V oblasti materiálovej vedy a inžinierstva sa pojmy korózia, oxidácia a hrdza často používajú zameniteľne. Tieto procesy, aj keď súvisia, však majú zreteľné charakteristiky a vplyvy. Pochopenie ich rozdielov je rozhodujúce pre odvetvia od výstavby po letecký priestor, pretože tieto javy môžu významne ovplyvniť dlhovekosť a bezpečnosť materiálov a štruktúr.
Čo je korózia?
Korózia je postupná degradácia materiálov, zvyčajne kovov spôsobených chemickými alebo elektrochemickými reakciami. Oslabuje materiál a ovplyvňuje jeho štrukturálnu integritu. Korózia môže viesť k zlyhaniu, ak bude nekontrolovaná.
Degradácia materiálových vlastností
Ak dôjde k korózii, mení fyzikálne vlastnosti materiálu. Zahŕňa to silu, vzhľad a rovnomernú vodivosť. Elektrochemické reakcie medzi kovom a jeho prostredím spôsobujú túto degradáciu.
Typy korózie
Korózia nie je v každom scenári rovnaká. Rôzne prostredia a materiály vedú k rôznym formám korózie. Nižšie sú uvedené niektoré bežné typy:
Jednotný útok : Toto je najbežnejšia forma korózie. Vyskytuje sa, keď je celý povrch materiálu vystavený korozívnemu prostrediu, čo vedie k zhoršeniu.
Galvanická korózia : Tento typ korózie dochádza, keď sú v prítomnosti elektrolytu v kontakte dva odlišné kovy. Čím menej ušľachtilý kov sa stáva anóde a koroduje rýchlejšie.
ECELL = E⁰CatHode - E⁰anode - (RT/NF) LN ([OX]/[Red])
ECEL = bunkový potenciál, E0 = štandardné elektródové potenciály, R = plynná konštanta, T = teplota, n = počet prenesených elektrónov a F je Faradayov konštanta.
Miera korózie ∝ [CL-] E (-∆G/RT)
V tejto rovnici je AG zmena voľnej energie Gibbs, R je plynná konštanta a T je teplota.
Pitting : Toto je lokalizovaná forma korózie, ktorá vedie k malým otvorom alebo jamám na povrchu kovu. Môže byť ťažké odhaliť a môže viesť k rýchlemu zlyhaniu.
Intergranulárna korózia : Tento typ korózie sa vyskytuje pozdĺž hraníc zŕn kovu, často v dôsledku zrážok nečistôt alebo tvorby rôznych fáz.
Korózia erózie : Stáva sa to, keď sa korozívna tekutina pohybuje po kovovom povrchu pri vysokých rýchlostiach, čo spôsobuje mechanické opotrebenie aj chemické degradáciu.
Praskanie korózie stresu : K tomu dochádza, keď je kov vystavený ťahovému napätiu a korozívnemu prostrediu, čo vedie k tvorbe a šíreniu trhlín.
Selektívne vylúhovanie : Tento typ korózie zahŕňa selektívne odstránenie jedného prvku zo zliatiny a zanechal za sebou oslabenú poréznu štruktúru.
Materiály ovplyvnené koróziou
Korózia nemá vplyv iba na kovy. Aj ďalšie materiály môžu degradovať:
Kovy : železo, hliník, meď a ich zliatiny sú najviac postihnuté koróziou.
Keramika : Aj keď je keramika menej častá, môže sa degradovať chemickými reakciami s ich prostredím.
Polyméry : Namiesto korodovania sa polyméry degradujú. Toto oslabenie môže viesť k prasknutiu, deformácii alebo sfarbeniu.
Čo je oxidácia?
Oxidácia je chemický proces, kde materiál stráca elektróny, zvyčajne reagujúci s kyslíkom. Je to súčasť každodennej chémie, čo často vedie k viditeľným zmenám, ako je farba alebo textúra.
Chemický proces zahŕňajúci stratu elektrónov
Pri oxidácii sa látka vzdáva elektrónov inému. Kyslík je zvyčajne látka, ktorá ich akceptuje. Táto reakcia sa môže vyskytnúť v organických aj anorganických materiáloch, čím sa mení ich vlastnosti. Všeobecná oxidačná reakcia môže byť reprezentovaná ako:
m → m⁺ + e⁻
Tu predstavuje 'm ' materiál (často kovový) strácajúci elektróny a stáva sa pozitívne nabitým iónom (M⁺).
Príklady oxidácie v každodennom živote
Oxidácia ovplyvňuje materiály, ktoré používame každý deň. Tu je niekoľko bežných príkladov:
Rustovanie železa a ocele : Keď železo reaguje s kyslíkom a vlhkosťou, tvorí hrdzu. Chemická rovnica pre tvorbu hrdze je:
4FE + 3O₂ + 6H₂o → 4FE (OH) ₃
Táto červenohnedá vrstva oslabuje kov.
Oxidácia v organických materiáloch
Oxidácia sa vyskytuje aj v živých organizmoch. Ale na rozdiel od kovov môžu byť účinky prospešné:
Podpora v metabolizme : V našich telách pomáha oxidácia spaľovať potravu na energiu a urýchliť metabolizmus.
Nižšie riziko rakoviny : Niektoré oxidačné procesy v bunkách pomáhajú zabrániť šíreniu škodlivých voľných radikálov, čo môže znížiť riziko rakoviny.
Čo je hrdza?
Hrdza je špecifický typ korózie, ktorý ovplyvňuje železo a jeho zliatiny, napríklad oceľ. Vyznačuje sa červeno-hnedou farbou a šupinatou textúrou.
Táto forma korózie sa vyskytuje, keď je železo vystavené vlhkosti a kyslíku. Proces tvorby hrdze zahŕňa niekoľko krokov:
Oxidačná reakcia : Železo stráca elektróny a reaguje s kyslíkom v prítomnosti vody za vzniku iónov železa (II).
Fe → február; ⁺ + 2e⁻
Tvorba hydroxidu železa : február 2; ⁺ ióny reagujú s vodou a kyslíkom za vzniku hydroxidu železa (II).
Február; ⁺ + 2H₂o + O₂ → Fe (OH) ₂
Oxidácia hydroxidu železa : Hydroxid železa (II) ďalej oxiduje za vzniku hydroxidu železa (III).
4Fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂o → 4Fe (OH) ₃
Tvorba hrdze : železo (iii) hydroxid dehydráty za vzniku oxidu-hydroxidu oxidu železa (III), bežne známy ako hrdza. Táto hrdza je komplexná zmes oxidov železa a hydroxidov.
4FE (OH) ₂ → február · 3H₂o
Niekoľko podmienok môže podporovať formovanie hrdze:
Prítomnosť vlhkosti : Voda pôsobí ako elektrolyt, čo umožňuje oxidačné redukčné reakcie potrebné na hrdzavenie. Vysoká vlhkosť alebo priame vystavenie dažďu môžu proces urýchliť.
Vystavenie kyslíku a elektrolytom : kyslík je nevyhnutný pre tvorbu hrdze. Oblasti s dobrým prevzdušňovaním alebo vysokou koncentráciou kyslíka sú náchylnejšie na hrdzavenie. Soli a kyseliny môžu tiež zvýšiť elektrochemickú aktivitu kovu, čím zrýchľuje proces hrdzavenia.
Faktory prostredia : Teplota hrá úlohu pri tvorbe hrdze. Vyššie teploty môžu zvýšiť rýchlosť chemických reakcií, čo vedie k rýchlejšiemu hrdzaveniu. Povrchové kontaminanty, ako je nečistota alebo olej, môžu zachytiť vlhkosť na kovovom povrchu a vytvárajú lokalizované oblasti zraniteľné voči hrdze.
Rozdiely medzi koróziou, oxidáciou a hrdzou
| o | korózie | oxidácii | hrdze |
| Definícia | Degradácia materiálov v dôsledku chemických alebo elektrochemických reakcií s prostredím | Chemický proces, kde látka stráca elektróny, často zahŕňajúci kyslík | Špecifická forma korózie ovplyvňujúcej zliatiny železa a železa |
| Rozsah | Najširší termín, ktorý zahŕňa rôzne formy degradácie materiálu | Špecifický typ chemickej reakcie | Špecifický produkt oxidácie železa |
| Postihnuté materiály | Rôzne materiály vrátane kovov, keramiky a polymérov | Organické aj anorganické látky | Konkrétne železo a jeho zliatiny |
| Environmentálne faktory | Vyžaduje elektrolyt | Potrebuje kyslík alebo iné oxidačné činidlo | Vyžaduje kyslík aj vlhkosť |
| Výrobky | Môže mať za následok rôzne zlúčeniny | Produkuje oxidy | Tvorí oxidy železa a hydroxidy |
| Chemický proces | Často zahŕňa prenos elektrónov medzi materiálom a životným prostredím | Strata elektrónov, často na kyslík | Železo reaguje s kyslíkom a vodou |
| Vzhľad | Rôzne formy (napr. Pitting, škálovanie) | Môže byť viditeľný alebo neviditeľný v závislosti od materiálu | Výrazná červenkasto-hnedá farba |
| Dopad | Zvyčajne škodí materiálnym vlastnostiam | Môže byť prospešné (napr. Ochranné vrstvy) alebo škodlivé | Vždy škodlivé pre materiály na báze železa |
| Hospodársky vplyv | Významné v rôznych odvetviach | Líši sa v závislosti od kontextu | V priemysle využívajúcich železo |
Vplyv korózie, oxidácie a hrdze
Korózia, oxidácia a hrdza majú ďalekosiahle následky, ktoré presahujú degradáciu materiálov. Môžu viesť k významným hospodárskym stratám, predstavovať bezpečnostné riziká a dokonca poškodiť životné prostredie.
Ekonomické dôsledky
Náklady spojené s koróziou, oxidáciou a hrdzou sú ohromujúce. Podľa štúdie spoločnosti NACE International sa globálne náklady na koróziu odhadujú na 2,5 bilióna dolárov ročne, čo zodpovedá 3,4% svetového HDP.
Tieto náklady zahŕňajú:
Priame náklady na výmenu alebo opravu korodovaných materiálov a štruktúr
Nepriame náklady, ako je strata výroby, poškodenie životného prostredia a súdne spory
Náklady na údržbu opatrení na prevenciu a kontrola korózie
Priemyselné odvetvia, ktoré sú najviac postihnuté koróziou, zahŕňajú:
Ropa
Doprava (automobilový, letecký, železničný a námorník)
Infraštruktúra (mosty, potrubia a budovy)
Výrobné a spracovateľské závody
Obavy o bezpečnosť
Korózia, oxidácia a hrdza môžu ohroziť štrukturálnu integritu budov, vozidiel a infraštruktúry. Toto zhoršenie môže viesť k katastrofickým zlyhaniam, čím ohrozuje životy.
Niektoré príklady bezpečnostných rizík spôsobených koróziou zahŕňajú:
Kolaps mostov alebo budov v dôsledku oslabených oceľových zosilnení
Zlyhanie potrubí, čo vedie k únikom ropy alebo únikom plynu
Nefunkcia kritických komponentov v lietadlách alebo vozidlách
Kontaminácia pitnej vody z korodovaných potrubí
Environmentálne dôsledky
Korózia, oxidácia a hrdza môžu mať tiež významné environmentálne následky. Keď zlyhajú korodované štruktúry, môžu do životného prostredia uvoľniť nebezpečné materiály.
Napríklad:
Korodované skladovacie nádrže môžu uniknúť chemikáliám alebo ropným výrobkom, kontaminujúcu pôdu a podzemnú vodu
Rustovaný kovový odpad môže do ekosystému vylúhovať ťažké kovy
Degradácia infraštruktúry môže viesť k neefektívnosti, zvýšeniu emisií skleníkových plynov
Stratégie prevencie a zmierňovania
Prevencia a zmiernenie korózie, oxidácie a hrdze vyžaduje viacstranný prístup. Zahŕňa to starostlivý výber materiálu, úvahy o návrhu, ochranné ošetrenia, kontrolu životného prostredia a pravidelné monitorovanie.
Výber a dizajn materiálu
Jedným z najúčinnejších spôsobov, ako zabrániť korózii, je použitie materiálov, ktoré sú vo svojej podstate odolné voči nej. Niektoré príklady zliatin odolných voči korózii zahŕňajú:
Tieto materiály tvoria na svojom povrchu vrstvu ochranného oxidu, čo pomáha predchádzať ďalšej korózii.
Návrh tiež hrá rozhodujúcu úlohu pri minimalizácii korózie. Inžinieri by mali:
Vyvarujte sa ostrým rohom a trhlinám, kde sa môžu akumulovať korozívne látky
Zaistite správny odtok, aby ste zabránili stojatej vode
Namiesto skrutkovaných alebo nitovaných pripojení použite zvárané kĺby, ak je to možné
Ochranné povlaky a ošetrenia
Aplikácia ochranných povlakov a ošetrení na povrch materiálu môže pomôcť zabrániť korózii. Niektoré bežné metódy zahŕňajú:
Farby a oleje : Tieto vytvárajú bariéru medzi kovom a životným prostredím, čo bráni vystaveniu korozívnym látkam.
Galvanizácia : Zahŕňa to poťahovanie železa alebo ocele s vrstvou zinku, ktorá obetný koroduje, aby chránila podkladový kov.
Elektroplatácia : Na povrch iného kovu ukladá tenkú vrstvu kovu odolnejšie voči korózii, ako je chróm alebo nikel, na povrch iného kovu.
Anodizácia : Tento proces vytvára hrubú ochrannú oxidovú vrstvu na povrchu kovov, ako je hliník.
Pasivácia : Zahŕňa ošetrenie povrchu kovu chemickým roztokom, aby sa zvýšila tvorba ochrannej oxidovej vrstvy.
Kontrola životného prostredia
Ovládanie prostredia môže pomôcť minimalizovať vystavenie korozívnym látkam. Niektoré stratégie zahŕňajú:
Udržiavanie nízkej úrovne vlhkosti na zníženie vlhkosti vo vzduchu
Regulácia teploty, aby sa predišlo extrémnym výkyvom, ktoré môžu urýchliť koróziu
Používanie odvlhčovačov, klimatizačných zariadení alebo ohrievačov na kontrolu životného prostredia
Ukladanie materiálov v suchých, dobre vetraných oblastiach od korozívnych látok
Monitorovanie a kontrola korózie
Pravidelné monitorovanie a kontrola môžu pomôcť predčasne odhaliť koróziu, čo umožňuje včasný zásah. To zahŕňa:
Vizuálne kontroly povrchov na príznaky korózie, ako je sfarbenie, jamky alebo odlupovanie
Použitím nedeštruktívnych testovacích metód, ako je meranie ultrazvukovej hrúbky alebo rádiografia, na vyhodnotenie rozsahu korózie bez poškodenia materiálu
Vedenie podrobných záznamov o výsledkoch inšpekcií na sledovanie progresie korózie v priebehu času
Pokrok v prevencii a technológii korózie
Ako boj proti korózii pokračuje, vedci a inžinieri vyvíjajú inovatívne riešenia, ktoré zabránia a zmierňujú jej účinky. Tieto pokroky siahajú od vysokovýkonných povlakov až po monitorovacie systémy v reálnom čase a nové materiály.
Vývoj vysokovýkonných povlakov
Jednou z oblastí významného pokroku je vývoj pokročilých ochranných povlakov. Tieto povlaky poskytujú vynikajúcu odolnosť voči korózii, opotrebeniu a chemickému útoku. Niektoré pozoruhodné príklady zahŕňajú:
Epoxidové a polyuretánové povlaky : Tieto ponúkajú vynikajúcu adhéziu, trvanlivosť a odolnosť voči vlhkosti a chemikáliách. Všeobecne sa používajú v priemyselných a morských aplikáciách.
Fluoropolymérne povlaky : známe svojimi výnimočnými chemickými odpormi a nízkymi vlastnosťami trenia, fluoropolymérne povlaky, ako je PTFE (teflón), sú ideálne pre tvrdé prostredie.
Bio-inšpirované samoliečovacie povlaky : Tieto inovatívne povlaky napodobňujú samoliečovacie vlastnosti živých organizmov. Obsahujú mikroskopické kapsuly naplnené liečivými látkami, ktoré sa uvoľňujú pri poškodení povlaku, čo jej umožňuje opraviť sa.
Technológie inhibítora katódovej ochrany a korózie
Katódová ochrana je dobre zavedená metóda na zabránenie korózii v kovových štruktúrach. Zahŕňa nanášanie malého elektrického prúdu na kov, vďaka čomu je katóda v elektrochemickej bunke. Tým sa bráni korodovaniu kovu.
Inhibítory korózie sú látky, ktoré pri pridávaní do korozívneho prostredia znižujú mieru korózie. Pracujú tak, že tvoria ochranný film na povrchu kovu alebo úpravou chémie životného prostredia.
Posledný pokrok v týchto technológiách zahŕňa:
Zapôsobené súčasné systémy katódovej ochrany, ktoré využívajú slnečnú energiu alebo iné obnoviteľné zdroje energie
Inhibítory organickej korózie odvodené z rastlinných extraktov a iných ekologických zdrojov
Inteligentné povlaky, ktoré obsahujú inhibítory korózie a podľa potreby ich uvoľňujú
Monitorovanie korózie v reálnom čase a systémy včasného varovania
Detekcia korózie včasná je rozhodujúca pre zabránenie katastrofickým zlyhaniam. Monitorovacie systémy v reálnom čase používajú senzory na nepretržité meranie rôznych parametrov súvisiacich s koróziou, napríklad:
Elektrochemický potenciál
Korózia
Faktory prostredia (teplota, vlhkosť, pH)
Tieto systémy môžu upozorniť operátorov, keď miera korózie presahuje prijateľné úrovne, čo umožňuje včasný zásah. Niektoré pokročilé systémy dokonca používajú algoritmy strojového učenia na predpovedanie miery korózie na základe historických údajov.
Nové materiály a techniky na prevenciu korózie v morských prostrediach
Morské prostredie sú obzvlášť náročné, pokiaľ ide o prevenciu korózie. Kombinácia slanej vody, biologického znečistenia a mechanického napätia môže rýchlo znižovať aj tie najrobustnejšie materiály.
Vedci vyvíjajú nové materiály a techniky na riešenie týchto výziev, napríklad:
Zliatiny odolné voči korózii obsahujúce vysoké hladiny chrómu, niklu a molybdénu
Kompozitné materiály, ktoré kombinujú pevnosť kovov s koróznou rezistenciou polymérov
Nanoštruktúrované povlaky, ktoré vytvárajú superhydrofóbny povrch, bránia vode a iným korozívnym látkam pri dodržiavaní kovu
Metódy regulácie elektrochemickej korózie, ako napríklad zapôsobená súčasná katódová ochrana a obetné anódy
Záver
Korózia, oxidácia a hrdza sú príbuzné, ale odlišné procesy, ktoré môžu významne ovplyvniť materiály a štruktúry. Zatiaľ čo oxidácia je široká chemická reakcia, korózia špecificky degraduje materiály a hrdza ovplyvňuje iba železo a jej zliatiny.
Pochopenie týchto rozdielov je rozhodujúce pre udržanie bezpečnosti a dlhovekosti rôznych aktív. Cieľom prebiehajúceho výskumu v oblasti korózie vedy je rozvíjať nové stratégie a technológie prevencie na boj proti týmto pretrvávajúcim výzvam.
