Pojęcie „korozja” jest ogólną nazwą procesów niszczenia materiałów, wywołanych poprzez czynniki środowiska, a zachodzących głównie w wyniku reakcji chemicznych lub elektrochemicznych. Reakcje te przebiegają na powierzchni danego materiału. Przyczyną korozji mogą być również zachodzące na granicach faz procesy biologiczne i czynniki mechaniczne. W języku potocznym terminem „korozja” określa się zazwyczaj niszczenie materiałów metalicznych. Należy jednak pamiętać, iż korozja dotyczy również innych materiałów, jak na przykład materiały budowlane, czy tworzywa sztuczne. Korozja stanowi duży problem w wielu dziedzinach gospodarki. Powodowane straty szacowane są na kilka procent PKB.

Korozja chemiczna jest wynikiem reakcji chemicznych zachodzących na powierzchni danego materiału pod wpływem składników otaczającego go środowiska, bez przepływu prądu (zwykle w obecności suchych gazów lub cieczy, które nie są elektrolitami). Najczęściej są to reakcje korodowanego materiału z tlenem atmosferycznym, chlorem, tlenkami azotu i siarki. Najlepszym przykładem tego typu korozji jest utlenianie żelaza do jego tlenków. Kolejnym dobrym przykładem jest tworzenie się czarnego nalotu na powierzchni srebrnych przedmiotów. Ta ciemna substancja to po prostu siarczek srebra (Ag2S) powstający w wyniku reakcji srebra ze związkami siarki obecnymi w powietrzu. Zdarza się, iż korozja chemiczna ma również pozytywne skutki. W momencie, kiedy na powierzchni danego materiału wytworzy się szczelna, równomierna warstwa np. tlenku, wówczas ochrania ona pozostającą pod powierzchnią resztę materiału. Proces ten nosi nazwę pasywacji i będzie jeszcze o nim mowa w dalszej części pracy. W porównaniu do korozji elektrochemicznej, korozja chemiczna powoduje znacznie mniej negatywnych skutków.

Korozja elektrochemiczna powoduje w gospodarce największe straty. Zachodzi ona na granicy faz metal – roztwór elektrolitu na skutek tworzenia się różnego rodzaju lokalnych ogniw galwanicznych. Ogniwa te tworzą się zazwyczaj w wyniku istniejących niejednorodności na powierzchni metalu, obecności zanieczyszczeń, ewentualnych uszkodzeń mechanicznych itp. W wyniku tych czynników na powierzchni tworzą się obszary, które w momencie zetknięcia się z roztworem elektrolitu przyjmują różne potencjały. Powstają więc lokalne anody i lokalne katody, tworząc swego rodzaju mikroogniwa. Jeśli biegunem ujemnym (anodą) jest metal, wówczas ulega on utlenieniu. Ciekawym zjawiskiem jest tzw. korozja w kropli. W momencie, gdy na powierzchnie metalu pada kropla, oczywiste się staje, iż po jakimś czasie przy powierzchni roztworu stężenie tlenu będzie większe niż przy powierzchni metalu. Powoduje to w konsekwencji, że na obrzeżu kropli zaczyna zachodzić proces redukcji tlenu, a wewnątrz (na powierzchni metalu) zacznie następować korozja (utlenianie). Powracając do przyczyn powstawania mikroogniw, można wysnuć wnioski, iż dużo łatwiej zachodzi korozja elektrochemiczna stopu metalicznego (obecność dwóch metali o różnych potencjałach) lub w przypadku dwóch sąsiadujących ze sobą metali niż czystego metalu. Mechanizm korozji elektrochemicznej można w uproszczonej postaci przedstawić w następujący sposób. W miejscu powstania lokalnej anody następuje utlenianie atomów metalu M do jonów Mn+ i przechodzenie tych jonów do roztworu. Jednocześnie uwalnianych jest n elektronów. Można to zapisać następująco:

M → Mn+ + n e-

Uwolnione elektrony są następnie pobierane przez depolaryzator, którym zazwyczaj jest tlen rozpuszczony w elektrolicie.

O2 + 4 e- + 2H2O → 4 OH-

Depolaryzatorem mogą być również jony wodorowe.

2H+ + 2 e- → H2

Korozję elektrochemiczną można podzielić na równomierną i lokalną. Wyróżnia się ponadto między innymi korozję galwaniczną, erozyjną (zachodzącą podczas ścierania mechanicznego), szczelinową (zachodzącą w niewielkich szczelinach na skutek zastoju elektrolitu), wżerową (będącą wynikiem obecności chlorków na powierzchni) a także międzykrystaliczną (zachodząca wzdłuż granic ziaren metalu).

Znajomość mechanizmów procesów zachodzących podczas korozji pozwala na opracowywanie mniej lub bardziej skutecznych metod jej zapobiegania. Do podstawowych sposobów ochrony przed korozją należy dobór odpowiedniego metalu lub odpowiedniego stopu oraz osłabienie agresywnego działania środowiska. Oczywiście częściej stosuje się metody minimalizujące wpływ środowiska na dany materiał. Można to osiągnąć na wiele różnych sposobów. Często stosuje się minimalizację depolaryzacji tlenowej poprzez usuwanie tlenu i elektrolitów mających odczyn obojętny. Popularne jest również dodawanie różnego rodzaju substancji zarówno organicznych jak i nieorganicznych (tzw. inhibitorów), które tworzą trudno rozpuszczalne warstewki w miejscach katodowych lub anodowych powierzchni. Powoduje to blokadę działania mikroogniwa. Bardzo często stosowana jest ochrona katodowa. Polega ona na połączeniu ochranianej powierzchni z metalem o niższym potencjale (mniej szlachetnym), tzw. protektorem. Protektor staje się więc anodą powstałego ogniwa i to właśnie on ulega korozji w pierwszej kolejności, a chroniony materiał pozostaje nienaruszony. W ten sposób chroni się przed korozją między innymi kadłuby statków, rurociągi, czy wielkie zbiorniki. Po zużyciu (skorodowaniu) protektor musi zostać wymieniony na nowy. Zwykle łączy się go z chronioną konstrukcją przy pomocy bezpośredniego styku (wówczas mamy do czynienia z tzw. powłokami anodowymi) lub przy pomocy przewodnika. Bardzo często jako protektor wykorzystywany jest cynk. Analogiczny efekt czasami uzyskuje się poprzez zastąpienie cynku złomem stalowym i przyłożenie do niego dodatniego bieguna prądu stałego. Ujemnym biegunem jest wówczas chroniona konstrukcja.

Stosowane w przeciwdziałaniu korozji powłoki ochronne można podzielić na powłoki metaliczne i niemetaliczne. Jak już wspomniano, metaliczne powłoki anodowe muszą być wykonane z metali charakteryzujących się bardziej ujemnym potencjałem elektrochemicznym. Powłoka anodowa pełni zatem funkcję protektora, którego zasada działania została przedstawiona powyżej. Do metali najczęściej wykorzystywanych do otrzymywania powłok anodowych należy zaliczyć przede wszystkim cynk i kadm. Najpowszechniej w celu ochrony wytworzonej blachy (szczególnie stalowej) pokrywa się ją powłoką cynkową (tzw. blachy ocynkowane). Jak już zostało powiedziane, w momencie pojawienia się ewentualnego uszkodzenia powłoki w postaci rysy lub szczeliny, powstaje lokalne się ogniwo, w którym chronione żelazo staje się katodą a cynk pełni funkcję anody. W zaistniałej sytuacji do roztworu przechodzić będą więc jony cynku a struktura żelaza pozostanie nienaruszona. W przypadku stosowania powłok anodowych nie jest konieczne, by powłoki pokrywające były idealnie szczelne.

Stosuje się również metaliczne powłoki katodowe. Wykonywane są one z metali bardziej szlachetnych niż metal chroniony. Wśród powłok katodowych częste są powłoki z miedzi, niklu, chromu a także cyny i srebra. Powłoki katodowe spełniają funkcję ochronną jedynie wówczas, gdy kiedy cała powierzchnia chronionego metalu jest szczelnie pokryta. Po uszkodzeniu powłoki powstaje mikroogniwo, w którym metal chroniony pełni funkcję anody. Powoduje to oczywiście przyspieszenie korozji. Metal szlachetny pełni w tym wypadku funkcje katody ogniwa. Uszkodzenia powłoki katodowej sprawia wiec, że korozja w miejscu uszkodzenia zachodzi szybciej niż w przypadku braku jakiejkolwiek powłoki. Przed nałożeniem powłoki konieczne jest odpowiednie przygotowanie podłoża, na które składa się miedzy innymi jego oszlifowanie, odtłuszczenie i wytrawienie. Sam proces nakładania warstwy ochronnej można przeprowadzać na różne sposoby w zależności od chronionego materiału i rodzaju warstwy ochronnej.

Do ochrony przed korozją można również wykorzystywać niemetaliczne powłoki ochronne. Mogą one zostać wywołane poprzez wytworzenie na powierzchni metalu szczelnej warstwy związku chemicznego, który utrudnia działanie szkodliwych czynników środowiska na chroniony materiał. Przykładem może być wspomniana powyżej pasywacje, czyli wytworzenie na chronionym metalu warstwy tlenkowej przy pomocy działania środkiem utleniającym. Równie bierne chemicznie warstewki można uzyskać niekiedy poprzez fosforanowanie przy użyciu kwasu fosforowego(V). W wyniku tego procesu na powierzchni powstają trudno rozpuszczalne fosforany. Również w tym celu stosowane jest chromianowanie przy pomocy mieszaniny kwasu siarkowego(VI) i kwasu chromowego. Wynikiem tych działań są również trudno rozpuszczalne powłoki chromianowe. Niemetaliczne powłoki ochronne to również emalie szkliste. Wyróżniają się one bardzo dobrą odpornością na działanie kwasów oraz rozpuszczalników organicznych. Równie biernie zachowują się pod wpływem wysokiej temperatury. Ochronę przed korozją mogą także zapewniać powłoki cementowe, różnego rodzaju farby i lakiery, a nawet smary, które zapobiegają uszkodzeniom mechanicznym powierzchni chronionego metalu. Szeroko rozpowszechnione są preparaty ochronne nakładane bezpośrednio na skorodowany materiał. Działanie tych preparatów sprowadza się do odcięcia dostępu wody oraz powietrza do skorodowanej powierzchni. Zadaniem wszelkich niemetalicznych powłok ochronnych jest przede wszystkim odcięcie chronionej powierzchni od szkodliwego wpływu środowiska. W celu zapewnienia skutecznego działania konieczne jest zatem szczelne pokrycie całej powierzchni metalu.

Zastosowanie powłok galwanicznych

Często stosowane w praktyce powłoki galwaniczne mogą pełnić bardzo różnorodne funkcje. Przyjmując to kryterium można wyróżnić między innymi powłoki ochronne, o których już wspomniano, mające za zadanie ochronę metalu podłoża przed skutkami korozji, a także powłoki dekoracyjne, nakładane na powierzchnie w celu poprawienia jej wyglądu zewnętrznego. Oczywiście konkretna powłoka może spełniać obie funkcje jednocześnie. Wówczas nazywane są one powłokami ochronno-dekoracyjnymi. To właśnie powłoki ochronno-dekoracyjne stosowane są w ostatnim czasie najczęściej. Można jeszcze wyróżnić tzw. powłoki funkcjonalne zwane również powłokami technicznymi, które stosuje celem uzyskania pożądanych właściwości (zarówno fizycznych, jak i technologicznych) powierzchni, jak np. większa odporność na ścieranie, lepsze własności elektryczne, czy uzyskanie większego współczynnika odbicia oraz połysku powierzchni. Powłoki galwaniczne można także sklasyfikować z punktu widzenia ich ewentualnej dodatkowej obróbki. Biorąc pod uwagę to kryterium wyróżnia się między innymi powłoki polerowane (polerowanie można przeprowadzić mechanicznie, chemicznie lub elektrochemicznie), powłoki barwione, powłoki uszczelniane, czy też powłoki impregnowane. Z punktu widzenia stanu i struktury powierzchni, można wyróżnić powłoki matowe, błyszczące, półbłyszczące, powłoki z połyskiem lustrzanym, szczelne (bez żadnych porów i spękań), mikrospękane i mikroporowate. Różne mogą być także sposoby nakładania, czy też wytwarzania powłok kryjących. Wyróżnia się zatem powłoki osadzane elektrolitycznie (zarówno jednowarstwowe, jak i wielowarstwowe), powłoki chemiczne oraz tzw. powłoki konwersyjne wytwarzane elektrolitycznie lub chemicznie.

Jedną z najczęściej stosowanych w przemyśle powłok metalicznych jest powłoka cynkowa, otrzymywana w procesie technologicznym zwanym cynkowaniem. Położenie cynku w szeregu napięciowym metali sprawia, iż to właśnie powłoki cynkowe osadzane zazwyczaj na wyrobach stalowych i żeliwnych wykazują charakter powłok anodowych. Jak już powyżej wyjaśniono, chronią one podłoże w wyniku tego, iż w tworzącym się lokalnym ogniwie, spełniają rolę anody, wskutek czego ulegają rozpuszczaniu. Równoczesną ochronę stanowi także szczelna warstewka produktów korozji a także, stosowane obecnie na szeroką skalę, warstwy chromianowe. Wytwarza się je na powierzchni cynku poprzez działanie wodnymi roztworami chromianów lub roztworem kwasu chromowego. Powłoki cynkowe charakteryzują się najlepszymi właściwościami ochronnymi w stosunku do żelaza i stali, i to zarówno pod względem kosztu osadzania, jak i grubości wytwarzanych warstw. Należy pamiętać, iż wartość ochronna powłok zwiększa się wraz ze wzrostem ich grubości. Gorsze właściwości ochronne cynku obserwuje się jedynie w środowisku o dużej wilgotności lub dużym zasoleniu (np. w środowisku morskim). W związku z łatwością stosowania, niewielkimi kosztami wytwarzania, oraz stosunkowo wysokimi właściwościami ochronnymi, galwaniczne powłoki cynkowe są bardzo szeroko stosowane, szczególnie do ochrony przed korozją żeliwa i stali. W przemyśle szczególnie dużo cynku wykorzystuje się do pokrywania blach, taśm oraz drutów stalowych. Przy zachowaniu odpowiednich warunków można również cynkować galwanicznie wyroby sprężyste. Niestety nie można stosować cynku do ochrony pojemników do przechowywania wyrobów spożywczych. Sole cynku są bowiem trujące dla organizmu człowieka. Ostatnio zaobserwować można wzrost zainteresowania w przemyśle cynkowaniem z połyskiem, co umożliwia otrzymywanie stosunkowo tanich warstewek dekoracyjnych.

Również szeroko stosuje się pokrywanie materiałów powłoką cynową. Podstawowe znaczenie ma cynowanie materiałów metodą ogniową tj. poprzez zanurzenie danego produktu w stopionej cynie (również cynkowanie ogniowe jest stosowane z powodzeniem do dnia dzisiejszego), jednak w ostatnich czasach cynowanie elektrolityczne znajduje coraz szersze zastosowanie. Przewaga metody elektrolitycznej nad ogniową przejawia się niewątpliwie w bardzo równomiernym rozłożeniu powłoki, a co za tym idzie zmniejszeniu zużycia cyny. Metoda elektrolityczna pozwala również na uzyskiwanie powłok o różnej grubości z obydwu stron cynowanej blachy. Cynowanie galwaniczne jest bardzo korzystne, szczególnie podczas pokrywania cyną małych części i elementów o komplikowanej budowie i strukturze. Często w czasie magazynowania ocynowanych elementów można zauważyć ciemnienie powłok cynowych, szczególnie tych, które zostały osadzone na podłożu zawierającym cynk (np. mosiężnym). Tłumaczy się ten fakt dyfuzją cynku z podłoża do zewnętrznej warstwy cynowej. Czasami mogą się tworzyć na powierzchni cynowanej specyficzne, iglaste narosty, zwane wiskersami. Są one pojedynczymi kryształami o dużych rozmiarach. Ze względu na duże przewodnictwo elektryczne przyczyniają się one czasem do zakłóceń w obwodach elektronicznych, w których wyroby ocynowane są często stosowane. Powłoki cynowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. W przemyśle spożywczym wykorzystywane są przy produkcji białej blachy stosowanej do wyrobu puszek konserwowych. Cyną pokrywane są również różnego rodzaju naczynia kuchenne, a także przybory stołowe. W przemyśle elektrotechnicznym stosuje się jest pokrywanie cyną miedzianych przewodów w celu ochrony przed działaniem między innymi siarki oraz w celu ułatwienia montażu. Cynowanie może być także stosowane jako częściowe zabezpieczenie danej powierzchni przed azotowaniem. W celu zabezpieczenia precyzyjnych, małych sprężyn przed korozją stosuje się niekiedy cynowanie galwaniczne na podkładzie mosiądzu lub miedzi. Nie ulegają wówczas pogorszeniu właściwości mechaniczne tych elementów. Cienkie powłoki cyny wykorzystuje się też do poprawy jakości łożysk. Nałożenie warstewki na panewki łożyska powoduje zmniejszenie współczynnika tarcia, zwiększa zwilżalność oraz podwyższa odporność korozyjną na smary, szczególnie w wyższej temperaturze. Bardzo cienkie powłoki cyny stosowane są także jako podkłady pod powłoki organiczne.

Również powłoki z innych metali znalazły swoje zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu. Powłoki kadmowe stosowane są przed wszystkim w celu zabezpieczenia przed korozją wyrobów ze stali. Fakt, iż powłoki te zachowują przez długi czas estetyczny wygląd wykorzystuje się je również jako powłoki dekoracyjne. Szczególnie dobre właściwości antykorozyjne kadmu w stosunku do żelaza wynikają ze zbliżonych wartości potencjałów obydwu metali. W środowisku stosunkowo mało zanieczyszczonym, o dużej wilgotności, kadm wykazuje nawet lepsze właściwości ochronne w stosunku do żelaza niż cynk. Maleją one jednak w miarę wzrostu zanieczyszczenia środowiska – np. w środowiskach przemysłowych. Tłumaczy się to małą odpornością kadmu szczególnie na działanie związków siarki wytwarzanych na skutek spalania paliw. Kadmowanie często stosuje się przy pokrywaniu elementów o skomplikowanej budowie. Częściej niż cynk, kadm jest wykorzystywany do ochrony stali wytrzymałościowych. Czasami kadm nakładany jest na elementy zbudowane ze stopów miedzi, stali nierdzewnej, a także na tytan. Wykonuje się to w celu uniknięcia korozji stykowej, która występuje często przy kontakcie tych metali z aluminium, lub stopami zawierającymi magnez. Kadmowanie jest bardzo szeroko stosowane szczególnie w przemyśle lotniczym.

Równie powszechnie stosowane są powłoki srebrne. Są one wykorzystywane jako powłoki ochronne, a w szczególności dekoracyjne do pokrywania różnego rodzaju wyrobów jubilerskich, nakryć stołowych. Wykorzystuje się je również jako powłoki ochronne i techniczne w przemyśle elektronicznym. Szczególnie wysoką zdolność odbijania światła od powierzchni srebra wykorzystano przy produkcji różnego rodzaju reflektorów i luster. Wysoka odporność korozyjna i chemiczna srebra znalazła zastosowanie przy budowie aparatury chemicznej.

Elektrolitycznie osadzane powłoki niklowe stosuje się przede wszystkim w celach dekoracyjnych, a także dekoracyjno-ochronnych i technicznych.

Elektrolityczne powłoki miedziane pełnią zazwyczaj funkcje ochronno-dekoracyjne. Zwykle powłoka miedziana jest jedną z warstw powłoki miedź – nikiel – chrom. Również wykorzystuje się miedziowanie w celach technicznych, szczególnie w celu uzyskania warstwy ochraniającej, przede wszystkim przed nawęglaniem i azotowaniem. Miedziowanie znalazło również zastosowanie w przemyśle poligraficznym, w galwanoplastyce i wielu innych dziedzinach.