Совместимость металлов: Что это такое?

Металл может ржаветь и разрушаться не только из-за взаимодействия с влажной средой. Появление оксидов металла (то есть коррозии) способно спровоцировать контакт двух металлических поверхностей, вступивших в электрохимическую реакцию. Такой вид коррозии называют контактным или гальваническим.
Для создания прочных и долговечных металлических конструкций важно знать, какие металлы могут сочетаться друг с другом без ущерба для своей целостности.

Строго говоря, ни одна пара разноименных металлов не сможет избежать контактной реакции. Однако у одних пар процессы будут проходить крайне медленно и их действие можно не брать в расчет. А иные металлы при парном контакте будут реагировать слишком активно и, как следствие, образовывать коррозию.
Чтобы определить, как тот или иной металл будет взаимодействовать со своим напарником, надо знать, в каком месте электрохимического ряда находятся данные вещества.
Из курса школьной химии мы знаем, что металлы имеют электродный потенциал. И если расположить вещества последовательно от меньшего потенциала к большему, они образуют электрохимический ряд напряжения. Выглядит он так:

При этом водород можно считать некоей точкой отсчета в ряду потенциала напряжений. Вещества, расположенные от водорода справа — малоактивные, слева (до алюминия) среднеактивные, левее алюминия — активные.
Закономерность в контактном взаимодействии металлов следующая:

• чем ближе друг к другу находятся металлы в ряду электрохимической активности, тем медленнее они реагируют друг на друга и, следовательно, более совместимы друг с другом;
• чем дальше друг от друга расположены металлы, тем они активнее взаимодействуют и, следовательно, образуют несовместимые пары.

В качестве экспериментального примера представим себе объединение двух металлов: алюминия и меди. Эти два вещества находятся далеко друг от друга в гальваническом ряду. Медь относится к малоактивным металлам и имеет разность потенциалов +0,34 В, а алюминий принадлежит к активным веществам и несет потенциал -1,66 В. При совмещении меди и алюминия стоит ожидать разрушение последнего и бурного протекания гальванической коррозии. Медь/алюминий — классический пример несовместимости металлов.

Для того, чтобы началась электрохимическая реакция, нужны следующие условия:

• материал, выполняющий роль анода (с положительным зарядом);
• материал, выполняющий роль катода (с отрицательным зарядом);
• электролит.

В рассмотренном выше примере в роли анода выступал алюминий, в роли катода — медь, а электролитом может стать влажная среда, которая активирует процесс передачи электродов. В данной ситуации медь «съедает» алюминий.
Если рассматривать гальванический контакт нержавеющей стали с оцинкованным крепежом — можно обнаружить несоответствие материала по электронному потенциалу. Болты в данном случае будут выступать в роли анода, а нержавеющая сталь — в роли катода. В рамках электрохимической реакции электроны с оцинкованного болта будут переходить в сторону нержавейки. Если учесть, что крепежные детали гораздо меньше по площади основных элементов, то болты быстро разрушатся от контактной коррозии. При подборе крепежа придерживайтесь следующего принципа: крепежные изделия в сравнении с металлом основной конструкции должны обладать меньшей гальванической активностью.
Пример допустимой сочетаемости металлов — пара алюминий/цинк. В гальваническом ряду данные вещества находятся по соседству и не дадут активной реакции по передаче электронов в электролитической среде.

Не только металл в чистом виде, но и сплав из него может выступить в качестве антагониста к веществу с контрастным потенциалом. Чтобы не ошибиться в расчете сочетаемости металлов и их сплавов, ввели определенные стандарты соответствия, которые зафиксированы в ГОСТе 9.005-72.
Нормативы предписывают сочетаемое взаимодействие металлов, а также среды эксплуатации. Важно учитывать, в сухом или влажном климате будет находиться изделие, будет ли оно сталкиваться с агрессивными жидкостями и пр.
Стандарты допускают две степени контакта между металлами:

• 1 степень — приемлемая (в таблице обозначается символом ˅)
• 2 степень — условно приемлемая (в таблице обозначается символом ☼).

Условно приемлемый контакт допускает взаимодействие металлов при определенных условиях. Например, контакт должен быть защищен покрытием в виде краски, лака, смазки и т. д. При этом должен поддерживаться покрывной слой в надлежащем состоянии на всем протяжении эксплуатации изделия.
Условно приемлемая сочетаемость металлов может ограничиваться длительностью срока эксплуатации (например, не дольше 2 лет).
Если металлы образуют несовместимый гальванический тандем, отметим это крестом — ×.
Приведем урезанный вариант таблицы сочетаемости металлов для средних атмосферных условий.

Данная таблица поможет вам сделать правильный выбор и, например, купить нержавеющий крепеж в правильном сочетании с основным металлом.

Катодно-анодный обмен протекает с разной степенью интенсивности, потому что на электрохимический процесс действуют некоторые обстоятельства.

Объем и площадь. Болт ржавеет и разрушается быстрее, когда выполняет функцию анода. Болт — объект малой площади (в любом случае, меньше основной детали). Именно это обстоятельство увеличивает разрушительную скорость процесса.
Но если болтовое соединение будет изготовлено из металла, являющегося катодом по отношению к основным металлическим деталям, то электрохимическая реакция будет протекать крайне медленно. А значит, крепеж сохранится в нетронутом виде продолжительное время эксплуатации.
Вы убережете металл от контактной коррозии, если будете подбирать крепеж или деталь меньшей площади из благородного металла. В таком случае, металл будет принимать электроны, то есть являться катодом.
Пример подобного сочетания: изделие из оцинкованной стали скрепляется нержавеющим крепежом. К алюминиевым элементам также подойдет болт из нержавейки. Даже если затем поместить готовое изделие в электролитную среду (например, в условиях повышенной влажности или морской воды) — реакция будет проходить медленно, не нарушая целостности металла.
Итак, в паре «металл большего объема + металл меньшего объема» первый компонент должен быть анодом, а второй — катодом. Металл с большим объемом должен находиться левее в гальваническом ряду, чем металл с меньшим объемом.

Окружающая среда. Важным обстоятельством в активации электрохимической реакции между анодом и катодом является электролитная среда.
Сухой воздух атмосферы замедляет переход электронов, отделяющихся от анода и перетекающих в сторону катода. Но вместе с возрастанием процента влажности воздуха увеличивается и скорость реакции. Это значит, что риск контактной коррозии повышается во влажном помещении или в уличной среде, не защищенной от осадков (дождя и снега).
Максимальной проводимости достигает электролитная среда, когда в воде растворены соли и ионы. Примером агрессивной высокопроводящей среды является морская вода или концентрированные, насыщенные солями промышленные жидкости.
Итак, проводимость электролитной среды увеличивается по мере возрастания влажности и концентрации в ней солей. Разумеется, чем выше проводимость электролита, тем быстрее проходит процесс контактной коррозии.
При планировании и проектировании металлоконструкций стоит учитывать причины, увеличивающие скорость гальванической коррозии.

Даже если вы стараетесь соблюдать все правила сочетания металлических элементов, иногда приходится сталкиваться с обстоятельствами, которые оказываются сильнее нас. Если вы не в силах предотвратить неблагоприятный союз металлов, придется хотя бы защитить соединение или узел от неприятных последствий. Как это сделать?

• Можно создать изолирующий слой, окрасив стык деталей краской.
• Уменьшить скорость развития коррозии можно, если защитить изделие от контакта с водой.
• Для разграничения разнородных металлов друг от друга применяйте изоляционную ленту и другие материалы электроизоляции.
• Барьер между несовместимыми металлами можно создать с помощью резиновых шайб, пластиковых прокладок, ПВХ вставок и прочего материала с низкой проводимостью.

*** Если игнорировать несовместимость металлов и закономерности, ускоряющие электролитные процессы — можно прозевать разрушение резьбовых и иных соединений, а также порчу и разрушение металлоконструкций. И чем ответственнее конструкция, тем тщательнее вы должны подходить к выбору крепежа и парных элементов с точки зрения их сочетаемости.