Сколько ржавеет железо в земле. Теория коррозии металлов. Почему ржавеют автомобили? Тогда у меня возник другой вопрос
МОУ Средняя общеобразовательная школа п. Новопавловка
Петровск-Забайкальского района Забайкальского края
Исследовательская работа по теме:
Почему вода ржавая?
Работу выполнил ученик 2-А класса
Ионинский Дмитрий,
п. Новопавловка
ВВЕДЕНИЕ | |
Теоретическая часть | |
Что такое ржавчина | |
Роль металлов в жизнедеятельности человека | |
Практическая часть | |
ОПЫТ 1. «В какой воде металлы ржавеют быстрее всего» | |
ОПЫТ 2. «В какой среде металлы ржавеют быстрее всего» | |
ОПЫТ 3. «Как различные металлы противостоят коррозии» | |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ | |
СПИСОК ИСПОЛЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ |
ВВЕДЕНИЕ
Я заметил, что если некоторое время не откачивать воду из скважины, то она становится желтоватого цвета. Мне стало интересно, а почему вода желтеет? От папы я узнал, что это ржавчина.
Цель работы : узнать, почему ржавчина образуется на железе, в каких растворах образуется ржавчина и выяснить методы защиты от ржавчины.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач :
· Узнать, что такое ржавчина, почему она возникает (теоретически).
· Путем опыта получить в домашних условиях ржавчину на железных гвоздях в различных средах.
· Проанализировать и сравнить результаты наблюдений данного эксперимента и сделать выводы.
Объект исследования : железный гвоздь в пробирках с различными растворами.
Методы исследования :
· изучение литературы;
· наблюдения;
· анализ полученных данных;
· обобщение.
Я выдвигаю гипотезу: железо разрушается, то есть ржавеет, в любых растворах.
Чтобы провести данное исследование, мы с учителем Людмилой Сергеевной, изучили специальную литературу (авторы указаны в списке литературы). При участии моей семьи я ставил опыты, наблюдал, анализировал и делал выводы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Теоретическая часть
Что такое ржавчина
Первоначально я прочитал в толковом словаре Ожегова что такое ржавчина?
РЖА́ВЧИНА, - ы, ж.
1. Красно-бурый налёт на железе, образующийся вследствие окисления и ведущий к разрушению металла, а также след на чём-н. от такого налёта. В душе появилась какая-то р. (перен.: что-то разъедающее, мучащее).
2. Бурая плёнка на болотной воде.
Jpg" width="252" height="237">
Ржавчина возникает при взаимодействии атмосферы с железом. Процесс её образования называется ржавлением или коррозией. Корро́зия - это самопроизвольное разрушение металлов в результате взаимодействия с окружающей средой. Процесс ржавления железа начинается только при наличии в воздухе влаги. При попадании на поверхность изделия из железа капли воды, спустя некоторое время, можно заметить изменение её цвета. Капля становится мутной и постепенно окрашивается в бурый цвет. Это свидетельствует о появлении, в месте контакта воды с поверхностью, продуктов коррозии железа.
Роль металлов в жизнедеятельности человека
В повседневной жизни металлы применяются повсюду. Мы живем в мире металлов. Дома, на улице, в автобусе – всюду нас окружают металлические предметы. Без них мы просто не мыслим свою жизнь.
Железо – химический элемент, серебристо – белый металл. В чистом виде практически не применяется из-за своей небольшой прочности. Как правило, используют сплавы на основе железа – сталь и чугун.
Сталь – это самый важный вид железных сплавов. От чистого железа его отличает содержание углерода, меньше 2%, но именно эта незначительная добавка придает сплаву твердость, которой нет у железа. От того, сколько в стране выплавляется стали в расчёте на душу населения, в огромной степени зависит технический и экономический уровень развития государства.
Алюминий используется в самолетостроении, потому что он очень прочный и легкий. В отличие от железа алюминий не боится влаги и не ржавеет, поэтому изделия из него не нуждаются в защитных покрытиях.
Цинк служит добавкой к меди, но часто его применяют и в чистом виде. У цинка хорошие литейные качества, поэтому из него отливают детали для различных машин. Обычно мы замечаем этот голубовато – белый металл с характерным пятнистым узором на новых водосточных трубах и металлических ведрах. Все эти изделия изготовлены из так называемого кровельного железа - мягкой листовой стали, покрытой тонким слоем цинка. Он предохраняет основной металл от ржавчины. Такое железо называется оцинкованным.
Медь очень пластична и она лучше других металлов (за исключением драгоценного серебра) проводит электрический ток. Эти качества позволяют использовать её в электрических проводах. Здесь она считается металлом номер один.
Серебро . Древние литейщики, кузнецы и ювелиры ценили этот металл за мягкость и податливость в обработке. Со времен Древней Греции и вплоть до начала нынешнего века большая часть добываемого серебра шла на чеканку монет, а остальная на изготовление ювелирных изделий, столовых приборов и посуды. Сегодня серебро ценится ещё за то, что оно лучше любого металла проводит электрический ток. Поэтому его широко применяют в электротехнике . Немало серебра идет на изготовление аккумуляторов, но ещё больше - на производство фото - и киноматериалов. Есть у металла ещё одно достоинство: оно убивает болезнетворные микробы. Поэтому на его основе готовят лекарственные препараты, которыми промывают гнойные раны, для заживления небольших ран к телу прикладывают бактерицидную бумагу, пропитанную соединениями серебра. Так же серебро применяют на зеркальных фабриках.
Больше всего от коррозии страдают сплавы на основе железа. «Ржа ест железо»- поговорка старая, но точная. Около 10% добытого металла теряется безвозвратно. За коррозией наступает эрозия - разрушение металлических изделий. После чего металл уже не пригоден. И все-таки 2/3 металлов возвращается в производство после переплавки в мартеновских печах. Вот почему важно собирать металлолом.
Я решил провести опыты с железными гвоздями, помещая их в различные среды.
Практическая часть
ОПЫТ 1. «В какой воде металлы ржавеют быстрее всего»
Цель опыта : выяснить, в какой воде железо ржавеет быстрее всего
Я взял воду из 4-х источников (из скважины, из речки, дистиллированную, снег) и положил в неё одинаковые железные гвозди. Банки с водой находились в одинаковых условиях. Через 2 дня вода пожелтела, через неделю на гвоздях появилась ржавчина, через месяц слой ржавчины значительно вырос. Ржавчина образовалась на всех гвоздях независимо от того в воде из какого источника они находились.
Вода из скважины | Вода из речки | Вода дистиллированная | ||
Положили гвозди в воду |
||||
Вода пожелтела | Вода пожелтела | Вода пожелтела | Вода пожелтела |
|
Появилась ржавчина на гвозде | Появилась ржавчина на гвозде | Появилась ржавчина на гвозде | Появилась ржавчина на гвозде |
|
Слой ржавчины растёт | Слой ржавчины растёт | Слой ржавчины растёт | Слой ржавчины растёт |
Вывод : ржавчина образуется на железе в любой воде.
ОПЫТ 2. «В какой среде металлы ржавеют быстрее всего»
Цель опыта : выяснить, в какой среде железо ржавеет быстрее всего
Я решил выяснить, в какой среде железо ржавеет быстрее всего. Для этого взял 4 банки воды из скважины. В первую добавил соль, во вторую – сахар, в третью – соду, в четвертую – уксус. В каждую, банку опустил железный гвоздь.
Через 2 дня :
· в воде с солью появился небольшой желтый осадок, сам раствор остался прозрачным;
· раствор с сахаром пожелтел;
· раствор с уксусом прозрачный на стенках банки пузырьки.
Через месяц :
· в воде с солью появился слой ржавчины и кристаллы соли на гвозде;
· раствор с сахаром посветлел, ржавчины нет;
· в воде с содой изменений не произошло;
· раствор уксуса темно-коричневый, на дне банки частички гвоздя.
Вода с сахаром | Вода с солью | Вода с содой | Вода с уксусом |
|
Положили гвозди в разные растворы |
||||
Раствор пожелтел | Небольшой желтый осадок, раствор прозрачный | Изменений нет | Раствор прозрачный, на стенках банки пузырьки |
|
Раствор посветлел, ржавчины нет | Появился слой ржавчины и кристаллы соли на гвозде | Изменений нет | Раствор темно-коричневый, на дне банки частички гвоздя |
Вывод : ржавчина не образуется в щелочной среде; в кислой среде железо разрушается.
ОПЫТ 3. «Как различные металлы противостоят коррозии»
Цель опыта : выяснить, образуется ли ржавчина на других металлах
Мне захотелось выяснить, образуется ли ржавчина на других металлах. Я взял 4 разных металла (медь, алюминий, цинк, железо) и опустил их в воду. Отдельно положил в воду окрашенный железный гвоздь. Уже через 2 дня вода с железом стала ржавой, а на остальных металлах ржавчина не образовалась даже через месяц. Вода с окрашенным гвоздем не заржавела.
Вывод : ржавчина образуется только при взаимодействии воды с железом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе своего исследования я попытался выяснить, почему ржавчина образуется на железе, в каких растворах образуется ржавчина и выяснить методы защиты от ржавчины. На примере исследования видно, что вода является благоприятной средой для возникновения ржавчины, не зависимо от того из какого источника она берется. Щелочная среда благоприятна для предохранения железа от ржавчины. В кислой среде железо разрушается более быстро. Железо можно сохранить, если не допустить его соприкосновения с водой, для этого необходимо проводить окрашивание.
СПИСОК ИСПОЛЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
2. Большая энциклопедия «Почемучек».- М.: «РОСМЭН», 2006
3. Я познаю мир. АСТ», 1999
Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы. Коррозия безвозвратно разрушает металл , превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год. Ситуация с российским металлом выглядит примерно так — весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года.
Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно — ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться?
Что такое коррозия металлов
Разрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде — электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия).
Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе 2 O 3 ·H 2 О).
Химическая коррозия
Этот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости — нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры — в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка.
Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы — и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например — алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет — патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях — только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае — пленка ничем не поможет.
Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики.
Электрохимическая коррозия
Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период — особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов).
Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда — в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге). Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа — 9,1 кг, цинка — 10,7 кг, свинца — 33,4 кг.
Другие причины коррозии металла
Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название — биокоррозия.
Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов — снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия.
Меры защиты металлов от коррозии
Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания — процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.
Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию.
Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет — лужение (покрытие оловом)).
Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиями
Неметаллические покрытия — краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой.
Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» — во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов ; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями — их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность.
В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры — эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола.
Защита железа от коррозии покрытиями из других металлов
Существует два типа металлических покрытий-ингибиторов — протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом). Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая — большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо — кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов.
Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы — эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее неоцинкованных). Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты — цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелерование металлических поверхностей (покрытие никелем). Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы — нет устойчивого покрытия.
Лучшее решение для антикоррозийной защиты — алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит — меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист — алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне). Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время — оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу.
Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавок
Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла.
Меры противодействия электрохимической коррозии
Для ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами. Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию. С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность.
Защита от блуждающих токов
Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:
- участок конструкции, служащий источником блуждающего тока, необходимо соединить металлическим проводником с рельсом трамвайной дороги;
- трассы теплосетей должны размещаться на максимальном удалении от рельсовых дорог, по которым передвигается электротранспорт, свести к минимуму число их пересечений;
- применение электроизоляционных трубных опор для повышения переходного сопротивления между грунтом и трубопроводами;
- на вводах к объектам (потенциальным источникам блуждающих токов) необходима установка изолирующих фланцев;
- на фланцевой арматуре и сальниковых компенсаторах устанавливать токопроводящие продольные перемычки — для наращивания продольной электропроводимости на защищаемом отрезке трубопроводов;
- чтобы выровнять потенциалы трубопроводов, расположенных параллельно, необходимо установить поперечные электроперемычки на смежных участках.
Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода. Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) — он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию. Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода.
Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру
Думаете, что ржавчина - это проблема владельцев 15-летних "Жигулей"? Увы, рыжими пятнами покрываются и гарантийные авто, даже если кузов оцинкован. Разбираемся, как правильно ухаживать за металлом и можно ли защитить его от коррозии раз и навсегда.
Что такое кузов? Конструкция из тонкого листового металла, причем разных сплавов и со множеством сварных соединений. И еще не нужно забывать о том, что кузов используется как «минус» для бортовой сети, то есть постоянно проводит ток. Да он просто обязан ржаветь! Попробуем разобраться, что же происходит с кузовом машины и как с этим бороться.
Что такое ржавчина?
Коррозия железа или стали - процесс окисления металла кислородом в присутствии воды. На выходе получается гидратированный оксид железа - рыхлый порошок, который мы все называем ржавчиной.
Разрушения автомобильного кузова относят к классическим примерам электрохимической коррозии. Но вода и воздух - это лишь часть проблемы. Помимо обычных химических процессов важную роль в нем играют гальванические пары, возникающие между электрохимически неоднородными парами поверхностей.
Уже вижу, как на лицах читателей-гуманитариев возникает скучающее выражение. Не пугайтесь термина «гальваническая пара» - мы не на лекции по химии и сложных формул приводить не будем. Эта самая пара в частном случае - всего лишь соединение двух металлов.
Металлы, они почти как люди. Не любят, когда к ним прижимается кто-то чужой. Представьте себя в автобусе. К вам прижался помятый мужчина, вчера отмечавший с друзьями какой-нибудь День монтажника-высотника. Вот это в химии называется недопустимой гальванической парой. Алюминий и медь, никель и серебро, магний и сталь… Это «заклятые враги», которые в тесном электрическом соединении очень быстро «сожрут» друг друга.
Вообще-то, ни один металл долго не выдерживает близкого контакта с чужаком. Сами подумайте: даже если к вам прижалась фигуристая блондинка (или стройная шатенка, по вкусу), то первое время будет приятно… Но не будешь же так стоять всю жизнь. Особенно под дождем. Причем тут дождь? Сейчас все станет понятно.
В автомобиле очень много мест, где образуются гальванические пары. Не недопустимые, а «обычные». Точки сварки, кузовные панели из разного металла, различные крепежные элементы и агрегаты, даже разные точки одной пластины с разной механической обработкой поверхности. Между ними всеми постоянно есть разность потенциалов, а значит, в присутствии электролита будет и коррозия.
Стоп, а что такое электролит? Пытливый автомобилист вспомнит, что это некая едкая жидкость, которую заливают в аккумуляторы. И будет прав лишь отчасти. Электролит - это вообще любая субстанция, проводящая ток. В аккумулятор заливают слабый раствор кислоты, но не обязательно поливать машину кислотой, чтобы ускорить коррозию. С функциями электролита прекрасно справляется обычная вода. В чистом (дистиллированном) виде она электролитом не является, но в природе чистой воды не встречается…
Таким образом, в каждой образовавшейся гальванической паре под воздействием воды начинается разрушение металла на стороне анода - положительно заряженной стороны. Как победить этот процесс? Запретить металлам корродировать друг от друга мы не можем, но зато можем исключить из этой системы электролит. Без него «допустимые» гальванические пары могут существовать долго. Дольше, чем служит автомобиль.
Как с ржавчиной борются производители?
Самый простой способ защиты - покрыть поверхность металла пленкой, через которую электролит не проникнет. А если еще и металл будет хорошим, с низким содержанием примесей, способствующим коррозии (например серы), то результат получится вполне достойным.
Но не воспринимайте слова буквально. Пленка - это необязательно полиэтилен. Самый распространенный вид защитной пленки - краска и грунт. Также ее можно создать из фосфатов металла, обработав поверхность фосфатирующим раствором. Входящие в его состав фосфоросодержащие кислоты окислят верхний слой металла, создав очень прочную и тонкую пленку.
Прикрыв фосфатную пленку слоями грунта и краски можно защитить кузов машины на долгие годы, именно по такому «рецепту» готовили кузова на протяжении десятков лет, и, как видите, довольно успешно - многие машины производства пятидесятых-шестидесятых годов смогли сохраниться до наших времен.
Но далеко не все, ведь со временем краска склонна к растрескиванию. Сначала не выдерживают внешние слои, потом трещины добираются до металла и фосфатной пленки. А при авариях и последующем ремонте покрытия часто наносят, не соблюдая абсолютной чистоты поверхности, оставляя на ней маленькие точки коррозии, которые всегда содержат в себе немного влаги. И под пленкой краски начинает появляться новый очаг разрушения.
Можно улучшать качество покрытия, применять все более эластичные краски, слой которых может быть чуть надежнее. Можно покрыть пластиковой пленкой. Но есть лучшая технология. Покрытие стали тонким слоем металла, имеющего более стойкую оксидную пленку, использовалось давно. Так называемая белая жесть - листовая сталь, покрытая тонким слоем олова, знакома всем, кто хоть раз в жизни видел консервную банку.
Олово для покрытия кузовов машин уже давно не применяют, хотя байки про луженые кузова ходят. Это отголосок технологии выправления брака при штамповке горячими припоями, когда часть поверхности вручную покрывали толстым слоем олова, и иногда самые сложные и важные части кузова машины и правда оказывались неплохо защищены.
Современные покрытия для предотвращения коррозии наносятся в заводских условиях до штамповки кузовных панелей, и в качестве «спасателей» используется цинк или алюминий. Оба этих металла, помимо наличия прочной оксидной пленки, обладают еще одним ценным качеством - меньшей электроотрицательностью. В уже упомянутой гальванической паре, которая образуется после разрушения внешней пленки краски, они, а не сталь будут играть роль анода, и, пока на панели остается немного алюминия или цинка, разрушаться будут именно они. Этим их свойством можно воспользоваться иначе, просто добавив немного порошка таких металлов в грунт, которым покрывают металл, что даст кузовной панели дополнительный шанс на долгую жизнь.
В некоторых отраслях промышленности, когда стоит задача защитить металл, применяют и другие технологии. Серьезные металлоконструкции могут быть оборудованы и специальными пластинами-протекторами из алюминия и цинка, которые можно менять со временем, и даже системами электрохимической защиты. С помощью источника напряжения такая система переносит анод на какие-то части конструкции, не являющиеся несущими. На автомобилях подобные вещи не встречаются.
Многослойный бутерброд, состоящий из слоя фосфатов на поверхности стали или цинка, слоя цинка или алюминия, антикоррозийного грунта с цинком и нескольких слоев краски и лака, даже в очень агрессивной внешней среде вроде обычного городского воздуха с влагой, грязью и солью позволяет сохранить кузовные панели на десяток-другой лет.
В местах, где слой краски легко повреждается (например на днище) используют толстые слои герметиков и мастики, которые дополнительно защищают поверхность краски. Мы привыкли называть это «антикором». Дополнительно во внутренние полости закачивают составы на основе парафина и масел, их задача вытеснять влагу с поверхностей, тем самым еще улучшая защиту.
Ни один из способов по одиночке не дает стопроцентной защиты, но все вместе они позволяют производителям давать восьми-десятилетнюю гарантию на отсутствие сквозной коррозии кузова. Однако нужно помнить, что коррозия подобна смерти. Ее приход можно замедлить или отложить, но нельзя исключить совсем. В общем, что мы говорим ржавчине? Правильно: «Не сегодня». Или, перефразируя современного классика, «не в этом году».
<a href=»http://polldaddy.com/poll/8389175/»>Приходилось ли бороться с ржавчиной на кузове?</a>
Почему ржавеет железо?
Если оставить какой-то железный предмет в сыром и влажном месте на несколько дней, он покроется ржавчиной, как если бы его покрасили красноватой краской.
Что такое ржавчина? Почему она образуется на железных и стальных предметах? Ржавчина - это окись железа. Она образуется в результате «сгорания» железа при соединении с кислородом, растворенным в воде.
Это значит, что при отсутствии в воздухе влаги и воды вообще отсутствует растворенный в воде кислород и ржавчина не образуется.
Если капля дождя попадает на блестящую железную поверхность, она остается прозрачной в течение короткого периода времени. Железо и кислород, находящийся в воде, начинают взаимодействовать и образуют окись, то есть ржавчину, внутри капли. Вода становится красноватой, и ржавчина плавает в воде в виде мелких частиц. Когда капля испарится, остается ржавчина, образуя красноватый слой на поверхности железа.
Если уж ржавчина появилась, она будет расти и в сухом воздухе. Это происходит потому, что пористое пятно ржавчины поглощает влагу, содержащуюся в воздухе, - она притягивает и удерживает ее. Вот почему легче предупредить ржавчину, чем остановить ее, когда она появилась. Проблема предупреждения ржавчины очень важна, так как изделия из железа и стали должны долго храниться. Иногда их покрывают слоем краски или пластмассы. А что бы ты сделал, чтобы предохранить от ржавчины боевые корабли, когда они не используются? Эта проблема решена с помощью поглотителей влажности. Такие механизмы заменяют влажный воздух в отсеках на сухой. Ржавчина в таких условиях появиться не может!
Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.
Причины ржавления
Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, и магний - добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.
Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы - они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.
Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.
Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.
Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.
Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.
Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.
Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.
Пути защиты от коррозии
Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.
Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.
Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.
Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.
Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.
Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.
Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.
Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.
Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.
В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.
Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.
Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, - применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.
Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.
Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.
Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?
Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, - станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.
Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..
Текущее положение дел
Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.
Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.
Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.
Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.
Андрей Повный