Co to jest korozja? Przyczyny, mechanizm i skutki rdzewienia metali

Korozja niszczy metal powoli i po cichu, a rdza stanowi jej najbardziej rozpoznawalny efekt na konstrukcjach stalowych, w halach produkcyjnych, stoczniach i instalacjach wodociągowych. Rdzewienie stali zaczyna się od cienkiego filmu wilgoci, a kończy ubytkiem materiału i nieplanowanym przestojem. Dowiedz się, czym korozja metali różni się od rdzy, jak przebiega jej mechanizm i od czego zaczyna się skuteczna ochrona antykorozyjna.

Co to jest korozja i czym różni się od rdzy

Korozja to stopniowe niszczenie metalu w wyniku reakcji chemicznych i elektrochemicznych z otoczeniem. Nazwa pochodzi od łacińskiego „corrosio”, czyli zżeranie, i dobrze oddaje przebieg zjawiska: materiał nie pęka nagle, tylko powoli traci masę, grubość i wytrzymałość.

Rdza nie jest synonimem korozji, tylko jej produktem na żelazie i stali. Chemicznie stanowi niejednolitą mieszaninę tlenków i wodorotlenków żelaza o rudobrązowej barwie, która z czasem przechodzi w łuszczący się proszek. Korodują także aluminium, cynk, miedź i mosiądz, a nawet beton, drewno czy tworzywa sztuczne. Rdzewieją wyłącznie żelazo i jego stopy.

Rozróżnienie ma wymiar praktyczny. Aluminium i cynk pokrywają się zwartą warstwą tlenku, która odcina dostęp tlenu i chroni metal pod spodem. Rdza działa odwrotnie: jest porowata, luźno przylega do podłoża i przepuszcza wilgoć w głąb, więc korozja postępuje pod nią dalej. Rudy nalot na konstrukcji stalowej nigdy nie oznacza stanu stabilnego.

Sam proces przebiega samorzutnie i dotyczy każdego zakładu, w którym pracuje stal. Korozji nie da się wyeliminować całkowicie, można ją jedynie spowolnić.

Jak powstaje rdza? Chemia korozji krok po kroku

Rdza powstaje wtedy, gdy na powierzchni stali spotykają się jednocześnie trzy elementy: metal, tlen i elektrolit. Ten zestaw bywa nazywany trójkątem rdzy, a jego wartość praktyczna tkwi w prostocie: usunięcie choćby jednego składnika zatrzymuje proces. Tlen stanowi ponad 20% powietrza, więc realna walka toczy się o wilgoć i o szczelną barierę między metalem a otoczeniem.

Mechanizm rdzewienia ma charakter elektrochemiczny. Na powierzchni stali występują obszary o różnym potencjale, wynikające ze składu stopu, naprężeń, defektów sieci krystalicznej czy zgorzeliny po walcowaniu. W obecności elektrolitu tworzą one mikroskopijne ogniwa korozyjne, w których równolegle biegną dwie reakcje:

Reakcja anodowa: metal utlenia się i przechodzi do roztworu.
Reakcja katodowa: uwolnione elektrony redukują tlen rozpuszczony w wodzie.
Wytrącanie produktów: jony żelaza łączą się z jonami wodorotlenkowymi, a te utleniają się dalej do rdzy.

Elektrolit zamyka obwód i przewodzi jony między anodą a katodą. Woda destylowana prądu praktycznie nie przewodzi, ale wystarczy rozpuszczona sól, kwas albo dwutlenek siarki z atmosfery przemysłowej, żeby przewodność skoczyła, a wraz z nią tempo rdzewienia.

U podstaw całego zjawiska leży termodynamika. Żelazo metaliczne to stan wysokoenergetyczny, wytworzony w hucie z rudy, a korozja stanowi po prostu powrót materiału do postaci utlenionej, zbliżonej do tej, z której powstał.

Co powoduje korozję: czynniki, które przyspieszają rdzewienie

Korozję napędza wszystko, co dostarcza do powierzchni metalu wodę, tlen albo jony. Mechanizm pozostaje ten sam, ale tempo zmienia się o rzędy wielkości w zależności od środowiska, w którym pracuje konstrukcja.

Czynnik	Gdzie działa najsilniej	Wpływ na proces
Wilgotność i kondensacja	hale nieogrzewane, magazyny, place składowe	dostarcza elektrolitu i uruchamia ogniwa korozyjne
Chlorki i sole	stocznie, wodociągi, kopalnie, sól drogowa	podnoszą przewodność, rozbijają warstwę pasywną
Kwasy, dwutlenek siarki, tlenki azotu	huty, elektrownie i elektrociepłownie, przetwórstwo chemiczne	zakwaszają wilgoć i przyspieszają reakcję katodową
Podwyższona temperatura	wymienniki ciepła, obiegi technologiczne	zwiększa szybkość reakcji
Kontakt dwóch różnych metali	połączenia śrubowe, nity, spawy	tworzy ogniwo galwaniczne
Zanieczyszczenia powierzchni	smary, oleje, pył, osady, ślady potu	zatrzymują wilgoć i blokują przyczepność powłoki

Podatność zależy również od materiału. Najszybciej niszczeją stal węglowa i żeliwo, wolniej miedź, cynk i aluminium, które bronią się własną warstwą tlenku. Korozja nie dotyczy zresztą wyłącznie metali: obejmuje także beton i żelbet, drewno oraz tworzywa sztuczne.

Osobno warto spojrzeć na zasolenie. Woda morska zawiera około 3% soli, ludzki pot około 1%, a woda wysokiej czystości blisko 10 000 razy mniej. Dlatego ślad dłoni na wypolerowanym detalu potrafi zapoczątkować wżer, a konstrukcja w strefie nadmorskiej wymaga mocniejszej ochrony niż identyczna hala w głębi kraju.

Rodzaje korozji, z którymi mierzy się przemysł

Najwięcej szkód w zakładzie robią cztery postacie korozji: wżerowa, szczelinowa, galwaniczna i międzykrystaliczna. Korozja równomierna, choć najbardziej widoczna, jest najmniej groźna, bo ubytek rozkłada się na całej powierzchni i daje się wychwycić podczas zwykłego przeglądu.

Korozja wżerowa drąży wąskie, głębokie wżery. Ubytek masy pozostaje minimalny, a ścianka rury czy zbiornika zostaje przebita na wylot. Wywołują ją jony halogenkowe, przede wszystkim chlorki, więc typowym miejscem są instalacje wodne i wymienniki ciepła.
Korozja szczelinowa rozwija się pod uszczelkami, główkami śrub i nitów, pod osadami i zgorzeliną. Ograniczony dostęp tlenu blokuje odbudowę warstwy pasywnej, dlatego proces przyspiesza dokładnie tam, gdzie nikt nie zagląda.
Korozja galwaniczna uruchamia się na styku dwóch metali o różnym potencjale w obecności elektrolitu. Niszczeje metal mniej szlachetny, tym szybciej, im mniejsza jest jego powierzchnia względem drugiego. Stąd zasada, by elementy nierdzewne mocować łącznikami nierdzewnymi.
Korozja międzykrystaliczna atakuje granice ziaren, nie naruszając ich wnętrza. Element wygląda zdrowo, a traci spójność. Dotyczy głównie stali chromowo-niklowych, zwłaszcza w strefie wpływu ciepła po spawaniu.

Rzadziej, ale równie kosztownie, pojawia się korozja naprężeniowa (pękanie przy współudziale naprężeń rozciągających i chlorków), zmęczeniowa oraz mikrobiologiczna, wywoływana przez bakterie redukujące siarczany w rurociągach i kadłubach.

Odporność stali nierdzewnej bierze się z warstwy pasywnej: przy zawartości minimum 11-12% chromu tworzy się na powierzchni zwarty tlenek chromu, wielokrotnie trwalszy od tlenku żelaza. Warstwa odbudowuje się samoczynnie, ale wyłącznie przy dostępie tlenu, i łatwo ją uszkodzić mechanicznie albo zanieczyścić pyłem ze stali czarnej.

Korozja chemiczna a elektrochemiczna

Korozja elektrochemiczna wymaga elektrolitu, chemiczna zachodzi bez niego. Pierwsza, nazywana mokrą, odpowiada za zdecydowaną większość przypadków w przemyśle: rdzewienie konstrukcji, instalacji i maszyn w kontakcie z wodą, gruntem lub wilgotnym powietrzem. Druga, sucha, przebiega w gazach i cieczach nieprzewodzących prądu, najczęściej w wysokiej temperaturze. Jej typowe przykłady to zgorzelina na walcowanej stali, utlenianie żelaza siarkowodorem do siarczku żelaza oraz rdza nalotowa na świeżo piaskowanej powierzchni.

Skutki korozji: ile rdza kosztuje zakład produkcyjny

Korozja pochłania rocznie około 25 mln ton stali, a straty polskiej gospodarki oszacowano na 100 mld zł w badaniu z 2010 roku. Dla utrzymania ruchu liczy się jednak rachunek z poziomu jednej hali.

Technicznie proces prowadzi zawsze do tego samego: ubytku grubości ścianki i przekroju, spadku wytrzymałości, perforacji zbiorników i rurociągów, pękania elementów, zerwania połączeń śrubowych, gorszego przewodnictwa cieplnego wymienników. Przy rurociągach z produktami ropopochodnymi dochodzi jeszcze ryzyko środowiskowe.

Rachunek ekonomiczny obejmuje kilka pozycji i tylko pierwsza z nich jest oczywista:

wymiana skorodowanego elementu wraz z robocizną,
przestój linii na czas naprawy,
powtórne czyszczenie i malowanie detali, z których powłoka odpadła razem z rdzą,
reklamacje i koszty gwarancyjne wyrobów dostarczonych klientowi,
obniżona gotowość parku maszynowego.

Korozja jest więc pozycją w kosztach eksploatacyjnych zakładu, a nie wyłącznie zjawiskiem z podręcznika chemii. Dlatego nakłady na ochronę antykorozyjną da się policzyć: zestawia się je z kosztem jednego przestoju albo jednej wymiany elementu, nie z ceną litra preparatu.

Jak zatrzymać korozję: ochrona zaczyna się od czystej powierzchni

Żadna powłoka antykorozyjna nie utrzyma się na podłożu zaolejonym, zapylonym lub pokrytym rdzą. Trwałość zabezpieczenia zależy najpierw od stanu powierzchni, dopiero potem od grubości powłoki i warunków aplikacji. Sam zestaw metod ochrony jest znany: powłoki malarskie, cynkowanie ogniowe i galwaniczne, metalizacja natryskowa, stopy odporne, inhibitory korozji, ochrona katodowa i projektowanie bez szczelin, a norma PN-EN ISO 12944 porządkuje wymagania według kategorii korozyjności środowiska od C1 do C5.

Chemiczne przygotowanie powierzchni obejmuje trzy etapy:

Odtłuszczanie. Eco Steeler, wodny preparat do mycia maszyn, posadzek i konstrukcji stalowych, usuwa oleje i smary przed malowaniem. Preparat działa na zimno, zawiera inhibitory korozji i jest biodegradowalny w ponad 90%, więc zużyty roztwór nie wymaga utylizacji.
Odrdzewianie. Ruster KG10 wiąże rdzę na stali i żeliwie, dzięki tlenkom cynku zatrzymuje proces i przygotowuje powierzchnię bezpośrednio pod malowanie. Głębsze ogniska korozji usuwa się w kąpieli zanurzeniowej, preparatami na bazie kwasów spożywczych.
Fosforanowanie. Powłoka konwersyjna na stali, aluminium i cynku zwiększa przyczepność lakieru i sama chroni metal przed korozją.

Rdzę i kamień w instalacjach usuwa się bez demontażu układu, preparatami do obiegów zamkniętych, zwykle w rozcieńczeniach od 1:10 przy grubych narostach do 1:100 przy płukaniu systemowym, w temperaturze otoczenia i w cyklu 4-8 h. Kryterium wyboru chemii nie kończy się przy tym na skuteczności: preparaty pracujące na zimno i bez uciążliwych oparów obniżają ryzyko dla operatora, a biodegradowalność powyżej 90% zdejmuje z zakładu koszt utylizacji zużytego roztworu.

Odrdzewianie chemiczne czy mechaniczne

Metody mechaniczne wygrywają przy grubych warstwach rdzy i dużych powierzchniach, chemiczne przy detalach i złożonej geometrii. Piaskowanie, śrutowanie i szlifowanie działają szybko, ale wymagają zaplecza, generują pył i zostawiają powierzchnię, która pokrywa się rdzą nalotową w ciągu kilku godzin. Odrdzewiacze, trawienie i pasywacja docierają do szczelin, otworów i profili zamkniętych, gdzie ścierniwo nie sięga. Najczęściej obie drogi się uzupełniają: mechanicznie zbija się grubą łuskę, chemicznie domyka przygotowanie tuż przed nałożeniem powłoki.

Jak usunąć rdzę z metalu? Metody chemiczne, mechaniczne i domowe