Ржавчина на железе как химическое явление

Добрый Всем, кто читает! В данной статье хотел бы поднять очень для себя больную тему, а именно: ржавчина или коррозия стали. Мы знаем, что это, но стоит еще раз проговорить:

«Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер.

Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н2О + ЗО2 = 4Fe(OH)3.

Гидратированный оксид железа Fe(OН)3 и является тем, что называют ржавчиной»

Нас же интересует именно сталь, как основной материал для ножей, а с ней будем употреблять понятия «ржавление» и «ржавчина» соответственно. Выглядит она, как рыжий налет, или черные пятна.

Почему сталь ржавеет? Ржавеет она от того, что в ней содержится не менее 45% железа.

И, так как абсолютно ВСЕ стали имеют в своем составе железо, то получаем разумный вывод:

И это проблема преследовало человечество практически с первых дней, как оно научился плавить железо и создавать с ним новый сплавы (сталь в том числе). И человек всегда искал способы этот процесс замедлить.

Например, с древнейших времен было популярно смазывать маслом или жиром клинок, чтобы он не портился. Смазывая сталь, она покрывалась защитной пленкой, которая не пропускала влагу и воздух, следовательно, не происходил процесс окисления.

Потом придумали воронить клинок. Воронение — это когда на поверхности стали искусственно создается защитный слой с помощью кислоты или температурного режима (после печи черный клинок), пока не создастся оксидная пленка. Такой метод значительно дольше сохраняет изделие от ржавчины, и, что самое главное, оно держится намного дольше, чем масло или жир.

Но есть способы защиты, которые позволяют сильно замедлить этот процесс. Один из них, самый эффективный, включает в себя добавление легирующих элементов в состав сплава, таких как: хром, марганец, никель и, в самых современных, ванадия и азот. Именно содержание подобных элементов делает сталь «нержавеющей», т.е. которая очень слабо поддаётся коррозии.

Сам процесс называется «легированием», и его начали применять лишь в 1852 году.

Но настоящий прорыв произошел, когда в 1913 году один джентлменский сэр Гарри Брирли, экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии, после чего он смог убедить в своем новом изобретении производителя ножей Р. Ф. Мосли. Изначально нержавеющая сталь использовалась только для изготовления столовых приборов.

В 1924 году Великобритания запатентовала сталь по стандарту AISI 304, содержащую 18 % хрома и 8 % никеля. И пошла жара. С этого момента вводится такое понятие, как: «Нержавеющая сталь». т.е. сталь, которая способна сопротивляться кислотной среде и долго не ржаветь.

Но это все-равно условное понятие, так как, рано или поздно, процесс ржавления возьмёт своё. Или это будет один день, или это будет 100 лет. Но для человеческого понимания это настолько огромные временные рамки, что проще называть сталь «нержавеющей», и не париться об условностях значения.

Вообще, это огромное заблуждение, что есть стали, которые «вообще не ржавеют», и эти легендарные «дедовские» ножи, которыми всю войну прошли, 10.000 тонн мяса порезали, и ни намека на ржачину. Это все — сказки или иллюзия.

Есть несколько факторов, которые влияют на степень «ржавучести»:

А) Условия хранения. Ну тут все понятно: если нож лежит на полке дома, или на улице в луже, то и ржаветь они будут с очень разной скоростью. Тут вопросов не должно быть.

Б) Условия работы. Тут в зависимости, что режут: если ножом режут только мясо, то он будет в десяток раз меньше ржаветь, чем тот же нож, которым режут фрукты. Мясо — это жир, которые смазывает клинок, а фрукты — кислотная среда.

В) И, самый главный пункт, МАРКА СТАЛИ или содержание в ней различных элементов. Например: есть такая сталь — 20х13, которая считается самое распространенной пищевой сталью в мире (аналог AISI420), и есть другая сталь — ШХ-15.

Первая сталь считается пищевой нержой, так как углерода в ней всего лишь 0.16-0.2%, а хрома 13%, а вторая будет очень ржавеющей сталью, так как углерода аж 1-1.05%, а хрома жалкие 1.3%. Из первой делают кастрюли, а из второй подшипники.

Вот такая разница.

Небольшой факт вдогонку: самые популярные ножи делаются из 45х13 или 50х13 (Икея и Вастхоф), поэтому они так слабо ржавеют.

И даже если брать, вроде бы, две нержавеющие стали 95х18 и 45х13, то первая все равно будет ржаветь сильнее, чем вторая, хоть хрома в первом будет аж 18%, а во втором 13%. Почему? А дело в У-Г-Л-Е-Р-О-Д-Е.

Хоть ржавчина — это результат реакции железа с кислородом, с последующим образованием оксида железа, само по себе железо в чистом виде относительно устойчиво к воде и кислороду. Именно углерод ускоряет процесс. Чем больше углерода в стали, тем сильнее она способна корродировать. Словно цыгане, этот чёрный элемент наводит смуту, и все идёт немного по одному месту.

Но в отличит от цыган, углерод приносит реальную пользу: сталь становится тверже и прочнее.

Сталь с углеродом 1% при термообработке приобретает твердость свыше 60HRC (шкала Роквелла), из которых делают инструменты, пилы, ножи, гильотины.

Поэтому до сих пор так популярны углеродистые стали, такие как: У8-У14, из которых делают отличные режущие, да и просто инструменты, несмотря на их ржавучесть.

Вы не найдете качественную пилу из той же 45х13, потому что она будет сильно уступать в прочности и твердости.

И что делать? Вот я хочу, чтобы нож резал, но и не ржавел, как с*;а? И тут наука решила вопрос таким образом:

И тут понеслась красота: сначала была 440С (аналог 95х18), у которой углерод 1% и хрома 18%, и на многие годы стала самой любимой сталью для ножей, где защита от коррозии играет важную роль. Параллельно с ней разработали сталь D2 (наш аналог Х12МФ), которая содержит 1.4-1.

6% углерода и 11-13%, что делает ее значительно прочнее, но дает ей статус «полу-нержавейки», так как она отлично себя чувствует на воздухе, но при прямом контакте с кислотной средой может коррозировать.

Потом научились делать разные сочетание сплавов с марганцем, никелем, в сочетании с хромом дающие дополнительные эффекты, а далее научились с помощью электрошлаковой технологии удалять лишние примеси, делая сталь чище (К примеру, Н690 — это очищенный вариант той же 95х18, а К110 — очищенный вариант Х12МФ, и эти стали значительно лучше по качеству, и более устойчивы к ржавчине, хоть состав основных элементов один в один).

Вообще, хром — отличный способ защитить сталь от ржачины, и он резко повышает коррозионную стойкость при достижении 12,5 %. Начиная с этой концентрации на поверхности стали образуется плотная защитная оксидная пленка Cr2O3, и сталь становится нержавейкой.

Но и тут не обойтись без маленькой капли дерьма в огромной бочке меда… Хоть хром и делает полезное дело, но много его не добавишь: или будет много углерода и поменьше хрома, или больше хрома, но меньше углерода. Поэтому все сводится к выбору: тверже, прочнее, но ржавучее и более хрупкий, или вязкий, нержавеющий, но мягкий.

НО! И тут человечество сделала ход конем, и решила вопрос на совершенно новом уровне,  создав порошковые стали.

Порошковая сталь – это измельченная до состояния порошка сталь, которую распыляют в инертном газе, затем взвесь подают на специальный кристаллизатор, а затем полученные микрослитки прессуют при сверхвысоких температурах и спекают в специальной печи. В результате этих действий происходит так называемый порошковый передел — сталь получает большое количество карбидов, которые отвечают за рез ножа и при этом ее можно легировать дополнительными укрепляющими прочность элементами.

  • Благодаря этому способу появились такие стали, как:
  • — ZDP-189 с содержанием углерода 2.9% (как у чугуна) и хрома 19%
  • — CPM S30V с содержанием углерода 1.45%, хрома 14% и ванадия 4% (Он отвечает за упругость и усиливает свойства хрома, придает металлу инертность к агрессивным химическим средам)

— Elmax с углеродом 1.72%, хромом 17.5% и ванадием 3%

И бесконечно огромное число других «супер сталей», которые отличаются друг от друга самыми разными показателями. Однако, данная статья про ржавучесть, поэтому хочу отдельно выделить азотистые стали, которые являются самыми нержавеющими сталями, которые есть.

Азотистые стали — это порошковые стали, где углерод частично замещается азотом, т.е. азот дает все те же плюсы, что углерод, но при этом увеличивает коррозийную стойкость изделию, создавая супер-нержавейки.

Читайте также:  Стальной бобер для резки металла озон

Например, Nitrobe77 (моя самая любимая сталь, но ее сняли с производства) содержит 0.1% углерода, 14.5% хрома и 0.9% азота, плюс 3% молибдена и 0.5% ниобия. Углерода всего-лишь 0.1% а сталь достигает твердости 63HRC и можно царапать стекло, что очень круто.

Изначально она создавалась, как идеальная сталь для лопастей катеров, так как от соленой воды любая другая сталь приходит в негодность.

А тут очень прочная сталь, которая годами может прекрасно работать в соленой среде, не ржаветь, и, что самое важное, не тупиться. Но это было слишком дорого, поэтому из этой стали начали делать шикарные ножи.

Я же теперь использую Vanax Superclean, который ближайший аналог супер азотистой стали, и считаю это лучшей сталью для кухонных ножей.

На этом, пожалуй, все. Надеюсь, что было интересно!

Всем хорошего вечера, и очень острых ощущений!

«Рыжая чума», или что мы знаем о ржавчине и коррозии — KROWN на DRIVE2

Пожалуй, каждый автомобилист согласится с тем, что именно ржавчина – одна из самых неприятных проблем, способных омрачить настроение любого автовладельца. Казалось бы, ещё вчера машина радовала взгляд безупречным глянцем лакокрасочного покрытия и вдруг – по кузову полезли «жуки», появились рыжие пятна.

На первых порах ничего, кроме эстетического неудовольствия автовладельца, ржавчина под собой не подразумевает. Да и сквозные дыры в крыльях или дверях автомобиля, возникающие в запущенных случаях, неприятны, но, практически неопасны. А вот когда процесс глубоко поразил детали силового каркаса кузова или подвеску машины, последствия могут быть весьма печальными.

«Страшилки» про сложившиеся при ДТП «домиком» кузова старых автомобилей – как раз из этой «оперы».

Полный размер

ДТП «Домиком»

Да что там машины! Ржавчина является одной из главных причин аварий таких титанических железных конструкций, как мосты. Так, 28 июня 1983 года в США произошла катастрофа с мостом через реку Мианус (Mianus). В результате падения в воду с высоты 21 метра двух автомобилей и двух тракторных прицепов погибли 3 человека и ещё 3 были серьёзно травмированы.

Участок межштатного 95-го моста длиной 100 футов через реку Мианус в Гринвиче, Коннектикут, рухнул 29 июня 1983 года. Фотография Боба Чайлда

Согласно заключению комиссии Национального совета по безопасности на транспорте, разрушение было вызвано механической поломкой наружного кронштейна, удерживающего пролёт моста, и его обоих штифтов («пальцев»). Ржавчина образовалась в подшипнике «пальца» кронштейна.

Ее объем всегда превышает объем исходной металлической детали, что приводит к неравномерному сопряжению друг с другом деталей конструкции. В случае с данным мостом, масса ржавчины отодвинула внутренний кронштейн от конца штифта, скрепляющего между собой наружный и внутренний кронштейны.

(При этом возникло усилие, превышающее допустимые проектом пределы для зажимов, удерживающих эти «пальцы»!) В результате вся масса пролета переместилась на внешний кронштейн. Такая непредвиденная нагрузка на него вызвала усталостную трещину в «пальце».

Когда два тяжелых грузовика въехали в данную секцию моста, штифты окончательно разрушились, и пролет упал в реку…

Полный размер

Вид снизу после обрушения моста через реку Мианус в США

И этот случай неединичный – 15 декабря 1967 года неожиданно рухнул в реку Огайо (Ohio) «Серебряный мост» («Silver Bridge»), соединяющий штат Западная Вирджиния (West Virginia) и штат Огайо. В момент крушения вместе с мостом в реку более чем со 100-метровой высоты упал 31 автомобиль. В результате катастрофы 46 человек погибли, и 9 получили серьёзные ранения.

Кроме того, был разрушен основной путь для транспортного сообщения между Западной Вирджинией и Огайо. Обрушение произошло из-за дефекта, возникшего в проушине № 330 одного из звеньев стержневой подвески моста. Небольшая по глубине трещина образовалась из-за фреттинг-коррозии в подшипнике.

В дальнейшем она увеличилась из-за внутренней коррозии, проблемы, известной инженерам, как коррозионное растрескивание под напряжением…

Вообще, процесс коррозии и образования ржавчины сопровождает нас с незапамятных времён. Одновременно с открытием железа и началом железного века человечество столкнулось и с возникновением ржавчины на создаваемых им орудиях труда и предметах быта.

Что такое ржавчина?

Что же такое ржавчина? В обычной жизни этим словом обозначают красные оксиды железа, образующимся в ходе его реакции с кислородом в присутствии воды или влажного воздуха.

При наличии кислорода, воды и неограниченного времени любое количество железа, в конце концов, полностью разрушается, превратившись в ржавчину.

Физически она представляет собой рыхлый порошок светло-коричневого цвета.

Полный размер

Фотография ржавчины

Процесс превращения железа в ржавчину называется коррозией – самопроизвольным разрушением металлов и их сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Разрушение металлов и сплавов по физическим причинам не является коррозией, а характеризуется терминами «истирание» и «износ».

С точки зрения химии коррозия металлов чаще представляет собой процесс их окисления и превращения в оксиды. Ржавление железа – также химическая коррозия. В виде упрощенных уравнений она может быть описана так:

4Fe + 3O2 + 2H2O = 2Fe2O3⋅H2O или 4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

Т.о. ржавчина состоит из гидратированного оксида железа (III) Fe2O3⋅H2O, гидроксида железа (III) Fe(OH)3 и метагидроксида железа FeO(OH).

Интересно, что ржавчиной, как правило, называют продукты коррозии железа и его сплавов, (например, стали), хотя на самом деле целый ряд металлов также подвергается коррозии.

Однако, многие металлы (Cu, Ti, Zn, Cr, Al и др.) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с ними оксидной пленкой (слой пассивации). Он не позволяет кислороду воздуха и воде проникнуть в более глубокие слои металла и потому предохраняет его от дальнейшего окисления (коррозии).

Взять, к примеру, алюминий – в химическом отношении это очень активный металл, хорошо реагирующий с водой с бурным выделением газа водорода:

2Al + 3H2O = Al2O3+ 3H2 ↑

Но, по причине той же высокой активности, чистый алюминий также хорошо реагирует и с кислородом воздуха. В результате этого взаимодействия поверхность металла покрывается прочной плотной плёнкой оксида Al2O3.

Оксидная плёнка защищает алюминий от дальнейшего взаимодействия с водой и кислородом. Именно по этой причине нагреваемая в алюминиевой кастрюльке вода хоть и кипит, но не вступает в реакцию с металлом.

(Потому такая посуда может служить длительное время.)

Как ни странно, химически чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у алюминия, плотно скреплённое с поверхностью металла оксидное покрытие защищает основную массу железа от дальнейшего окисления.

Однако, надо отметить, что химически чистое железо в своей деятельности человечество практически не применяет. На практике наша цивилизация использует сталь и чугун – сплавы железа с углеродом (и другими химическими элементами), содержащие не менее 45% железа.

В реальной жизни в воздухе наших городов содержатся оксиды серы, азота, углерода и ряд других; а в воде – растворённые газы и соли.

Поэтому процесс коррозии металлов и его продукты зачастую выглядят не так просто, как в учебнике химии за 9 класс.

Так, бронзовые статуи, корродируя, покрываются слоем хорошо знакомой нам зелёной патины, представляющей собой с точки зрения химии не гидроксид, а основной сульфат меди (II) (CuOH)2SO4.

В отличие от оксида алюминия и появляющейся на бронзовой (медной) поверхности патины, ржавчина, образующаяся на сплавах железа, не создаёт никакой защиты для нижележащего металла.

Усугубляет ситуацию с коррозией железа содержание неметаллических примесей в его сплавах. Например, наличие серы в сплаве лишь способствует развитию ржавчины.

Обычно она присутствует, как сульфид FeS, но может быть и в виде других химических соединений.

В процессе коррозии сульфид железа разлагается с выделением газа сероводорода (H2S), который сам по себе является хорошим катализатором дальнейшей коррозии железа:

FeS + 2HCl = H2S ↑+ FeCl2

Нас удивляет хорошая сохранность (а значит, устойчивость к коррозии) ряда железных предметов, дошедших из глубины веков до наших дней. Одна из причин этого – низкое содержание в них серы.

В сплавы железа сера обычно попадает из каменноугольного кокса при выплавке железа из руды в доменной печи.

А вот в древние времена для производства этого металла использовался не каменный, а, практически не содержащий серы, древесный уголь…

По выраженности поражения различают сплошную и местную коррозию металлов. Как ни странно, но сплошная коррозия не представляет большой опасности для металлических конструкций и агрегатов.

Считается, что она предсказуема, а ее последствия могут быть относительно легко смоделированы.

Поэтому при проектировании металлоконструкций, эксплуатирующихся в водной среде или под открытым небом, в соответствии с технически обоснованными нормами, учитываются и будущие потери металла на коррозию.

Усугубляющие факторы

А вот местная коррозия гораздо опаснее, несмотря на то, что потери металла из-за неё могут быть вполне небольшими. Один из самых опасных видов местной коррозии – точечная.

Ведь снижая прочность на отдельных участках, она значительно уменьшает общую надёжность конструкций, сооружений и агрегатов.

Читайте также:  Чем металлокерамика лучше металла

Суть её заключается в формировании сквозных поражений деталей – образовании в них точечных полостей, называемых питтингами.

Развитию местной коррозии очень способствуют морская вода и растворы солей, в частности хлориды (особенно хлорид натрия – NaCl). Во многих странах его используют для плавления снега и льда, разбрасывая зимой на дорогах и тротуарах. В присутствии NaCl лёд и снег превращаются в воду, с дальнейшим образованием соляных растворов.

При этом не учитывается, что соли (и особенно хлориды) являются активаторами коррозии! Отлично диссоциируя в воде и взаимодействуя с образующейся из-за выбросов предприятий серной кислотой, хлориды образуют соляную кислоту (HCl).

А ведь она сама по себе является триггером коррозии! (Вспомним приведенную выше реакцию с входящим в состав стали сульфидом железа.

) Какие ещё нужны доказательства, что зимняя соляная «каша» приводит к ускоренному разрушению металла деталей, узлов и агрегатов транспортных средств?

Экономические потери от коррозии металлов

Экономические потери от коррозии металлов огромны. Современная цивилизация тратит значительные материальные и финансовые ресурсы на борьбу с коррозией трубопроводов, мостов и морских конструкций, судов, деталей машин, а также различного технологического оборудования.

Как уже говорилось, из-за планирования возможной коррозии приходится завышать прочность таких важных и нагруженных узлов и агрегатов, как паровые котлы, реакторы, лопатки и роторы турбин, опоры морских буровых платформ. Это автоматически увеличивает расход металла на их изготовление, а, значит, приводит к дополнительным экономическим затратам.

За два века работы металлургической промышленности в мире было выплавлено огромное количество металла. При этом, потери на коррозию составляют около 30% от его годового мирового производства! Более того – около 10% подвергшегося коррозии металла безвозвратно теряется в виде ржавчины.

По оценкам ряда экспертов, ущерб от коррозии металлов бюджету промышленно развитых стран составляет от 2 до 4 % их валового национального продукта. Так, по данным Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов (National Association of Corrosion Engineers – NACE) в США потери от коррозии и затраты на борьбу с ней составляют 3,1 % ВВП. Для Германии это обходится в 2,8 % от ВВП.

P.S. Казалось бы, проблемы коррозии автомобильных кузовов, узлов и агрегатов меркнут на фоне вопросов защиты от коррозии таких грандиозных железных сооружений, как мосты и Эйфелева башня. Но, это только на первый взгляд.

А если учесть численность мирового автопарка? Так, по данным Международной ассоциации автопроизводителей (OICA), в 2015 году в мире эксплуатировалось 947 млн. легковых и 335 млн. коммерческих автомобилей.

Ожидается, что к 2035 году мировой автопарк достигнет 2-миллиардной отметки.

При этом, коррозией в той или иной степени, рано или поздно поражается практически 100% транспортных средств. Кроме того, надо учесть, что кузов – самая дорогая деталь автомобиля, а кузовные работы (и слесарные, и малярные) достаточно материалоёмкие и очень недешёвые.

Поэтому, проблема изыскания новых и совершенствование старых способов защиты от коррозии актуальна, как для всей тяжёлой промышленности в целом, так и для автомобильной отрасли в частности.

___________KROWN — ЗА НАМИ НЕ ЗАРЖАВЕЕТЦентр антикоррозийной защиты автомобилей

БЕЛАРУСЬ www.krown.byМинск +375 44 504-77-77

+375 (44) 504-504-1 – Солигорск

РОССИЯ www.krown.su+7 (499) 647-57-67 — Москва+7 (812) 244-98-28 — Санкт-Петербург+7 (423) 279-99-17 — Владивосток+7 (452) 39-53-28 — Саратов

+7 (3452) 564 118 — Тюмень

Ржавчина

Ржавчина — продукт взаимодействия внешней окислительной атмосферы с железом. Процесс ее образования называется ржавлением ( коррозия ). Термин «ржавчина» присущ только продуктам коррозии железа и его сплавов. Любые другие металлы могут корродировать, но не ржаветь!

Ржавчина — это гидратированная окись железа (гидроксид железа). Химическая формула ржавчины —  Fe2O3•H2О (иногда пишут просто Fe2O3). На поверхности  образуется в виде шероховатого налета, который имеет рыхлую структуру. Цвет ржавчины — от оранжевого до красно-коричневого.

  •  
  • Железо при рН среды > 5,5 образует труднорастворимый гидрат закиси железа, имеющий белый цвет:
  • Fe2+mH2O + 2OH- = mH2O + Fe(OH)2↓
  • При взаимодействии гидрата закиси железа с растворенным кислородом в воде, образуются еще более труднорастворимое соединение — гидрат окиси железа (бурый цвет):
  • 2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2О = 2Fe(OH)3↓

Вторичные продукты коррозии (Fe(OH)2 и Fe(OH)3) могут и дальше превращаться, с образованием гидратированных окислов  FeO•Fe2O3•nH2О —  ржавчины. FeO — нестабильное соединение, поэтому в формуле ржавчины его часто просто не записывают.

Реакции образования ржавчины:

  1. 2e + 2H+ — H2;
  2. 4e +O2 + 4H+ — 2H2O;
  3. 2e + Fe(OH)2 + 2H+ — Fe + 2H2O;
  4. 2e + Fe2+ — Fe;
  5. 2e + Fe(OH)3- + 3H+ — Fe + 3H2O;
  6. e + Fe(OH)3 + H+ — Fe(OH)2 + H2O;
  7. e + Fe(OH)3 + 3H+ — Fe2+ + 3H2O;
  8. Fe(OH)3- + H+ — Fe(OH)2 + H2O;
  9. e + Fe(OH)3 — Fe(OH)3-;
  10. Fe3+ + 3H2O — Fe(OH)3 + 3H+;
  11. Fe2+ + 2H2O — Fe(OH)2 + 2H+;
  12. e + Fe3+ — Fe2+;
  13. Fe2+ + H2O — FeOH + H+;
  14. FeOH+ + H2O > Fe(OH)2 + H+;
  15. Fe(OH)2 + H2O — Fe(OH)3- + H+;
  16. Fe3+ + H2O — FeOH2+ + H+;
  17. FeOH2+ + H2O — Fe(OH)3 + H+;
  18. FeOH2+ + H+ — Fe2+ + H2O;
  19. e + FeOH2+ + 2H+ — Fe2+ +2H2O;
  20. e + Fe(OH)3 + H+ — Fe(OH)2 + H2O;
  21. e + Fe(OH)3 + 2H+ — FeOH+ + 2H2O;
  22. e + Fe(OH)3 + 3H+ — Fe2+ + 3H2O.

Ржавчина может существовать в двух формах: магнитной  (γ- Fe2O3) и немагнитной (α-Fe2O3). Гидратированная окись железа в α форме (гематит) -более стабильное соединение. Раствор, насыщенный ржавчиной, почти нейтральный. γ- Fe2O3 обычно между гидратированными оксидами Fe2O3 и FeO образует черный промежуточный слой. Поэтому можно сказать, что ржавчина состоит из трех слоев оксидов железа  разной степени окисления.

Процесс ржавления металла начинается только при наличии в воздухе влаги. При попадании на поверхность изделия из железа капли воды, спустя некоторое время, можно заметить изменение ее цвета. Капля становится мутной и постепенно окрашивается в бурый цвет. Это свидетельствует о появлении, в месте контакта воды с поверхностью, продуктов коррозии железа.

Если ржавчина уже образовалась — остановить процесс коррозии крайне трудно и не всегда удается. Лучше его предупреждать и заранее защищать металл!

Как образуется ржавчина? — Официальный блог компании "ПЕРХИМ"

Ржавчина – это естественное явление, когда некоторые металлы подвергаются воздействию кислорода и воды в течение длительного времени. Фактический химический состав ржавчины: 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3.

Единственные металлы, которые ржавеют, — это сталь и железо. Другие металлы могут подвергнуться коррозии, но они не ржавеют. Это реальное химическое изменение, которое происходит, когда металл начинает ржаветь.

Все вокруг нас состоит из разных химических веществ. Эти химические вещества состоят из атомов. Атомы могут объединяться, чтобы создать новые химические вещества.

Атомы также могут соединяться и образовывать химические соединения. Ржавчина – это химическое соединение. Атомы железа сливаются с атомами водорода и кислорода. Формула воды — H2O.

Добавление воды вызывает химическую реакцию. В результате можно наблюдать ржавчину.

В полностью сухом месте железо или сталь не ржавеют. Когда добавляется влага, начинается процесс окисления. Поскольку воздух, которым мы дышим, содержит влагу, окисление будет происходить, даже если в металл не добавлена ​​вода. В воздухе достаточно водорода и кислорода, чтобы атомы могли соединиться с железом. Это вызывает химическую реакцию, известную как окисление или ржавчина.

Есть способы, которые вы можете использовать, чтобы предотвратить образование ржавчины на металлических поверхностях. Во-первых, храните такие вещи, как инструменты, в сухом месте. Ржавчина может образоваться, даже если инструменты хранятся в ящике для инструментов. Однако этот процесс идет намного медленнее, потому что уменьшается воздействие влаги из воздуха.

Если вы находитесь во влажной зоне, вы можете подумать о приобретении осушителя. Эта машина также снижает влажность воздуха, уменьшая вероятность образования ржавчины. Вещи, которые обычно хранятся на улице, например, велосипеды и газонокосилки, можно накрыть или переместить в помещении.

Существуют продукты, которые позволят вам удержать влагу от порчи ваших инструментов и других вещей. Пакеты с силикагелем помогают сушить воздух в небольших местах, таких как шуфлядки или ящики для инструментов. Хранение пары таких пакетов в ящике для инструментов гарантирует, что ваши инструменты не подвергнуться коррозии.

Кроме того, если предметы из железа или стали намокнут, как можно скорее высушите их. Это сводит процесс окисления к минимуму. Таким образом можно предотвратить ржавчину.

Рекомендуем эффективный состав для удаления ржавчины с металлов — «РжавоМед-У»

Вам также может понравиться

Ржавчина

Ржавчина — является общим термином для определения оксидов железа. В разговорной речи это слово применяется к красным оксидам, образующимся в ходе реакции железа с кислородом в присутствии воды или влажного воздуха. Есть и другие формы ржавчины, например, продукт, образующийся в ходе реакции железа с хлором при отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, в арматуре, используемой в подводных бетонных столбах, и называют его зелёной ржавчиной. Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью спектроскопии, они образуются при разных внешних условиях. Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа (III) Fe2O3·nH2O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH)3). При наличии кислорода, воды и достаточного времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.

Читайте также:  Норма расхода краски на 1 м2 по металлу при покраске автомобиля

Ржавчиной, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно оксиды железа обычно называют ржавчиной.

Химические реакции

Толстый слой ржавчины на звеньях цепи возле моста Золотые Ворота в Сан-Франциско. Цепь постоянно подвергается воздействию сырости и солёных брызг, вызывающих разрушение поверхности, растрескивание и шелушение металла.

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь.

Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода.

Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления.

Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух реагентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа.

В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.

Происходящие реакции

Покрытый ржавчиной и грязью болт. Заметна точечная коррозия и постепенная деформация поверхности, вызванная сильным окислением.

Ржавление железа — это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами, о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:

O2 + 4 e− + 2 H2O → 4 OH−

Поскольку при этом образуются гидроксид-анионы, этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении pH. Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

Fe → Fe2+ + 2 e−

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:

4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe2+ + 2 H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2 H+Fe3+ + 3 H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3 H+

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2OFe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O2 FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода.

С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо (II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe3O4).

Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH)3-xOx/2. Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

https://www.youtube.com/watch?v=aNuk0F8o4J0

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca2+, которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с гидроксидами и оксидами железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняют цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Предотвращение ржавления

Отслаивающаяся краска обнажает участки ржавой поверхности листового металла.

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующий слой оксида хрома (III). Подобное проявление пассивации происходит с магнием, титаном, цинком, оксидом цинка, алюминием, полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации, который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования, либо методом гальванотехники.

Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее кадмий.

Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия.

В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм. Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту.

Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия, чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью.

В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс.

Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом, чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды.

Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы коррозии.

Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким pH. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

Покрытие слоем металла

Ржавчина может полностью разрушить железо. Обратите внимание на гальванизацию незаржавевших участков.

  • Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
  • Лужение: мягкая листовая сталь покрывается слоем олова. В настоящее время практически не используется из-за высокой стоимости олова.
  • Хромирование: тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

Воронение

Воронение — это способ, который может обеспечить ограниченную устойчивость к коррозии для мелких предметов из стали, таких как огнестрельное оружие и др.

Способ состоит в получении на поверхности углеродистой или низколегированной стали или чугуна слоя окислов железа толщиной 1-10 мкм.

Для придания блеска, а также для улучшения защитных свойств окисной плёнки, её пропитывают минеральным или растительным маслом.

Снижение влажности

Ржавчины можно избежать, снижая влажность окружающего железо воздуха. Этого можно добиться, например, с помощью силикагеля.

Ингибиторы

Ингибиторы коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах. Некоторые ингибиторы коррозии чрезвычайно ядовиты. Одним из лучших ингибиторов выступают соли технециевой кислоты.

Экономический эффект

Ржавчина вызывает деградацию изделий и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа.

Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстрому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое поеданием ржавчиной.

Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус (штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор.

Ржавчина была также главной причиной разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

Мост Кинзу после разрушения.

Мост Кинзу в штате Пенсильвания был снесён смерчем в 2003 году в значительной степени потому, что центральные опорные болты, соединяющие сооружение с землёй, проржавели, из-за чего мост держался лишь под действием силы тяжести.

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские трудности. Это один из наиболее распространённых отказов железобетонных мостов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Станок