности. Внешние — с коррозионной средой: воздействие повышенной влажности и температуры, загрязнение воздуха сернистым газом, хлоридами и другими химическими веществами, контакт с водой и грунтом, скорость движения среды относительно металла. Для атмосферной коррозии важна критическая влажность: выше неё на поверхности металла держится плёнка влаги, и коррозия резко ускоряется.

Защита металла от коррозии — комплекс мер антикоррозийной защиты, которые замедляют коррозионные процессы до приемлемого уровня на весь срок службы изделия: защитные покрытия, выбор материала, электрохимическая защита, обработка среды и конструктивные решения. Полностью остановить процесс разрушения нельзя, но правильно выбранная технология позволяет металлическим конструкциям и деталям работать десятилетиями.

Химическая и электрохимическая коррозия

По механизму процесса ГОСТ 5272-68 различает два типа коррозии.

По условиям протекания выделяют атмосферную коррозию, коррозию при полном и неполном погружении в жидкость, подземную коррозию в грунте, биокоррозию под действием микроорганизмов, коррозию блуждающими токами от электрифицированного транспорта и сварочного оборудования, коррозию при трении и фреттинг-коррозию в неподвижных соединениях с микроперемещениями.

Виды коррозии металла по характеру разрушения

Для оценки опасности важнее не механизм, а то, как коррозия распределена по поверхности. Сплошная коррозия видна сразу и предсказуема, местная может незаметно пробить стенку или привести к поломке детали.

• Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла — равномерно или с разной скоростью на разных участках. Типична для углеродистой стали в атмосфере: металл равномерно теряет толщину, и срок службы можно рассчитать по скорости процесса.
• Местная коррозия поражает отдельные участки: пятна, язвы, точки. Металл теряет немного массы, но глубина поражения может быть большой.
• Точечная коррозия (питтинг) — отдельные точечные поражения, уходящие вглубь. Характерна для нержавеющей стали и алюминия в средах с хлоридами, когда пассивная оксидная плёнка разрушается в отдельных точках.
• Межкристаллитная коррозия идёт по границам зёрен металла. Внешне деталь почти не меняется, но материал теряет прочность и пластичность. Ей подвержены нержавеющие марки после неправильного нагрева и в зоне сварного шва.
• Щелевая коррозия развивается в зазорах — под шайбами, прокладками, в нахлёстках, где застаивается влага и не хватает кислорода.
• Контактная коррозия возникает в паре металлов с разными потенциалами: более активный металл разрушается быстрее. Типичные пары — алюминий со сталью, оцинкованная сталь с медью.
• Коррозионное растрескивание и коррозионная усталость — разрушение при одновременном действии коррозионной среды и растягивающих напряжений, постоянных или циклических. Опасны для пружин, крепежа, сосудов под давлением.

Коррозионная агрессивность среды: категории C1–CX

Насколько быстро будет корродировать металл, зависит от среды. ГОСТ ISO 9223-2017 делит атмосферу на шесть категорий коррозионной агрессивности по потерям стандартных образцов металла за первый год. По этой таблице можно оценить, сколько стали съест коррозия без защиты и сколько цинка потеряет покрытие.

Из таблицы видно главное: в промышленной зоне категории C4 незащищённая сталь теряет до 80 мкм толщины в первый же год, а цинк — примерно в 20 раз меньше, не более 4,2 мкм. Именно поэтому цинковое покрытие толщиной в десятки микрометров служит годами там, где голая сталь покрывается ржавчиной за сезон. Скорость первого года нельзя просто умножить на срок службы: со временем она меняется, долговременные модели приведены в ISO 9224. Расчёт срока службы цинка разных способов нанесения — в статье о методах цинкования.

Способы защиты металла от коррозии

Все методы защиты металлов от коррозии действуют на одно из звеньев процесса: на сам металл и его состав, на поверхность, на коррозионную среду или на электрохимическую реакцию. Различные способы защиты металлов обычно сочетают — результат комбинированной защиты выше, чем у каждого метода в отдельности.

1. Выбор и легирование материала. Хром, никель, медь и другие элементы в составе сплава меняют его свойства и делают металл коррозионностойким: на нержавеющей марке самопроизвольно образуется плотная пассивная плёнка. Подробнее о группах сталей — в статье о марках стали.
2. Защитные покрытия. Металлические (цинк, кадмий, никель, хром, олово), неметаллические неорганические (оксидные и фосфатные плёнки), лакокрасочные и полимерные. Наиболее массовый способ защиты металлических изделий: покрытие создаёт защитный слой между металлом и средой.
3. Электрохимическая защита. Катодная защита от внешнего источника тока, протекторная защита жертвенным анодом из цинка, магния или алюминия, анодная защита пассивирующихся металлов.
4. Обработка коррозионной среды. Ингибиторы коррозии, удаление кислорода из воды, осушение воздуха, нейтрализация агрессивных примесей.
5. Конструктивные меры. Отсутствие щелей и застойных зон, дренаж, изоляция разнородных металлов, доступ для осмотра и восстановления покрытия.

Металлические покрытия: анодные и катодные

Металлическое покрытие защищает основу по-разному в зависимости от того, какой металл активнее в данной среде. ГОСТ 9.303-84 прямо указывает тип защиты для каждого покрытия.

Чтобы цинковое покрытие дольше сохраняло защитные свойства, его хроматируют или фосфатируют: хроматная плёнка замедляет коррозию самого цинка и улучшает внешний вид. Важное ограничение — водородная хрупкость: при гальваническом цинковании сталь насыщается водородом, поэтому стали с пределом прочности выше 1380 МПа по ГОСТ 9.303-84 гальванически не цинкуют, а для высокопрочного крепежа выбирают другие способы нанесения цинка.

Металлические покрытия наносят гальваническим способом в электролите, горячим погружением в расплав, термодиффузионным насыщением, газотермическим напылением. Технология определяет толщину, равномерность слоя на резьбе и в отверстиях, нагрев детали, качество поверхности и цену.

Оксидные, фосфатные и лакокрасочные покрытия

Оксидные и фосфатные плёнки получают химической или электрохимической обработкой поверхности металла. Чёрное оксидирование стали даёт тонкую плёнку, которая защищает только вместе с маслом, — его применяют для деталей внутри механизмов, крепежа, инструмента. Фосфатирование создаёт пористый кристаллический слой, который удерживает масло и служит лучшим грунтом под окраску: краска на фосфатированной стали держится прочнее и не отслаивается от коррозии под плёнкой.

Анодное оксидирование алюминия наращивает на поверхности плотную оксидную плёнку. Алюминий и сам покрыт естественной оксидной плёнкой, но очень тонкой; анодированный слой намного толще и прочнее, его наполняют в воде или хромате для стойкости и могут окрасить. Для нержавеющей стали аналог — химическое пассивирование: оно восстанавливает защитную плёнку после механической обработки и сварки.

Лакокрасочные и порошковые покрытия изолируют металл от среды; лакокрасочные материалы используются для защиты металлических конструкций, оборудования и корпусов. Их стойкость определяется подготовкой поверхности — очисткой от ржавчины, окалины и жира, — системой из грунта и покрывных слоёв и общей толщиной. Слабое место окраски — повреждения: царапина открывает сталь, и коррозия расползается под плёнкой. Поэтому для долгого срока службы металлических конструкций в агрессивных средах краску наносят поверх цинка: такая комбинированная защита служит дольше, чем цинк и краска по отдельности.

Сравнение защитных покрытий в таблице

В таблице — основные покрытия для стальных и алюминиевых деталей: как они защищают металл, какой толщины бывают, где их применяют и о чём нужно помнить при выборе.

Толщины гальванических покрытий в таблице — наибольшие, которые наносит участок технопарка; горячего цинка — средние по ГОСТ 9.307-2021 для металла толщиной от 1,5 до свыше 6 мм. Как эти покрытия записывают в чертеже — в статье об обозначении покрытий.

Электрохимическая защита и ингибиторы коррозии

Электрохимические способы защиты используют электрический ток. Катодная защита смещает потенциал защищаемого металла в отрицательную сторону, и он перестаёт растворяться. Ток подают от внешнего источника — станции катодной защиты — или получают от соединения с более активным металлом. Во втором случае это протекторная защита: к конструкции крепят протектор из цинка, магния или алюминиевого сплава, и разрушается он, а не конструкция. Так защищают подземные трубопроводы, резервуары, корпуса судов, сваи и оборудование в морской воде. Электрохимическая защита работает только в электролите — в грунте и воде, — и почти всегда дополняет изолирующее покрытие, а не заменяет его.

Анодная защита применима к металлам, которые способны пассивироваться, — например, к нержавеющей стали в некоторых кислотах: потенциал смещают в положительную сторону, и металл переходит в пассивное состояние.

Ингибиторы коррозии — вещества, которые в малом количестве заметно снижают скорость коррозии. Ингибиторы используют в оборотных системах, охлаждающих жидкостях, кислотах для травления, консервационных маслах и смазках: молекулы ингибитора образуют на металле адсорбционный слой, который тормозит химические реакции. Летучие ингибиторы испаряются и оседают на металле: ими пропитывают упаковочную бумагу и плёнку, чтобы детали не ржавели при хранении и перевозке.

Защита от коррозии при проектировании детали

Многие проблемы с коррозией закладываются в чертеже. Простые конструктивные правила продлевают срок службы любого покрытия:

• избегать щелей, нахлёсток и карманов, где застаивается вода и грязь; сварные швы делать сплошными, а не прерывистыми;
• предусматривать дренажные и технологические отверстия: они нужны и для стока воды, и для горячего цинкования полых изделий;
• не соединять напрямую металлы с разными потенциалами — алюминий со сталью или медью, оцинкованную сталь с нержавеющей; допустимые пары указаны в ГОСТ 9.005-72, а если пару не изменить — ставят изолирующие прокладки и втулки;
• скруглять острые кромки: на них покрытие получается тоньше и первым разрушается;
• оставлять доступ для осмотра и восстановления защиты.

Цинковое покрытие само решает одну из частых проблем: по ГОСТ 9.303-84 оно предотвращает контактную коррозию стальных деталей, которые соединяются с деталями из алюминия и его сплавов.

Как выбрать способ защиты металла

ГОСТ 9.303-84 требует учитывать при выборе покрытия назначение детали и покрытия, условия эксплуатации, материал детали, влияние покрытия и способа его нанесения на механические свойства, допустимость контакта металлов и экономическую целесообразность. На практике это пять вопросов:

1. Где будет работать деталь. В отапливаемом помещении, под навесом, на улице, в промышленной зоне, у моря, в воде или грунте. Это определяет категорию агрессивности и группу условий эксплуатации.
2. Из чего сделана деталь. Углеродистая и нержавеющая сталь, алюминий, медь и латунь имеют разные свойства и требуют разных покрытий. Для высокопрочных марок отпадает гальванический цинк из-за водородной хрупкости.
3. Что ещё нужно от покрытия. Электропроводность, паяемость, твёрдость и износостойкость, свинчиваемость резьбы, внешний вид, работа при нагреве.
4. Есть ли резьба и точные размеры. Толстое горячее цинкование заливает резьбу, гальванические покрытия в 6–30 мкм повторяют профиль, но их толщину учитывают в допусках.
5. Какой нужен срок службы. Чем он дольше, тем толще покрытие или нужна комбинированная защита — цинк под краской.

Для самого массового случая — цинкового покрытия с хроматированием на углеродистой стали — ГОСТ 9.303-84 задаёт толщину по группам условий эксплуатации: 6 мкм в лёгких условиях (группа 1, отапливаемые помещения), 15 мкм в средних и жёстких (группы 2–5), 24–30 мкм в очень жёстких (группа 7), если дополнительной защиты нет. Под лакокрасочное покрытие достаточно 6–12 мкм цинка.

Защитные покрытия и испытания в технопарке ЗЭМ

Гальванический участок технопарка наносит защитные и защитно-декоративные покрытия на детали по чертежу заказчика:

• Цинкование с хроматированием, бесцветным хроматированием и фосфатированием — слой до 30 мкм, стальные детали до 1000 мм; болты и винты — до 15 мкм.
• Кадмирование — до 30 мкм, детали до 1000 мм.
• Никелирование химическое и гальваническое — до 9 мкм; хромирование твёрдое и молочное — до 60 мкм.
• Оксидирование и фосфатирование стали с промасливанием и хроматированием; анодирование алюминия и химическое оксидирование алюминиевых сплавов.
• Пассивирование нержавеющей стали, меди и медных сплавов; лужение, меднение, серебрение.

Стойкость покрытия можно проверить в испытательной лаборатории технопарка: ускоренные климатические испытания включают соляной туман, влажность до 98 % и смену температур от −75 до +180 °C, а для окрашенных изделий проводятся климатические испытания лакокрасочных покрытий по ГОСТ 9.401.