Способы защиты металлов от ржавчины

Содержание:

1. Что такое коррозия
2. Способы защиты металлов от коррозии
3. Химические способы
4. Электрохимические способы защиты от коррозии
5. Домашние способы защиты металла от ржавчины
6. Как выбрать антикоррозийное средство
7. Изменение свойств коррозионной среды
8. Что делать, если коррозия уже появилась?

Металл занимает особое место в строительстве, производстве и быту. Из него делают двери, заборы, трубы, кровлю, инструменты и множество других вещей. Большинство металлических изделий объединяет один серьёзный враг — ржавчина. Она разрушает структуру материала, снижает прочность конструкций, портит внешний вид. Защита от коррозии нужна промышленным объектам и обычным бытовым предметам. В статье разберём, почему металл ржавеет, как распознать это вовремя, какие способы помогут остановить или предотвратить разрушение.

Что такое коррозия

Коррозия — процесс постепенного разрушения металла под воздействием окружающей среды. Это не просто рыжий налёт снаружи: реакции проникают вглубь материала, меняют его состав, ухудшают свойства. Ржавчина — наиболее знакомый продукт коррозии. Он появляется на железе и его сплавах при контакте с кислородом или влагой. Чем выше влажность воздуха и температура, тем быстрее железо начинает ржаветь. Без своевременной защиты даже качественная конструкция со временем разрушается.

Не все металлы одинаково уязвимы перед коррозией. Алюминий образует на поверхности тонкий оксидный слой, который сам выполняет роль барьера. Медь зеленеет — это тоже коррозия, но она не разрушает металл так быстро. Черный металл (углеродистая сталь) без обработки теряет прочность за считанные месяцы на открытом воздухе. Железо в воде ржавеет ещё быстрее, потому что реакция окисления происходит интенсивнее при длительном контакте с жидкостью.

Основные виды коррозии:

• Химическая. Реакция с газами или жидкостями без участия электрического тока. Яркий пример — образование окалины на стали в кузнечных цехах или при сварке. Металл нагревается до высокой температуры, вступает в прямую реакцию с кислородом воздуха, образуя на поверхности хрупкую черную пленку (оксид железа). Также сюда относится разрушение алюминиевой посуды при варке сильносоленых или кислых щей (химическая реакция с жидкостью-электролитом, но без образования гальванической пары).
• Электрохимическая. Возникает при контакте двух разнородных металлов в токопроводящей среде. Например, контакт медной трубы и стального радиатора в системе отопления с водой. Медь и сталь имеют разные электрохимические потенциалы. Вода выступает электролитом, возникает микрогальваническая пара, и сталь (как более активная) начинает интенсивно разрушаться, ржаветь именно возле места соединения с медью.
• Биологическая. Причиной становятся микроорганизмы, которые разрушают металл изнутри. Такая коррозия встречается дома: черные точки ржавчины под слоем старой масляной краски на стенах в ванной. Это развиваются плесневые грибки, выделяющие кислоты.
• Атмосферная. Развивается под действием воздуха и влаги на поверхности, которую ничем не покрывают. Пример: пожелтевшая и рассыпающаяся в труху крыша из кровельного железа на старом сарае, которая ни разу не была покрашена. Под воздействием дождя, снега, кислорода, перепадов температур на поверхности постоянно находится тонкая пленка влаги, которая запускает процесс равномерного ржавления.
• Подземная. Поражает конструкции, которые находятся в почве. В ней всегда есть влага и растворенные соли (естественный электролит). Поэтому, если не защитить, например, столб забора, подземная часть истончается, покрывается глубокими кавернами.

Способы защиты металлов от коррозии

Чтобы продлить жизнь металлическим конструкциям, инженеры и химики разработали разнообразные методы профилактики. Существуют разные виды защиты от коррозии, которые можно разделить на несколько крупных категорий в зависимости от механизма действия. Одни методы меняют структуру самого материала, другие создают непреодолимый барьер на его поверхности, а третьи используют законы физики и химии. На практике мастера часто комбинируют эти варианты, чтобы получить максимально долговечный результат. Рассмотрим основные способы защиты металлических изделий.

Легирование

Легирование — добавление в состав металла специальных примесей, которые снижают его склонность к ржавлению. Хром, никель, молибден и титан — наиболее распространённые добавки. Хром в нержавеющей стали создаёт на поверхности тонкую оксидную плёнку, которая не даёт влаге добраться до основного металла. Именно поэтому нержавеющая сталь практически не ржавеет при стандартных условиях эксплуатации.

Легированный сплав не требует постоянного ухода. Черный металл без легирующих добавок — другая история: его нужно регулярно покрывать грунтами и красками, а поверхность систематически обрабатывать антикоррозийными составами. Железо, легированное хромом и никелем, ржавеет медленнее обычного, широко применяется в медицине, пищевой промышленности, строительстве.

Защитные покрытия

Все варианты изоляции делят на две большие группы в зависимости от природы используемого материала: неметаллические и металлические покрытия. Несмотря на различия, каждый из этих видов покрывает металл по одному принципу — создаёт изолирующий барьер между материалом и средой. Выбор конкретного варианта зависит от назначения изделия, условий его работы и бюджета, который хозяин готов выделить на проведение работ.

Неметаллические покрытия

Неметаллические покрытия — полимерные, керамические или силикатные составы. Их применяют там, где нужна устойчивость к высоким температурам или особо агрессивным химическим средам.

Полимеры надёжно изолируют железо от влаги, кислот, щелочей. Ими обрабатывают трубопроводы, химические резервуары, ёмкости для хранения агрессивных жидкостей. Керамика выдерживает нагрев до 1000°C и выше. Ею обрабатывают промышленные детали, которые работают при экстремальных температурах. Поверхность покрывают керамическим составом в несколько слоёв, чтобы получить равномерный, прочный результат.

Силикатные эмали — стеклообразные составы, которые запекают на металлической поверхности при высокой температуре. Они плотно сцепляются с основой, предохраняют её от воды, кислорода, бактерий. Силикатными эмалями покрывают железо и другие металлы в пищевой и химической промышленности. Единственный минус — при сильном ударе такой слой трескается.

Металлические покрытия

На поверхность изделия наносят слой другого металла с более высокой стойкостью к коррозии. Чаще всего используют цинк, олово, хром, никель, алюминий. Самый известный пример — оцинковка. Слой цинка покрывает железо, «отсекает» его от воздуха и влаги. Если слой механически повреждается, цинк продолжает предохранять основной металл: он ржавеет первым. Именно на этом принципе строится протекторная защита от коррозии. Черный металл с оцинковкой служит значительно дольше.

Хромирование придаёт изделиям высокую износостойкость. Никелевые слои покрывают металл в пищевой и фармацевтической промышленности. Лужение покрывает железо слоем олова — этот вид защиты используют в производстве консервной тары. Металл после лужения устойчив к кислотам, не передаёт посторонних веществ в продукты.

Химические способы

Эта группа методов основана на создании на поверхности материала тонкой, но очень прочной пленки из его собственных химических соединений. Эти процессы не увеличивают толщину детали, так как реакция затрагивает только верхние слои молекул. В результате сплав меняет свои свойства, перестает реагировать с кислородом, приобретает красивый вид.

Оксидирование

Оксидирование — создание плотного оксидного слоя прямо на металлической поверхности. Он не пропускает влагу, кислород к основному материалу. В зависимости от условий поверхность обрабатывают кислотами, щелочами или нагревом.

Щелочное оксидирование проводят при температуре 130–150°C. Поверхность покрывается тонкой тёмной оксидной плёнкой. Этот вид обработки широко применяют в производстве крепежа, инструментов, декоративных изделий из железа. После оксидирования металл ржавеет значительно медленнее, однако без пропитки маслом плёнка не даёт полноценной защиты от коррозии.

Термическое оксидирование обрабатывает поверхность при нагреве до 300–350°C. Химический метод не требует высоких температур — им обрабатывают крупные конструкции, которые сложно прогреть равномерно. Оба вида дают схожий результат: поверхность покрывается оксидным слоем, который замедляет ржавление. Разница в условиях проведения процесса.

Фосфатирование

Фосфатирование — химический процесс, при котором поверхность металла обрабатывают фосфорной кислотой или её солями. На изделии образуется нерастворимый слой фосфатов, который хорошо удерживает лакокрасочные составы, сам по себе замедляет ржавление.

Метод широко применяют в автомобильной промышленности перед покраской кузова. Кузовное железо обрабатывают фосфатом, из-за чего краска на нём держится лучше. В местах сколов и царапин ржавчина на таком металле появляется значительно медленнее. Металл после фосфатирования ржавеет медленнее даже при повреждении финишного слоя, что особенно ценно при эксплуатации в сложных условиях.

Поверхность обрабатывают методом погружения или нанесением состава вручную. Второй способ удобен для небольших конструкций и ремонтных работ. Фосфатный слой не является самостоятельной защитой от коррозии, но в комплексе с краской или лаком существенно продлевает срок службы изделия.

Электрохимические способы защиты от коррозии

Когда металлические конструкции находятся в грунте или воде, обычные краски могут не справиться с постоянным воздействием влаги. В таких условиях применяют методы, которые используют законы электрохимии и направленное движение заряженных частиц. Они позволяют останавливать разрушение даже там, где металл имеет постоянный контакт с агрессивной жидкой средой.

Анодирование

Анодирование — создание оксидной плёнки на поверхности металла методом электролиза. Метод применяют преимущественно для алюминия. В процессе анодирования алюминий выступает анодом в электролитической ванне, на его поверхности нарастает пористая оксидная плёнка. Плёнку можно дополнительно красить или пропитывать специальными составами, что увеличивает защиту от коррозии. Вид поверхности анодированного изделия бывает разным: от серебристого матового до насыщенного тёмного оттенка. Метод не подходит для железа и стали, однако для цветмета он считается одним из лучших. Например, алюминий после анодирования практически не ржавеет, хорошо переносит воздействие агрессивных сред.

Катодная защита

Катодная защита — метод, при котором защищаемый объект подключают к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, превращая его в катод. К положительному полюсу подсоединяют вспомогательные искусственные аноды, которые закапывают в землю или опускают в воду рядом с объектом. Электрический ток течет от вспомогательных элементов к конструкции, полностью подавляя деструктивные окислительные процессы на ее поверхности.

Катодная технология используется для сохранения магистральных подземных газопроводов, нефтепроводов, крупных резервуаров, портовых сооружений. Направление тока заставляет разрушаться внешние искусственные элементы, которые потом заменяют по мере их износа. Сама конструкция при этом остается в идеальном состоянии, что позволяет эксплуатировать ее без капитального ремонта очень долго.

Протекторная защита

Этот вариант работает по аналогичному принципу, но не требует подключения внешнего источника электрического тока. К стальной детали прочно прикрепляют брусок из более активного элемента, который называют протектором. В качестве материала для протектора используют магний, алюминий или цинк, которые имеют более отрицательный потенциал, чем базовое железо.

В образовавшейся гальванической паре протектор становится анодом и начинает активно разрушаться, отдавая свои электроны основной конструкции. Пока кусок активного материала полностью не растворится, защищаемый объект не будет ржаветь даже в морской воде. Этот автономный вид безопасности активно используют для сохранения корабельных корпусов, автомобильных кузовов, внутренних поверхностей водонагревательных баков.

Анодная защита

Такой метод применяют в специфических условиях, когда конструкции контактируют с сильно агрессивными средами, например, с концентрированными кислотами. Объект подключают к положительному полюсу источника тока, что переводит металл в пассивное состояние за счет быстрого образования плотной защитной пленки. Процесс требует постоянного контроля величины потенциала, чтобы не вызвать лавинообразное разрушение материала.

Из-за сложности контроля и необходимости постоянного электроснабжения анодную технологию используют только на химических заводах. Она позволяет делать резервуары для хранения опасных химикатов из обычных углеродистых сталей вместо дорогостоящих сплавов. Инженеры тщательно рассчитывают параметры системы, чтобы обеспечить стабильную работу оборудования без риска аварийных ситуаций.

Домашние способы защиты металла от ржавчины

Вышеперечисленные технологии сложно реализовать в домашних условиях. Однако в быту защитить от ржавчины можно без профессионального оборудования. Самый доступный вариант — покрыть изделие машинным маслом или специальной смазкой. Масло создаёт тонкую плёнку, которая отталкивает воду, не даёт железу ржаветь. Подходит для инструментов, ножей, велосипедных цепей, садового инвентаря.

Восковой состав — ещё один распространённый приём. Воск наносят тряпкой, натирают до блеска. Он хорошо покрывает декоративные изделия из металла, долго держится даже на открытом воздухе. Этот вид защиты от ржавчины прост и доступен любому.

Можно использовать разные антикоррозийные составы:

• Лакокрасочные составы — краски, эмали, лаки, грунтовки. Доступны и просты в нанесении.
• Порошковые краски — наносят методом электростатического напыления, запекают в печи. Стойкие к механическим повреждениям.
• Эпоксидные материалы — высокая адгезия к сплавам, стойкость к химическим воздействиям.
• Битум — применяют для подземных трубопроводов, опорных конструкций.

Уксус, лимонная кислота или паста из соды убирают поверхностную ржавчину с небольших предметов. После очистки изделие обязательно сушат, обрабатывают составом для защиты от коррозии — иначе оно снова начнёт ржаветь, причём быстрее, чем прежде: зачищенная поверхность ничем не защищена. Если железо хранится без дела, его покрывают маслом или воском перед закладкой на длительное хранение.

Хранить металлические изделия нужно в сухих условиях. Влага — главный катализатор ржавления. Если инструменты хранятся в сыром гараже или подвале, рядом стоит положить силикагель. Он поглощает влагу, замедляет коррозию. Это простой и бюджетный вид защиты, который не требует никаких сложных действий.

Как выбрать антикоррозийное средство

Выбор средства защиты от коррозии зависит от нескольких факторов: вид металла, условия эксплуатации, требования к внешнему виду и бюджет. Для уличных конструкций из железа — ворот, заборов, опор — подходят атмосферостойкие краски и грунтовки. Если изделие будет постоянно контактировать с водой или почвой, лучше выбрать эпоксидные или битумные составы.

В помещении достаточно стандартного лакокрасочного слоя. Декоративные изделия обрабатывают воском или масляными составами. Если металл будет соприкасаться с пищевыми продуктами, нужны составы с пищевым допуском.

Перед нанесением любого антикоррозийного состава оценивают состояние поверхности. Если ржавчина уже есть, её удаляют или обрабатывают преобразователем ржавчины. Наносить антикоррозийный состав поверх ржавого материала нет смысла. Чистую поверхность обезжиривают, грунтуют, покрывают финишным составом. При выборе между видами средств учитывают условия эксплуатации, тип металла.

Изменение свойств коррозионной среды

Скорость ржавления конструкций из уязвимых металлов можно снизить, изменив состав грунта. Это достигается удалением агрессивных веществ из почвы. Основные способы удаления:

• обдувка инертными газами;
• химическая обработка среды;
• обезвоживание влажных грунтов;
• обескислочивание почвы;
• удаление агрессивных компонентов с помощью абсорбции.

Самый распространённый подход — введение в агрессивную среду ингибиторов. Ингибиторы замедляют реакции коррозии, делают среду менее агрессивной. Их добавляют в смазки, антикоррозийные составы, системы охлаждения. Вид ингибитора подбирают под конкретный состав среды, тип сплава.

Что делать, если коррозия уже появилась?

Если ржавчина уже появилась, нужно действовать быстро. Сначала оценивают степень поражения. Поверхностная ржавчина без глубоких повреждений убирается механически: металлической щёткой, наждачной бумагой или болгаркой с зачистным диском. После очистки поверхность обрабатывают преобразователем ржавчины — он вступает в реакцию с оксидами железа, переводит их в стабильное нерастворимое соединение.

Преобразователь наносят кистью или распылителем, выдерживают нужное время по инструкции, затем удаляют остатки или сразу покрывают поверхность грунтом прямо поверх. Поверхность после обработки темнеет, но перестаёт ржаветь. Этот вид обработки удобен тем, что не требует полного удаления всех следов коррозии.

При глубоком поражении, когда ржавчина прошла насквозь и оставила сквозные повреждения или значительно истончила стенку, ремонт нецелесообразен. Такой элемент конструкции меняют полностью. В противном случае разрушение продолжится, распространится на соседние части.

После устранения ржавчины обязательно наносят грунт и финишный слой. Пропускать этот шаг нельзя: зачищенный металл начинает ржаветь уже через несколько часов без защиты. Черный металл особенно уязвим: он ржавеет стремительно при любом контакте с влагой. Регулярный осмотр конструкций хотя бы раз в год позволяет выявить коррозию на ранней стадии. Проверяйте стыки, болтовые соединения, нижние кромки. Именно там ржавчина появляется первой. Своевременно обрабатывайте и покрывайте повреждённые участки, не давая коррозии распространяться дальше.