Почему металл ржавеет
Коррозия металла — самопроизвольный процесс разрушения металла в результате химического или электрохимического взаимодействия металла с окружающей средой. Механический износ тоже разрушает металл, но коррозией его не считают. У железа и стали продукты коррозии — оксиды и гидроксид железа, их и называют ржавчиной. Ржавчина бывает только у черных металлов — железа и его сплавов. Медь, алюминий и цинк тоже подвергаются коррозии, но их покрывает своя оксидная плёнка, которая защищает от дальнейшего окисления.
Главное условие коррозии — вода. Металлы, сплавы и металлические покрытия подвергаются атмосферной коррозии, когда их поверхность увлажнена: так это сформулировано в ГОСТ ISO 9223-2017. Стандарт учитывает время, когда влажность воздуха выше 80 % при температуре выше 0 °C, — тогда на поверхности металла держится плёнка влаги. Сухой металл в отапливаемом помещении почти не корродирует, а конденсат, дождь и тающий снег запускают процесс ржавления. Соли, кислоты и другие химические вещества из окружающей среды повышают электропроводность воды, и коррозия идёт быстрее.
Химическая и электрохимическая коррозия
Химическая и электрохимическая коррозия — два вида коррозии по механизму. Химическая коррозия идёт без электрического тока: металл окисляется при контакте с сухими газами или жидкостями, которые не проводят ток, чаще при нагреве. Электрохимическая коррозия требует электролита — конденсата, дождевой воды, раствора соли. Из-за неоднородности структуры металла и примесей на поверхности возникают гальванические элементы: металл отдаёт часть электронов и переходит в раствор. Атмосферная коррозия — электрохимическая, поэтому защищает металл любой барьер, который не пускает к нему воду.
По характеру разрушения различают виды коррозии: сплошная коррозия поражает всю поверхность, местная — отдельные участки, пятнами, язвами, точками. Местная коррозия опасна тем, что разрушение идёт вглубь: по массе металл теряет немного, а в одном месте лист проржавеет насквозь.
Отдельный случай — контакт разных металлов. Если два металла с разными потенциалами соприкасаются в воде, растворяется тот, у которого потенциал ниже. Такой контакт металла ведёт к разрушению металлических креплений: сварные соединения, заклёпки и болты из другого сплава — частые очаги коррозии.
Насколько агрессивна среда: категории C1–CX
Скорость коррозии зависит от типа используемого металла и условий эксплуатации. ГОСТ ISO 9223-2017 делит атмосферу на шесть категорий коррозионной агрессивности — от C1 до CX — по тому, сколько металла теряют образцы из стали, цинка, меди и алюминия за первый год на воздухе. Чем больше в воздухе влаги, солей, загрязнений и химических веществ, тем выше категория.
| Категория | Где так бывает | Сталь, мкм в год | Цинк, мкм в год |
|---|---|---|---|
| C1, очень низкая | отапливаемые помещения: офисы, школы, музеи | до 1,3 | до 0,1 |
| C2, низкая | неотапливаемые склады, сельская местность, малые города | 1,3–25 | 0,1–0,7 |
| C3, средняя | город, пищевые цеха, прачечные | 25–50 | 0,7–2,1 |
| C4, высокая | промзоны, побережье без брызг, улицы с реагентами; бассейны | 50–80 | 2,1–4,2 |
| C5, очень высокая | тяжёлая промышленность, береговая линия, шахты | 80–200 | 4,2–8,4 |
| CX, экстремальная | морские районы с соляным туманом | 200–700 | 8,4–25 |
Главное в таблице — разница между сталью и цинком. В городе сталь теряет 25–50 мкм в год, цинк — 0,7–2,1 мкм: по границам категорий цинк корродирует в 20–35 раз медленнее. На этом и держится защита металла цинком.
Для металлических конструкций в воде и грунте ГОСТ 34667.2-2020 вводит свои категории Im1–Im4: пресная и морская вода, грунт. Там работают специальные системы покрытий и электрохимическая защита.
Способы защиты металла от коррозии
Методы защиты металлов от коррозии для различных металлических изделий сводятся к трём идеям. Первая — изолировать металл нанесением защитных покрытий: покрытие изолирует металл от воды и воздуха. Вторая — заставить корродировать вместо защищаемого изделия другой, более активный металл. Третья — выбор устойчивого металла, изменение свойств металла легированием или изменение самой среды. Метод защиты металлов выбирают по условиям работы и сроку службы, и чаще всего способы сочетают.
Защитные покрытия
Виды защитных покрытий металла — из неметаллических и металлических материалов. Из неметаллических защитных покрытий это лакокрасочные материалы — грунтовки, эмали, порошковые краски, — а также полимерные плёнки и эмалирование. Их задача — не пустить к металлу кислород и влагу. Металлическое покрытие создают слоем других металлов — цинка, никеля, хрома, олова — гальванически, погружением в расплав или напылением. Металлизация — газотермическое напыление — даёт слой от десятков до сотен микрометров.
Третья группа — конверсионные покрытия. Химическая обработка — оксидирование, фосфатирование, пассивация — и анодирование служат для обработки металлических поверхностей, режим подбирают в зависимости от типа металла. На поверхности металла образуется защитная плёнка оксидов или фосфатов, и чаще она служит подготовкой под краску.
Электрохимическая защита
Электрохимическая защита меняет сам процесс электрохимической коррозии. При протекторной защите к конструкции крепят пластины более активного металла — цинка или магния. Они растворяются, а защищаемая сталь становится катодом, и разрушение металла прекращается: это катодная защита. Так защищают суда, мосты и подземные трубопроводы. Второй электрохимический способ — защита от внешнего источника постоянного электрического тока: напряжение смещает электродный потенциал конструкции, и металл перестаёт растворяться.
Электрохимическая защита в чистом виде нужна конструкциям в воде и в грунте. Для изделий на воздухе её роль играет цинковое покрытие. Ингибиторы коррозии — химические вещества, которые замедляют процесс коррозии, если ввести их в среду: в воду замкнутых систем, в смазки и консервационные составы, в упаковку деталей при хранении. Для изделия на улице это не основная защита.
Цинк: как работает оцинковка и сколько служит
Цинкование — один из распространенных методов защиты стали, и работает оно двумя способами. Пока защитный слой цинка цел, он работает как барьер. В месте повреждения цинк, более активный металл, разрушается первым, а металл в царапине остаётся катодом и не ржавеет. Стойкость к коррозии у самого цинка высокая: его закрывает оксидная плёнка. Поэтому оцинковка обеспечивает надежную защиту металлоконструкций и металлических изделий на улице.
Срок службы цинкового покрытия можно оценить заранее: по ГОСТ 14918-2020 антикоррозионная защита пропорциональна массе или толщине покрытия, значит, толщину цинка достаточно разделить на скорость его коррозии.
Оцинкованный лист и горячее цинкование изделия
Оцинкованный лист и оцинкованное изделие — разные покрытия. Лист цинкуют на непрерывной линии, и класс покрытия по ГОСТ 14918-2020 — это масса цинка на обе стороны в граммах на квадратный метр. У класса 275 слой около 19 мкм на сторону, у класса 100 — около 7 мкм. При горячем цинковании по ГОСТ 9.307-2021 в расплав при 430–460 °C опускают готовые изделия и части металлоконструкций, и слой толще: в среднем 45 мкм на металле до 1,5 мм, 55 мкм — на 1,5–3 мм, 70 мкм — на 3–6 мм и 85 мкм — на металле толще 6 мм.
По этой оценке оцинкованная сталь класса 275 в городе держится 9–28 лет, в промзоне или у моря — 5–9. Горячее цинкование детали из материала толщиной 1,5–3 мм в той же промзоне даёт 13–26 лет, массивной металлоконструкции со слоем 85 мкм — 20–40 лет. Это расчёт по скорости первого года, долгосрочные модели даёт ISO 9224, но для выбора способа защиты его хватает.
Слабые места оцинковки — повреждения и места, где цинка нет. При сварке цинк в зоне шва выгорает, и шов защищают заново. Для ремонта непрокрытых участков ГОСТ 9.307-2021 рекомендует не меньше двух слоёв краски с высоким содержанием цинка общей толщиной от 100 мкм, при доле цинка в сухой плёнке от 95 %. Это и называют холодным цинкованием. Кромку после резки тонкого листа прикрывает соседнее покрытие, а на толстом листе её лучше закрыть краской. Мы делаем изделия из оцинкованной стали толщиной 0,5–3 мм и, где можно, собираем их на заклёпках, а не на сварке.
Покраска: грунт, эмаль и порошковое покрытие
Краска работает, пока цела: покрытие не пускает к металлу влагу и кислород. Через повреждения покрытия или плохо подготовленную поверхность влага доходит до металла, коррозия идёт под плёнкой, и покрытие вздувается. Поэтому защитные свойства покраски зависят от трёх вещей: подготовки металла, грунтовки и толщины слоя.
Лакокрасочные материалы для черного металла — антикоррозийная грунтовка и один-два слоя эмали. Эмали бывают алкидные, акриловые на водной основе и эпоксидные с отвердителем. Цинконаполненные грунтовки работают как холодное цинкование. Грунт-эмаль «3 в 1» объединяет грунтовку, преобразователь ржавчины и финишный слой — это вариант для ремонта на месте.
Порошковая покраска устроена иначе: сухую краску напыляют в электростатическом поле и запекают в печи при 160–200 °C. За один слой получается 60–120 мкм без подтёков, и такое покрытие меньше боится механических повреждений, чем эмаль. Ограничение одно: изделие должно войти в печь целиком. Оцинкованную сталь перед покраской пассивируют, нержавеющий металл делают шероховатым, алюминий хроматируют — без этого покрытие отслаивается. Подробнее о технологии и ценах — на странице порошковой покраски металла.
Если изделию стоять на улице долго, способы сочетают: цинк под краской. Краска закрывает цинк, и он расходуется медленнее, а сам он не даёт ржавчине расползтись из скола.
Срок службы лакокрасочных антикоррозионных покрытий зависит от системы и категории среды. ГОСТ 34667.1-2020 делит долговечность лакокрасочных систем для стальных конструкций на четыре класса: низкая — до 7 лет, средняя — от 7 до 15, высокая — от 15 до 25 и очень высокая — более 25 лет. Это технический срок для планирования ремонта, а не гарантия: гарантийный срок, как оговаривает стандарт, обычно короче.
Металлы, которым защита почти не нужна
Иногда проще обойтись без защиты от коррозии и взять материалы, устойчивые к коррозии. Устойчивость к коррозии нержавеющей стали даёт хром — его не меньше 10,5 %: металл покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая восстанавливается сама. Но и нержавейка ржавеет — у дорог с реагентами, у моря, в местах сварки; в пяти километрах от прибоя берут марку не ниже AISI 316. Подробнее — в статье почему ржавеет нержавейка, изделия из неё — на странице изделий из нержавеющей стали.
На алюминии сразу образуется оксидная плёнка, анодирование её усиливает. В городской атмосфере C3 алюминий теряет 0,6–2 г/м² в год, сталь — 200–400 г/м². У алюминиевых сплавов АМг и АМц устойчивость к коррозии высокая и без покраски, а дюраль без плакировки корродирует — об этом в статье о марках алюминия.
Медь корродирует медленно — 0,6–1,3 мкм в год в категории C3 — и со временем покрывается зелёной патиной, слоем основного карбоната меди. Ржавеет только железо: ржавчина — это коррозия железа и его сплавов. Чем различаются марки меди, разбираем в статье марки меди.
Что делать, если металл уже заржавел
По ржавчине не красят: рыхлая ржавчина держит влагу и соли, и под новым покрытием коррозия продолжается. Сначала удаление ржавчины. Механическая очистка удаляет ржавчину, окалину и старую краску; способы очистки металла — металлические щетки, шлифовальные круги, абразивоструйная обработка.
Преобразователи ржавчины — химические составы, которые переводят оксиды железа в плотный слой, более устойчивый к влаге. Бывают преобразователи-грунты, которые после реакции окрашивают, и химические составы для удаления ржавчины. У грунтовых известный недостаток: под преобразованным слоем остаются влага и соли, и со временем краска трескается или вздувается. Поэтому преобразователь ржавчины годится для ремонта на месте: ворот, забора, кузова. Для металлической детали, которой служить годами, ржавчину снимают до чистого металла, а потом красят заново или цинкуют.
Ремонт идёт по порядку: механическая очистка, обезжиривание, после очистки металла — преобразователь на ржавые участки, где ржавчину не снять до конца, затем грунтовки и эмаль в два слоя или грунт-эмаль. Повреждённые участки оцинковки закрывают цинконаполненной краской.
Как выбрать защиту для изделия
Антикоррозийная защита металла начинается не с вопроса «чем покрасить». Сначала решают, где будет работать изделие и сколько лет оно должно простоять без ремонта: по категории среды выбирают метод защиты металлов, по сроку — толщину покрытия. Ориентир для выбора защиты:
| Где работает изделие | Категория | Что выбрать |
|---|---|---|
| Отапливаемое помещение | C1 | сталь почти не корродирует, покраска нужна скорее для вида |
| Неотапливаемый склад, гараж, сельская местность | C2 | порошковая покраска по подготовленной поверхности или оцинкованный лист |
| Город, улица | C3 | оцинковка или горячее цинкование, сверху — порошковая покраска для цвета; нержавейка или алюминий |
| Промзона, побережье, дороги с реагентами, бассейн | C4 | горячее цинкование изделия и краска поверх; нержавеющая сталь AISI 316 |
| Береговая линия, тяжёлая промышленность | C5, CX | толстое горячее цинкование с покраской, нержавейка с молибденом; систему подбирают по проекту |
| В воде или в грунте | Im1–Im4 | специальные системы покрытий и электрохимическая защита по проекту |
Конструкция тоже защищает
Ржавчина начинается там, где задерживается вода, поэтому защита конструкции закладывается в чертеже. Для металлических конструкций под горячее цинкование ГОСТ 9.307-2021 требует: никаких карманов и закрытых полостей, в полостях — дренажные отверстия, между параллельными поверхностями — не меньше 4 мм, иначе возможны непрокрытые места и щелевая коррозия, острые кромки скругляют радиусом от 0,3 мм. Эти правила помогают и краске: вода не застаивается. И не делайте соединения с деталями из других металлов без изоляции: в паре корродирует тот, у кого потенциал ниже.
Антикоррозийная защита металла для любых металлических изделий у нас идёт в одном цикле: режем и гнём сталь, оцинковку и нержавейку, делаем покраску металла порошковой краской слоем 60–120 мкм в любой цвет RAL. Пришлите чертёж и напишите, где будет стоять изделие, — подскажем защиту.
Коротко
- Способы защиты металлов от коррозии: нанесением защитных покрытий, электрохимической защитой, ингибиторами и выбором материалов, устойчивых к коррозии.
- Цинк корродирует в 20–35 раз медленнее стали и бережёт её даже в месте повреждения; срок службы пропорционален толщине слоя.
- Порошковая покраска даёт 60–120 мкм за слой, для улицы её кладут поверх цинка. По ржавчине не красят: рыхлую ржавчину сначала снимают.