Металлург объясняет: что такое ржавчина и как она образуется

Химия коррозии: как чистить и защитить ваши металлические изделия

Ржавчина — обычное название химикатов, которые образуются, когда железо реагирует с кислородом и водой. «Ржавчина» плохо определена в химии — при воздействии на железо может образоваться много химикатов. Однако мы обычно имеем в виду красный, шелушащийся вид, результатом определенных химикатов.

Корродирующее железо или сталь производят много разных соединений в обычных экологических условиях. Некоторые из этих химикатов будут черными, синими, желтыми, серыми или коричневыми, в зависимости от того, какие молекулы они захватывают из среды во время ржавления. Например, кислотный дождь, содержащий серу, может комбинироваться с железом, создавая молекулы пирита, желтого минерала, называемого «золотом дурака». Эти минералы не то, что мы думаем как ржавчину. Обычно мы имеем в виду какой-то тип оксида железа (III), который красный или красно-коричневый по внешнему виду.

Когда мы говорим о ржавлении железа, мы не всегда связываем это с химическими изменениями, которые наблюдаем в других металлах, которые регулярно используем. Мы не говорим, что серебро или медь «ржавеют». Вместо этого говорят, что медь развивает патину, а серебро — потемнеет (tarnish). Все эти термины описывают коррозию открытого металла.

Почему железо ржавеет? Почему медь не ржавеет?

Металлы корродируют через химические реакции со своей средой. Рафинированные, пригодные для человека металлы часто не в их наиболее термодинамически стабильной форме. Они реагируют с молекулами в воздухе вокруг них, чтобы найти более стабильное состояние.

В ржавеющем железе это процесс окисления, где кислород и вода работают для производства оксидов железа. Коррозия может происходить с другими молекулами, однако. Серебряный налет часто производится реакциями с сероводородом, газом, пахнущим гнилыми яйцами и производимым бактериальным разложением в низкокикислородных средах. Если у вас есть серебро рядом с болотом или свалкой, оно быстро потемнеет!

Некоторые металлы не корродируют, потому что они уже химически стабильны. Золото и платина — примеры: они более вероятно найдутся как чистый элементарный металл в земной коре именно по этой причине. Серебро также находится как чистый металл, потому что когда оно потемнеет, сам налет создает термодинамически стабильную печать вокруг остального металла. Эта пассивная пленка предотвращает дальнейшую коррозию слоев глубже, в процессе, называемом пассивацией.

Патина меди, ответственная за отличительный зеленый цвет Статуи Свободы, — пример пассивной пленки, защищающей металл под ней; вердегрис, сформированный выветриванием меди, сохраняет свою связь со слоем меди ниже, запечатывая и защищая его от атмосферных молекул.

В отличие от этого, красные оксиды железа (III) не связываются с железом под ними, а отстраиваются и шелятся. Поэтому ржавчина не обеспечивает пассивационный слой, а вместо этого корродируется, выставляя следующий слой железа окислению.

Некоторые железо-базированные сплавы, как нержавеющая сталь, известны как ржавиностойкие. Ржавиностойкие железные сплавы имеют металл в смеси, который создает пассивную и защитную пленку до того, как ржавчина может закрепиться. Для нержавеющей стали пассивация создается добавлением хрома, который быстро окисляется, оставляя очень тонкий слой, защищающий железо.

Общие типы металлической коррозии

Металлы корродируют в разных средах через разные процессы. Самая простая форма коррозии происходит, когда металлы реагируют на влагу и воздух на своей поверхности. В соленых средах присутствие хлора в соли может ускорять и модерировать этот процесс. В кислотном дожде сернистые соединения могут быть ответственны.

Соленые среды также облегчают слегка более сложный процесс, называемый гальванической коррозией. При гальванической коррозии два типа металлов с очень разными электрическими потенциалами входят в электрический или физический контакт в электролитической бане, такой как морская вода. Более пассивный металл, катодный металл, вытягивает электроны из активного или анодного металла. Эта химическая реакция — форма коррозии, которая также образует основу электрохимических батарей.

Новые заряженные молекулы в анодном металле стабилизируются комбинированием с молекулами в среде, обычно образуя оксиды или другие минералы. В стали те оксиды — ржавчина.

Алюминий — один металл, который обычно защищен пассивной пленкой при коррозии. Однако алюминий может быть быстро корродирован до отказа, если закрепить его нержавеющими винтами, из-за гальванической коррозии. Нержавеющие винты, с другой стороны, будут более устойчивы к ржавчине! Подача анодом стабильного потока электронов предотвращает коррозию в катодном металле. По этой причине иногда «жертвенные аноды» крепят к металлу, который будет подвергаться морю, как на корпусе корабля, для электрохимической защиты обшивки корабля.

Питтинговая коррозия — термин для коррозии, которая не происходит равномерно по поверхности металла. Вместо этого в металле появляются маленькие дырочки. Эти участки более быстрой коррозии обычно вызваны провалом «печати» на материале, будь то искусственный герметик, как краска или порошковое покрытие, или пассивная пленка-герметик верхнего слоя коррозии. Пассивационный слой может провалиться, если есть включения в металле, или сплав неравномерен. Металл — кристаллическая структура из зерен, и есть разные фазы тех зернистых структур. Если химия нерегулярна или деформирована, это может вызывать точки, более уязвимые к коррозии, и даже создавать гальваническую коррозию по всему телу того, что является тем же металлом.

Может ли нержавеющая сталь ржаветь?

Нержавеющая сталь — коррозионно-стойкий ферритический сплав, борющийся с ржавчиной добавлением хрома. Разные проценты хрома используются для стойкости к обычному использованию или тяжелому использованию в соленых средах, как с нержавеющей сталью 316.

Однако даже нержавеющая сталь может ржаветь! Всё железо, запертое в металле, просто нуждается в воздействии для реакции. Она полагается на «запечатывающий» пассивный слой хромового оксида для защиты.

Хромовый оксидный слой всего в несколько молекул толщиной, и он не формируется мгновенно. Когда нержавеющая сталь изготавливается, ее чистят кислотой. Эта кислота удаляет любые поверхностные отложения железа, соли или жира, которые могли бы вызвать проблему для химической реакции хрома. В зависимости от типа использованной кислоты это может быть частью процесса пассивации или просто подготовить сталь к естественной пассивации в воздухе.

Поскольку эта пассивная пленка — химикат, она может быть нарушена. Очень высокое тепло свыше 750 °F может вызвать молекулярные изменения в хроме, препятствующие окислению, поэтому ржавчина может закрепиться вокруг места сварки на нержавеющей стали. В других случаях хромовый оксидный слой может быть скомпрометирован быстрыми тепловыми изменениями, абразией, поломкой, солью, кислотой и накоплением других металлических отложений. Если нержавеющая сталь контактирует с слишком большим количеством железа, локальный процент хрома может упасть ниже минимального процента, необходимого для поддержания пленки (нижняя граница 10,5%).

Поэтому чистка нержавеющей стали стальной шерстью может ухудшить проблему ржавчины! По мере износа хрома, стальные молекулы от скруббера могут стать частью базового металла, снижая локальное хромовое содержание. Когда пассивация терпит неудачу на нержавеющей стали, и железо подвергается воздействию воды и воздуха, ржавчина впадает.

Как очистить ржавчину с нержавеющей стали

Советы по чистке нержавеющей стали часто предполагают, что вы должны «остерегаться поцарапать хромовую поверхность», и поэтому рекомендуют против использования абразивов и других химикатов. Это не совсем правильно: ржавчина указывает на то, что хромовая оксидная поверхность уже повреждена. Цель чистки ржавчины с нержавеющей стали в неиндустриальном контексте (дома или на небольшой коммерческой кухне) — сначала полностью очистить нержавеющий сплав, удалив всю ржавчину, но также все железные отложения, соль, жир или кислоту, и затем позволить материалу «авто-пассивироваться», то есть реагировать с воздухом для повторного формирования печати. Держание подальше от всех форм железа и стали при этом — один из способов быть довольным результатом.

Чтобы очистить ржавчину с нержавеющей стали:

1. Мягкий абразив вроде соды можно использовать для чистки поверхности тканью, губкой или мягкой щеткой для удаления ржавчины.
2. По мере удаления ржавчины и любых загрязнителей хром будет авто-пассивироваться мгновенно, создавая свой защитный щит.
3. Слой хромового оксида становится толще в следующие несколько дней, поэтому воздушная сушка на ночь помогает построить его защиту!
4. После хорошего промывания нержавеющую сталь можно оставить высыхать на воздухе или почистить и полировать специальным чистым для нержавейки.

В производственных условиях нержавеющую сталь иногда чистят в горячей ванне азотной кислоты, которая «принудительно» создает более толстый слой пассивации. По экологическим причинам многие производители сейчас переходят на использование лимонной кислоты для чистки, как может быть более распространено дома, и затем позволяют нержавеющей стали «авто-пассивироваться».

Как удалить ржавчину с чугуна и стали

В отличие от удаления ржавчины с нержавеющих сплавов, использование стальной шерсти или проволочной щетки может помочь удалить ржавчину с чугуна или стали!

Для простых, небольших поверхностей, вроде ржавелых чугунных сковородок:

1. Скруббер и немного усилие могут удалить слой оксида железа. Соль — часто используемый абразив.
2. Сковородку затем нужно хорошо вымыть.
3. Сковородку нужно сушить нагревом, чтобы все поры поверхности были освобождены от жидкости.
4. Чугун нужно закалить маслом, которое образует полимерную печать при запекании на поверхности.
5. Это масло можно наносить тонким слоем на поверхность и затем запекать (вверх дном, чтобы предотвратить скапливание) при 375 °F в течение 1 часа. Дополнительные слои могут добавляться по желанию.
6. Пищевое льняное масло — идеальный выбор в маслах для закалки, обеспечивающий твердую, глянцевую отделку.

Чистка не практична для многих объектов сложных форм или размеров. В этом случае химические методы удаления могут быть лучшим подходом. У них переменная эффективность в зависимости от типа сплава. Обычные домашние ингредиенты вроде уксуса, патоки или лимонной кислоты можно использовать. Паточка — удивительный выбор, и это занимает больше времени, чем уксус — но может быть довольно эффективным, так как она разлагается на щавелевую кислоту, которая помогает удалить ржавчину.

Коммерческие средства для удаления ржавчины — часто сделанные с более сильными кислотами — также доступны. Вымачивание в этих жидкостях и последующее удаление и сушка могут быть эффективны в восстановлении старых ржавых находок.

Как и с чугунными сковородками, важно учитывать, как ваша сталь и железо будут защищены от элементов после очистки.

Защита ферристых металлов

Железо в присутствии воздуха и воды будет ржаветь. Это значит, что пока человечество занимается железом, мы также работали над лучшими герметиками для железа. Есть много способов создать плотный слой.

Принудительная пассивация — Очень распространенная форма герметизации железа или стали — корродировать первый слой в оксид железа (II), или черный оксид, который работает как другие металлические патины и запечатывает металл. Единственная разница между этим процессом и тем, что происходит с медью, цинком или хромом, в том, что он не произойдет под обычными экологическими условиями. Поэтому, если верхний слой на изделии поврежден, все изделие придется переделывать. Это известно как «почернение» (bluing) при выполнении через один процесс на оружии, или «чернение» (blackening) в большинстве машинных мастерских, через похожий процесс, но слегка разные химикаты. В холодных процессах чернения оксид железа (II) можно наносить на поверхность, обеспечивая слегка менее долговечную защиту.

Регулярное использование и уход, включая масляние или воскование — Некоторые рабочие железо или сталь оставляют в основном сырыми, где использование, уход или среда держат их блестящими. Традиционно оружие вроде мечей и снаряжение вроде ножей могли быть оставлены «сырыми», но сушились и маслялись минеральными или пищевыми маслами, которые являются временными герметиками, нуждающимися в регулярном повторном нанесении. Для длительного хранения воски и другие полироли могут использоваться для создания печати — но той, что все равно изнашивается с использованием.

Детали двигателя, подвергающиеся регулярному маслу, могут быть оставлены сырыми, так как тепло и масло вокруг двигателя делают их маловероятными для ржавления, но наружные поверхности могут быть покрашены. Выпускные системы автомобилей полагаются на более высокие температуры полностью разогретого двигателя для предотвращения коррозии, поэтому езда достаточно долго для нагрева блока двигателя — способ предотвращения ржавчины в глушителе. (В высокопроизводительных гоночных двигателях внутренности могут быть также покрашены, но это в основном для помощи циркуляции масла.)

Нанесенные герметики — Многие железо и стальные продукты защищены покрытием твердым слоем другого вещества. К ним относятся:

• Полимеризованное масло: Льняное масло (из льна, но не пищевого качества) было одним из оригинальных покрытий для кованых железных продуктов. Кузнец мог закалять в масле или красить объект маслом и затем обжигать его факелом, обеспечивая традиционный черно-коричневый блеск, который мы до сих пор эмулируем на кованих железе — обычно с лаками, красками или лаками.
• Горячее оцинкование (Hot-dip galvanization): В этом процессе цинк наносится на сталь или железо в расплавленной ванне. Цинковое оцинкование имеет несколько защитных свойств. Во-первых, оно создает патину, запечатывающую и цинк, и железо или сталь под ним. Во-вторых, оно более «активно», чем металлы, к которым применяется. На протяжении жизни оцинкованного стального объекта цинк действует как «жертвенный анод». По мере деградации он защищает и замедляет коррозию стали под ним, даже если та будет выставлена.
• Электроплакирование (Electroplating): Цинк можно наносить на сталь не через погружение в ванну, а пропуская электрический заряд через стальной объект и распыляя объект заряженными цинковыми частицами. Это вызывает электрическое связывание, равномерное и непрерывное по поверхности металла.
• Порошковое покрытие (Powder-coat): Процесс нанесения порошкового покрытия похож на нанесение цинка в том, что объект и герметик оба электростатически заряжены, означая молекулярную связь без даже мельчайших прерываний, которые пустят влагу. Порошковая смола затем запекается на объекте в горячей печи. Покрытие сохранит блеск годами, обеспечивая превосходную защиту и требуя минимального ухода.
• Краска (Paint): И в помещениях, и на улице, и даже в сердце высокопроизводительных двигателей, краска — популярный и универсальный герметик. Как недорогой герметик она все еще делает очень хорошую работу по защите железа и стали от элементов. Когда она трескается и изнашивается, достаточно просто зашкурить и наново нанести. Недостаток краски — ее собственная склонность трескаться и шелушиться на погоде: даже маленькая дыра в герметичном слое может начать процесс ржавчины ниже. Однако эти недостатки иногда управляемы за счет использования детали или части регулярного режима обслуживания.

Уход за металлическими изделиями

Металл — классически долговечный материал, используемый для создания объектов и структур, длящихся много жизней. Однако большинство металлов все еще уязвимы для коррозии и электрохимического распада. При начале проекта рассмотрение среды, в которой будет металл, позволяет дизайнеру выбрать металл, который лучше держится в тех условиях.

Железо очень склонно к окислению, и ржавчина обычно закрепится с малейшим намёком воды и кислорода. В отличие от других металлов, это окисление не формирует свой собственный запечатывающий пассивный слой. Поэтому герметики обычно используются с ферристыми металлами. Нахождение правильного типа и слежение за металлом на протяжении десятилетий его использования может помочь продлить жизнь любого металлического объекта.