Ржавчина — это оксид железа , обычно красновато-коричневый оксид, образующийся в результате реакции железа и кислорода в каталитическом присутствии воды или влаги воздуха. Ржавчина состоит из гидратированных оксидов железа(III) (Fe2O3·nH2O ) и оксида - гидроксида железа ( III ) ( FeO ( OH ) , Fe ( OH ) 3 ) , и обычно связана с коррозией очищенного железа .
При наличии достаточного времени любая масса железа в присутствии воды и кислорода может в конечном итоге полностью превратиться в ржавчину. Поверхностная ржавчина обычно хлопьевидная и рыхлая и не обеспечивает пассивирующей защиты для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медных поверхностях. Ржавление — это общий термин для коррозии элементарного железа и его сплавов , таких как сталь . Многие другие металлы подвергаются подобной коррозии, но образующиеся оксиды обычно не называют «ржавчиной». [1]
Несколько форм ржавчины различимы как визуально, так и с помощью спектроскопии и образуются при разных обстоятельствах. [2] Другие формы ржавчины включают результат реакций между железом и хлоридом в среде, лишенной кислорода. Арматура, используемая в подводных бетонных столбах , которая образует зеленую ржавчину , является примером. Хотя ржавление, как правило, является негативным аспектом железа, особая форма ржавления, известная как стабильная ржавчина , приводит к тому, что объект имеет тонкий слой ржавчины сверху. Если хранить при низкой относительной влажности, он делает «стабильный» слой защитным для железа ниже, но не в такой степени, как другие оксиды, такие как оксид алюминия на алюминии . [3]
Предполагалось, что ржавчина, образованная растворенным кислородом с железом в океанах, начала опускаться под морское дно, образуя полосчатые железные образования 2,5–2,2 миллиарда лет назад. После этого ржавчина вскоре подняла железные металлы к поверхности океана. Впоследствии они превратились в фундаменты из железа и стали , которые эффективно подпитывали промышленную революцию . [ необходима цитата ]
Ржавчина — это общее название комплекса оксидов и гидроксидов железа, [4] которые возникают, когда железо или некоторые сплавы, содержащие железо, подвергаются воздействию кислорода и влаги в течение длительного периода времени. Со временем кислород соединяется с металлом, образуя новые соединения, которые в совокупности называются ржавчиной, в процессе, называемом ржавлением. Ржавление — это реакция окисления, происходящая, в частности, с железом. Другие металлы также корродируют посредством подобного окисления, но такая коррозия не называется ржавлением.
Основным катализатором процесса ржавления является вода. Структуры из железа или стали могут казаться твердыми, но молекулы воды могут проникать в микроскопические ямки и трещины в любом открытом металле. Атомы водорода, присутствующие в молекулах воды, могут соединяться с другими элементами, образуя кислоты, что в конечном итоге приведет к большему обнажению металла. Если присутствуют ионы хлорида, как в случае с соленой водой, коррозия, скорее всего, произойдет быстрее. Между тем, атомы кислорода соединяются с атомами металла, образуя разрушительное оксидное соединение. Эти соединения железа хрупкие и крошащиеся и заменяют прочное металлическое железо, снижая прочность объекта.
Когда железо контактирует с водой и кислородом, оно ржавеет. [5] Если присутствует соль , например, в морской воде или соляном тумане , железо имеет тенденцию ржаветь быстрее в результате химических реакций. Металлическое железо относительно не подвержено воздействию чистой воды или сухого кислорода. Как и в случае с другими металлами, такими как алюминий, плотно прилегающее оксидное покрытие, пассивирующий слой , защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину происходит в результате совместного действия двух агентов, обычно кислорода и воды.
Другие разлагающие растворы — это диоксид серы в воде и диоксид углерода в воде. В этих коррозионных условиях образуются виды гидроксида железа . В отличие от оксидов железа, гидроксиды не прилипают к основной массе металла. По мере того, как они образуются и отслаиваются от поверхности, обнажается свежее железо, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока либо все железо не будет израсходовано, либо все кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы в системе не будут удалены или израсходованы. [6]
Когда железо ржавеет, оксиды занимают больший объем, чем исходный металл; это расширение может генерировать огромные силы, повреждая конструкции, сделанные из железа. Подробнее см. в разделе «Экономический эффект» .
Ржавление железа — это электрохимический процесс, который начинается с передачи электронов от железа к кислороду. [7] Железо является восстановителем (отдает электроны), а кислород — окислителем (приобретает электроны). Скорость коррозии зависит от воды и ускоряется электролитами , как показано на примере воздействия дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:
Поскольку он образует гидроксид -ионы , этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Аналогично, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при низком pH . Предоставление электронов для вышеуказанной реакции — это окисление железа, которое можно описать следующим образом:
Следующая окислительно-восстановительная реакция также происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для образования ржавчины:
Кроме того, на ход образования ржавчины влияют следующие многоступенчатые кислотно-основные реакции :
как и следующие равновесия дегидратации :
Из приведенных выше уравнений также видно, что продукты коррозии определяются доступностью воды и кислорода. При ограниченном растворенном кислороде предпочтительными являются материалы, содержащие железо(II), включая FeO и черный магнит или магнетит (Fe 3 O 4 ). Высокие концентрации кислорода благоприятствуют материалам с ферритным числом с номинальной формулой Fe(OH) 3− x O x ⁄ 2 . Природа ржавчины меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твердых веществ. [5]
Кроме того, на эти сложные процессы влияет присутствие других ионов, таких как Ca2 + , которые служат электролитами, ускоряющими образование ржавчины, или соединяются с гидроксидами и оксидами железа, осаждая различные виды Ca, Fe, O, OH.
Начало ржавления можно также обнаружить в лаборатории с помощью раствора индикатора ферроксила . Раствор обнаруживает как ионы Fe2 +, так и ионы гидроксила. Образование ионов Fe2 + и ионов гидроксила обозначено синими и розовыми пятнами соответственно.
Из-за широкого использования и важности изделий из железа и стали предотвращение или замедление ржавчины является основой основных видов экономической деятельности в ряде специализированных технологий. Здесь представлен краткий обзор методов; для подробного освещения см. статьи с перекрестными ссылками.
Ржавчина проницаема для воздуха и воды, поэтому внутреннее металлическое железо под слоем ржавчины продолжает корродировать. Таким образом, для предотвращения ржавчины требуются покрытия, которые исключают образование ржавчины.
Нержавеющая сталь образует пассивирующий слой оксида хрома (III) . [8] [9] Аналогичное пассивирующее поведение наблюдается у магния , титана , цинка , оксидов цинка , алюминия , полианилина и других электроактивных проводящих полимеров. [10]
Специальные сплавы " выветриваемой стали ", такие как Cor-Ten, ржавеют гораздо медленнее, чем обычно, поскольку ржавчина прилипает к поверхности металла в защитном слое. Конструкции, использующие этот материал, должны включать меры, которые позволяют избежать наихудших случаев воздействия, поскольку материал продолжает медленно ржаветь даже в почти идеальных условиях. [11]
Гальванизация заключается в нанесении на защищаемый объект слоя металлического цинка методом горячего цинкования или гальванопокрытия . Цинк традиционно используется, поскольку он дешев, хорошо прилипает к стали и обеспечивает катодную защиту стальной поверхности в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (например, в соленой воде) предпочтительнее кадмирование вместо основного защищенного металла. Защитный цинковый слой расходуется при этом действии, и, таким образом, гальванизация обеспечивает защиту только в течение ограниченного периода времени.
Более современные покрытия добавляют алюминий в покрытие в виде цинк-алюма ; алюминий будет мигрировать, чтобы покрыть царапины и, таким образом, обеспечить защиту на более длительный период. Эти подходы основаны на защите оксидами алюминия и цинка однажды поцарапанной поверхности, а не на окислении в качестве жертвенного анода, как в традиционных оцинкованных покрытиях. В некоторых случаях, таких как очень агрессивные среды или длительный срок службы, и цинк, и покрытие применяются для обеспечения улучшенной защиты от коррозии.
Типичная гальванизация стальных изделий, которые должны подвергаться нормальному ежедневному воздействию атмосферных условий на открытом воздухе, состоит из горячего цинкового покрытия толщиной 85 мкм . При нормальных погодных условиях оно будет ухудшаться со скоростью 1 мкм в год, обеспечивая примерно 85 лет защиты. [12]
Катодная защита — это метод, используемый для предотвращения коррозии заглубленных или погруженных конструкций путем подачи электрического заряда, который подавляет электрохимическую реакцию. При правильном применении коррозия может быть полностью остановлена. В простейшей форме она достигается путем присоединения жертвенного анода, тем самым делая железо или сталь катодом в образованной ячейке. Жертвенный анод должен быть изготовлен из чего-то с более отрицательным электродным потенциалом, чем железо или сталь, обычно из цинка, алюминия или магния. Жертвенный анод в конечном итоге подвергнется коррозии, прекратив свое защитное действие, если его не заменить своевременно.
Катодная защита также может быть обеспечена с помощью приложенного электрического тока. Тогда это будет известно как катодная защита с подаваемым током ICCP. [13]
Образование ржавчины можно контролировать с помощью покрытий, таких как краска , лак , олифа или восковые ленты [14], которые изолируют железо от окружающей среды. [15] Крупные конструкции с закрытыми коробчатыми секциями, такие как корабли и современные автомобили, часто имеют продукт на основе воска (технически «масло для промывки»), вводимый в эти секции. Такие обработки обычно также содержат ингибиторы ржавчины. Покрытие стали бетоном может обеспечить некоторую защиту стали из-за щелочной среды pH на границе раздела сталь-бетон. Однако ржавление стали в бетоне все еще может быть проблемой, так как расширяющаяся ржавчина может разрушать бетон изнутри. [16] [17]
В качестве тесно связанного примера, железные зажимы использовались для соединения мраморных блоков во время попытки реставрации Парфенона в Афинах , Греция , в 1898 году, но нанесли значительный ущерб мрамору из-за ржавления и разбухания незащищенного железа. Древнегреческие строители использовали похожую систему крепления для мраморных блоков во время строительства, однако они также заливали расплавленный свинец на железные соединения для защиты от сейсмических ударов, а также от коррозии. Этот метод оказался успешным для 2500-летней конструкции, но менее чем через столетие грубый ремонт оказался под угрозой неминуемого обрушения. [18] Когда требуется только временная защита для хранения или транспортировки, на поверхность железа можно нанести тонкий слой масла, смазки или специальной смеси, такой как Cosmoline . Такие обработки широко используются при « консервации » стального корабля, автомобиля или другого оборудования для длительного хранения.
Специальные противозадирные смазочные смеси доступны и наносятся на металлические нити и другие прецизионные обработанные поверхности для защиты их от ржавчины. Эти составы обычно содержат смазку, смешанную с медным, цинковым или алюминиевым порошком, а также другими фирменными ингредиентами. [19]
Воронение — это метод, который может обеспечить ограниченную [ нужна ссылка ] устойчивость к ржавчине для небольших стальных изделий, таких как огнестрельное оружие; для того чтобы этот метод был успешным, вороненую сталь и другую сталь [ нужна ссылка ] натирают водовытесняющим маслом .
Для предотвращения коррозии внутри герметичных систем можно использовать ингибиторы коррозии, такие как газофазные или летучие ингибиторы. Они неэффективны, когда циркуляция воздуха рассеивает их и приносит свежий кислород и влагу.
Ржавчины можно избежать, контролируя влажность воздуха. [20] Примером этого является использование пакетов с силикагелем для контроля влажности в оборудовании, перевозимом по морю.
Удаление ржавчины с небольших железных или стальных предметов электролизом можно выполнить в домашней мастерской, используя простые материалы, такие как пластиковое ведро, наполненное электролитом, состоящим из стиральной соды, растворенной в водопроводной воде , отрезок арматуры, подвешенный вертикально в растворе в качестве анода , другой, положенный поперек ведра в качестве опоры для подвешивания объекта, упаковочная проволока для подвешивания объекта в растворе к горизонтальной арматуре и зарядное устройство для аккумулятора в качестве источника питания, в котором положительный вывод зажимается на аноде, а отрицательный вывод зажимается на обрабатываемом объекте, который становится катодом . [ 21] На катоде и аноде образуются водород и кислород соответственно. Эта смесь является огнеопасной/взрывоопасной. [22] Также следует соблюдать осторожность, чтобы избежать водородной хрупкости . Перенапряжение также производит небольшое количество озона, который является очень токсичным, поэтому зарядное устройство для телефона низкого напряжения является гораздо более безопасным источником постоянного тока. Влияние водорода на глобальное потепление также недавно стало объектом пристального внимания. [23]
Ржавчину можно обработать коммерческими продуктами, известными как преобразователи ржавчины , которые содержат дубильную кислоту или фосфорную кислоту , которая соединяется с ржавчиной; удалить ее можно органическими кислотами, такими как лимонная кислота и уксус или более сильная соляная кислота ; или удалить ее с помощью хелатирующих агентов, как в некоторых коммерческих составах, или даже раствором патоки . [24]
Ржавчина связана с деградацией инструментов и конструкций на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объем, чем исходная масса железа, ее накопление также может привести к поломке, раздвигая соседние части — явление, иногда известное как «уплотнение ржавчины». Это стало причиной обрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники заржавели изнутри и оттолкнули один угол дорожной плиты от ее опоры.
Ржавчина была важным фактором в катастрофе Серебряного моста в 1967 году в Западной Вирджинии , когда стальной подвесной мост рухнул менее чем за минуту, убив 46 водителей и пассажиров, находившихся на мосту в то время. Мост Кинзуа в Пенсильвании был снесен торнадо в 2003 году, в основном потому, что центральные болты основания, удерживающие конструкцию на земле, заржавели, оставив мост закрепленным только за счет гравитации.
Железобетон также уязвим к ржавчине. Внутреннее давление, вызванное расширяющейся коррозией стали и железа, покрытых бетоном, может привести к растрескиванию бетона , что создаст серьезные структурные проблемы. Это один из наиболее распространенных видов разрушения железобетонных мостов и зданий.
Ржавчина — это часто используемая метафора для медленного распада из-за пренебрежения, поскольку она постепенно превращает прочный металл железа и стали в мягкий крошащийся порошок. Широкая часть индустриального американского Среднего Запада и американского Северо-Востока , где когда-то доминировали сталелитейные заводы , автомобильная промышленность и другие производители, испытала резкие экономические сокращения, из-за которых регион окрестили « Ржавым поясом ».
В музыке, литературе и искусстве ржавчина ассоциируется с образами увядшей славы, запустения, упадка и разрухи.
Сталь может ржаветь, и из-за своего состава сплава ржавеет медленнее, чем обычная сталь, а ржавчина образует защитное покрытие, замедляющее скорость будущей коррозии
Для атмосферной коррозии см. Карту тысячелетия Ассоциации гальваников по средним скоростям коррозии цинка. Около 50% территории Англии и Уэльса имеют скорость менее 1 мкм/год
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
