Korozja Stali: Przyczyny, Mechanizmy i Metody Ochrony

Szczegóły: Opublikowano: 08. March 2026

Od słowa "corrosio" (z łac. - zżeranie) pochodzi nazwa procesów powodujących niszczenie materiałów. W skali światowej korozja powoduje ogromne straty - szacuje się, że zniszczeniu ulega rocznie 20-30% wyprodukowanej stali. W dzisiejszym artykule skupimy się na korozji metali i sposobach zapobiegania temu niekorzystnemu zjawisku.

Rodzaje Korozji

Korozja metali jest procesem ich niszczenia. Proces spowodowany jest różnorodnymi czynnikami, ale największe straty gospodarcze przynosi jego elektrochemiczna odmiana, niszcząca stopy żelaza. Korozja może zachodzić w wyniku reakcji chemicznych metali ze związkami, które znajdują się w ich otoczeniu lub w procesie elektrochemicznym. W przypadku stopów żelaza korozja zachodzi głównie według mechanizmu elektrochemicznego.

Korozja chemiczna zachodzi pod wpływem substancji chemicznych (w praktyce najczęściej czynników atmosferycznych). Przebiegającym reakcjom nie towarzyszy przepływ prądu. Reakcja jest taka sama jak dla korozji chemicznej: 2Fe + O2 + 2H2O. Jednak nie tylko stopy żelaza ulegają korozji chemicznej. Praktycznie wszystkie metale pokrywają się powłokami tlenków i innych związków.
Korozja elektrochemiczna zachodzi z udziałem ogniw galwanicznych utworzonych na powierzchni metalu. Reakcje są jednak takie same, jak w przypadku korozji chemicznej.
Korozja biologiczna W przypadku korozji biologicznej, istotną rolę odgrywa działanie organizmów żywych (często bakterii). Zarówno beztlenowce, jak i bakterie używające tlenu, mogą powodować korozję biologiczną.
Korozja mechaniczna Z kolei w przypadku korozji mechanicznej, to na skutek naprężeń mechanicznych, prowadzących do pękania przedmiotów metalowych następuje korozja elektrochemiczna.

Mechanizm Korozji Elektrochemicznej Stopów Żelaza

Czystego żelaza, które koroduje stosunkowo powoli, nie używa się jako materiału konstrukcyjnego. Natomiast stopy żelaza - różne gatunki stali i żeliwa - zawierają dodatek węgla w postaci grafitu, bez którego nie miałyby wielu przydatnych właściwości. Stal i żeliwo zawierają niezbędny dodatek węgla (w postaci grafitu), który warunkuje wytrzymałość mechaniczną stopów. Kryształy grafitu oraz cementytu Fe3C wraz z żelazem tworzą ogniwa galwaniczne. W obecności elektrolitu (woda wraz z rozpuszczonymi gazami i solami), powodującego zamknięcie obwodu, zaczynają zachodzić niekorzystne procesy. W obecności roztworu elektrolitu (np. woda z rozpuszczonymi gazami i solami) zaczynają zachodzić niekorzystne procesy korozyjne.

Proces korozji elektrochemicznej stopów żelaza można zapisać za pomocą następujących równań:

Anoda (-): Fe⁰ → Fe²⁺ + 2e^-
Katoda (+): O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

Po dodaniu stronami równań obu procesów (przebiegający na anodzie mnożymy przez dwa w celu zbilansowania liczby elektronów) otrzymujemy zapis równania reakcji elektrochemicznej korozji stopów żelaza (pamiętając, że kationy Fe²⁺ wraz z anionami OH^- utworzą osad wodorotlenku żelaza(II):

Przeczytaj także: Sklepy z wodą demineralizowaną w Stalowej Woli

2Fe + O₂ + 2H₂O → 2Fe(OH)₂

Równanie reakcji jest takie samo jak dla korozji chemicznej. Przemiany zachodzące w ogniwach są identyczne z przebiegającymi w probówce - różnicą jest przestrzenne rozdzielenie reakcji utleniania i redukcji podczas procesów elektrochemicznych. Kolejne etapy niszczenia stalowej konstrukcji są już czysto chemiczne i prowadzą do powstania rdzy.

Wodorotlenek żelaza(II) ulega utlenieniu pod wpływem tlenu atmosferycznego do połączeń żelaza(III) o brunatnym zabarwieniu, czyli rdzy: 4 Fe(OH)₂+O₂⇄2 Fe₂O₃·H₂O+2 H₂O

Czynniki Wpływające na Szybkość Korozji

Na szybkość korozji wpływają różne czynniki, takie jak:

Obecność elektrolitu: Woda z rozpuszczonymi solami i gazami przyspiesza korozję elektrochemiczną.
Odczyn roztworu: Korozja stali przebiega szybciej w roztworach o odczynie kwasowym, a wolniej w roztworach o odczynie zasadowym, zatem kwaśne deszcze przyspieszają korodowanie konstrukcji stalowych. Natomiast w pojazdach mechanicznych odczyn zasadowy płynów chłodnicowych spowalnia procesy korozji.
Temperatura: Wyższa temperatura zazwyczaj przyspiesza procesy korozji.
Sole: Korozja szybciej przebiega w roztworach soli. Solanka stosowana do odladzania dróg przyspiesza korozję elektrochemiczną pojazdów, ponieważ jony soli zwiększają przewodnictwo elektryczne, przyczyniając się do przyspieszenia reakcji elektrodowych.

Eksperyment: Wpływ Różnych Czynników na Korozję

Do przeprowadzenia doświadczenia, które pozwoli zbadać wpływ różnych czynników na szybkość korozji elektrochemicznej, potrzebne będzie sześć probówek, sześć stalowych gwoździ oraz drut miedziany i kawałek blaszki cynkowej. Przed eksperymentem dokładnie oczyszczamy i odłuszczamy powierzchnię metali.

Przeczytaj także: Wełna stalowa: zalety i wady uszczelniania

Przygotujmy sześć probówek:

Probówka 1 - woda destylowana + gwóźdź
Probówka 2 - roztwór NaCl + gwóźdź
Probówka 3 - roztwór NaOH + gwóźdź
Probówka 4 - roztwór kwasu octowego + gwóźdź
Probówka 5 - woda destylowana + gwóźdź połączony z cynkiem
Probówka 6 - woda destylowana + gwóźdź połączony z miedzią

Następnie wkładamy gwoździe tak, aby część wystawała nad powierzchnię cieczy. W przypadku probówek 5 i 6 gwoździe dodatkowo łączymy z blaszką cynkową albo drutem miedzianym.

Wyniki:

Probówka 1 (woda destylowana) - żółtawe zabarwienie roztworu, na dnie probówki nieco osadu, ponieważ, w wodzie destylowanej jest mało jonów będących nośnikami ładunku i reakcja przebiega powoli.
Probówka 2 (roztwór NaCl) - żółtobrunatny roztwór, na dnie większa ilość brunatnego osadu. Duża ilość jonów powstałych z dysocjacji chlorku sodu powoduje zwiększenie przewodnictwa elektrycznego roztworu i przyspieszenie reakcji.
Probówka 3 (roztwór NaOH) - brak oznak korozji. Dość duże stężenie jonów OH^- hamuje korozję.
Probówka 4 (roztwór kwasu octowego) - nad powierzchnią roztworu gwóźdź jest wyraźnie skorodowany, natomiast roztwór jest prawie bezbarwny. Brak osadu. Jony H⁺ działają w sposób odwrotny do wodorotlenowych, przyspieszając reakcję katodową poprzez wiązanie jonów OH^- (tworzą się cząsteczki wody).
Probówka 5 (gwóźdź z cynkiem) - brak oznak korozji gwoździa, na dnie niewielka ilość białego osadu. Cynk połączony z żelazem tworzy ogniwo galwaniczne, w którym (jako metal aktywniejszy od żelaza) jest anodą, a żelazo - katodą. Taki układ zwartych elektrod ogniwa zapobiega korozji stali.
Probówka 6 (gwóźdź z miedzią) - żółtobrunatny roztwór, na dnie duża ilość brunatnego i zielonego osadu. Również miedź połączona z żelazem tworzy ogniwo galwaniczne. Jednak (jako metal szlachetniejszy od żelaza) przyjmuje w nim rolę katody, a żelazo - anody.

Metody Ochrony Przed Korozją

Ochrona przed korozją to poważny problem gospodarczy. Znajomość mechanizmu korozji elektrochemicznej oraz czynników wpływających na szybkość tego procesu umożliwiają zastosowanie środków zapobiegawczych. Oprócz używania materiałów odpornych na korozję (tworzywa sztuczne, stal nierdzewna, trudno korodujące metale) - tam, gdzie jest to uzasadnione ze względów technologicznych i ekonomicznych - stosuje się następujące metody:

Izolacja powierzchni stali od czynników środowiskowych za pomocą niemetalicznych powłok ochronnych - farb, lakierów, emalii. Ochrona jest skuteczna pod warunkiem zachowania szczelności powłoki.
Metaliczne powłoki ochronne nanoszone elektrolitycznie lub przez zanurzenie w ciekłym metalu. Rożne metale połączone ze sobą tworzą ogniwa ze zwartymi elektrodami. Bardziej aktywny z nich zawsze jest anodą i ulega zniszczeniu w agresywnym środowisku, chroniąc mniej aktywny - katodę. Jest to m.in. powodem, dla którego nie łączy się bezpośrednio miedzianych rurek instalacji grzewczej z aluminiowym korpusem kaloryfera. Uzasadnione jest również stosowanie ocynkowanych blach stalowych do pokrywania dachów czy też wyrobu rynien i parapetów. Powłoki ochronne z metali stojących w szeregu napięciowym przed żelazem (cynk, chrom) są skuteczne nawet w przypadku uszkodzenia - pełnią rolę anody w zwartym ogniwie. Ulegają więc zniszczeniu, chroniąc stalowy przedmiot. Natomiast warstwy metali mniej aktywnych od żelaza (miedź, nikiel, cyna) spełniają swoje zadanie tylko nieuszkodzone. Nie trzeba ponadto troszczyć się o unikanie uszkodzeń blach - można je ciąć, pozostawiając odsłoniętą powierzchnię stali (cynk pokrywa się trudno rozpuszczalnymi produktami korozji i jego niszczenie przebiega powoli). Natomiast zarysowana powierzchnia pokrytej cyną puszki konserwowej w krótkim czasie skoroduje na wylot.
Ochrona protektorowa Gdy nie jest możliwe pokrycie powłoką metalową całej powierzchni konstrukcji, stosuje się ochronę protektorową. Do elementu narażonego na zniszczenie (np. kadłub statku) przytwierdza się blok metalu bardziej aktywnego niż żelazo (zwykle stop Al-Mg-Zn), który stanowi anodę zwartego ogniwa.
Ochrona katodowa Zarówno w przypadku pokrywania stali powłoką cynkową, jak i ochrony protektorowej żelazo stanowi katodę, do której dostarczane są elektrony. Powstał więc pomysł ochrony katodowej, polegającej na podłączeniu do stalowej konstrukcji ujemnego bieguna źródła napięcia o wartości 1-2 V. Biegun dodatni źródła łączony jest najczęściej z płytą grafitową, umieszczoną w pobliżu chronionego elementu. Metoda zabezpiecza duże konstrukcje zakopane w podłożu, np.
Inhibitory korozji W przeprowadzonym eksperymencie przebieg korozji hamował zasadowy roztwór. W przypadku wypełnionych wodą konstrukcji zamkniętych (kotły parowe, instalacje grzewcze i chłodnicze) stosuje się substancje spowalniające procesy niszczenia (inhibitory korozji).

Eksperyment: Działanie Inhibitorów Korozji

Wykonajmy doświadczenie, które potwierdzi ich działanie. Trzy probówki napełniamy wodą z kranu. Do jednej z nich dodajemy kilka kryształków azotanu(III) sodu NaNO₂, do drugiej - chromianu(VI) potasu K₂CrO₄, trzecią zaś pozostawiamy bez zmian. Do próbówek wkładamy gwoździe stalowe i spokojnie czekamy na wynik (eksperymenty wymagają cierpliwości!).

Przeczytaj także: Stalowa Wola - oczyszczalnia ścieków

tags: #blaksza #stalowa #woda #destylowana #reakcja