Miksi metallit ruostuvat?

Mitä yhteistä on ruosteisella naulalla, ruostuneella sillalla tai vuotavalla rauta-aidalla? Miksi rautarakenteet ja rautatuotteet ruostuvat yleensä? Mikä on ruoste sinänsä? Yritämme antaa vastauksia näihin kysymyksiin artikkelissamme. Mieti metallien ruostumisen syitä ja suojausmenetelmiä tätä haitallista luonnonilmiötä vastaan.

Ruoste aiheuttaa

Kaikki alkaa metallin louhinnasta. Ei vain rautaa, mutta esimerkiksi alumiinija magnesium louhitaan aluksi malmin muodossa. Alumiini, mangaani, rauta, magnesiummalmit eivät sisällä puhtaita metalleja, mutta niiden kemialliset yhdisteet: karbonaatit, oksidit, sulfidit, hydroksidit.

Nämä ovat metallien kemiallisia yhdisteitä, joissa on hiiltä, ​​happea, rikkiä, vettä jne. Luonnossa on yksi, kaksi ja puhdasta metallia - platina, kulta, hopea - jalometallit - niitä esiintyy metallien muodossa vapaassa tilassa, eikä niillä ole taipumus kemiallisten yhdisteiden muodostuminen.

Useimmat metallit eivät kuitenkaan ole vapaita luonnollisissa olosuhteissa, ja jotta ne vapautuisivat lähtöyhdisteistä, malmit on sulattava, vähentäen siten puhtaita metalleja.

Mutta metallia sisältävän malmin sulattaminen, vaikka saamme metallin puhtaassa muodossaan, on silti epävakaa tila, kaukana luonnosta. Tästä syystä puhtaalla metallilla normaaleissa ympäristöolosuhteissa on taipumus palata alkuperäiseen tilaansa eli hapettua, ja tämä on metallin korroosiota.

Siten korroosio on metallien luonnollinen tuhoamisprosessi, joka tapahtuu niiden vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Erityisesti ruostuminen on rautahydroksidin Fe (OH) 3 muodostumisprosessia, joka etenee veden läsnä ollessa.

Mutta luonnollinen tosiasia on ihmisten käsissä, että hapettumisreaktio ilmakehään, johon olemme tottuneet, ei ole kovin nopeaa, se kulkee erittäin alhaisella nopeudella, joten sillat ja lentokoneet eivät romahta heti, ja ruukut eivät murene silmämme edessä inkiväärijauheessa. Lisäksi korroosiota voidaan periaatteessa hidastaa käyttämällä joitain perinteisiä temppuja.

Esimerkiksi ruostumaton teräs ei ruostu, vaikka se koostuu raudasta, jolla on taipumusta hapettumiseen, mutta silti se ei ole punaisen hydroksidin peitossa. Ja tässä asia on se, että ruostumaton teräs ei ole puhdasta rautaa, ruostumaton teräs on raudan ja toisen metallin, pääasiassa kromin seos.

Kromin lisäksi teräksen koostumukseen voidaan sisällyttää nikkeli, molybdeeni, titaani, niobium, rikki, fosfori jne. Lisäelementtien lisäämistä seoksille, jotka vastaavat tuloksena olevien seosten tietyistä ominaisuuksista, kutsutaan lejeeringiksi.

Suojaa korroosiolta

Kuten edellä huomautimme, tärkein seosaine, joka on lisätty tavalliseen teräkseen antamaan sille korroosiota estäviä ominaisuuksia, on kromi. Kromi hapettuu nopeammin kuin rauta, ts. Se ottaa osuman itseensä. Ruostumattoman teräksen pinnalla esiintyy siis ensin kromioksidia suojaava kalvo, jolla on tumma väri eikä niin löysä kuin tavallisessa rautakorroosiossa.

Kromioksidi ei läpäise raudasta haitallisia ioneja ympäristöstä, ja metalli on suojattu korroosiolta, kuten kestävä hermeettinen suojapuku. Eli oksidikalvolla on tässä tapauksessa suojaava tehtävä.

Kromin määrä ruostumattomassa teräksessä on yleensä vähintään 13%, nikkeliä on hiukan vähemmän ruostumattomassa teräksessä ja muita seostavia lisäaineita on paljon pienempiä määriä.

Monet metallit ovat korroosionkestäviä erilaisissa ympäristöissä suojakalvojen ansiosta, jotka ottavat ensimmäisen ympäristövaikutuksen.Esimerkiksi alumiinista valmistettu lusikka, levy tai pannu ei koskaan loista; jos tarkastellaan tarkkaan, niillä on valkeahtava sävy. Tämä on vain alumiinioksidia, joka muodostuu puhtaan alumiinin kosketuksessa ilman kanssa ja suojaa sitten metallia korroosiolta.

Oksidikalvo näkyy itsessään, ja jos puhdistat alumiinirunkoa hiekkapaperilla, muutaman sekunnin kiilloituksen jälkeen pinta muuttuu taas vaaleaksi - puhdistetun pinnan alumiini hapettuu jälleen ilmakehän hapen vaikutuksesta.

Koska alumiinioksidikalvo muodostuu itsestään ilman erityisiä teknisiä vinkkejä, sitä kutsutaan passiiviseksi kalvoksi. Sellaisia ​​metalleja, joille oksidikalvo muodostuu luonnollisesti, kutsutaan passivoiviksi. Erityisesti alumiini on passiivinen metalli.

Jotkut metallit pakotetaan passiiviseen tilaan, esimerkiksi korkeampi rautaoksidi - Fe2O3 kykenee suojelemaan rautaa ja sen seoksia ilmassa korkeissa lämpötiloissa ja jopa vedessä, mistä punaisen hydroksidin tai saman raudan alemmat oksidit eivät voi ylpeillä.

Ilmiössä on passiivisuutta ja vivahteita. Esimerkiksi vahvassa rikkihapossa hetkellisesti passiivinen teräs kestää korroosiota, ja heikossa rikkihappoliuoksessa korroosio alkaa heti.

Miksi tämä tapahtuu? Vastaus ilmeiseen paradoksiin on, että voimakkaassa hapossa ruostumattoman teräksen pinnalle muodostuu heti passiivinen kalvo, koska korkeammalla pitoisuudella olevalla hapolla on selvät hapettavat ominaisuudet.

Samaan aikaan heikko happo ei hapetta terästä riittävän nopeasti, eikä suojakalvoa muodostu, se vain alkaa syöpyä. Tällaisissa tapauksissa, kun hapettava väliaine ei ole tarpeeksi aggressiivinen, passivoinnin vaikutuksen aikaansaamiseksi käytetään erityisiä kemiallisia lisäaineita (estäjiä, korroosionestoaineita), jotka auttavat passiivisen kalvon muodostumista metallipinnalle.

Koska kaikki metallit eivät ole alttiita passiivisten kalvojen muodostumiselle pinnalleen jopa voimalla, moderaattorien lisääminen hapettavaan väliaineeseen johtaa yksinkertaisesti metallin ehkäisevään pidättämiseen pelkistysolosuhteissa, kun hapettuminen on energisesti tukahdutettu, ts. Kun lisäaine on läsnä aggressiivisessa ympäristössä, se on energian kannalta epäedullista. .

On myös toinen tapa pitää metalli talteenottoympäristössä, jos inhibiittoria ei ole mahdollista käyttää, käytä aktiivisempaa päällystettä: galvanoitu kauha ei ruostu, koska pinnoitteen sinkki syövyttää rautaa kosketuksessa ympäristöön, ts. Se vie osuman itseensä, koska se on aktiivisempi metalli. , sinkki pääsee todennäköisemmin kemialliseen reaktioon.

Aluksen pohja on usein suojattu samalla tavalla: pala kulutuspinnasta kiinnitetään siihen, ja sitten kulutuspinta tuhoutuu, ja pohja pysyy vahingoittumattomana.

Maanalaisten laitosten sähkökemiallinen korroosiosuojaus on myös erittäin yleinen tapa torjua niiden ruostetta. Pelkistysolosuhteet luodaan soveltamalla metalliin negatiivista katodipotentiaalia, ja tässä tilassa metallin hapetusprosessi ei enää voi tapahtua yksinkertaisesti energisesti.

Voidaan kysyä, miksi korroosiovaaralliset pinnat eivät yksinkertaisesti maalaudu, miksi ei vain pinnoiteta korroosioalttiita osia aina emalilla? Mitä eri tapoja?

Vastaus on yksinkertainen. Emali voi vaurioitua, esimerkiksi automaali voi hajottaa huomaamatta jäävässä paikassa ja kori alkaa asteittain, mutta jatkuvasti ruosteta, koska rikkiyhdisteet, suolat, vesi, happi tulevat tähän kohtaan, ja seurauksena kori romahtaa.

Tällaisten tapahtumien kehittymisen estämiseksi turvaudutaan vartalon ylimääräiseen korroosionestohoitoon. Auto ei ole emalilaatta, joka voidaan heittää pois, jos emali vahingoittuu ja ostaa uuden.

Asioiden nykytila

Huolimatta korroosioilmiön tuntevasta tiedosta ja yksityiskohtaisesta käytöstä, huolimatta käytetyistä monipuolisista suojausmenetelmistä, korroosio on edelleen tietty vaara. Putkilinjat tuhoutuvat ja tämä johtaa öljy- ja kaasupäästöihin, lentokoneet putoavat, juna kaatuu. Luonto on monimutkaisempi kuin miltä se voi näyttää ensi silmäyksellä, ja ihmiskunnan on vielä tutkittava monia muita korroosion näkökohtia.

Joten jopa korroosionkestävät seokset osoittautuvat vakaiksi vain tietyissä ennustettavissa olosuhteissa toiminnalle, johon ne alun perin oli tarkoitettu. Esimerkiksi ruostumattomat teräkset eivät siedä klorideja, ja ne vaikuttavat niihin - esiintyy peptistä, pisteytymistä ja kiteiden välistä korroosiota.

Ulkopuolella rakenne voi romahtaa äkillisesti ilman ruostetta, jos sisälle muodostuu pieniä, mutta erittäin syviä vaurioita. Mikrohalkeamiset, jotka tunkeutuvat metalliin, ovat näkymättömiä ulkopuolelta.

Jopa seos, joka ei ole alttiina korroosiolle, voi yhtäkkiä halkeilla, kun se on pitkäaikaisessa mekaanisessa rasituksessa - vain valtava halkeaminen tuhoaa rakenteen yhtäkkiä. Tätä on jo tapahtunut ympäri maailmaa metallirakenteilla, mekanismeilla ja jopa lentokoneilla ja helikoptereilla.