Коричневый цвет, который может появиться на металлических поверхностях, часто является результатом окисления или коррозии. Когда металл реагирует с кислородом воздуха, на его поверхности образуется слой коричневой ржавчины. Этот процесс известен как окисление. Для некоторых металлов, таких как медь и бронза, слой окисления может придать старинную коричневую патину, которая считается желательной. Однако для конструкционных металлов, таких как железо и сталь, образование коричневой ржавчины пагубно и указывает на коррозию, которая может ослабить металл. Понимание факторов, вызывающих образование бурой ржавчины, позволяет предотвращать ее появление и удалять при необходимости.
Существует несколько распространенных причин, которые позволяют ржавчине образовываться на металлических поверхностях:
| Воздействие влаги | Вода, влажность, дождь, конденсат |
| Воздействие воздуха/кислорода | Неокрашенный металл реагирует с кислородом |
| Соленая среда | Морское побережье, морские брызги, дорожная соль |
| Кислоты и химикаты | Промышленное загрязнение, аккумуляторная кислота, чистящие средства |
Влага является основным фактором, который инициирует образование ржавчины. Когда голый металл подвергается воздействию воды или даже просто высокой влажности, поверхность окисляется, образуя гидратированную ржавчину оксида железа. Соли, кислоты и химикаты ускоряют процесс коррозии. Вот почему металлы быстро корродируют вблизи океанов или при воздействии дорожной соли зимой.
Хотя образование ржавчины следует одному и тому же общему процессу, тип создаваемого оксида железа и внешний вид слоя ржавчины могут различаться для разных металлов:
Железо и сталь:
Железо и сталь склонны к ржавлению из-за сочетания в них железа и углерода. Образующаяся ржавчина обычно имеет красновато-коричневый цвет и состоит из смеси оксидов и гидроксидов железа, таких как гематит, магнетит, гетит и лепидокрокит. По мере того, как слой ржавчины утолщается, он приобретает хлопьевидную текстуру и темно-коричневый цвет.
Нержавеющая сталь:
Нержавеющая сталь содержит хром, который делает ее устойчивой к ржавчине. Однако в соленой или кислотной среде хром в сплаве может со временем истощаться, что позволяет образовываться ржавчине. Ржавчина на нержавеющей стали обычно выглядит как красно-коричневые пятна, а не как равномерный слой.
Чугун:
Хотя чугун обладает лучшей коррозионной стойкостью, чем углеродистая сталь, из-за содержания в нем графита, на нем все равно может образовываться поверхностная ржавчина. Новый чугун может иметь защитную прокатную окалину, которая отслаивается по мере ржавления, обнажая рисунок питтинга. Старый чугун образует более равномерную коричневую поверхностную ржавчину.
Медь:
Чистая медь образует зеленую патину по мере окисления, но медные сплавы, такие как бронза, образуют слои коричневой ржавчины. Бронза содержит медь вместе с оловом и иногда другими металлами. По мере окисления олово отделяется, образуя оксид олова, который выглядит коричневатым.
Алюминий:
Чистый алюминий образует непроницаемый оксидный слой, который противостоит дальнейшей коррозии. Однако алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди образуют пятнистую коричневую и порошкообразную ржавчину на поверхности по мере окисления медного компонента.
Чтобы предотвратить изменение цвета коричневой ржавчины на металлических поверхностях, необходима соответствующая защита:
| Покрытия и гальванопокрытия | Краска, порошки, цинковое/никелевое покрытие |
| Масло и смазка | Смазки, воски, ингибиторы коррозии |
| Катодная защита | Жертвенные аноды, подаваемый ток |
| Правильная конструкция | Избегайте гальванической коррозии, обеспечивайте дренаж |
Наиболее распространенным методом является нанесение покрытий, таких как краска или порошок, для изоляции металла от воздействия. Для стали гальванопокрытие цинком или никелем обеспечивает катодную защиту, окисляясь преимущественно при повреждении. Смазочные металлы могут вытеснять влагу, в то время как ингибиторы ржавчины на основе масла химически пассивируют поверхность. Правильные конструктивные решения, такие как предотвращение контакта между разнородными металлами, также могут предотвратить гальваническую коррозию.
Для металлов с обширными повреждениями ржавчиной доступны следующие методы обработки для преобразования или удаления ржавчины:
| Преобразователи ржавчины | Химически преобразует ржавчину в стабильный комплекс |
| Средства для удаления ржавчины | Кислоты растворяют слой ржавчины |
| Пескоструйная обработка | Физически абразивное удаление |
| Шлифовка/очистка проволочной щеткой | Механическое удаление и сглаживание |
Преобразователи ржавчины используют такие химикаты, как дубильная кислота, для преобразуйте ржавчину в стабильный металлический комплекс, который герметизирует поверхность. Средства для удаления ржавчины содержат кислоты, такие как фосфорная или соляная, для растворения ржавчины. Пескоструйная обработка использует абразивные частицы для полного удаления ржавчины до голого металла. Шлифовка или очистка проволочной щеткой обеспечивают больший контроль над сглаживанием углублений и дефектов.
| Железо/сталь | |
| Нержавеющая сталь | |
| Чугун | |
| Медный сплав | |
| Алюминиевый сплав |
Изображения иллюстрируют отличительные характеристики ржавчины для различных металлов. Распознавание конкретной формы коррозии позволяет идентифицировать металлический сплав и причины.
Хотя ржавчина обычно считается просто оксидом железа, на самом деле она может принимать различные химические формы:
| Название | Химическая формула |
| Гематит | Fe2O3 |
| Магнетит | Fe3O4 |
| Гетит | FeO(OH) |
| Лепидокрокит | FeO(OH) |
| Оксигидроксид железа | FeO(OH) |
| Гидроксид железа | Fe(OH)2 |
Гематит, магнетит, гетит, лепидокрокит и оксигидроксид железа — все это соединения оксидов железа, состоящие из железа и кислорода. Гидроксид железа — это гидроксид железа. Точный вид образующегося вещества зависит от факторов окружающей среды, таких как влажность и уровень кислорода во время коррозии.
Поскольку образование ржавчины включает окисление металла, процесс можно обратить вспять с помощью восстановительных реакций. Некоторые распространенные восстановители, используемые:
| Растворы кислот | Фосфорная, соляная, серная |
| Расплавленные соли | Хлориды щелочных металлов, нитраты, карбонаты |
| Газ водорода | Атмосфера H2 при повышенной температуре |
| Электрохимический | Катодный процесс на ржавом металле |
Растворы кислот, такие как фосфорная кислота, напрямую восстанавливают ржавчину оксида железа обратно в металлическое железо. Расплавленные соли могут растворять и восстанавливать ржавчину химическим или электролитическим способом. Термическая обработка водородным газом уменьшает поверхностную ржавчину посредством высокотемпературной реакции с водородом. Электрохимическое восстановление использует отрицательное напряжение, приложенное к ржавому металлу, чтобы преобразовать ржавчину обратно в металлическое железо.
Коррозия и потеря материала, вызванные ржавчиной, могут значительно ослабить прочность пораженного металла:
| Металл | Потеря прочности |
| Углеродистая сталь | До 50% при сильной ржавчине |
| Чугун | До 75% при сильной ржавчине |
| Нержавеющая сталь | Снижение прочности до 25% |
| Медные сплавы | Незначительное влияние на прочность |
Углеродистая сталь и чугун имеют наибольшую потерю площади поперечного сечения от поверхностной ржавчины и точечной коррозии. Нержавеющая сталь более устойчива, но все еще имеет существенное снижение прочности, если содержание хрома истощено. Медные сплавы сохраняют большую часть своей прочности, поскольку слой ржавчины очень тонкий.
Для несущих железных и стальных конструкций следующие уровни ржавчины могут привести к разрушению конструкции:
| Применение | Уровень разрушения ржавчины |
| Трубы и трубопроводы | 20-40% ржавчины |
| Балки | 25-50% ржавчины |
| Железобетон | 15-25% ржавчины арматуры |
| Проволочные канаты | 30-50% потери площади |
| Крепежи | 10-20% ржавчины |
Трубы, балки и армированные конструкции могут выдерживать некоторую степень ржавчины, но подвергаются хрупкому разрушению при развитии коррозии. Тросы и крепежи более чувствительны к потерям материала из-за ржавчины. Эти пороговые значения гарантируют, что вмешательство будет выполнено до выхода из строя.
Экономические издержки, связанные с металлической ржавчиной, оцениваются в миллиарды долларов в год:
| Промышленность | Годовые издержки (миллиарды) |
| Инфраструктура | $20-$25 |
| Транспорт | $15-$20 |
| Перерабатывающие заводы | $10-$15 |
| Коммунальные услуги | $5-$10 |
| Потери производства | $15-$20 |
| Всего | $75-$100 |
Коррозия мостов, зданий, транспортных средств, оборудования и услуг нарушает работу и требует постоянного обслуживания и замены. Воздействие ржавчины широко распространено во всех промышленных секторах, что приводит к потерям производства и простоям. В целом это представляет собой серьезную экономическую проблему во всем мире.
Несколько условий окружающей среды ускоряют окисление и ржавление металлов:
– Влага – Повышенная влажность, конденсация и прямое воздействие воды способствуют образованию ржавчины.
– Соль – Соленая среда от морской воды или солей для борьбы с обледенением повреждает защитные покрытия и способствует коррозии.
– Загрязнители – Промышленные пары и кислотные частицы воздействуют на поверхностные оксидные пленки и усиливают ржавление.
– Температура – Теплые условия увеличивают скорость коррозии из-за влаги и ускоренных химических реакций.
– Истирание – Механический износ удаляет защитные покрытия, обнажая голый металл.
– УФ-излучение – Солнечное излучение может разрушать органические покрытия, защитные масла и смазки.
Контроль этих параметров снижает экологический ущерб, вызывающий коррозию. Правильная конструкция также имеет ключевое значение, например, обеспечение дренажа, предоставление укрытий и использование жертвенных анодов.
Образование бурой ржавчины на металлах представляет собой сложный окислительный процесс, который ухудшает структурную целостность. Контроль влажности, солей, загрязняющих веществ и температуры смягчает коррозию, наряду с защитными покрытиями, катодной защитой и улучшениями конструкции. Необходимо быстро принять меры после обнаружения ржавления, чтобы предотвратить дорогостоящие повреждения и отказы от дальнейшего роста ржавчины. Благодаря тщательной профилактике и обслуживанию можно сдержать дорогостоящую угрозу металлической ржавчины.