Вопрос о том, почему одни виды металлов подвергаются ржавлению, а другие десятилетиями сохраняют внешний вид и структуру, интересует не только специалистов‑металлургов, но и владельцев металлолома, а также всех, кто работает с металлоизделиями. Для понимания этого процесса стоит разобраться в природе коррозии и особенностях строения различных металлов.
Что такое ржавчина? Природа появления коррозии.
Ржавчина — это результат электрохимической реакции окисления металлов, в первую очередь железа, при контакте с кислородом и влагой. Когда на поверхности чистого железа появляется влага, запускается цепочка химических процессов, в ходе которых образуется оксид железа — та самая подергивающая поверхность ржавчина бурого или красноватого цвета.
Окисление, то есть соединение металла с кислородом, приводит к разрушению его кристаллической решётки на поверхности и появлению этого рыхлого налёта. Процесс ускоряется при наличии солей, кислот и повышенной влажности воздуха.
Коррозия — это обозначение всех подобных разрушительных процессов, имеющих разные механизмы, такие как химическая (без участия воды) и электрохимическая (в присутствии воды, электролитов).
От чего зависит предрасположенность металла к коррозии?
Стойкость металлов к коррозии определяется несколькими основными факторами:
- Химический состав металла.
- Присутствие природной защитной плёнки.
- Электрохимические свойства.
- Внешние условия эксплуатации.
Давайте подробно рассмотрим каждый из них.
Химический состав металла.
Железо, цинк, алюминий, медь — все они имеют свои особенности строения. Например, железо активно вступает в реакцию с кислородом и влагой, тогда как алюминий и титан после первого контакта с воздухом покрываются очень плотной оксидной плёнкой, которая, наоборот, защищает металл от дальнейших разрушений.
Чистое железо всегда ржавеет быстрее, чем нержавеющие сплавы, в которых содержатся хром и никель. Ведь хром образует на поверхности металла очень прочный слой оксида хрома, прочно сцеплённого с поверхностью и препятствующего дальнейшему проникновению кислорода.
- Пример.
Если взять чугунную сковороду и нержавеющую ложку, то чугун быстрее покроется ржавчиной в сырых условиях, а ложка — нет.
Наличие естественной защитной плёнки.
Некоторые металлы в процессе контакта с воздухом образуют естественную защитную плёнку. Например, алюминий и цинк имеют свойство создавать плотную оксидную оболочку, через которую кислород и вода уже не могут проникнуть глубже.
Медь, напротив, покрывается зелёной или синеватой патиной — ещё одной формой защитного слоя.
Если защитный слой механически не повреждён, металл сохранится практически вечно.
Электрохимические свойства металлов.
В процессе коррозии работает целая электрохимическая система: вода с растворёнными солями (электролит) способствует передаче электронов между разными участками металла, особенно если металл неоднороден по своему составу.
Вот почему, например, если соединить железо и медь и бросить эту конструкцию в солёную воду, коррозия ускорится — будет работать принцип гальванической пары.
Таблица стойкости некоторых металлов к коррозии.
| Металл | Степень подверженности коррозии | Особенности и пояснения |
|---|---|---|
| Железо | Высокая | Быстро ржавеет при контакте с влагой и воздухом |
| Чёрная сталь | Высокая | Подвержена коррозии, если не защищена покрытиями |
| Нержавеющая сталь | Низкая | Защитная плёнка из оксида хрома гасит коррозию |
| Алюминий | Низкая | Быстро образует прочную оксидную плёнку |
| Медь | Умеренная | Покрывается патиной, не разрушается в атмосфере |
| Цинк | Очень низкая | Оксид цинка надёжно защищает металл от дальнейших реакций |
| Магний | Средняя/высокая | Оксид легко повреждается, в агрессивных средах разрушается |
| Латунь | Низкая | Коррозию вызывает лишь длительный контакт с агрессивной средой |
| Свинец | Низкая | Устойчив к атмосферной коррозии |
| Золото, платина | Очень низкая | Практически не окисляются в обычных условиях |
Внешние условия.
Степень влажности, температура, наличие солей (морской воздух), загрязнение воздуха промышленными газами — всё это усиливает или замедляет скорость коррозии. Обычная атмосфера мегаполиса разрушает железо быстрее, чем чистый горный воздух.
Также частые перепады температуры вызывают конденсацию влаги, что ускоряет образование ржавчины.
Почему нержавеющая сталь не подвержена коррозии?
Нержавеющую сталь относят к самым распространённым конструкционным материалам, которые устойчивы к коррозии. В её состав добавляется минимум 10,5-13% хрома. Именно благодаря хрому на поверхности образуется тонкая, прочная, химически устойчивая плёнка, непроницаемая для кислорода и воды.
Кратко:
- Плёнка не видна глазом, но надёжно защищает металл.
- Даже при царапинах плёнка быстро восстанавливается.
Это и объясняет, почему кухонная утварь, трубы, детали автомобилей столь популярны из нержавейки.
Алюминий и его антикоррозийные свойства.
Алюминий — один из наиболее лёгких и широко используемых металлов. При соприкосновении с кислородом он мгновенно покрывается оксидом алюминия, толщиной всего несколько нанометров. Этот слой очень прочный, изолирует металл от дальнейших реакций с кислородом, влагой и даже с кислотами.
Важно!
Если плёнка разрушена механически, алюминий тут же восстановит её даже обычным контактом с воздухом.
Поэтому многие детали автомобилей, оконные рамы, фасады зданий делают именно из алюминия.
Почему ржавеет железо или его сплавы?
Железо обладает высокой электрохимической активностью. Как только на металле появляется чуть‑чуть влаги (даже незаметная плёнка из росы), запускается цепочка электрохимических реакций.
Процесс выглядит так:
- Влага растворяет кислород и газы из воздуха.
- Кислород реагирует с железом — начинается образование ионов железа.
- За счёт внутренней неоднородности на поверхности возникают микроучастки анода и катода.
- Электрический ток способствует переходу железа в ионы и образованию ржавчины.
Важно, что ржавчина рыхлая и пористая — она не защищает металл, а только ускоряет разрушение, в отличие от защитных оксидных плёнок алюминия или хрома.
Можно ли полностью защитить металл от ржавчины?
Современные технологии предлагают много способов предотвратить коррозию металлических изделий. Среди самых эффективных:
- Нанесение лакокрасочных покрытий.
- Использование гальванических покрытий (оцинкование).
- Применение специальных антикоррозийных пропиток.
- Производство изделий из сплавов с добавками хрома, никеля, молибдена.
- Хранение металлов в сухих помещениях с низкой влажностью.
Каждый метод по‑своему эффективен, но полностью избавиться от потенциального появления ржавчины можно только при грамотном подборе материала и его защите.
Какие металлы ржавеют быстрее всего?
Наибольшей склонностью к коррозии обладают:
- Железо и его незащищённые сплавы.
- Чёрный прокат.
- Магний и его сплавы.
- Олово и свинец — в определённых кислотных средах.
Особенно быстро ржавеет металл в морской атмосфере, где много солей и влажность повышена.
Какие металлы почти не ржавеют?
На практике абсолютно устойчивых к коррозии металлов нет вообще, но есть материалы с минимальной скоростью разрушения.
К ним относятся:
- Золото и платина — не окисляются в обычных условиях.
- Алюминий — быстро самовостанавливается.
- Цинк — образует прочный оксид.
- Нержавеющая сталь — благодаря защите хромом.
- Медь — покрывается плотной патиной.
Такие металлы и сплавы используют в строительстве, медицине, электронике.
Вывод.
- Стойкость к коррозии у металлов значительно различается и зависит от химического состава сплава и условий эксплуатации.
- Наименее устойчивы к коррозии железо и чёрная сталь, поскольку быстро окисляются на воздухе.
- Значительно устойчивее алюминий, нержавеющая сталь, медь, цинк, латунь и свинец — благодаря защитным плёнкам на поверхности.
- Максимальную стойкость демонстрируют благородные металлы, такие как золото и платина, которые практически не подвержены коррозии.
- Для повышения стойкости к коррозии используют покрытия, сплавы, а также специальные средства защиты металлов.