Metalele - Coroziunea metalelor

1. PRIVIRE GENERALA ASUPRA COROZIUNII METALELOR

Pagubele provocate economiei nationale de catre coroziune ating proportii uriase.Conform datelor existente,aproape o treime din productia mondiala de metal este scoasa din uz datorita coroziunii.Intrucat numai circa doua treimi din metalul corodat se recupereaza prin topire,inseamna ca circa 10% din productia mondiala se pierde definitiv ca urmare a actiunii de distrugere a coroziunii.
Pagubele datorita coroziunii sunt adesea legate nu numai de pierderile de metal ci si de scoaterea din functiune a unor instalatii intregi,pentru a caror prelucrare si montare se cheltuieste mai mult decat costul materialului din care sunt facute.Daca pentru sinele de cale ferata costul materialului depaseste costul de fabricatie,pentru alte produse cum ar fi masinile,avioanele,aparatele de precizie etc.,costul de fabricatie depaseste cu mult costul materialului.
Termenul de coroziune este conventional si cuprinde o serie de procese,
de schimbari chimice si electrochimice prin care metalele trec dintr-o forma elementara intr-o forma combinata.Aceasta trecere este posibila deoarece in natura,in mod obisnuit,metalele se gasesc sub forma combinata ca:oxizi,
carbonati,hidroxizi,a caror energie libera este mai mica decat a metalului pur,ceea ce determina tendinta naturala a metalelor de a trece la forme cu energie libera mai redusa.
Prin coroziune se intelege distrugerea materialelor datorita reactiilor chimice sau electrochimice cu mediul inconjurator.Atacul chimic direct este posibil la toate materiile prime folosite in industrie,in timp ce atacul electrochimic nu apare decat la metale,deoarece numai ele poseda electroni liberi.Materialele sintetice nu poseda aceasta structura ele fiind de obicei supuse degradarii numai prin atac chimic.
Sub acest aspect se definesc urmatoarele cazuri:
coroziunea chimica - cand in timpul reactiei chimice dintre un metal si mediul corosiv nu apare transport de sarcini electrice;
coroziunea electrochimica - cand in timpul reactiei chimice dintre un metal si mediul corosiv apare un transport de sarcini electrice.
In practica,fenomenele de coroziune sunt in mod frecvent extrem de complexe si apar sub diferite forme,motiv pentru care o clasificare riguroasa a tuturor acestor fenomene este greu de efectuat.
In functie de aspectul distrugerii,coroziunea se clasifica in:
coroziune continua
coroziune locala
Daca coroziunea este distribuita pe intrega suprafata a metalului coroziunea se numeste continua.Coroziunea continua poate fi uniforma sau neuniforma,dupa cum viteza procesului de distrugere este aceeasi pe intreaga suprafata metalica sau diferita pe anumite portiuni.
Daca distrugerea coroziva se concentreaza pe anumite portiuni ale suprafetei,distrugerea se numeste coroziune locala.

Coroziunea locala poate fi de mai multe feluri:
Coroziunea punctiforma,care se localizeaza pe suprafete mici (puncte de coroziune);
Coroziunea sub suprafata,care incepe la suprafata dar se extinde de preferinta sub suprafata metalului provocand umflarea si desprinderea metalului (pungi de coroziune);
Pete de coroziune,care se repartizeaza pe suprafete relativ mari,
dar adancimea lor este mica;
Coroziunea intercristalina,care se caracterizeaza prin distrugerea selectiva a metalului la limita dintre cristale;
Coroziunea transcristalina,care reprezinta un caz tipic de coroziune locala la care distrugerea coroziva este determinata de directia tensiunilor mecanice de intindere.Caracteristic la acest fel de coroziune este faptul ca fisurile se propaga nu numai la limita cristalelor ci ele chiar le traverseaza.

2. COROZIUNEA CHIMICA

Coroziunea chimica se produce din cauza afinitatii dintre metal si unele gaze (O₂;SO₂;H₂S;HCl gazos;CO;CO₂;H₂) sau lichide rau conducatoare de electricitate (alcooli;benzine;benzoli etc.) provocand modificari ale metalului manifestate prin:
- dizolvarea partilor componente si pierderi de material;
- spalarea componentilor;
- dezagregarea materialului de catre cristalele sarurilor care se formeaza in porii sai;
- marirea sau reducerea particulelor,deci si a intregii mase a metalului.
Intensitatea procesului de coroziune chimica este conditionata de:natura materialului,natura materialului corosiv,concentratia ,temperatura si presiunea mediului corosiv si durata de contact.
Dintre factorii externi,actiunea cea mai daunatoare asupra metalelor o are oxigenul.Suprafata curata a multor metale expusa la aer se oxideaza rapid,daca reactia respectiva de oxidare;

Me + nO MeO_n

are loc cu scaderea energiei libere.Molecula de oxigen este absorbita si concomitent scindata in atomi.Dupa aceasta are loc unirea atomilor de oxigen cu atomii de metal si formarea primului strat monomolecular de oxid.Daca pelicula de oxid formata prezinta proprietati protectoare,viteza initiala ridicata scade rapid in timp.Urmele de hidrogen sulfurat prezente in atmosfera la temperatura camerei catalizeaza coroziunea.

Capacitatea de protectie a peliculelor de oxid formate,depinde de permeabilitatea lor pentru substantele cu care reactioneaza.
Porozitatea peliculelor de oxid depinde de raportul dintre volumul oxidului si al metalului din care s-a format,dat de relatia:

;unde k este coeficientul de volum al oxidului.

In functie de valoarea coeficientului de volum al oxidului se deosebesc urmatoarele tipuri de pelicule de oxizi:
1) pentru k<1,pelicula formata este poroasa si neprotectoare;
2) pentru 1<k<1,5,pelicula formata este compacta,cu bune proprietati protectoare;
3) pentru k>1,5,pelicula formata este compacta insa cu puternice tensiuni interne,ceea ce provoaca exfolierea peliculei de oxizi la anumite grosimi,permitand in continuare degradarea metalului,viteza de crestere a peliculei fiind neregulata.Cazul tipic este oxidarea fierului (0,04%C;0,06Mn;
0,01%Si) in aer la 900⁰K.
Coroziunea chimica la temperaturi ridicate se produce cu viteze mari.
Astfel la prelucrarea la cald a otelului,prin laminare,unde temperaturile sunt intre 12001600⁰K,grosimea peliculei de oxid ajunge usor la cativa mm,ceea ce determina pierderi considerabile de metal la fiecare incalzire.Acest fenomen este posibil deoarece inca de la temperatura de 850⁰K incepe sa se formeze pe suprafata otelului un complex de oxizi (denumit si tunder) cuprinzand: (cu incepere de la suprafata metalului) FeO;Fe₃O₄ si Fe₂O₃ in straturi de grosimi diferite.Aceste straturi sunt poroase,permit oxidarea in continuare a metalului si se exfoliaza.
De remarcat faptul ca stratul interior de FeO este cauza slabei aderente a oxizilor formati anterior la suprafata metalica,deoarece sub influenta atmosferei duce la formarea hidroxidului de fier,deci la aparitia ruginii,sub stratul de oxizi de laminare,ceea ce grabeste indepartarea ei.

3. COROZIUNEA ELECTROCHIMICA

Spre deosebire de coroziunea chimica,metalele in contact cu solutiile bune conducatoare de electricitate (electroliti) se corodeaza electrochimic.
Solutia si metalul sunt strabatute,in acest caz,de un curent electric,generat de procesele electrochimice care se desfasoara la limita celor doua faze.
Pentru aparitia acestui tip de coroziune este necesar sa existe un anod,un catod,un electrolit si un conductor,deci un elament galvanic.Prin inlaturarea uneia dintre aceste conditii,coroziunea electrochimica nu se produce.Dupa cum in practica industriala metalele folosite in mod curent,sunt eterogene,se pot considera ca fiind alcatuite din electrozi electrici scurtcircuitati prin insasi corpul metalului respectiv.Prin introducerea metalului in apa sau in mediu cu

proprietati electrolitice,pe suprafata metalului apar elemente galvanice in care impuritatile din metal functioneaza ca microcatozi cu descarcare de hidrogen pe suprafata lor,in timp ce metalul,functionand ca anod se dizolva.
Exemple tipice de coroziune electrochimica se intalnesc in cazul coroziunii atmosferice (ruginirea fierului) si la coroziunea provocata de curentii electrici de dispersie din sol numiti si curenti vagabonzi.
In problemele practice de coroziune importanta este cunoasterea vitezelor reale cu care procesul se desfasoara.Daca procesul de coroziune este posibil,dar are o viteza de desfasurare foarte mica,se poate considera ca materialul este rezistent la coroziune.Viteza de coroziune se exprima prin masa de metal distrus pe unitatea de suprafata in unitatea de timp g/m²h sau adancimea la care au ajuns degradarile in unitatea de timp mm/an.
Cunoasterea acestor indici,permit alegerea corespunzatoare a materialului in functie de natura mediului,ceea ce determina o dimensionare corespunzatoare a instalatiilor si o justa apreciere a duratei lor in exploatare.

4. Metode de protectie anticorosiva a materialelor metalice

Protectia impotriva coroziunii reprezinta totalitatea masurilor care se iau pentru a feri materialele tehnice de actiunea agresiva a mediilor corosive.
Metodele si mijloacele de protectie anticorosiva sunt foarte variate si numeroase;principial ele se pot grupa in urmatoarele categorii:
metode de prevenire a coroziunii
utilizarea metalelor si aliajelor rezistente la coroziune;
metode de actionare asupra mediului corosiv;
metode de acoperire a suprafetelor metalice.

4.1. Metode de prevenire a coroziunii
Metodele de prevenire a coroziunii constau in:
alegerea corecta a materialelor utilizate in constructia de aparate si utilaje industriale,din punct de vedere al rezistentei la coroziune;
evitarea punerii in contact a unui metal cu un alt metal mai electronegativ decat el,de exemplu aluminiu alaturi de aliajele cuprului sau otelurilor aliate,bronz in contact cu otelul etc.
la fel se va evita punerea in contact a metalelor ecruisate cu metalele recoapte sau turnate,deoarece din cauza diferentei de potential electrochimic dintre ele,in  prezenta unui electrolit corespunzator,primele se corodeaza;
prelucrarea mai ingrijita a suprafetei metalului,deoarece adanciturile,zgarieturile favorizeaza si accelereaza coroziunea.

4.2. Utilizarea metalelor si aliajelor rezistente la coroziune
Din grupa metalelor si aliajelor rezistente la coroziune fac parte metalele nobile si aliajele lor,dar utilizarea lor devine dificila din cauza costului lor ridicat.

Se pot utiliza,in schimb,metalele si aliajele autoprotectoare,adica metalele si aliajele care in urma coroziunii initiale se acopera cu o pelicula izolatoare datorita fenomenului de pasivare (exemplu pasivarea Ag in HCl prin formarea peliculei de AgCl,a Fe in HNO₃ concentrat etc)
In majoritatea cazurilor se recurge la alierea metalelor cu un component adecvat.Uneori concentratii relativ scazute ale componentului de aliere,reduc considerabil viteza de coroziune (ex. introducerea Cu de 0,20,3%,Cr sau Ni in oteluri etc.)

4.3.Metode de actionare asupra mediului corosiv

Printre metodele de actionare asupra mediului corosiv amintim
modificarea PH-ului mediului de coroziune (exemplu neutralizarea apelor reziduale cu substante chimice)

indepartarea gazelor (O₂;CO₂) care maresc viteza de coroziune a mediilor corosive,mai ales a apei;
utilizarea inhibitorilor sau a pasivatorilor,ce sunt substante organice sau anorganice,care introduse in cantitati minime in mediul corosiv,micsoreaza sau anuleaza complet viteza de coroziune a acesteia;
protectia catodica consta in aplicarea unor metode galvanice de protectie a metalelor,folosind anozi metalici auxiliari,care se corodeaza in locul metalului protejat.

4.4. Metode de acoperire a suprafetelor metalice cu invelisuri anticorosive

Protectia prin invelisuri anticorosive se realizeaza prin acoperirea metalului cu un strat subtire de material autoprotector. Stratul autoprotector trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:
- sa fie compact si aderent;
- sa fie suficient de elastic si plastic;
- grosimea lui sa fie cat mai uniforma.
Stratul protector poate fi metalic sau nemetalic;cele metalice depuse pe suprafata metalului protejat se pot realiza:pe cale galvanica,pe cale termica si prin placare.
Straturile protectoare nemetalice pot fi organice sau anorganice,realizate prin utilizarea lacurilor,vopselelor,emailurilor sau a foliilor de masa plastica,etc.
Alegerea uneia sau alteia dintre metodele de protectie este functie de:
- parametrii tehnologici de functionare a instalatiei;
- forma si dimensiunile obiectului protejat;
- calitatea materialului suport;

- amplasarea obiectului de protejat in instalatie;

- tehnologiile de aplicare si posibilitatile de executie a protectiei anticorosive.

5.BIBLIOGRAFIE

- Prof. dr. ing. Aurel Nanu - Tehnologia Materialelor
- Prof. dr. F.M. Albert si Ing. Gh. Burlacu - Chimie generala