Коррозия металлов

Коррозия происходит под действием химически агрессивных сред - это вода, органические и неорганические кислоты. В результате на поверхностях деталей образуются оксиды металлов. Коррозия не только портит внешний вид поверхностей, но и снижает механические свойства металлов.

Причиной возникновения коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. Все металлы и сплавы, из которых изготовлен автомобиль, в условиях эксплуатации стремятся перейти в более устойчивое окисленное (ионное) состояние. Самопроизвольный переход металла в такое устойчивое состояние и составляет суть коррозии.

Многие проблемы, имеющие прямое отношение к коррозионной стойкости создаваемых изделий, могут быть решены на стадии их проектирования и изготовления. Например, если будет обеспеченно отсутствие в изделии узких зазоров, щелей или карманов, а там, где этого избежать нельзя, устроены дренажные отверстия, то тем самым будет ликвидирована щелевая коррозия. Следует исключить весьма опасную в коррозионном отношении возможность контакта различных металлов и сплавов, способных образовывать активные гальванические пары и стимулировать коррозию одного из них.

Потери от коррозии стали сравнимыми с вложениями в развитие крупных отраслей промышленности. В США например, в настоящее время эти потери значительно превышают 120 млрд долларов в год. Немалую часть составляют потери косвенные, связанные с вынужденным простоем оборудования, снижением мощности действующего оборудования, ухудшением условий труда. Известны случаи, когда коррозия средств транспорта являлась причиной серьезных аварий, сопровождающихся человеческими жертвами.

Для автомобильного транспорта характерно использование агрессивных средств, высоких температур и давлений, больших скоростей потоков, а также условий, когда изделия эксплуатируются при одновременном воздействии агрессивной среды и больших механических нагрузок, т.е. факторов, способствующих коррозии.

Вследствие коррозии теряется большое количество металла, на восполнение которого в автомобилестроении расходуется до 50% ежегодно производимого металла.

Коррозия многообразна в своем проявлении. Поверхность металла не всегда подвергается равномерному разрушению – так называемой общей коррозии. Чаще процесс сосредоточен на отдельных участках, разрушение носит локальный характер.

Использование металлов в напряженном состоянии, переход на высокопрочные стали и сплавы, характеризующиеся высокими внутренними напряжениями, привели к тому, что одним из опаснейших видов коррозии стало коррозионное растрескивание. Ему сильно подвержены нержавеющие стали, сплавы на основе меди, алюминия, магния. Склонность к коррозионному растрескиванию определяется и составом коррозионной среды. Присутствие отдельных компонентов служит необходимым условием для возникновения коррозионного растрескивания. Для нержавеющих сталей это хлориды и щелочи, и для сплавов на основе меди – аммиак.

Особенно уязвимыми для коррозии являются сварные швы. По характерному виду поражения коррозию этого типа называют ножевой.

Частный вид коррозионного растрескивания – коррозионная усталость, при которой появление трещин и ее развитие вызываются одновременным воздействием агрессивной среды и циклических механических нагрузок.

Сплавы на основе железа, высокопрочные сплавы проявляют склонность к межкристаллической коррозии, при которой разрушение идет по границам зерен и при этом теряется механическая прочность.

Весьма опасной коррозией является питтинговая с поражением отдельных очень небольших участков поверхности вплоть до сквозной перфорации изделий. При определенных условиях ей подвержены железо, никель, алюминий, магний, цирконий, медь, олово, цинк и особенно нержавеющие стали.

Для сплавов на основе железа распространенным и опасным видом локальной коррозии является щелевая коррозия под всевозможными прокладками, наростами, в щелях и узких зазорах. Весьма склонны к этому виду коррозии участки металла, контактирующие с неметаллическими материалами (древесина, пластик, стекло, бетон, асбест, ткани).

Для сплавов на основе меди опасно селективное вытравливание из них определенных компонентов (например – обесцинковывание латуни).

По механизму протекания коррозионные процессы делятся на химические, электрохимические и биохимические.

Химической коррозией называют такой тип коррозии, когда металл вступает в прямое химическое взаимодействие с компонентами окружающей среды. Химическая коррозия протекает в газовых средах при высоких температурах, когда образование пленки влаги на поверхности металла невозможно, а также в растворах, не проводящих тока.

Примером химической коррозии является газовая коррозия выпускного тракта автомобильного двигателя отработавшими газами. В топливной системе двигателя может происходить химическая коррозия металлов за счет их взаимодействия с такими примесями топлив, как сероводород, элементарная сера и меркаптаны. В результате окисления масла при работе двигателя могут образовываться продукты, вызывающие химическую коррозию металла вкладышей подшипников.

При высокотемпературной или газовой коррозии состав продуктов коррозии зависит от состава газовой среды, но чаще всего это оксиды металлов. В качестве агрессивных компонентов газовой среды выступают соединения серы, хлора, азота, а чаще всего кислород и его соединения.

Скорость коррозии обычной стали увеличивается в присутствии углекислого газа, паров воды, двуокиси серы и особенно их смесей. Продукты сжигания жидких топлив снижают защитные свойства пленок образующихся продуктов коррозии. Значительное влияние на скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей оказывает соотношение СО и СО₂ в выхлопных газах. С увеличением содержания СО скорость коррозии снижается и при 14-18% может прекратиться. Образующиеся продукты, как правило, создают на поверхности коррозирующего металла пленку, которая тормозит доставку агрессивных компонентов непосредственно к металлу, что снижает скорость коррозии. Защитные свойства образующихся пленок в первую очередь зависят от ее сплошности, толщины (более защитны - тонкие), сцепления с металлом, прочности, эластичности и т.п. С повышением температуры защитные свойства пленок в большинстве случаев ухудшаются. Увеличение давления и скорости движения газовой среды увеличивает скорость коррозии. Процесс коррозии может сопровождаться эрозионным изнашиванием.

Однако в общем процессе коррозионного разрушения автомобиля основное значение имеет электрохимическая коррозия, главным образом, в связи со значительно большей ее скоростью по сравнению с химической. Электрохимическая коррозия возможна только, когда на поверхности металла имеется электролит, т.е. водный раствор солей, кислот, щелочей, обладающих способностью проводить электрический ток. Электрохимическая коррозия протекает в обычных атмосферных условиях, в растворах и расплавах, проводящих ток.

Многочисленными исследованиями установлено, что на поверхности любого металла, находящегося в атмосфере, образуется тонкая пленка воды. Толщина такой пленки может быть различной в зависимости от температуры и влажности воздуха, а также других атмосферных условий. Газы, находящиеся в воздухе, растворяются в пленке воды и создают электролит на металлической поверхности. Так возникают условия для электрохимической коррозии. Таким образом, условия для этого вида коррозии на незащищенных металлических поверхностях существуют практически всегда.

В подавляющем большинстве случаев коррозия является электрохимической. В этом случае на поверхности металла образуются многочисленные микрогальванопары, работа которых и приводит к разрушению металла. На отдельных участках поверхности (примеси, добавки) локализуются катодные участки, на которых идет восстановление окислителей, находящихся в растворе. Чаще всего это растворенный кислород.

На остальной поверхности и особенно на выступах и искажениях кристаллической решетки локализуются анодные участки, на которых идет растворение металла. Таким образом, весь процесс электрохимической коррозии моделируется работой короткозамкнутого гальванического элемента.

Наряду с образованием многочисленных коррозионных микропар на поверхности одного металла, возможно образование макропар между сопряженными деталями из разных металлов. Металл с более отрицательным потенциалом в такой макропаре будет анодом, и скорость его коррозии при этом возрастает.

С увеличением температуры и электропроводности раствора скорость электрохимической коррозии возрастает. Внутренние напряжения и механические нагрузки, особенно знакопеременные, приводят к появлению коррозионной усталости, сопровождающейся снижением механической прочности и тем более, чем выше электропроводность раствора.

Есть еще биохимическая коррозия, которая происходит под действием микроорганизмов.

Суммарно процесс коррозии железа в большинстве случаев описывается следующим уравнением реакции:

(3.4)

и сводится к образованию гидрида закиси железа или гидратированной закиси железа .

На внешней поверхности образуется пленка, благодаря доступу кислорода происходит дальнейшее окисление

(3.5)

с образованием гидрата окиси железа или водной окиси железа .

Между образующимися гидратированными и часто образуется закись – окись железа . Пленки ржавчины обычно и состоят из этих трех слоев. При контакте железа с медью истинная глубина коррозионного разрушения железа повышается за счет локализации анодного процесса вблизи контакта.

Нержавеющие стали могут находиться в паре с медью, алюминием. Медь в большинстве водных растворов растворяется анодно с образованием двухвалентного иона

(3.6)

Медь в контакте инициирует коррозию железа, алюминия, являясь по отношению к ним катодом.

Алюминий при обычных условиях окисляется с образованием Al₂O₃, который резко тормозит дальнейшую коррозию алюминия.

(3.7)

(3.8)

Медь и железо значительно стимулируют растворение алюминия на ограниченных участках.

Сплошная коррозия менее опасна, чем местная, которая приводит к разрушению металлических частей кузова, утрате ими прочности.

По условиям, в которых происходит коррозия автомобилей, различаются следующие виды коррозии:

• газовая (в камерах сгорания на фасках тарелок выпускных клапанов, выпускной трубе, в глушителе и т.п.);
• в неэлектролитах (в топливной и масляной системах);
• атмосферная (в естественных условиях хранения, транспортировки и эксплуатации автомобиля);
• в электролитах (в местах задержки влаги в карманах кузова);
• структурная (в местах кузова автомобиля, подвергнутых газоплазменной или электрической сварке, в результате которых возникает неоднородность состава металлов);
• щелевая (в узких щелях и зазорах под действием разности рН-среды или различного содержания кислорода в электролите);
• под напряжением (на поверхности деталей, агрегатов и конструкций, находящихся под напряжением);
• при трении (в узлах трения при наличии коррозионной среды, сопровождается коррозионно-механическим износом);
• биологическая (протекает при участии продуктов, выделяемых микроорганизмами).

Коррозия кузова автомобиля при несвоевременной защите металла, рассматриваемая как совместный результат химической и электрохимической коррозии, проходит в следующей последовательности:

• подслойная коррозия развивается под лакокрасочным покрытием;
• шелушение и вспучивание в поврежденных коррозией местах;
• сквозная коррозия кузова, особенно на стыках;
• растрескивание сварных швов в местах соединений деталей пола, порогов, крыльев и попадание, как следствие, влаги, пыли и грязи в салон кузова;
• появление трещин в усилителях, лонжеронах и поперечинах с потерей жесткости кузова;
• деформация дверных проемов из-за потери жесткости стоек и порогов кузова;
• нарушение взаимного расположения агрегатов шасси автомобиля, приводящее к нарушению управляемости и равномерности торможения колес;
• повреждение металлических трубопроводов тормозного привода вследствие потери жесткости в основании кузова из-за коррозии мест крепления;
• механические повреждения пола кузова в местах крепления амортизаторов, рессор и других узлов автомобиля в результате коррозии мест их крепления, особенно при резком торможении и движении по пересеченной местности.

Действие коррозионных факторов, таких как влажность, концентрация солевых растворов и серных соединений, образующихся из отработавших газов, особенно сильно проявляется в местах, труднодоступных для осмотра и очистки, в небольших зазорах, а также в отбортовках и загибах кромок, где периодически попадающая в них влага может сохраняться длительное время.

С повышением температуры скорость коррозии возрастает (в особенности при наличии в атмосфере агрессивных примесей и содержания влаги).

Разрушительные процессы на кузове также часто интенсифицируются неблагоприятными условиями хранения автомобиля. Наблюдается усиление коррозионного износа в результате применения на дорогах песочно-солевых смесей для борьбы с гололедицей, а также из-за резких перепадов температуры в салоне и снаружи автомобиля.

Коррозионные разрушения на кузове встречаются к тому же в результате контакта стальных деталей с деталями, изготовленными из некоторых других материалов (дюралюминия, каучуков, содержащих сернистые соединения, пластмасс на основе фенольных смол и т.д.), а также в результате контакта металла с деталями, изготовленными из материала, содержащего заметное количество органических кислот (в частности муравьиную).

Теперь о причинах коррозии, обусловленных воздействием нефтепродуктов на детали автомобиля. Это связано, в первую очередь, с наличием в них воды и агрессивных химических соединений. Вода проникает в топливо, масла и смазки во время их производства, хранения и применения. Агрессивные химические соединения возникают, как правило, во время продолжительного хранения нефтепродуктов, в результате происходящих в них процессов старения, а также при эксплуатации двигателя.

Таким образом, среди причин, способствующих интенсивному развитию коррозии автомобилей, есть основные: неправильное конструктивное решение кузова, его деталей и узлов; технологические недостатки при изготовлении кузова; несоблюдение правил предпродажного хранения и транспортировки автомобиля; неправильный уход за кузовом во время эксплуатации.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЛИ ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

К процессам изменения параметров ТС КЭ автомобиля, обусловленных их работой, относятся:
изнашивание, пластические деформации и прочностные разрушения, остаточные деформации, усталостные разрушения, коррозия и старение материалов. Знание процессов изменения ТС КЭ автомобиля важно прежде всего для совершенствования их конструкции, для нормирования периодичности и структуры технических вмешательств в автомобиль в процессе эксплуатации.