Korozija

Korozija (iš ) tai metalų irimas dėl fizikinės ir cheminės sąveikos su aplinka, kai metalas pereina į oksiduotą būklę ir praranda jam būdingas savybes. Tipiškiausia korozija – geležies rūdijimas. Jos rūdys yra purios, todėl korozija gali plisti gilyn. Kiti metalai (chromas, aliuminis) koroduodami apsitraukia plona, standžia, deguonies nepraleidžiančia plėvele, kuri saugo metalą nuo tolesnės korozijos.

Korozijos priežastis yra termodinaminis metalų nestabilumas, todėl gamtoje jie visi yra oksidavęsi – išskyrus taurieji metalai, pvz., Au, Ag. Nustatyti korozojos vyksmą galima pagal izoterminio potencialo  (Gibso energija) pokytį. Pavyzdžiui, G1 – pradinių medžiagų energija, G2 – reakcijos produktų energija. Šiuo atveju sistemos energijos pokytis:

Savaime vyksta tik tie procesai, dėl kurių Gibso energija sumažėja, t. y. G1>G2 arba ΔG<0.

Išnagrinėjus tipinę metalo oksidacijos reakciją 2Me+O2+2H2O → 2Me(OH)2, paaiškėja, kad pavertus magnį, varį ir auksą hidroksidais standartinėmis sąlygomis, 1 metalo molyje Gibso energijos pokytis yra atitinkamai -598, -120, ir +66 kJ. Taigi magnis sparčiau oksiduojasi negu varis, o auksas visiškai nesioksiduoja.

Svarbi ne pati oksidacija, o korozojos greitis. Realus jos greitis priklauso nuo daugelio veiksnių: metalo paviršiaus struktūros ir būklės, temperatūros, korozinės aplinkos ir judėjimo greičio, medžiagos mechaninių įtempimų ir kt.

Nustatant korozijos greitį arba laipsnį, atsižvelgiama į pagrindinius ir šalutinius rodiklius. Pagrindiniai rodikliai: detalės paviršiaus vieneto masės sumažejimas arba padidėjimas (skaičiuojant per laiko vienetą; šis rodiklis rodo korozijos greitį); korozijos gylis; paviršiaus dalis, pažeista korozijos; korozinių dėmių skaičius paviršiaus ploto vienete; laikas iki pirmųjų korozijos židinių atsiradimo ir kt. Šalutiniai rodikliai: fizikinės ir mechaninės medžiagos savybės; elektrinė varža.

Korozijos rūšys 

Pagal vykstančius procesus korozija skirstoma į cheminę ir elektrocheminę

Cheminė korozija – tai metalų jungimasis su sausomis (deguonimi, sieros oksidais, halogenais ir t. t.) arba su skystomis, nelaidžiomis elektrai medžiagomis (nafta, kai kuriais sintetiniais junginiais). Su šia korozijos rūšimi daugiausia susiduriama metalurgijos (kalant, štampuojant, valcuojant metalus aukštoje temperatūroje) ir chemijos pramonėje.

Labiausiai paplitusi cheminės korozijos reakcija yra metalų jungimasis su deguonimi. Jau kambario temperatūroje  su deguonimi labai greitai reaguoja varis, geležis, aliuminis ir daugelis kitų metalų. Paprasčiausias korozijos pavyzdys yra degenų susidarymas geležies paviršiuje, esant aukštai temperatūrai. Degenų sudėtis priklauso nuo temperatūros. Kad būtų atsparesni korozijai, angliniai plienai paprastai oksiduojami ne aukštesnėje kaip 570° C temperatūroje. Tada plieno paviršius apsitraukia magnetito sluoksniu, pasižyminčiu geromis apsauginėmis savybėmis nelabai agresyvioje aplinkoje.

Elektrocheminė korozija vyksta, kai metalas liečiasi su elektrai laidžiu skysčiu (elektrolitu). Tai labiausiai paplitusi korozijos rūšis

Elektrocheminiai procesai sausoje dujinėje aplinkoje ar skystuose neelektrolituose dažniausiai nevyksta. Sakykim, į naftos sudėtį įeinantys angliavandeniai gryni su metalu nereguoja. Tačiau užtenka nedidelio kiekio priemašų, ir jų sąveikos procesai labai suaktyvėja. Koroziją ypač aktyvina vanduo, junginiai, kurių sudėtyje yra sieros ir kitų elektrocheminės reakcijos skatintojų. Elektrocheminė korozija panaši į reakcijas, vykstančias galvaniniame elemente.

Elektrocheminė metalų korozija susideda iš trijų svarbiausiųjų procesų:
 anodinio proceso (hidratintų metalo jonų susidarymo elektrolite bei elektronų anodiniuose ploteliuose);
 elektronų tekėjimo metale iš anodinių į katodinius plotelius ir anijonų bei katijonų maišymosi tirpale;
 katodinio proceso (katodinių plotelių elektronų  jungimosi su tirpale esančiais depoliarizatoriais: prijungiančiais elektronus jonais, atomais ir molekulėmis).

Labiausiai paplitę koroziniai procesai su deguonine depoliarizacija (suaktyvėjusiu anodiniu procesu). taip koroduoja svarbiausi techniniai metalai. Metalų korozija su deguonine depoliarizacija vyksta atmosferoje, vandenyje, druskų tirpaluose, dirvoje ir kitur. Žemės ūkio ir statybos mašinų detales dažniausiai ardo atmosferinė korozija, kurios sparta priklauso nuo oro drėgnumo, temperatūros, saulės radiacijos, oro užterštumo dujomis ir druskomis. Kuo drėgnesnis oras, tuo daugiau drėgmės apsorbuojama metalo paviršiuje arba tuo daugiau jos chemiškai sukoncentruojama, t. y. metalo paviršiuje susidaro hidratiniai junginiai ir kristaliniai hidratai. Drėgname sluoksnyje ištirpsta dujų bei įvairių priemaišų, dėl to susidaro elektrolitas.

Pagal metalo irimo pobūdį skirstoma ištisinė ir vietinė korozija. Ištisinė korozija vyksta visame metalo paviršiuje. Ji gali būti tolygioji ir netolygioji. Vietinės korozijos pakenktame metalo paviršiuje yra nedideliu koroduotų plotelių arba taškelių (pitingų), plyšių kristalų sąlyčio vietoje ir kt. Vietinė korozija skirstoma į dėmėtąją (metalo paviršiuje nedidelės dėmės), žaizdinę (duobutės), taškinę (meatalo paviršiuje gilios nedidelės duobutės, kurios gali virsti skylėmis), plyšinę (irimas, prasidėjęs metalo paviršiuje, plinta į vidų, dėl to korozijos produktai kaupiasi metale ir pastarasis išsipučia, susisluoksniuoja), tarpkristalinę (tai irimas kristalų sąlyčio vietoje) ir kt.

Pagal korozinę aplinką skiriama korozija dujinėje aplinkoje, kai metalas koroduoja sausoje aplinkoje, dažniausiai aukštoje temperatūroje, ir korozija skystoje aplinkoje, kai metalas suyra elektrai nelaidžiuose skysčiuose, skystuose metaluose ir elektrolituose. Yra atmosferinė korozija, kuri vyksta ore; požeminė korozija, vykstanti metalui liečiantis su gruntu (žemėmis, balastu, užpilu ir t. t.)

Atskirai reikia aptarti atmosferinę koroziją, kuri gali vykti sausoje aplinkoje (tai cheminė korozija), šlapioje aplinkoje (aplytos, aprasojusios mašinos, palikti dirbtuvių ar gamyklų teritorijoje įrenginiai) ir drėgnoje atmosferoje. Vandens garai pradeda kondensuotis (daiktų paviršius sudrėksta), kai santykinė drėgme pasiekia 100 %. Tačiau atlikti tyrimai parodė, kad daugeliu atvejų korozija staigiai padidėja, kai santykinė drėgmė pasiekia apie 70 %. Eksperimentais buvo nustatyta, kad jau esant apie 60 % santykinei drėgmei, metalo paviršiuje susidaro vienos molekulės storio vandens plėvelė. Jei metalo paviršius yra nešvarus, susidaro daug storesnis vandens sluoksnis. Kadangi vandens plėvelėje tirpsta atmosferos deguonis ir įvairios medžiagos, dulkių pavidalu nusėdusios ant metalo paviršiaus, prasideda elektrocheminė korozija tirpale.

Korozijos greitis drėgnoje aplinkoje labai priklauso nuo atmosferos sudėties. Ypač greitai koroduoja metalai, jei atmosfera užteršta sieros oksidais (SO2 ir SO3) ir sieros vandeniliu (H2S). Tirpdamas vandenyje sieros trioksidas (SO3) sudaro metalams labai agresyvią sieros rūgštį (H2SO4). Šios medžiagos į atmosferą patenka deginant akmens anglį ir mazutą. Sudegus 1 kg akmens anglies, gali susidaryti nuo 8 iki 100 g sieros dioksido. Manoma, kad Lietuvos teritorijoje į atmosferą išmetama per 100 tūkst. tonų sieros dioksido per metus, o perskaičiavus šį kiekį į sieros rūgštį, jis sudarytų per 200 tūkst. tonų.

Metalų apsauga nuo korozijos 

Visame pasaulyje daug dėmesio skiriama metalų apsaugai nuo korozijos, nes dėl jos patiriami metalo nuostoliai per metus sudaro apie 10-12 % išlydomo metalo kiekio. Kadangi korozijos priežastys ir rūšys labai įvairios, tai nėra universalaus metodo metalui nuo jos apsaugoti. Kaskart reikia atsižvelgti į sąlygas, kuriomis metalinės detalės dirba.

Metalo parinkimas ir jo apdorojimas. Norint apsaugoti nuo korozijos, reikia tinkamai parinkti metalą. Yra daug metalų, kurie ne tik atsparūs korozijai, bet ir pasižymi geromis mechaninėmis savybėmis (pvz., nerūdijantysis, kaitrai atsparusis plienas, spalvotieji metalai ir jų lydiniai).

Labai svarbu tinkamas metalo apdirbimas. Netinkamai jį apdirbus gali prasidėti korozija (austenitinių plienų tarpkristalinė korozija). Korozijos priežastis gali būti ir struktūriniai suvirinto metalo pokyčiai, nes nevienalytėje struktūroje susidaro potencialų skirtumas. Metalas tuo atsparesnis korozijai, kuo jis vienalytiškesnis ir kuo mažiau jame teršalų.

Konstrukcinis parinkimas. Korozija priklauso ir nuo gaminių konstrukcijos, ypač kai juos veikia atmosfera. Konstrukcijos dalys turi būti gerai prieinamos, kad būtų galima išvalyti ir perdažyti.

Labai svarbu, kad nesiliestų skirtingų potencialų metalai, ypač konstrukcijos, naudojamos agresyvioje aplinkoje.

Metalų paviršių apdirbimas. Kuo glotnesnis paviršius, tuo metalas atsparesnis korozijai. Ant šiurkštaus paviršiaus nusėdusiose dulkėse kaupiasi drėgmė, sukelianti koroziją, sunkiau susidaro apsauginės oksidų plėvelės. Koroziją labai veiksmingai sumažina, pavyzdžiui, paviršiaus kietinimas šratasraute mašina, poliravimas besisukančio minkšto veltinio disku patepant poliravimo pasta.

Metalų paviršiaus dengimas korozijai atspariomis medžiagomis. Tai vienas veiksmingiausių ir dažniausių kovos su korozija būdų. Parenkant dengiamąją medžiagą, atsižvelgiama į tai, kokį korozinį, mechaninį ir šiluminį poveikį patirs gaminys. Be to, atsižvelgiama į jo formą, matmenis, didumą, taip pat į kainą.

Metalų paviršiaus apsaugai nuo korozijos naudojamos šios apsauginės dangos: metalo (aliuminio, kadmio, chromo, vario, nikelio, cinko bei įvairių lydinių), metalo junginių (oksidų, oksidų-chromatų, fosfatų ir kt.) ir nemetalų (tepalų, lakų, dažų, dervų, gumos, emalio, keramikos ir kt.)

Metalo dangos daromos įvairiai: cheminiu ar elektrolitiniu, difuziniu, metalizavimo, plakiravimo ir kt. būdais. Cheminis nusodinimas – metalinės dangos nusodinimas cheminiu, bet ne elektrolitiniu būdu. Cheminio nusodinimo būdu dažniausiai sudaroma nikelio danga. Ji nusodinama redukuojant nikelio jonus natrio arba kalio hipofosfitu. Ši danga neakyta, o pakaitinta iki 600 °C temperatūros būna tokia pat kieta kaip ir chromo danga; be to, ši danga atspari korozijai. Elektrolitinis nusodinimas – procesas, kai danga gaunama ant metalo (katodo) elektros srovei tekant ištirpintu ar išlydytu elektrolitu, turinčiu nusodinamo metalo jonų. Difuzinis apdirbimas – danga, gaunama įsotinant metalo paviršinį sluoksnį metalu arba nemetalu dėl tarpusavyje vykstančios difuzijos. Plieno gaminių apsaugai nuo korozijos dažniausiai vartojamas aliuminis, silicis ir chromas. Metalizacija – detalių paviršiaus padengimas plonu metalų ar jų lydinių sluoksniu. Išlydytas metalas ar metalo milteliai suspaustu oru arba inertinėmis dujomis išpurškiami ant specialiai paruošto detalės paviršiaus. Pagal energiją metalizacija skirstoma į dujinę, elektrolankinę, induktyvinę ir plazminę. Dengiamieji paviršiai dažniausiai metalizuojami cinku, aliuminiu, variu, anglimi ir nerūdijančiu plienu. Plienui apsaugoti nuo atmosferinės korozijos pakanka 0,05-0,1 mm storio cinko dangos. Karštuoju būdu dangos daromos įmerkiant gaminį į išlydytą metalą. Šitaip plienas dengiamas išlydytu cinku (cinkuota skarda, viela) ir kt. Plakiravimo būdu dengiamojo metalo paviršius padengiamas apsauginio metalo lakštais karštai valcuojant arba presuojant, panaudojant sprogimo energiją. Tarp taip suspaustų metalų vyksta difuzija, dėl to jie sukimba.

Metalų junginių dangos dažniausiai susidaro vykstant cheminėms reakcijoms, sukuriamos oksidavimu, chromatavimu, fosfatavimu. Oksidavimas – procesas, kuriam vykstant, metalo paviršiuje susidaro oksidinė danga. Oksiduojama terminiu, gariniu – terminiu, cheminiu ir elektrocheminiu būdu. Plieno gaminys veikiamas bet kokiais oksidatoriais. Labiausiai paplitęs būdas yra dirbinių nardinimas į druskų nitratų tirpalą maždaug 140 °C temperatūroje. Kartais oksidavimas vadinamas juodinimu, nes dirbinys pasidaro melsvai juosvas. Be plieno, oksiduojami aliuminis, magnis ir jų lydiniai. Šiuo būdu gaminiai apsaugomi nuo atmosferos poveikio (įvairūs įrankiai, prietaisai). Dažniausiai oksiduojamos spyruoklės, nes nuo kitų dangų gali pasikeisti jų mechaninės savybės. Chromatavimas – chromatinės dangos sudarymas ant metalo paviršiaus chromo junginių tirpaluose. Chromatavimo tirpalas gaunamas chromo andihidridą tirpinant vandenyje. Chromatavimo proceso skatinimui į tirpalą įmaišoma sieros rūgšties. Fosfatavimas – netirpaus fosfatų sluoksnio sudarymas ant metalo paviršiaus fosfatų tirpaluose. Plieninės detalės dengiamos netirpia ortofosfatinės druskos plėvele. Fosfatinis sluoksnis yra gana šiurkštus ir sudaro gerą lakų ir dažų pagrindą.

Nemetalinės dangos būna neorganinės ir organinės. Neorganinės dangos – emalio, metalo keramikos ir kitokios dangos. Emalių būna paprastų ir atsparių kaitrai. Paprastųjų emalių dangos sudaromos išlydant metalinių dirbinių paviršiuje kai kurias mineralines dangas: boro silikatinį stiklą, boraksą, putnagą, kriolitą ir kt. Šios dangos atsparios neorganinėms ir organinėms rūgštims, silpniems šarmų tirpalams ir atmosferinei korozijai. Metalo keramikos dangos gaunamos pridėjus metalų į oksidus ir sunkiai lydžius junginius. Ja dengiant metalus, acetileno ir deguonies masę purškiama liepsnoje arba plazminio purškimo būdu. Organinėms dangoms naudojami tepalai, lakai, dažai, emaliai ir dervos. Tepalai – tai paprasčiausia danga, laikiniai sauganti metalus nuo korozijos. Vartojami mineraliniai, parafino tirpalai, vazelinas, bitumas ir kiti tepalai. Lakai – tai džiūvančių aliejų, dervų arba celiuliozės esterių koloidiniai tirpalai lakiuose organiniuose tirpikliuose (benzine, acetone, benzole ir kt.) Kartais į juos dedama pigmentų. Dažai ir emaliai yra neorganinių pigmentų suspensija plėveles sudarančiuose organiniuose skysčiuose: pokoste, aliejuje ir dervos mišinyje. Dažai ir emaliai dažniausiai saugo metalus nuo atmosferinės korozijos. Dervų dangos labai atsparios korozijai. Tai asfalto, bitumo, epoksido ir kitos dangos.

Metalų ir jų gaminių laikinajai saugai nuo korozijos – o tai dažniai taikoma žemės ūkio technikos saugojimui tarp darbų sezonų, ilgesniam laikui sustabdžius įrenginius, saugant atsargines dalis ir kt. – naudojami konservaciniai tepalai, alyvos, vaškai polimerų mišiniai, plėvėdariai naftos mišiniai ir apsauginės emulsijos su įvairiais korozijos lėtikliais.

Metalų apsaugai nuo korozijos taip pat yra naudojami protektoriai, kurie yra gaminami iš aktyvesnio metalo (cinkas, magnis, aliuminis) negu metalas kurį norima apsaugoti. Protektoriai veikia tik plokštumoje.

Literatūra 
 Mickūnaitis V. Autotransportas ir atmosferinė apsauga. – V.: Mokslas, 1984, – 48 p.
 Дмитриченко Н. Ф. Антикоррозионные смазочные материалы. – Киев: Урожай, 1987. – 96 с.

Chemija