Почему металл ржавеет?

Очень редко ржавчина может считаться хорошей вещью. Согласитесь, больно восстанавливать все, что начало разлагаться и гнить от ржавчины. Стоимость восстановления тоже может быть довольно безумной.

Так почему ржавеет металл? Любой металл, содержащий железо, при воздействии кислорода в присутствии воды начинает ржаветь. Эти же металлы также ржавеют под воздействием хлоридов и воды. Хлорид чаще всего содержится в соли.

В этой статье я расскажу о некоторых научных данных: какие металлы не ржавеют и как предотвратить ржавчину металлов.

Почему металл ржавеет

Во-первых, ржаветь будет только металл, содержащий железо. Наиболее часто используемый металл, содержащий железо, — это сталь. Металлы, не содержащие железа, такие как алюминий и титан, не ржавеют (хотя и окисляются).

Ржавчина — это электрохимический процесс, который восстанавливает железосодержащие металлы до их естественного, неочищенного состояния. Этот процесс можно ускорить, добавив тепла, некоторых минералов и химикатов.

Думайте об этом как о естественном способе бросить наш хлам обратно в землю.

Ржавчина – это разновидность окисления. Окисление – это необычное слово, которое описывает потерю электрона в результате реакции с молекулой, атомом или ионом.

Железо и кислород имеют противоположные заряды, поэтому они притягиваются друг к другу (как магниты). Когда они контактируют друг с другом в присутствии воды, они объединяются. Атом железа теряет три электрона, а атом кислорода получает два атома. Это та потеря электрона, о которой мы говорили. Железо слишком податливо.

При этом образуется молекула Fe2O3, которая в науке известна как оксид железа. Многие из нас просто используют красивое и простое слово «ржавчина».

Окисление не обязательно означает, что виноват кислород, хотя термин возник именно отсюда. Еще во времена динозавров (или около того) кислород был единственным известным окислителем. Современное определение «окисления» может включать другие окислители, такие как перекись водорода и галогены.

Сверхбыстрое образование ржавчины

Не вся ржавчина образована кислородом. Также существует ржавчина, образованная хлоридом.

Обычным источником хлоридов является соль. Вообще-то причудливое название соли — хлорид натрия. Ион хлорида очень сильно реагирует с железом, когда рядом вода. Если кислорода нет, этот ион сам по себе вызовет образование зеленой ржавчины, как на затонувших кораблях.

Вот почему металл так быстро ржавеет в океане. Соленый влажный воздух заметно ускорит этот процесс. Вы даже можете заметить образование ржавчины на голом металле в течение одного дня!

Еще одно место, где соль наносит ущерб металлу – это холодные регионы, где соль используется в качестве антиобледенителя на дорогах. Обычно автомобили ржавеют и гниют значительно быстрее, если металл не обрабатывать и сразу смывать соль.

На самом деле существует несколько видов оксида железа (ржавчины): простое красное вещество из кислорода и зеленое вещество из хлорида, но обычно их довольно редко можно увидеть.

Как защитить металл от ржавчины

Существует множество способов предотвратить образование ржавчины на металлах, содержащих железо. Все эти методы состоят из создания барьера, который предотвратит контакт железа и кислорода.

Покраска

Это наиболее распространенное и обычно самое дешевое решение. Если вы покроете сталь слоем краски, вы создадите простой и легкий барьер, блокирующий молекулы кислорода.

Чтобы это работало правильно, вам понадобится краска, которая будет прочно держаться на металле. Если он начинает отслаивается, то он больше не защищает металл. Существуют специально разработанные краски для металла, а также порошковые покрытия для пластика и эмаль, которые, по сути, работают в одном направлении.

Металлизация

Это процесс, при котором вы покрываете железо или сталь другим металлом, который не ржавеет. Это можно сделать электрохимическим способом или осаждением из паровой фазы.

Другой распространенный способ нанесения металла – это окунание, как при гальванике. Горячее цинкование – это процесс, при котором сталь погружают в ванну с расплавленным цинком, который защищает металл от ржавчины.

По сути, вы используете другой металл, чтобы создать барьер между железом и кислородом или хлоридом.

Однако для некоторых металлических покрытий (например, цинка) вы также используете металл для поглощения лишних электронов, вызывающих ржавчину. В конце концов цинк подвергнется коррозии, но пока он не исчезнет, сталь под ним будет ржаветь гораздо медленнее. Этот процесс называется катодной защитой.

Другие защитные барьеры

Помимо перечисленных выше методов, есть еще несколько вариантов, которые можно использовать. Однако обычно это временные решения, и они требуют регулярного обслуживания.

Например, на лодках многие мелкие металлические детали погружаются в воск, когда они подвергаются воздействию соленого воздуха во время транспортировки. Для больших металлических частей можно использовать воск в спрее.

Детали машины, покрытые смазкой, отталкивают воду и это отличный способ предотвратить ржавчину. Обратная сторона медали – масло должно оставаться на металле. Если его очистить и не наносить повторно, металл заржавеет. Это означает, что машина нуждается в регулярном обслуживании.

Сплавы и нержавеющая сталь

Для металлических компонентов, которые нельзя покрасить или нанести на них защитный барьер, иногда используют металлический сплав вместо обычной стали.

Нержавеющая сталь предотвращает ржавчину, потому что она легирована другими металлами и элементами, которые окисляются и образуют тонкий барьер, предотвращающий ржавление. Существует несколько различных видов нержавеющих сталей, большинство из которых в той или иной степени подвержены ржавчине, так как они содержат железо. Но тонкий оксидный слой, образованный этими легирующими элементами, предотвратит распространение ржавчины.

Общие примеры легирующих элементов для нержавеющих сталей включают хром (самый распространенный элемент в этом металле, предотвращающий коррозию), а также никель и молибден.

Нержавеющая сталь с меньшим содержанием хрома с большей вероятностью ржавеет, тогда как высокое содержание хрома значительно улучшит коррозионную стойкость. Это элемент №1, добавленный для того, чтобы нержавеющая сталь не оставляла пятен.

Удаление ржавчины

Обычно этот процесс трудоемкий. Однако, если вы пытаетесь восстановить что-то, что заржавело, у вас есть несколько вариантов, в зависимости от того, насколько глубоко въелась ржавчина.

• Преобразователи ржавчины – отличный способ «нейтрализовать» легкую ржавчину. Они могут действовать как грунтовка и непосредственно окрашиваться. Это хорошее решение, если вы просто пытаетесь уберечь что-то от распада и не слишком заботитесь о косметическом виде предмета.
• Лазеры помогут добиться аналогичного результата. Есть специально разработанные машины, которые удаляют ржавчину, оставляя лежащий под ней металл относительно неповрежденным. Но они не из дешевых. Большинство единиц стоят несколько десятков тысяч долларов.
• Небольшие металлические детали со средним количеством ржавчины можно смочить в кислоте, которая разъест ржавчину. Обычный домашний лайфхак – замочить инструменты в уксусе на день.
• Электролиз — отличный способ ускорить кислотное удаление ржавчины. Добавив электричество в кислотную ванну, можно очень тщательно удалить ржавчину.

Для более крупных панелей, например, для транспортных средств, наиболее распространенным способом избавиться от ржавчины является нанесение небольшого количества смазки на коленвал. Вы можете использовать проволочный круг или абразивную подушку с угловой шлифовальной машиной, чтобы удалить ржавчину до голого металла. После этого специалист по кузовам будет использовать затвердевающую шпатлевку, чтобы сгладить поверхность металла перед перекрашиванием панели.