Az anyagtudomány és a mérnöki munka területén a korrózió, az oxidáció és a rozsda kifejezéseket gyakran felcserélhetően használják. Ezeknek a folyamatoknak azonban, bár rokonok, megkülönböztetett tulajdonságokkal és hatásokkal rendelkeznek. Különbségeik megértése elengedhetetlen az iparágaktól kezdve az űrhajózásig, mivel ezek a jelenségek jelentősen befolyásolhatják az anyagok és szerkezetek hosszú élettartamát és biztonságát.
Mi a korrózió?
A korrózió az anyagok, általában fémek fokozatos lebomlása, amelyet kémiai vagy elektrokémiai reakciók okoznak. Gyengíti az anyagot és befolyásolja annak szerkezeti integritását. A korrózió kudarchoz vezethet, ha ellenőrizetlen marad.
Az anyagtulajdonságok lebontása
A korrózió bekövetkezésekor megváltoztatja az anyag fizikai tulajdonságait. Ez magában foglalja az erőt, a megjelenést és akár a vezetőképességet is. A fém és annak környezete közötti elektrokémiai reakciók ezt a lebomlást okozzák.
Korrózió típusai
A korrózió nem azonos minden forgatókönyvben. A különböző környezetek és anyagok a korrózió különböző formáihoz vezetnek. Az alábbiakban bemutatunk néhány általános típus:
Egységes támadás : Ez a korrózió leggyakoribb formája. Akkor fordul elő, amikor az anyag teljes felülete korrozív környezetnek van kitéve, ami még romlást eredményez.
Galván korrózió : Ez a típusú korrózió akkor fordul elő, amikor két eltérő fém érintkezik egymással elektrolit jelenlétében. A kevésbé nemes fém az anódvá válik, és gyorsabban korrodálódik.
ECell = E⁰Cathode - E⁰anode - (RT/NF) LN ([OX]/[RED])
ECell = Cellpotenciál, E0 = standard elektródpotenciál, r = gázállandó, t = hőmérséklet, n = átvitt elektronok száma, és f a Faraday állandó.
A korrózió sebessége ∝ [Cl–] E (-∆G/RT)
Ebben az egyenletben ΔG a Gibbs szabad energia változása, R a gázállandó, és T a hőmérséklet.
Pontos : Ez a korrózió lokalizált formája, amely kis lyukakat vagy gödröket eredményez a fém felületén. Nehéz lehet felismerni, és gyors kudarchoz vezethet.
Intergranuláris korrózió : Az ilyen típusú korrózió a fém szemcsökkentése mentén fordul elő, gyakran a szennyeződések csapadéka vagy a különböző fázisok képződése miatt.
Eróziós korrózió : Ez akkor fordul elő, amikor egy korrozív folyadék nagy sebességgel mozog a fémfelületen, mind a mechanikus kopást, mind a kémiai lebomlást okozza.
Stressz -korrózió -repedés : Ez akkor fordul elő, amikor egy fémet mind a szakító stressznek, mind a korrozív környezetnek vetik alá, ami a repedések kialakulásához és terjedéséhez vezet.
Szelektív kimosódás : Az ilyen típusú korrózió magában foglalja az egy elem szelektív eltávolítását egy ötvözetből, és egy gyengült, porózus szerkezetet hagy maga után.
A korrózió által érintett anyagok
A korrózió nem csak a fémeket érinti. Más anyagok is romolhatnak:
Fémek : vas, alumínium, réz és ötvözetük leginkább a korrózió.
Kerámia : Bár a kerámia kevésbé gyakori, a környezetükkel kémiai reakciók révén lebomlik.
Polimerek : A korrodálás helyett a polimerek lebomlanak. Ez a gyengülés repedéshez, megsemmisítéshez vagy elszíneződéshez vezethet.
Mi az oxidáció?
Az oxidáció olyan kémiai eljárás, ahol az anyag elveszíti az elektronokat, általában oxigénnel reagálva. Ez a mindennapi kémia része, gyakran olyan látható változásokhoz, mint a szín vagy a textúra.
Az elektronok elvesztésével járó kémiai eljárás
Az oxidáció során egy anyag feladja az elektronokat egy másiknak. Az oxigén általában az az anyag, amely elfogadja őket. Ez a reakció mind szerves, mind szervetlen anyagokban előfordulhat, megváltoztatva azok tulajdonságait. Az általános oxidációs reakció ábrázolható:
M → M⁺ + E⁻
Itt az 'm ' az anyagot (gyakran fém) elveszti az elektronokat, és pozitív töltésű ionré (M⁺).
Példák az oxidációra a mindennapi életben
Az oxidáció befolyásolja az anyagokat, amelyeket minden nap használunk. Íme néhány általános példa:
Vas és acél rozsdásodása : Amikor a vas oxigénnel és nedvességgel reagál, rozsdásodik. A rozsda képződésének kémiai egyenlete:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Ez a vörösesbarna réteg gyengíti a fémet.
Ezüst elrontása : Ezüst reagál kénvegyületekkel a levegőben, ezüst -szulfidot képezve. A kémiai egyenlet:
2AG + H₂s → Ag₂s + H₂
Ez a fekete réteg tompítja az ezüst ékszerek vagy evőeszközök ragyogását.
Oxidáció szerves anyagokban
Az oxidáció az élő szervezetekben is megtörténik. De a fémekkel ellentétben a hatások hasznosak lehetnek:
A metabolizmus lendülete : Testünkben az oxidáció elősegíti az élelmiszerek energiát, felgyorsítja az anyagcserét.
Alacsonyabb rák kockázata : A sejtekben bizonyos oxidációs folyamatok segítenek megakadályozni a káros szabad gyökök terjedését, amelyek csökkenthetik a rák kockázatát.
Mi az a rozsda?
A rozsda egy speciális korrózió típusa, amely befolyásolja a vasat és ötvözeteit, például acélot. Ezt egy vörösesbarna szín és pelyhes textúra jellemzi.
A korrózió ilyen formája akkor fordul elő, amikor a vas nedvességnek és oxigénnek van kitéve. A rozsda kialakulásának folyamata több lépést foglal magában:
Oxidációs reakció : A vas elveszíti az elektronokat, és reagál az oxigénnel víz jelenlétében, hogy vas (II) ionokat képezzen.
Fe → fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Vas -hidroxid képződése : A Fe⊃2; ionok vízzel és oxigénnel reagálnak, hogy vas (II) hidroxidot képezzenek.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
A vas -hidroxid oxidációja : vas (II) hidroxid tovább oxidálódik, hogy vas (III) hidroxidot képezzen.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4fe (OH) ₃
A rozsda képződése : Vas (III) hidroxid-dehidrátok, hogy vas (III) oxid-hidroxidot képezzenek, közismert nevén rozsda. Ez a rozsda a vas -oxidok és a hidroxidok komplex keveréke.
4fe (oh) ₂ → fe₂o₃ · 3h₂o
Számos körülmény elősegítheti a rozsda képződését:
A nedvesség jelenléte : A víz elektrolitként működik, lehetővé téve a rozsdásodáshoz szükséges oxidációs-redukciós reakciókat. A magas páratartalom vagy az eső közvetlen kitettsége felgyorsíthatja a folyamatot.
Oxigén és elektrolitok expozíciója : Az oxigén elengedhetetlen a rozsda képződéséhez. A jó levegőztetéssel vagy a magas oxigénkoncentrációval rendelkező területek hajlamosabbak a rozsdásodásra. A sók és a savak szintén növelhetik a fém elektrokémiai aktivitását, felgyorsítva a rozsdamentes folyamatot.
Környezeti tényezők : A hőmérséklet szerepet játszik a rozsda kialakulásában. A magasabb hőmérsékletek növelhetik a kémiai reakciók sebességét, ami gyorsabb rozsdásodást eredményezhet. A felszíni szennyező anyagok, például a szennyeződések vagy az olaj, csapdába ejthetik a nedvességet a fém felülete ellen, így a rozsda számára érzékeny lokalizált területeket hoznak létre.
Különbségek a korrózió, az oxidáció és a rozsda
| oxidációs | rozsda | oldalkorrózió | között |
| Meghatározás | Az anyagok kémiai vagy elektrokémiai reakciók miatti anyagok lebontása a környezettel | Kémiai folyamat, ahol egy anyag elveszíti az elektronokat, gyakran az oxigénnel jár | A vas- és vasötvözeteket befolyásoló korrózió specifikus formája |
| Hatókör | A legszélesebb kifejezés, amely magában foglalja az anyagi degradáció különféle formáit | Specifikus típusú kémiai reakció | A vas -oxidáció specifikus terméke |
| Az érintett anyagok | Különféle anyagok, beleértve a fémeket, a kerámiákat és a polimereket | Mind szerves, mind szervetlen anyagok | Konkrétan a vas és az ötvözetei |
| Környezeti tényezők | Elektrolitot igényel | Oxigénre vagy más oxidálószerre van szüksége | Megköveteli mind az oxigént, mind a nedvességet |
| Termékek | Különféle vegyületeket eredményezhet | Oxidokat termel | Vas -oxidokat és hidroxidokat képez |
| Vegyi folyamat | Az anyag és a környezet közötti elektronátvitelt gyakran magában foglalja | Elektronok elvesztése, gyakran oxigénnel | A vas reagál az oxigénnel és a vízzel |
| Megjelenés | Különböző formák (pl. | Lehet látható vagy látható az anyagtól függően | Megkülönböztető vörösesbarna szín |
| Hatás | Általában káros az anyagi tulajdonságokra | Lehetnek hasznosak (pl. Védőrétegek) vagy káros lehetnek | Mindig káros a vas alapú anyagokra |
| Gazdasági hatás | Jelentős az iparágakban | A kontextustól függően változik | Lényeges a vasaló iparágakban |
A korrózió, az oxidáció és a rozsda hatása
A korrózió, az oxidáció és a rozsda messzemenő következményekkel jár, amelyek túlmutatnak az anyagok lebomlásán. Jelentős gazdasági veszteségekhez vezethetnek, biztonsági kockázatokat jelenthetnek, és akár a környezetet is károsíthatják.
Gazdasági következmények
A korrózió, az oxidáció és a rozsda költségei megdöbbentőek. A NACE International tanulmánya szerint a korrózió globális költsége becslések szerint évente 2,5 trillió dollár, ami a világ GDP -jének 3,4% -ának felel meg.
Ezek a költségek magukban foglalják:
A korrodált anyagok és szerkezetek cseréjének vagy javításának közvetlen költségei
Közvetett költségek, például a termelés elvesztése, a környezeti károk és a peres ügyek
A korrózió megelőzésének és ellenőrzési intézkedéseinek karbantartási költségei
A korrózió által leginkább érintett iparágak a következők:
Olaj- és gáz
Szállítás (autóipari, űrkutatás, vasút és tengeri)
Infrastruktúra (hidak, csővezetékek és épületek)
Gyártási és feldolgozó üzemek
Biztonsági aggályok
A korrózió, az oxidáció és a rozsda veszélyeztetheti az épületek, járművek és infrastruktúra szerkezeti integritását. Ez a romlás katasztrofális kudarcokhoz vezethet, az élet veszélybe sodorva.
A korrózió által okozott biztonsági veszélyek néhány példája a következők:
Hidak vagy épületek összeomlása a gyengült acél megerősítések miatt
A csővezetékek meghibásodása, az olajszivárgásokhoz vagy a gázszivárgáshoz vezet
A kritikus alkatrészek hibás működése repülőgépekben vagy járművekben
A korrodált csövek ivóvízének szennyeződése
Környezeti következmények
A korrózió, az oxidáció és a rozsda szintén jelentős környezeti következményekkel járhat. Ha a korrodált struktúrák meghibásodnak, akkor a veszélyes anyagokat felszabadíthatják a környezetbe.
Például:
A korrodált tárolótartályok szivároghatnak vegyi anyagokat vagy kőolajtermékeket, szennyező talaj- és talajvíz
A rozsdás fémhulladék nehéz fémeket kiszivároghat az ökoszisztémába
Az infrastruktúra lebontása hatékonysághoz vezethet, növelve az üvegházhatású gázok kibocsátását
Megelőzési és enyhítési stratégiák
A korrózió, az oxidáció és a rozsda megelőzéséhez és enyhítéséhez sokrétű megközelítést igényel. Ez magában foglalja a gondos anyagválasztást, a tervezési szempontokat, a védőkezeléseket, a környezeti ellenőrzést és a rendszeres megfigyelést.
Anyagválasztás és tervezés
A korrózió megelőzésének egyik leghatékonyabb módja az, ha olyan anyagokat használnak, amelyek lényegében rezisztensek. A korrózióálló ötvözetek néhány példája a következők:
Ezek az anyagok védő -oxidréteget képeznek a felületükön, amely elősegíti a további korrózió megelőzését.
A formatervezés döntő szerepet játszik a korrózió minimalizálásában is. A mérnököknek:
Kerülje az éles sarkokat és a hasadékokat, ahol a korrozív anyagok felhalmozódhatnak
Gondoskodjon a megfelelő vízelvezetésről az álló víz megakadályozása érdekében
Használjon hegesztett ízületeket csavarozott vagy szegecselt csatlakozások helyett, ha lehetséges
Védő bevonatok és kezelések
A védő bevonatok és kezelések felhordása az anyag felületére elősegítheti a korrózió megelőzését. Néhány általános módszer a következők:
Festékek és olajok : Ezek akadályt teremtenek a fém és a környezet között, megakadályozva a korrozív ágenseknek való kitettséget.
Galvanizálás : Ez magában foglalja a vasaló vagy acél bevonását egy cinkréteggel, amely áldozatosan korrodálódik az alapul szolgáló fém védelme érdekében.
Galvanizálás : Egy vékonyréteget egy korrózió-rezisztens fémből, például krómból vagy nikkelből helyez el egy másik fém felületére.
Eloxálás : Ez a folyamat vastag, védő oxidréteget hoz létre a fémek, például az alumínium felületén.
Passziválás : Ez magában foglalja a fém felületének kémiai oldattal történő kezelését, amely javítja a védő -oxid réteg képződését.
Környezetvédelmi irányítás
A környezet ellenőrzése elősegítheti a korrozív ágenseknek való kitettség minimalizálását. Néhány stratégia a következők:
Az alacsony páratartalom fenntartása a levegőben lévő nedvesség csökkentése érdekében
Szabályozza a hőmérsékletet a szélsőséges ingadozások elkerülése érdekében, amelyek felgyorsíthatják a korróziót
Dehumidifiók, légkondicionáló vagy fűtőberendezés használata a környezet ellenőrzésére
Az anyagok tárolása száraz, jól szellőztetett területeken távol a korrozív anyagoktól
Korróziófigyelés és ellenőrzés
A rendszeres megfigyelés és ellenőrzés elősegítheti a korrózió korai felismerését, lehetővé téve az időben történő beavatkozást. Ez magában foglalja:
A felületek vizuális ellenőrzése korrózió jeleit, például elszíneződést, piciót vagy pelyhesítést
Nem pusztító tesztelési módszerek, például ultrahang vastagság mérése vagy radiográfia alkalmazásával a korrózió mértékének felmérése az anyag károsítása nélkül
Az ellenőrzési eredmények részletes nyilvántartásainak megtartása a korrózió időbeli előrehaladásának nyomon követése érdekében
A korróziómegelőzés és a technológia fejlődése
A korrózió elleni küzdelem folytatódásával a kutatók és a mérnökök innovatív megoldásokat dolgoznak ki annak hatásainak megelőzésére és enyhítésére. Ezek az előrelépések a nagy teljesítményű bevonatoktól a valós idejű megfigyelő rendszerekig és új anyagokig terjednek.
Nagy teljesítményű bevonatok fejlesztése
A jelentős előrelépés egyik területe a fejlett védőbevonatok fejlesztése. Ezek a bevonatok kiválóan ellenállnak a korróziónak, a kopásnak és a kémiai támadásnak. Néhány figyelemre méltó példa a következők:
Epoxi- és poliuretán bevonatok : Ezek kiváló tapadást, tartósságot, valamint a nedvesség és a vegyi anyagok ellenállást kínálnak. Az ipari és tengeri alkalmazásokban széles körben használják őket.
Fluoropolimer bevonatok : A kivételes kémiai ellenállásukról és az alacsony súrlódási tulajdonságokról ismert, a fluoropolimer bevonatok, például a PTFE (TEFLON) ideálisak kemény környezethez.
Bio-ihlette öngyógyító bevonatok : Ezek az innovatív bevonatok utánozzák az élő szervezetek öngyógyító tulajdonságait. Ezek tartalmaznak olyan gyógyító szerekkel töltött mikroszkopikus kapszulákat, amelyek a bevonat sérülése esetén szabadulnak fel, lehetővé téve, hogy javítsa magát.
Katódos védelem és korróziógátló technológiák
A katódos védelem egy jól megalapozott módszer a fémszerkezetek korróziójának megelőzésére. Ez magában foglalja egy kis elektromos áram alkalmazását a fémre, és a katódvá teszi egy elektrokémiai cellában. Ez megakadályozza a fém korrodálódását.
A korróziógátlók olyan anyagok, amelyek a korrozív környezethez hozzáadva csökkentik a korrózió sebességét. Úgy működnek, hogy védőfilmet képeznek a fémfelületen vagy a környezet kémiájának módosításával.
Ezekben a technológiákban a közelmúltban fejlődés a következők:
Lenyűgözött jelenlegi katódos védelmi rendszerek, amelyek napenergiát vagy más megújuló energiaforrásokat használnak
A növényi kivonatokból és más környezetbarát forrásokból származó szerves korróziógátlók
Intelligens bevonatok, amelyek magukban foglalják a korróziógátlókat, és szükség esetén engedik el őket
Valós idejű korróziófigyelő és korai figyelmeztető rendszerek
A korrózió korai észlelése elengedhetetlen a katasztrofális kudarcok megelőzéséhez. A valós idejű megfigyelő rendszerek érzékelőket használnak a korrózióval kapcsolatos különféle paraméterek folyamatos mérésére, például:
Ezek a rendszerek figyelmeztethetik az operátorokat, ha a korróziós arány meghaladja az elfogadható szinteket, lehetővé téve az időben történő beavatkozást. Egyes fejlett rendszerek még a gépi tanulási algoritmusokat is használják a korrózió arányának a történelmi adatok alapján történő előrejelzésére.
Új anyagok és technikák a korróziómegelőzéshez a tengeri környezetben
A tengeri környezet különösen kihívást jelent a korróziómegelőzés szempontjából. A sós víz, a biológiai szennyeződés és a mechanikai stressz kombinációja még a legmegfelelőbb anyagokat is gyorsan lebonthatja.
A kutatók új anyagokat és technikákat fejlesztenek ki ezeknek a kihívásoknak a kezelésére, például:
Korrózióálló ötvözetek, amelyek magas szintű króm, nikkel és molibdénet tartalmaznak
Kompozit anyagok, amelyek ötvözik a fémek szilárdságát a polimerek korrózióállóságával
Nanostrukturált bevonatok, amelyek szuper-hidrofób felületet hoznak létre, megakadályozva a vizet és más korrozív anyagokat, hogy betarthassák a fémet
Elektrokémiai korrózióvezérlő módszerek, például lenyűgözött jelenlegi katódos védelem és áldozati anódok
Következtetés
A korrózió, az oxidáció és a rozsda rokon, de különálló folyamatok, amelyek jelentősen befolyásolhatják az anyagokat és a szerkezeteket. Míg az oxidáció széles kémiai reakció, a korrózió kifejezetten lebontja az anyagokat, és a rozsda csak a vasat és az ötvözeteket érinti.
Ezeknek a különbségeknek a megértése elengedhetetlen a különféle eszközök biztonságának és hosszú élettartamának fenntartása érdekében. A korróziós tudomány folyamatos kutatása célja új megelőzési stratégiák és technológiák kidolgozása ezen tartós kihívások leküzdésére.
