Спросите металлурга:что такое ржавчина?

Химия коррозии:как очистить и защитить металлические предметы

Ржавчина — это общее название химических веществ, образующихся при взаимодействии железа с кислородом и водой. Однако «ржавчина» плохо определяется в химии — много химических веществ может образоваться, когда железо остается незащищенным. Тем не менее, мы обычно называем ржавчиной красный, шелушащийся вид, возникающий в результате воздействия определенных химических веществ.

Коррозия железа или стали приводит к образованию множества различных соединений в обычных условиях окружающей среды. Некоторые из этих химических веществ будут черными, синими, желтыми, серыми или коричневыми, в зависимости от того, какие молекулы они захватывают из окружающей среды при ржавлении. Например, кислотные дожди, содержащие серу, могут соединяться с железом, образуя молекулы пирита, желтого минерала, называемого «золотом дураков». Эти минералы вовсе не то, что мы думаем о ржавчине. Обычно мы имеем в виду оксид железа (III) красного или красно-коричневого цвета.

Следовательно, когда мы говорим о ржавчине железа, мы не всегда связываем ее с химическими изменениями, наблюдаемыми в других металлах, которые мы регулярно используем. Мы не говорим о «ржавении» серебра или меди. Вместо этого говорят, что медь покрывается патиной, а серебро тускнеет. Все эти термины описывают коррозию открытого металла.

Почему железо ржавеет? Почему медь не ржавеет?

Металлы подвергаются коррозии в результате химических реакций с окружающей средой. Рафинированные, пригодные для использования человеком металлы часто находятся не в самой термодинамически стабильной форме. Они реагируют с молекулами воздуха вокруг себя, чтобы найти более стабильное состояние.

При ржавлении железа это процесс окисления, при котором кислород и вода образуют оксиды железа. Однако коррозия может происходить и с другими молекулами. Потускнение серебра часто возникает в результате реакций с сероводородом, газом, который пахнет тухлыми яйцами и образуется в результате бактериального разложения в среде с низким содержанием кислорода. Если у вас есть серебро рядом с болотом или рядом с помойкой, оно быстро потускнеет!

Некоторые металлы не подвержены коррозии, потому что они уже химически стабильны. Примерами являются золото и платина:по этой причине их чаще можно найти в виде чистого элементарного металла в земной коре. Серебро также встречается в виде чистого металла, потому что, когда оно тускнеет, оно создает термодинамически стабильное уплотнение вокруг остального металла. Эта пассивная пленка предотвращает дальнейшую коррозию нижних слоев в процессе, называемом пассивацией.

Патина меди, отвечающая за характерный зеленый цвет Статуи Свободы, является примером пассивной пленки, которая защищает металл под ней; зеленая медь, образовавшаяся в результате выветривания меди, сохраняет свою связь с нижним слоем меди, изолируя и защищая его от атмосферных молекул.

Напротив, красные оксиды железа (III) не связываются с железом под ними, а скорее отрываются и отслаиваются. Таким образом, ржавчина не образует пассивирующий слой, а разъедает, подвергая окислению следующий слой железа.

Некоторые сплавы на основе железа, такие как нержавеющая сталь, известны своей устойчивостью к ржавчине. Стойкие к ржавчине сплавы железа содержат в смеси металл, который создает пассивную и защитную пленку до того, как может появиться ржавчина. Для нержавеющей стали пассивация создается за счет добавления хрома, который быстро окисляется, оставляя очень тонкий слой, защищающий железо. .

Распространенные виды коррозии металлов

Металлы подвергаются коррозии в различных средах посредством различных процессов. Простейшая форма коррозии возникает, когда металлы реагируют на влагу и воздух на своей поверхности. В соленой среде присутствие хлора в соли может ускорить или замедлить этот процесс. Причиной кислотных дождей могут быть соединения серы.

Соленая среда также способствует несколько более сложному процессу, называемому гальваническая коррозия. . При гальванической коррозии два типа металлов с очень разными электрическими потенциалами вступают в электрический или физический контакт в ванне с электролитом, например, с морской водой. Более пассивный металл, катодный металл, оттягивает электроны от активного или анодного металла. Эта химическая реакция является формой коррозии, которая также лежит в основе электрохимических батарей.

Вновь заряженные молекулы анодного металла стабилизируются, соединяясь с молекулами окружающей среды, обычно образуя оксиды или другие минералы. В стали эти оксиды представляют собой ржавчину.

Алюминий — это один из металлов, который во время коррозии обычно защищается пассивирующей пленкой. Однако алюминий может быстро подвергнуться коррозии, если его закрепить винтами из нержавеющей стали из-за гальванической коррозии. С другой стороны, стальные винты будут более устойчивы к ржавчине! Обеспечение постоянного потока электронов анодом предотвращает коррозию металла катода. По этой причине иногда к металлу, который будет подвергаться воздействию моря, например, к корпусу корабля, прикрепляют «жертвенные аноды», чтобы электрохимически защитить мембрану корабля.

Питтинговая коррозия это термин для коррозии, которая не происходит равномерно по всей поверхности металла. Вместо этого в металле появляются небольшие отверстия. Эти области более быстрой коррозии обычно возникают из-за нарушения «уплотнения» на материале, будь то искусственный герметик, такой как краска или порошковое покрытие, или пассивный пленочный герметик верхнего слоя коррозии. Пассивирующий слой может выйти из строя, если в металле есть включения или сплав неоднороден. Металл представляет собой кристаллическую структуру, состоящую из зерен, и существуют различные фазы этих зернистых структур. Если химический состав неравномерный или деформированный, это может привести к образованию пятен, более уязвимых для коррозии, и даже вызвать гальваническую коррозию по всему телу из того же металла.

Может ли нержавеющая сталь ржаветь?

Нержавеющая сталь – это устойчивый к коррозии сплав железа, который борется с ржавчиной с добавлением хрома. Различные проценты хрома используются, чтобы сделать его устойчивым к регулярному использованию или интенсивному использованию в соленой среде, как в нержавеющей стали 316.

Однако даже нержавеющая сталь может ржаветь! Все железо, запертое в металле, просто нуждается в воздействии, чтобы вступить в реакцию. Для его защиты используется «изолирующий» пассивный слой оксида хрома.

Слой оксида хрома имеет толщину всего в несколько молекул и не образуется мгновенно. При изготовлении нержавеющей стали ее очищают кислотой. Эта кислота удаляет любые отложения железа, соли или жира на поверхности, которые могут вызвать проблемы с химической реакцией хрома. В зависимости от типа используемой кислоты она может быть частью процесса пассивации или просто подготавливать сталь к естественной пассивации на воздухе.

Поскольку эта пассивная пленка является химическим веществом, ее можно разрушить. Очень высокая температура, превышающая 750 ° F, может вызвать молекулярные изменения в хроме, которые препятствуют окислению, поэтому вокруг места сварки на нержавеющей стали может образоваться ржавчина. В других случаях слой оксида хрома может быть поврежден в результате быстрого термического изменения, истирания, поломки, соли, кислоты и накопления других металлических отложений. Если нержавеющая сталь соприкасается со слишком большим количеством железа, локальное процентное содержание хрома может упасть ниже минимального процентного содержания, необходимого для поддержания пленки (нижняя граница составляет 10,5%).

Следовательно, чистка нержавеющей стали стальной ватой может усугубить проблему ржавчины! По мере износа хрома молекулы стали из скруббера могут стать частью основного металла, снижая локальное содержание хрома. Когда пассивация нержавеющей стали не проходит, а железо подвергается воздействию воды и воздуха, возникает ржавчина.

Как очистить нержавеющую сталь от ржавчины

Советы по очистке нержавеющей стали часто предполагают, что вы должны «осторожно поцарапать хромированную поверхность», и поэтому рекомендуют не использовать абразивы и другие химические вещества. Это не совсем правильно:ржавчина свидетельствует о том, что поверхность оксида хрома уже повреждена. Цель очистки нержавеющей стали от ржавчины в непромышленном контексте (дома или на небольшой коммерческой кухне) состоит в том, чтобы сначала полностью очистить нержавеющий сплав, удалив всю ржавчину, а также все отложения железа, соль, жир или кислоту. а затем позволить материалу «автопассивироваться», то есть вступить в реакцию с воздухом, чтобы восстановить уплотнение. Один из способов быть довольным результатом — избегать любых форм железа и стали.

Чтобы очистить нержавеющую сталь от ржавчины:

1. Чтобы удалить ржавчину, можно использовать мягкий абразив, например пищевую соду, для очистки поверхности тканью, губкой или щеткой с мягкой щетиной.
2. По мере удаления ржавчины и любых загрязнений хром мгновенно самопассивируется, создавая собственный защитный экран.
3. В течение следующих нескольких дней слой оксида хрома становится толще, поэтому сушка на воздухе в течение ночи помогает укрепить его защиту!
4. После тщательного ополаскивания нержавеющую сталь можно оставить сохнуть на воздухе или очистить и отполировать специальным очистителем для нержавеющей стали.

В производственных условиях нержавеющую сталь иногда очищают в горячей ванне с азотной кислотой, которая «вынуждает» наносить более толстый слой пассивации. По экологическим причинам многие производители в настоящее время переходят на использование лимонной кислоты для очистки, что может быть более распространенным в домашних условиях, а затем позволяют нержавеющей стали «автопассивироваться».

Как удалить ржавчину с чугуна и стали

В отличие от удаления ржавчины со сплавов нержавеющей стали, использование стальной мочалки или щетки с проволочной щетиной может помочь удалить ржавчину с чугуна или стали!

Для простых небольших поверхностей, таких как ржавые чугунные сковороды:

1. Железная щетка и немного смазки для локтей могут удалить слой оксида железа. Соль – широко используемый абразив.
2. После этого сковороду следует хорошо вымыть.
3. Сковорода должна быть высушена на огне, чтобы все поры поверхности были вытеснены жидкостью.
4. Чугун необходимо смазать маслом, которое при запекании на поверхности образует полимерный герметик.
5. Это масло можно нанести на поверхность тонким слоем, а затем запечь (в перевернутом виде, чтобы предотвратить скопление) при 375° в течение 1 часа. При желании можно добавить дополнительные слои.
6. Льняное масло пищевого качества — идеальный выбор в качестве приправы к маслам, обеспечивающий твердое глянцевое покрытие.

Чистка нецелесообразна для многих объектов сложной формы или размеров. В этом случае химические методы удаления могут быть лучшим подходом. Они имеют разную эффективность в зависимости от типа используемого сплава. Можно использовать обычные бытовые ингредиенты, такие как уксус, патока или лимонная кислота. Патока – неожиданный выбор, и на ее приготовление уходит больше времени, чем на уксус, но она может быть весьма эффективной, поскольку распадается на щавелевую кислоту, помогающую удалить ржавчину.

Также доступны коммерческие продукты для удаления ржавчины, часто изготавливаемые с более сильными кислотами. Замачивание в этих жидкостях, а затем извлечение и сушка могут быть эффективными при восстановлении старых ржавых сокровищ.

Однако, как и в случае с чугунными сковородами, важно учитывать, как ваша сталь и железо будут защищены от элементов после их очистки.

Защита черных металлов

Железо в присутствии воздуха и воды ржавеет. Это означает, что пока человечество занимается обработкой железа, мы также работаем над лучшими герметиками для железа. Есть много способов создать плотный слой.

Принудительная пассивация — Очень распространенная форма герметизации железа или стали состоит в том, чтобы коррозировать первый слой до образования оксида железа (II) или черного оксида, который действует подобно другим металлическим патинам и герметизирует металл. Единственная разница между этим процессом и тем, что происходит с медью, цинком или хромом, заключается в том, что он не происходит при обычных условиях окружающей среды. Поэтому, если верхний слой предмета поврежден, весь предмет придется перекрашивать. Это известно как «воронение», когда оно выполняется с помощью пистолета с помощью одного процесса, или «чернение» в большинстве механических мастерских с помощью аналогичного процесса, но с немного другими химическими веществами. В процессах холодного чернения поверхность можно покрыть оксидом железа (II), что обеспечивает чуть менее прочную защиту.

Регулярное использование и уход, включая нанесение масла или воска — Некоторое количество работающего железа или стали останется в основном сырым, где использование, уход или окружающая среда будут поддерживать их блеск. Traditionally, weapons like swords and gear like knives might have been left “raw” but would be dried and oiled with mineral or cooking oils, which are temporary sealants needing regular reapplication. For long storage, waxes and other polishes might be used to create a seal—but one that would still wear with use.

Engine parts exposed to regular oil might be left raw, as the heat and oil around the engine make them unlikely to rust, but outside surfaces might be painted. The exhaust systems of cars rely on the higher temperatures of a fully hot engine to prevent corrosion, and so driving long enough for the engine block to heat is a way of preventing rust in a muffler. (In high-performance racing engines, the insides might also be painted, but this is mostly to help with the circulation of oil.)

Applied sealants —Many iron and steel products are protected by being coated in a hard layer of another substance. These include:

• Polymerized oil:  Linseed oil (made of flax, but not to food-grade standards) was one of the original finishes to wrought iron products. A smith might quench in oil or paint an object with oil and then torch it, providing the traditional black-brown luster that we still emulate on wrought iron today—usually with lacquers, paints, or varnishes.
• Hot-dip galvanization:  In this process, zinc is applied to steel or iron in a molten bath. Zinc galvanization has several protective properties. Firstly, it creates a patina, which seals both the zinc and the iron or steel below. Secondly, it is more “active” than the metals it is applied to. Over the life of a galvanized steel object, the zinc acts as the “sacrificial anode.” As it degrades, it protects and slows the corrosion of the steel underneath, even should that steel be exposed.
• Electroplating:  Zinc can be applied to steel not through a dip-bath, but by running electrical charge through the steel object, and spraying the object with charged zinc particles. This causes electrical bonding that is uniform and unbroken over the surface of the metal.
• Powder-coat:  The process for applying powder coating is like that of applying zinc in that the object and the sealant are both electrostatically charged, meaning a molecular bond without even the tiniest interruptions that will let moisture through. The resinous powder coat is then baked onto the object in a hot oven. The coat will maintain luster for years, providing superior protection and requiring minimal upkeep.
• Paint:  Both indoors and out, and even in the heart of high performance engines, paint is a popular and versatile sealant. As an inexpensive sealant it still does a very good job at protecting iron and steel from the elements. When it cracks and wears down, it is simple enough to sand and reapply. Paint’s drawback is its own tendency to crack and flake in weather:even a small hole in the sealant layer can start the process of rust below. However, these drawbacks are sometimes manageable over the use of a part or part of a regular maintenance routine.

Caring for metal objects

Metal is a classically durable material, used to create objects and structures to last over many lifetimes. Yet most metals are still vulnerable to corrosion and electrochemical decay. When beginning a project, consideration of the environment the metal will be in allows a designer to pick the metal that will hold up best in those conditions.

Iron is very prone to oxidization, and rust will usually set in with the slightest hint of water and oxygen. Unlike other metals, this oxidization will not form its own sealing passive layer. Therefore, sealants are usually used with ferrous metals. Finding the right type and keeping an eye on the metal over the decades of its use can help prolong the life of any metal object.