Corrosione dei metalli: cause e metodi di protezione

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La corrosione del metallo contiene molto più del nome di una popolare rock band. La corrosione distrugge irrevocabilmente il metallo, trasformandolo in polvere: di tutto il ferro prodotto nel mondo, il 10% crollerà completamente nello stesso anno. La situazione con il metallo russo è simile a questa: tutto il metallo fuso in un anno in ogni sesto forno nel nostro paese diventa polvere arrugginita prima della fine dell’anno.

Distruzione di metalli

L’espressione “costa un bel centesimo” in relazione alla corrosione dei metalli è più che vera – il danno annuale causato dalla corrosione è almeno il 4% del reddito annuo di qualsiasi paese sviluppato, e in Russia la quantità di danno è calcolata in dieci cifre. Quindi cosa causa i processi corrosivi nei metalli e come gestirli?

Cos’è la corrosione dei metalli

Distruzione di metalli a seguito dell’interazione elettrochimica (dissoluzione in aria contenente acqua o acqua – elettrolita) o chimica (formazione di composti metallici con agenti chimici ad alta aggressività) con l’ambiente. Un processo di corrosione nei metalli può svilupparsi solo in alcune aree della superficie (corrosione locale), coprire l’intera superficie (corrosione uniforme) o distruggere il metallo lungo i bordi del grano (corrosione intergranulare).

Il metallo sotto l’influenza dell’ossigeno e dell’acqua diventa una polvere marrone chiaro sciolta, meglio conosciuta come ruggine (Fe2O3H2DI).

Corrosione chimica

Questo processo si verifica in ambienti che non sono conduttori di corrente elettrica (gas secchi, liquidi organici – prodotti petroliferi, alcoli, ecc.) E l’intensità della corrosione aumenta con l’aumentare della temperatura – di conseguenza, si forma un film di ossido sulla superficie del metallo.

Tutti i metalli, sia ferrosi che non ferrosi, sono soggetti a corrosione chimica. I metalli non ferrosi attivi (ad esempio l’alluminio) sotto l’effetto della corrosione sono ricoperti da un film di ossido che impedisce l’ossidazione profonda e protegge il metallo. E un metallo così poco attivo, come il rame, sotto l’influenza dell’umidità nell’aria acquisisce una fioritura verdastra – patina. Inoltre, il film di ossido non protegge il metallo dalla corrosione in tutti i casi – solo se la struttura cristallochimica del film formato è coerente con la struttura del metallo, altrimenti il ​​film non farà nulla..

Patina rame

Le leghe sono sensibili a un altro tipo di corrosione: alcuni elementi delle leghe non sono ossidati, ma sono ridotti (ad esempio, in una combinazione di alta temperatura e pressione negli acciai, si verifica la riduzione di carburi con idrogeno), mentre le leghe perdono completamente le caratteristiche necessarie.

Corrosione elettrochimica

Il processo di corrosione elettrochimica non richiede l’immersione obbligatoria del metallo nell’elettrolita – un film elettrolitico sufficientemente sottile sulla sua superficie (spesso soluzioni elettrolitiche impregnano l’ambiente circostante il metallo (cemento, suolo, ecc.)). La causa più comune di corrosione elettrochimica è l’uso diffuso di sali domestici e industriali (cloruri di sodio e di potassio) per rimuovere ghiaccio e neve sulle strade in inverno – le automobili e le utenze sotterranee sono particolarmente colpite (secondo le statistiche, le perdite annuali negli Stati Uniti dall’uso di sali in inverno sono $ 2,5 miliardi).

Succede quanto segue: i metalli (leghe) perdono alcuni dei loro atomi (passano nella soluzione elettrolitica sotto forma di ioni), gli elettroni che sostituiscono gli atomi persi caricano il metallo con una carica negativa, mentre l’elettrolita ha una carica positiva. Si forma una coppia galvanica: il metallo viene distrutto, gradualmente tutte le sue particelle diventano parte della soluzione. La corrosione elettrochimica può essere causata da correnti vaganti derivanti dalla perdita di una parte della corrente dal circuito elettrico in soluzioni acquose o nel terreno e da lì in una struttura metallica. In quei luoghi in cui le correnti vaganti lasciano strutture metalliche nell’acqua o nel suolo, il metallo viene distrutto. È particolarmente comune che si verifichino correnti vaganti in luoghi in cui si muovono i trasporti elettrici di terra (ad esempio tram e locomotive ferroviarie alimentati a trazione elettrica). In appena un anno, correnti erranti di 1A sono in grado di dissolvere il ferro – 9,1 kg, zinco – 10,7 kg, piombo – 33,4 kg.

Altre cause di corrosione dei metalli

Lo sviluppo di processi corrosivi è facilitato da radiazioni, prodotti di scarto di microrganismi e batteri. La corrosione causata da microrganismi marini danneggia il fondo delle navi e i processi corrosivi causati dai batteri hanno persino il loro nome: biocorrosione.

Processi Corrosivi

La combinazione degli effetti delle sollecitazioni meccaniche e dell’ambiente esterno accelera la corrosione dei metalli più volte: la loro stabilità termica diminuisce, i film di ossido superficiale sono danneggiati e in quei luoghi in cui compaiono disomogeneità e crepe, viene attivata la corrosione elettrochimica.

Misure per proteggere i metalli dalla corrosione

Una conseguenza inevitabile del progresso tecnologico è l’inquinamento del nostro ambiente – un processo che accelera la corrosione dei metalli, poiché l’ambiente esterno è sempre più aggressivo nei loro confronti. Non c’è modo di eliminare completamente la distruzione corrosiva dei metalli, tutto ciò che si può fare è rallentare il processo il più possibile.

Per ridurre al minimo la distruzione dei metalli, è possibile effettuare le seguenti operazioni: ridurre l’aggressività dell’ambiente circostante il prodotto metallico; aumentare la resistenza del metallo alla corrosione; escludere l’interazione tra il metallo e le sostanze dall’ambiente esterno, mostrando aggressività.

Per migliaia di anni, l’umanità ha provato molti modi per proteggere i prodotti metallici dalla corrosione chimica, alcuni dei quali sono ancora usati oggi: rivestimento con grasso o olio, altri metalli che si corrodono in misura minore (il metodo più antico, che ha più di 2 mila anni – stagnatura (rivestimento lattina)).

Protezione anticorrosiva con rivestimenti non metallici

Rivestimenti non metallici: vernici (alchidiche, oli e smalti), vernici (sintetiche, bituminose e catramose) e polimeri formano un film protettivo sulla superficie dei metalli, escludendo (con la sua integrità) il contatto con l’ambiente esterno e l’umidità.

L’uso di pitture e vernici è vantaggioso in quanto questi rivestimenti protettivi possono essere applicati direttamente sul sito di assemblaggio e costruzione. I metodi per applicare pitture e vernici sono semplici e suscettibili di meccanizzazione, i rivestimenti danneggiati possono essere ripristinati “sul posto” – durante il funzionamento, questi materiali hanno un costo relativamente basso e il loro consumo per unità di superficie è ridotto. Tuttavia, la loro efficacia dipende dal rispetto di diverse condizioni: rispetto delle condizioni climatiche in cui verrà utilizzata la struttura metallica; la necessità di utilizzare esclusivamente pitture e vernici di alta qualità; stretta aderenza alla tecnologia di applicazione su superfici metalliche. Le pitture e le vernici si applicano meglio in più strati: la loro quantità fornirà la migliore protezione contro gli agenti atmosferici sulla superficie del metallo.

Rivestimenti anticorrosivi

Polimeri come resine epossidiche e polistirolo, polivinilcloruro e polietilene possono agire da rivestimenti protettivi contro la corrosione. Nei lavori di costruzione, le parti incorporate in cemento armato sono coperte con rivestimenti da una miscela di cemento e perclorovinile, cemento e polistirolo.

Protezione del ferro dalla corrosione mediante rivestimenti di altri metalli

Esistono due tipi di rivestimenti inibitori in metallo: rivestimento (zinco, alluminio e cadmio) e resistente alla corrosione (argento, rame, nichel, cromo e rivestimento di piombo). Gli inibitori vengono applicati chimicamente: il primo gruppo di metalli ha un’elevata elettronegatività rispetto al ferro, il secondo – un’alta elettropositività. I più diffusi nella nostra vita quotidiana sono i rivestimenti metallici di ferro con stagno (banda stagnata, lattine sono fatti da esso) e zinco (ferro zincato – coperture), ottenuti tirando la lamiera attraverso la fusione di uno di questi metalli.

I raccordi in ghisa e acciaio, nonché i tubi dell’acqua sono spesso zincati: questa operazione aumenta significativamente la loro resistenza alla corrosione, ma solo in acqua fredda (quando viene fornita acqua calda, i tubi zincati si consumano più velocemente di quelli non zincati). Nonostante l’efficacia della zincatura, non offre una protezione ideale: il rivestimento di zinco spesso contiene crepe, che richiedono una nichelatura preliminare delle superfici metalliche (nichelatura) per eliminarle. I rivestimenti in zinco non consentono l’applicazione di pitture e vernici su di essi – non esiste un rivestimento stabile.

La migliore soluzione per la protezione dalla corrosione è un rivestimento in alluminio. Questo metallo ha un peso specifico inferiore, il che significa che è meno consumato, le superfici alluminizzate possono essere verniciate e lo strato di vernice sarà stabile. Inoltre, il rivestimento in alluminio, rispetto al rivestimento zincato, è più resistente agli ambienti aggressivi. L’alluminio non è ampiamente utilizzato a causa della difficoltà di applicare questo rivestimento su una lamiera – l’alluminio allo stato fuso mostra un’elevata aggressività verso altri metalli (per questo motivo, la fusione di alluminio non può essere contenuta in un bagno d’acciaio). Forse questo problema sarà completamente risolto in un futuro molto prossimo: il metodo originale per eseguire l’alluminizzazione è stato trovato dagli scienziati russi. L’essenza dello sviluppo non è di immergere la lamiera d’acciaio nella fusione di alluminio, ma di sollevare l’alluminio liquido sulla lamiera d’acciaio.

Aumentare la resistenza alla corrosione aggiungendo additivi leganti alle leghe di acciaio

L’introduzione di cromo, titanio, manganese, nichel e rame nella lega d’acciaio consente di ottenere acciaio legato con elevate proprietà anticorrosive. L’elevata percentuale di cromo conferisce alla lega d’acciaio una resistenza speciale, grazie alla quale si forma un film di ossido ad alta densità sulla superficie delle strutture. L’introduzione del rame nella composizione di acciai a bassa lega e carbonio (dallo 0,2% allo 0,5%) consente di aumentare la resistenza alla corrosione di 1,5-2 volte. Gli additivi leganti vengono introdotti nella composizione d’acciaio in conformità con la regola Tamman: l’elevata resistenza alla corrosione si ottiene quando esiste un atomo metallico legante per ogni otto atomi di ferro.

Misure anticorrosive

Per ridurlo, è necessario ridurre l’attività corrosiva del mezzo introducendo inibitori non metallici e ridurre il numero di componenti in grado di innescare una reazione elettrochimica. Questo metodo ridurrà l’acidità dei suoli e delle soluzioni acquose a contatto con i metalli. Per ridurre la corrosione del ferro (sue leghe), nonché di ottone, rame, piombo e zinco, l’anidride carbonica e l’ossigeno devono essere rimossi dalle soluzioni acquose. Nel settore dell’energia elettrica, i cloruri vengono rimossi dall’acqua, il che può influire sulla corrosione localizzata. Limare il terreno può ridurne l’acidità.

Protezione contro le correnti vaganti

È possibile ridurre l’elettrocorrosione delle utenze sotterranee e delle strutture metalliche sepolte se vengono osservate diverse regole:

  • la sezione della struttura che funge da fonte di corrente parassita deve essere collegata con un conduttore metallico alla rotaia del tram;
  • le linee della rete di riscaldamento dovrebbero essere posizionate il più lontano possibile dalle ferrovie lungo le quali si muove il trasporto elettrico, per ridurre al minimo il numero delle loro intersezioni;
  • l’uso di supporti per tubi isolanti per aumentare la resistenza di transizione tra il suolo e le condutture;
  • agli ingressi degli oggetti (potenziali fonti di correnti vaganti), è necessario installare flange isolanti;
  • installare ponticelli longitudinali conduttivi su raccordi flangiati e giunti di dilatazione del premistoppa – per aumentare la conduttività elettrica longitudinale sulla sezione protetta delle tubazioni;
  • al fine di equalizzare i potenziali delle condutture situate in parallelo, è necessario installare ponticelli elettrici trasversali in sezioni adiacenti.

La protezione di oggetti metallici isolati e piccole strutture in acciaio è realizzata con un protettore che funge da anodo. Il materiale per il protettore è uno dei metalli attivi (zinco, magnesio, alluminio e loro leghe) – assorbe la maggior parte della corrosione elettrochimica, collassando e preservando la struttura principale. Un anodo di magnesio, ad esempio, protegge 8 km di conduttura.

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