За нами не заржавеет

01.10.201803.12.2018
Вы знали, что ржавеют все металлы и сплавы, просто происходит это по-разному? Что потери от коррозии металлических конструкций могут составлять до 4% от годового национального продукта? Коррозия или ржавление это разрушение металлов и сплавов в результате химического воздействия окружающей среды. Существует несколько типов и видов коррозии, и целый ряд способов защиты от неё. Как происходит коррозия в разных средах? Можно ли воспроизвести эти условия у себя дома? Как бороться с коррозией и чем нам могут помочь нанотехнологии? Может ли коррозия стать… искусством? Ответы на эти и другие вопросы ищите в нашем курсе.

Корро́зия или ржавление — это самопроизвольное разрушение поверхностей металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Этим коррозия отличается от разрушения по физическим причинам: эрозии, истирания, износа.

На неметаллические материалы определение коррозии не распространяется. Так, для резин и полимеров существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия. Однако говорить «коррозия резины» не совсем верно: механизмы и кинетика процессов для неметаллов и металлов будут разными.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление» — коррозия железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состоящих из гидратированных остатков железа.

Пример — кислородная коррозия железа в воде:

{\displaystyle {\rm {4Fe+6H_{2}O+3O_{2}\rightarrow 4Fe(OH)_{3}}}}

Образовавший в результате гидроксид железа и называется ржавчиной.

Мы все видели ржавчину, но на всякий случай несколько примеров:

Ржавый мост первой четверти прошлого века

Фрагмент металлической ограды. Видно, как слезает слой эмали, и на незащищённых участках возникает ржавчина.

Рельса со следами ржавчины

Крепёжный элемент со следами глубокой коррозии, заметна даже деформация поверхности

Классификация коррозии

Процессы коррозии отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому единой классификации до сих пор нет.

Коррозию можно различать по:

  • механизму протекания: химическая и электрохимическая;
  • условиям протекания коррозионного процесса: контактная коррозия, коррозия при погружении — неполном, полном или  переменном, коррозия при трении, коррозия под напряжением;
  • типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения: газовая, атмосферная, подземная, коррозия в электролитах/неэлектролитах;
  • характеру (масштабу) разрушения: сплошная или локальная коррозия, равномерная или неравномерная, точечная, сквозная и т.д.

Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Наиболее частая форма коррозии — электрохимическая. Это разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов.

Гальванический элемент возникает, когда электроды — два металла с различными окислительно-восстановительными потенциалами  — погружаются в раствор электролита (конденсат, дождевая или морская вода и т. д.). А если если в воде (например, в морской) растворены ионы солей, кислот, или т. д., её электропроводность повышается, она является более мощным электролитом, поэтому скорость процесса коррозии увеличивается.

В гальваническом элементе происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. При этом, если растворяющийся электрод коррозионно-стоек, процесс коррозии замедляется.

На этом основана, например, защита железных изделий от коррозии путём оцинковки — цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такой паре железо восстанавливается, а цинк должен корродировать с образованием на своей поверхности оксидной плёнки. Плёнка существенно замедляет процесс коррозии. Но о защите о коррозии мы поговорим позднее.

Химическая коррозия это взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисления металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте.

Как бороться с коррозией

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам. Мы говорим о прямых (стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования) и косвенных убытках (простои оборудования при необходимом и плановом ремонте, утечка продуктов, нарушение технологических процессов).

Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в стоимости изделий, разрушаемых коррозией.

Согласно международным стандартам (ISO 8501-1) и российским ГОСТам, защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материалов и способом их нанесения.

Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности перед дальнейшей защитой субстрата является абразивоструйная очистка.

Традиционно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

  • Конструкционный: использование нержавеющих сталей, цветных металлов. Также при проектировании инженеры стараются изолировать материалы от среды  с помощью герметиков, резиновых прокладок и т.д.
  • Активный: изменение структуры двойного электрического слоя, например, с помощью катодной защиты — наложения постоянного электрического тока
  • Пассивный: нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента. Это может быть лакокрасочное покрытие, полимерное покрытие, эмаль, тонкий слой других металлов (цинк, олово, хром, никель, кадмий)

Ржавчина как вид коррозии

Продукты коррозии железа и его сплавов (сталь) называют ржавчиной. Как правило, это образования оксида железа, но подобный же процесс происходит при взаимодействии железа и хрома. При наличии кислорода и воды и достаточном времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. В солёной воде это происходит намного быстрее (см. выше). Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому проржавевший слой не защищает более нижние слои железа.

Ржавчина разделяется по цветам, и это не случайно.

Красные и оранжевые оттенки образуются под воздействием кислорода на железо под воздействием воды.

Зелёная ржавчина встречается реже.  Она образуется под воздействием на железо хлора без участия в процессе кислорода.

Защита от ржавчины аналогична защите от коррозии в целом. Это:

  • покрытие цинком, оловом, хромом или кадмием различными методами (гальванизацией, напылением, осаждением и т.д.);
  • катодная защита — подача на металл постоянного электрического заряда;
  • искусственное снижение влажности среды;
  • различные антикоррозийные ингибиторы.

Дополнительные материалы:

http://www.corrosioncost.com — англоязычный сайт об экономических последствиях коррозии.


Ржавление в домашних условиях

Выше мы говорили в основном о природном ржавлении. Однако существует несколько достаточно простых способов ускорить появление ржавчины в домашних условиях.

Первым шагом станет поиск подходящего металла. Ржавлению подвержены металлы с содержанием железа, но как мы уже знаем, часть из них эффективна защищена от коррозии. Однако ржавлению хорошо поддаются чёрные металлы, чугун, кованное железо. Для эксперимента хорошо подойду гвозди (неоцинкованные) и другая не защищённая от коррозии металлическая фурнитура. Обычно такую фурнитуру используют для внутренних работ, в помещениях с нормальной влажностью.

Выбранный материал перед искусственным ржавлением нужно обработать — на нём наверняка остались грязь или — особенно в случае с гвоздями —  машинное масло. Достаточно вымыть металлическое изделие с мылом, а затем прокипятить в обычной кастрюле 10 минут, а затем остудить.

Второй шаг — подготовка коррозирующей среды. Это может быть:

  • обычная водопроводная вода;
  • фильтрованная вода;
  • вода с добавлением соли;
  • вода с добавлением соды;
  • вода с добавлением уксуса.

Добавление соли, соды и уксуса создает среду разной кислотности, с разным уровнем ph.

Третий шаг это, собственно, сам процесс заржавления.

Вы помещаете подготовленный металл в коррозирующую среду. Скорость протекания процесса ржавления и масштаб разрушения металла зависит от продолжительности, температуры (в холоде или при жаре процесс пойдёт по-разному).

ВАЖНО! Выберите для работы хорошо проветриваемое помещение, используйте перчатки и пластиковую посуду (но не одноразовую — она может не выдержать).

Можно поэкспериментировать и приготовить более «экзотическую» коррозирующую смесь.

Ржавление с помощью перекиси водорода и поваренной соли

Необходимо сначала обработать поверхность металла перекисью водорода (просто погрузив в ёмкость или с помощью пульверизатора), затем нанести сверху некрупную соль.

Металл начнет ржаветь достаточно быстро, а интенсивность процесса  зависит от количества соли. После внесения соли дайте металлу высохнуть на свежем воздухе, а потом убирайте остатки соли. Этот метод интересен тем, что можно создавать на металле узоры и надписи, нанося перекись водорода на определённые участки металла.

Ржавление с помощью перекиси водорода и уксуса

Необходимо сначала обработать поверхность металла перекисью водорода: в этот раз удобнее использовать пульверизатор. Затем, не дав перекиси высохнуть, аналогичным образом нанести уксус.

При нормальной температуре воздуха эффект ржавления проявится через несколько часов.

Ржавление с помощью лимонного сока и соли


Здесь необходимо приготовить именно смесь. Возьмите лимонный сок и соль в отношении 4 к 1, и нанесите на металл.

Есть и другие способы ускорить ржавление (с помощью различных бытовых чистящих средств, растворителей, отбеливателей и т.д.). Но их использование может быть опасно.

Дополнительная сведения о ржавлении металлов:

К вопросу «Откуда на гвоздях машинное масло?»

http://metalgeek.com/archives/2006/06/13/000065.php — ресурс на английском языке

UPD!

Осталось чуть больше месяца до завершения нашей конкурсной программы, и нам — как авторам — было бы интересно получить обратную связь. Она поможет в дальнейшем сделать наши программы ещё более интересными и увлекательными. Пожалуйста, заполните анкету по ссылке, это не отнимет у вас много времени.

Анкета обратной связи

Задание

Мы предлагаем на выбор три задания. Вы можете выполнить одно из них:

В зависимости от выбранного задания и качества исполнения вы можете продвинуться в освоении следующих компетенций, важных для составления индвидуального Профиля:

Исследование

Чтение и письмо (aka Новая грамотность)

Самоогранизация

Творчество aka Способность решать кейсы

Задание # 1

Вы можете выступить в роли популяризатора науки. При подготовке этого модуля мы обнаружили, что существует не так много качественных материалов, которые бы рассказывали о процессе коррозии интересно, корректно, но вместе с тем доступно. Поэтому в качестве первого задания мы предлагаем Вам подготовить короткий (до 7 минут) анимированный видеоролик, посвящённый коррозии как явлению.

Для создания анимированных роликов вы можете воспользоваться следующими сервисами:

Объясняшки — http://xplainto.me

позволит создать собственный контент. Сначала нужно сделать черновую раскадровку истории, придумать персонажей, начитать текст на диктофон, и, наконец, добавить детали и исправить ошибки. Далее программа превратит контент в анимацию, которую можно загрузить на YouTube или Vimeo.

Образец анимации, созданной в программе Объясняшки:

Sparkol VideoScribe — https://www.sparkol.com

Позволяет создавать видеоролики с эффектом, прорисовывания сюжета от руки.

PowToon — https://www.powtoon.com

Бесплатное онлайн приложение для создания анимированных видео-презентаций с дополнительными платными возможностями. В программе предусмотрено несколько вариантов анимации текста на слайдах: написание текста от руки, последовательное появление букв, а также простые варианты анимации текста, к которым в привыкли в программе PowerPoint. Библиотека анимированных изображений содержит модели разных человечков в векторной графике и множество элементов инфографики. Более сложные изображения можно приобрести по подписке.

GoAnimate — https://goanimate.com

Онлайн-программа по созданию презентаций и анимированных видео-роликов с широкими возможностями. Программа имеет бесплатную версию с ограниченными возможностями и различные варианты ежемесячной подписки.

Список предложенных программ и сервисов не является полным и окончательным, и конкурсанты вправе использовать инструменты на свой выбор. Можно использовать более профессиональные инструменты вроде Adobe Animate. Также вы можете использовать технологию stop-motion. Подробнее о stop-motion

Критерии оценки работ:

  • Терминологическая и научная корректность;
  • Простота и доступность: содержание ролика должно быть понятно человеку без профильного химического образования, но при этом без излишнего упрощения;
  • Грамотность, соблюдение норм литературного языка;
  • Оригинальность;
  • Эстетичность;
  • Образность (большой плюс – наличие ярких научных метафор);
  • Наглядность;
  • Наличие ссылок на дополнительный материал, используемый при подготовке конкурсной работы.

Требования к оформлению материалов:

Видеролики следует разместить в Интернете: в социальных сетях Вконтакте или Facebook, либо на видеохостинге (YouTube, Vimeo). Ссылку на видео скопируйте в текстовый документ и пришлите на конкурс.

Задание #2

Мы предлагаем вам выступить в роли исследователя и самостоятельно установить зависимость протекания коррозии от условий, в которых находится металл. Для этого предстоит провести многодневное исследование, наблюдая за образцами. Подробное описание исследования Вы найдёте ниже:

Зависомость протекания коррозии от условий, в которых находится металл (в формате PDF)

Протокол эксперимента (в формате XLSX)

Для проведения исследования изучите описание опыта, и по итогам эксперимента корректно заполните Протокол эксперимента.

Критерии оценки работ:

  • Соблюдение процедуры опыта. Например, некорректно проверять образцы через неравные промежутки времени;
  • Грамотность, соблюдение норм литературного языка;
  • Терминологическая корректность;
  • Качество и наглядность фотографий;
  • Полнота описания этапов опыта;
  • Наличие дополнительных примечаний к описанию каждого этапа;
  • Оригинальность исследования.

Требования к оформлению материалов:

В качестве выполненного задания следует отправить заполненную таблицу с Протоколом наблюдений, а также фотографии образцов. Фотографии могут быть размещены в PDF-файл, в архив, или во внешнее хранилище (ссылку скопируйте в текстовый документ и пришлите на конкурс).

Задание #3

Последнее задание позволит примерить на себя роль художника.

В рамках курса и изучения дополнительных материалов к нему вы увидели много изображений коррозии, и многие из них достаточно красивы. Более того, искусственное старение металла стало одним из трендов в дизайне помещений, автомобилей и предметов интерьера, как один из способов добавить предмету шарм и свою историю.

Мы предлагаем вам воспользоваться полученными знаниями и создать произведение современного искусства с помощью процессов коррозии.

Критерии оценки работ*:

* Критерии во многом формальны, но в целом работа будет оценена как любое другое произведение искусство.

  • Оригинальность замысла;
  • Качество исполнения
  • Отсутствия плагиата: мы умеем пользоваться поиском по рисункам:);
  • Качество фотографий: сложно будет оценить красоту работы, если фотография в низком разрешении;
  • Плюсом будет описание работы: как было произведено ржавление, за какой срок и какими способами;
  • Вы можете художественно обработать фото, однако слишком сильная и глубокая обработка не приветствуется. Нам более интересно оригинальное изображение, а не его обработанная в фоторедакторе версия.

Требования к оформлению материалов:

В качестве выполненного задания следует отправить одну или несколько фотографии. Описание работы (при наличии) пришлите на конкурс в виде текстового документа.