Коррозия металлов

В результате взаимодействия металлов и сплавов с окружающей средой происходит процесс их окисления – коррозия.

По механизму протекания различают химическую коррозию, т.е. разрушение металлов в окислительных средах (О₂, SO₂, Cl₂ и др.) при повышенных температурах, и электрохимическую коррозию, т.е. разрушение металлов в среде электролита.

Наиболее распространена электрохимическая коррозия, поскольку для возникновения среды электролита достаточно даже тонкой пленки влаги на металлической поверхности. При этом возникает короткозамкнутый гальванический элемент, в котором электроны переходят от анодных к катодным участкам поверхности, причем более активный металл (или более активный компонент сплава) выступает в роли анода и подвергается окислению, тогда как менее активный металл (компонент сплава) служит катодом и предоставляет свою поверхность для процесса восстановления окислителя..

В зависимости от природы окислителя различают коррозию с водородной деполяризацией, характерную для кислых сред, и коррозию с кислородной деполяризацией, протекающую в нейтральных и щелочных средах.

При коррозии с водородной деполяризацией, например, стали более активный компонент сплава – железо – приобретает более отрицательный потенциал (анод) и растворяется, а менее активные компоненты (например, цементит Fe₃C) служат катодами, на которых происходит выделение водорода:

анод ⊖ Fe − 2e = Fe²⁺

катод ⊕ 2H⁺ + 2e = H₂

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂

При коррозии с кислородной деполяризацией на менее активных участках поверхности протекает восстановление растворенного в электролите кислорода (катод), а более активное железо (анод) окисляется до гидроксида железа (II), который под действием влаги и кислорода воздуха в дальнейшем окисляется до гидроксида железа (III):

катод ⊕ О₂ + 2Н₂О + 4e = 4 ОН^-

анод ⊖ 2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe²⁺ + 4OH^- = 2Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

_{———————————————————————}

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃

Любая энергетическая неоднородность поверхности металла (по химическому или фазовому составу, по доступности окислителя и пр.) приводит к образованию большого числа коррозионных микрогальванических элементов. Чем больше разность потенциалов катодного и анодного участков, тем больше скорость коррозии. Особенно опасны контакты разнородных металлов, при которых ЭДС возникающего элемента может достигать нескольких В.

Коррозия может проявляться как в равномерном разрушении металла по всей поверхности, так и в виде различных форм неравномерного разрушения – язвенной, питтинговой, межкристаллитной и др. Все виды коррозии приводят к ухудшению свойств металла (сплава) вплоть до полного выхода из строя металлического изделия.

В связи с опасностью коррозионного разрушения разработаны разнообразные способы защиты металлов и сплавов от коррозии. К ним относятся: 1) легирование металла компонентами, снижающими скорость коррозии, например, легирование железа легко пассивирующимися никелем, титаном, молибденом и др.; 2) нанесение защитных покрытий, препятствующих доступу агрессивной среды к поверхности металла, а в ряде случаев (алюминий, цинк) принимающих на себя анодное окисление; 3) электрохимическая защита, при которой с помощью внешнего электрического тока или контакта с другим материалом защищаемому изделию навязывается потенциал, при котором оно не корродирует; 4) введение в коррозионную среду ингибиторов коррозии, которые адсорбируются на поверхности металла и предотвращают его взаимодействие с агрессивным электролитом.

Проблемы коррозионной стойкости применяемых материалов имеют большое значение и в стоматологии. В полости рта может возникать ЭДС на различных границах раздела фаз: твердая ткань зуба – слюна, зубной протез – слюна, твердая ткань зуба – зубной протез, мягкая ткань десны – десневая жидкость (ликвор) и пр. При протезировании, связанном с наличием в полости рта металлических материалов (нержавеющая сталь, хромкобальтовый сплав, золото, припой), возникает гальванический элемент, ЭДС которого может достигать нескольких сот мВ. При этом металл, выступающий в роли анода, подвергается окислению. В слабокислой среде (рН 5,5 – 6) окисление проявляется в анодном растворении металла:

Fe – 2e → Fe²⁺

Ni – 2e → Ni²⁺

Cr – 3e → Cr³⁺

В нейтральной среде (рН 7) анодное растворение металла приводит к образованию малорастворимых оксидов и гидроксидов и подкислению раствора (слюны):

Fe + 3Н₂О – 3e → Fe(ОН)₃ + 3Н⁺

Ni + Н₂О – 2e → NiО + 2Н⁺

2Cr + 3Н₂О – 6e → Cr₂О₃ + 6Н⁺

Особенно опасно использование при протезировании разнородных металлов. Так, при одновременном присутствии в ротовой полости золотых и стальных протезов возникает гальванический элемент, в котором менее активное золото играет роль катода, а более активные железо и никель подвергаются анодному окислению, что приведет к разрушению стальных протезов. На коррозионной устойчивости металлических материалов также отрицательно сказывается наличие в их составе различных примесей вследствие возникновения микрогальванических элементов.