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 СО 2 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:
и сводится к образованию гидрида закиси железа или гидратированной закиси железа 
.
На внешней поверхности образуется пленка, благодаря доступу кислорода происходит дальнейшее окисление
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 Al 2 O 3 , который резко тормозит дальнейшую коррозию алюминия.
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
Коррозия металлов - самопроизвольное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Коррозионный процесс - гетерогенный (неоднородный), протекает на границе раздела металл - агрессивная среда, имеет сложный механизм. При этом атомы металла окисляются, т.е.J теряют валентные электроны, атомы переходят через границу раздела во внешнюю среду, взаимодействуют с ее компонентами и образуют продукты коррозии. В большинстве случаев коррозия металлов пройм ходит неравномерно по поверхности, имеются участки, на которых возникают локальные поражения. Некоторые продукты коррозии, образуя поверхностные пленки, сообщают металлу коррозионную стойкость. Иногда могут появляться рыхлые продукты коррозии, имеющие слабое сцепление с металлом. Разрушение таких пленок вызывает интенсивную коррозию обнажающегося металла. Коррозия металла снижает механическую прочность и меняет другие свойства его. Коррозионные процессы классифицируют по видам коррозионных разрушений, характеру взаимодействия металла со средой, условиям протекания.
Коррозия бывает сплошная, общая и местная. Сплошная коррозия протекает по всей поверхности металла. При местной коррозии поражения локализуются на отдельных участках поверхности.
Рис. 1Характер коррозионных разрушений:
I – равномерное; II - неравномерное; III - избирательное; IV - пятна; V - язвы; VI - точками или питтингами; VII - сквозное; VIII - нитевидное; IX - поверхностное; X - межкристаллитное; XI - ножевое; XII - растрескивание
Общая коррозия подразделяется на равномерную, неравномерную и избирательную (рис. 1).
Равномерная коррозия протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерная - на различных участках поверхности металла с неодинаковой скоростью. При избирательной коррозии разрушаются отдельные компоненты сплава.
При коррозии пятнами диаметр коррозионных поражений большой глубины. Для язвенной коррозии характерно глубокое поражение участка поверхности ограниченной площади. Как правило, язва находятся над слоем продуктов коррозии. При точечной (питтинговой) коррозии наблюдаются отдельные точечные поражения поверхности металла, которые имеют малые поперечные размеры при значительной глубине. Сквозная - это местная коррозия, вызывающая разрушение металлического изделия насквозь, в виде свищей. Нитевидная коррозия проявляется под неметаллическими покрытиями и виде нитей. Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, пи преимущественно распространяется под поверхностью металла, вызывая его вспучивание и расслоение.
При межкристаллитной коррозии разрушение сосредоточено по границам зерен металла или сплава. Этот вид коррозии опасен тем, что происходит потеря прочности и пластичности металла. Ножевая коррозия имеет вид надреза ножом вдоль сварного соединения в сильно агрессивных средах. Коррозионное растрескивание протекает при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих остаточных или приложенных механических напряжениях.
Металлические изделия в определенных условиях подвергаются коррозионно-усталостному разрушению, протекающему при одновременном воздействии на металл коррозионной среды и переменных I механических напряжений.
По характеру взаимодействия металла со средой различают химическую и электрохимическую коррозии. Химическая коррозия - разрушение металла при химическом взаимодействии с агрессивной средой, которой служат неэлектролиты - жидкости и сухие газы. Электрохимическая коррозия - разрушение металла под воздействием электролита при протекании двух самостоятельных, но взаимосвязанных процессов - анодного и катодного. Анодный процесс - окислительный, проходит с растворением металла; катодный процесс - восстановительный, обусловлен электрохимическим восстановлением компонентов среды. Современная теория коррозии металлов не исключает совместного протекания химической и электрохимической коррозии, так как в электролитах при определенных условиях возможен перенос массы металла по химическому механизму.
По условиям протекания коррозионного процесса наиболее часто встречаются следующие виды коррозии:
1) газовая коррозия, протекает при повышенных температурах и полном отсутствии влаги на поверхности; продукт газовой коррозии - окалина обладает при определенных условиях защитными свойствами;
2) атмосферная коррозия, протекает в воздухе; различают три вида атмосферной коррозии: во влажной атмосфере - при относительной влажности воздуха выше 40 %; в мокрой атмосфере - при относительной влажности воздуха, равной 100 %; в сухой атмосфере - при относительной влажности воздуха менее 40 %; атмосферная коррозия - один из наиболее распространенных видов вследствие того, что основная часть металлического оборудования эксплуатируется в атмосферных условиях;
3) жидкостная коррозия - коррозия металлов в жидкой среде; различают коррозию в электролитах (кислоты, щелочи, солевые растворы, морская вода) и в неэлектролитах (нефть, нефтепродукты, органические соединения);
4) подземная коррозия - коррозия металлов, вызываемая в основном действием растворов солей, содержащихся в почвах и грунтах; коррозионная агрессивность почвы и грунтов обусловлена структурой и влажностью почвы, содержанием кислорода и других химических соединений, рН, электропроводностью, наличием микроорганизмов;
5) биокоррозия - коррозия металлов в результате воздействия микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности, в биокоррозии участвуют аэробные и анаэробные бактерии, приводящие к локализации коррозионных поражений;
6) электрокоррозия, возникает под действием внешнего источника тока или блуждающего тока;
7) щелевая коррозия - коррозия металла в узких щелях, зазорах, м резьбовых и фланцевых соединениях металлического оборудования, аксплуатирующегося в электролитах, в местах неплотного контакта металла с изоляционным материалом;
8) контактная коррозия, возникает при контакте разнородных металлов в электролите;
9) коррозия под напряжением, протекает при совместном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений - постоянных растягивающих (коррозионное растрескивание) и переменных или циклических (коррозионная усталость);
10) коррозионная кавитация - разрушение металла в результате одновременно коррозионного и ударного воздействий. При этом защитные пленки на поверхности металла разрушаются, когда лопаются газовые пузырьки на поверхности раздела жидкости с твердым телом;
11) коррозионная эрозия - разрушение металла вследствие одновременного воздействия агрессивной среды и механического износа;
12) фреттинг-коррозия - локальное коррозионное разрушение металлов при воздействии агрессивной среды в условиях колебательного перемещения двух трущихся поверхностей относительно друг друга;
13) структурная коррозия, обусловлена структурной неоднородностью сплава; при этом происходит ускоренный процесс коррозионного разрушения вследствие повышенной активности какого-либо компонента сплава;
14) термоконтактная коррозия, возникает за счет температурного градиента, обусловленного неравномерным нагреванием поверхности металла.
физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.Слово коррозия происходит от латинского «corrodo» «грызу» (позднелатинское «corrosio» означает «разъедание»).
Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.
В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:
Fe + 6 H 2 O (влага) + 3 O 2 (воздух) = 4 Fe (OH ) 3Гидроксид железа(
III ) очень неустойчив, быстро теряет воду и превращается в оксид железа(III ). Это соединение не защищает поверхность железа от дальнейшего окисления. В результате железный предмет может быть полностью разрушен.Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.
Алюминий в обычных условиях устойчив к воздействию воздуха и воды, даже кипящей, однако если на поверхность алюминия нанести ртуть, то образующаяся амальгама разрушает оксидную пленку выталкивает ее с поверхности, и металл быстро превращается в белые хлопья метагидроксида алюминия:
4Al + 2H 2 O + 3O 2 = 4AlO(OH) Амальгамированный алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода: Al + 4 H 2 O = 2 AlO (OH ) + 3 H 2Коррозии подвергаются и некоторые довольно мало активные металлы. Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.
Иногда при коррозии металлов происходит не окисление, а восстановление некоторых элементов, содержащихся в сплавах. Например, при высоких давлениях и температурах карбиды, содержащиеся в сталях, восстанавливаются водородом.
Разрушение металлов в присутствии водорода обнаружили в середине девятнадцатого века. Французский инженер Сент Клэр Девиль изучал причины неожиданных разрывов орудийных стволов. При их химическом анализе он нашел в металле водород. Девиль решил, что именно водородное насыщение явилось причиной внезапного падения прочности стали.
Много хлопот доставил водород конструкторам оборудования для одного из важнейших промышленных химических процессов синтеза аммиака. Первые аппараты для этого синтеза служили лишь десятки часов, а затем разлетались на мелкие части. Только добавление в сталь титана, ванадия или молибдена помогло решить эту проблему.
К коррозии металлов можно отнести также их растворение в жидких расплавленных металлах (натрий, свинец, висмут), которые используются, в частности, в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.
По стехиометрии реакции, описывающие коррозию металлов, довольно просты, однако по механизму они относятся к сложным гетерогенным процессам. Механизм коррозии определяется, прежде всего, типом агрессивной среды.
При контакте металлического материала с химически активным газом на его поверхности появляется пленка продуктов реакции. Она препятствует дальнейшему контакту металла и газа. Если сквозь эту пленку происходит встречная диффузия реагирующих веществ, то реакция продолжается. Процесс облегчается при высоких температурах. В ходе коррозии пленка продукта непрерывно утолщается, а металл разрушается. Большие убытки от газовой коррозии терпит металлургия и другие отрасли промышленности, где используются высокие температуры.
Наиболее распространена коррозия в средах электролитов. В некоторых технологических процессах металлы контактируют с расплавами электролитов. Однако чаще всего коррозия протекает в растворах электролитов. Металл не обязательно должен быть полностью погружен в жидкость. Растворы электролитов могут находиться в виде тонкой пленки на поверхности металла. Они нередко пропитывают окружающую металл среду (почву, бетон и др.).
Во время строительства метромоста и станции «Ленинские горы» в Москве в бетон добавляли большое количество хлорида натрия, чтобы не допустить замерзания еще не схватившегося бетона. Станция была сооружена в кратчайшие сроки (всего за 15 месяцев) и открыта 12 января 1959. Однако присутствие хлорида натрия в бетоне вызвало разрушение стальной арматуры. Коррозии оказались подвергнуты 60% железобетонных конструкций, поэтому станция была закрыта на реконструкцию, продолжавшуюся почти 10 лет. Лишь 14 января 2002 состоялось повторное открытие метромоста и станции, получившей название «Воробьевы горы».
Использование солей (обычно хлорида натрия или кальция) для удаления снега и льда с дорог и тротуаров также приводит к ускоренному разрушению металлов. Сильно страдают транспортные средства и подземные коммуникации. Подсчитано, что только в США применение солей для борьбы со снегопадами и гололедом приводит к потерям на сумму около 2 млрд. долл. в год в связи с коррозией двигателей и 0,5 млрд. долл. на дополнительный ремонт дорог, подземных магистралей и мостов.
В средах электролитов коррозия обусловлена не только действием кислорода, воды или кислот на металлы, но и электрохимическими процессами. Уже в начале 19 в. электрохимическую коррозию изучали английские ученые Гемфри Дэви и Майкл Фарадей. Первая теория электрохимической коррозии была выдвинута в 1830 швейцарским ученым Де ла Ривом. Она объясняла возникновение коррозии в месте контакта двух разных металлов.
Электрохимическая коррозия приводит к быстрому разрушению более активных металлов, которые в различных механизмах и устройствах контактируют с менее активными металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений правее. Использование медных или латунных деталей в железных или алюминиевых конструкциях, которые работают в морской воде, существенно усиливает коррозию. Известны случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками.
По отдельности алюминий и титан устойчивы к действию морской воды, но если они контактируют в одном изделии, например в боксе для подводной фототехники, алюминий очень быстро разрушается, и бокс протекает.
Электрохимические процессы могут протекать и в однородном металле. Они активизируются, если есть различия в составе зерна металла в объеме и на границе, неоднородное механическое напряжение, микропримеси и т.д. В разработке общей теории электрохимической коррозии металлических материалов участвовали многие наши соотечественники, в том числе Владимир Александрович Кистяковский (18651952) и Александр Наумович Фрумкин (18951976).
Одной из причин возникновения электрохимической коррозии являются блуждающие токи, которые появляются вследствие утечки части тока из электрических цепей в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду начинается растворение металла. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Эти токи могут достигать несколько ампер, что приводит к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение тока силой в 1 А в течение одного года вызовет растворение 9,1 кг железа, 10,7 кг цинка, 33,4 кг свинца.
Коррозия может возникать и под влиянием радиационного излучения, а также продуктов жизнедеятельности бактерий и других организмов. С развитием бактерий на поверхности металлических конструкций связано явление биокоррозии. Обрастание подводной части судов мелкими морскими организмами также оказывает влияние на коррозионные процессы.
При одновременном воздействии на металл внешней среды и механических напряжений все коррозионные процессы активизируются, поскольку при этом понижается термическая устойчивость металла, нарушаются оксидные пленки на поверхности металла, усиливаются электрохимические процессы в местах появления трещин и неоднородностей.
Коррозия приводит к огромным безвозвратным потерям металлов, ежегодно полностью разрушается около 10% производимого железа. По данным Института физической химии РАН, каждая шестая домна в России работает впустую весь выплавляемый металл превращается в ржавчину. Разрушение металлических конструкций, сельскохозяйственных и транспортных машин, промышленной аппаратуры становится причиной простоев, аварий, ухудшения качества продукции. Учет возможной коррозии приводит к повышенным затратам металла при изготовлении аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ и т.д. Это увеличивает общие убытки от коррозии. Немалые средства приходится тратить на противокоррозионную защиту. Соотношение прямых убытков, косвенных убытков и расходов на защиту от коррозии оценивают как (34):1:1. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии достигает 4% национального дохода. В нашей стране он исчисляется миллиардами рублей в год.
Проблемы коррозии постоянно обостряются из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции, становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения. Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей. Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления.
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (5 в. до н. э.) и древнеримского ученого Плиния Старшего (1 в. до н. э.) уже есть упоминания о применении олова для предохранения железа от ржавления. В настоящее время борьбу с коррозией ведут сразу в нескольких направлениях пытаются изменить среду, в которой работает металлическое изделие, повлиять на коррозионную устойчивость самого материала, предотвратить контакт между металлом и агрессивными веществами внешней среды.
Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде, например в атмосфере аргона, однако реально создать такую среду при эксплуатации конструкций и механизмов в подавляющем большинстве случаев невозможно. На практике для снижения коррозионной активности среды из нее стараются удалить наиболее реакционноспособные компоненты, например, снижают кислотность водных растворов и почв, с которыми могут контактировать металлы. Одним из методов борьбы с коррозией железа и его сплавов, меди, латуни, цинка, свинца является удаление из водных растворов кислорода и диоксида углерода. В энергетике и некоторых отраслях техники воду освобождают также от хлоридов, которые стимулируют локальную коррозию. Для снижения кислотности почвы проводят известкование.
Агрессивность атмосферы сильно зависит от влажности. Для любого металла есть некоторая критическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атмосферной коррозии. Для железа, меди, никеля, цинка она составляет 5070%. Иногда для сохранности изделий, имеющих историческую ценность, их температуру искусственно поддерживают выше точки росы. В закрытых пространствах (например, в упаковочных коробках) влажность понижают с помощью силикагеля или других адсорбентов. Агрессивность промышленной атмосферы определяется, в основном продуктами сгорания топлива (см . ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ). Уменьшению потерь от коррозии способствует предотвращение кислотных дождей и устранение вредных газовых выбросов.
Разрушение металлов в водных средах можно замедлить при помощи ингибиторов коррозии, которые в небольших количествах (обычно менее 1%) вводят в водные растворы. Они способствуют пассивированию поверхности металла, то есть образованию тонкой и плотной пленки оксидов или других малорастворимых соединений, которая препятствует разрушению основного вещества. Для этой цели применяют некоторые соли натрия (карбонат, силикат, борат) и другие соединения. Если бритвенные лезвия погрузить в раствор хромата калия, они хранятся намного дольше. Часто используют органические ингибиторы, которые более эффективны, чем неорганические.
Один из способов защиты от коррозии основывается на разработке новых материалов, обладающих более высокой коррозионной стойкостью. Постоянно ведутся поиски заменителей коррозирующих металлов. Пластмассы, керамика, стекло, резина, асбест и бетон более устойчивы к воздействию окружающей среды, однако по многим другим свойствам они уступают металлам, которые по-прежнему служат основными конструкционными материалами.
Благородные металлы практически не поддаются коррозии, но для широкого применения они слишком дороги, поэтому их используют лишь в наиболее ответственных деталях, например для изготовления некорродирующих электрических контактов. Высокой коррозионной стойкостью обладают никель, алюминий, медь, титан и сплавы на их основе. Их производство растет довольно быстро, однако и сейчас наиболее доступным и широко используемым металлом остается быстро ржавеющее железо. Для придания коррозионной стойкости сплавам на основе железа часто используют легирование. Так получают нержавеющую сталь, которая, помимо железа, содержит хром и никель. Самая распространенная в наше время нержавеющая сталь марки 188 (18% хрома и 8% никеля) появилась в 1923. Она вполне устойчива к воздействию влаги и кислорода. Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране были выплавлены в 1924 в Златоусте. Сейчас разработано много марок таких сталей, которые, помимо хрома и никеля, содержат марганец, молибден, вольфрам и другие химические элементы. Часто применяют поверхностное легирование недорогих железных сплавов цинком, алюминием, хромом.
Для противостояния атмосферной коррозии на стальные изделия наносятся тонкие покрытия из других металлов, более устойчивых к воздействию влаги и кислорода воздуха. Часто используются покрытия из хрома и никеля. Поскольку хромовые покрытия нередко содержат трещины, их обычно наносят поверх менее декоративных никелевых покрытий. На защиту жестяных консервных банок от коррозии в органических кислотах, содержащихся в пищевых продуктах, расходуется значительное количество олова. Долгое время для покрытия кухонной утвари использовали кадмий, однако теперь известно, что этот металл опасен для здоровья и кадмиевые покрытия используются только в технике.
Для замедления коррозии на поверхность металла наносят лаки и краски, минеральные масла и смазку. Подземные конструкции покрывают толстым слоем битума или полиэтилена. Внутренние поверхности стальных труб и резервуаров защищают дешевыми покрытиями из цемента.
Чтобы лакокрасочное покрытие было более надежным, поверхность металла тщательно очищают от грязи и продуктов коррозии и подвергают специальной обработке. Для стальных изделий используют так называемые преобразователи ржавчины, содержащие ортофосфорную кислоту (Н 3 РО 4) и ее соли. Они растворяют остатки оксидов и формируют плотную и прочную пленку фосфатов, которая способна на некоторое время защитить поверхность изделия. Затем металл покрывают грунтовочным слоем, который должен хорошо ложиться на поверхность и обладать защитными свойствами (обычно используют свинцовый сурик или хромат цинка). Только после этого можно наносить лак или краску.
Одним из наиболее эффективных методов борьбы с коррозией является электрохимическая защита. Для защиты буровых платформ, сварных металлических оснований, подземных трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды.
Другой вариант такой защиты применяют для сравнительно небольших стальных конструкций или дополнительно покрытых изоляцией металлических объектов (например, трубопроводов). В этом случае используют протектор анод из сравнительно активного металла (обычно это магний, цинк, алюминий и их сплавы), который постепенно разрушается, оберегая основной объект. С помощью одного магниевого анода защищают до 8 км трубопровода. Протекторная защита широко распространена; например, в США на производство протекторов ежегодно расходуется около 11,5 тыс. т алюминия.
Защита одного металла другим, более активным металлом, расположенным в ряду напряжений левее, эффективна и без наложения разности потенциалов. Более активный металл (например, цинк на поверхности железа) защищает от разрушения менее активный металл.
К электрохимическим методам борьбы с коррозией можно отнести и защиту от разрушения конструкций блуждающими токами. Одним из способов устранения такой коррозии является соединение металлическим проводником участка конструкции, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом, по которому движется трамвай или электропоезд.
Елена Савинкина
ЛИТЕРАТУРА Фримантл М. Химия в действии . В 2-х ч. М., Мир, 1991Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения . М., Химия, 1994
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
При соприкосновении с окружающей средой многие металлы, а также сплавы на основе металлов могут подвергаться разрушению за счет химического взаимодействия (ОВР с веществами, находящимися в окружающей среде). Такой процесс называется коррозией .
Различают коррозию в газах (газовая коррозия), происходящую при высоких температурах в отсутствии воздействия влаги на поверхности металлов, и электрохимическую коррозию (коррозия в растворах электролитов, а также коррозия во влажной атмосфере). В результате газовой коррозии на поверхности металлов образуются оксидные, сульфидные и т.д. пленки. Этому виду коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и т.д.
В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов, так и переходу металла в раствор в виде ионов. Этому типу коррозии подвергаются трубопроводы, находящиеся в земле, подводные части кораблей и т.д.
Любой раствор электролита – водный раствор, а в воде содержатся кислород и водород, способные к восстановлению:
O 2 + 4H + +4e = 2H 2 O (1)
2H + +2e=H 2 (2)
Эти элементы являются окислителями, которые вызывают электрохимическую коррозию.
При написании процессов, происходящих при электрохимической коррозии важно учитывать стандартные электродные потенциалы (ЭП). Так, в нейтральной среде ЭП процесса 1 равен 0,8B, поэтому окислению кислородом подвергаются металлы ЭП которых меньше, чем 0,8B (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до серебра).
ЭП процесса 2 — -0,41В, значит окислению водородом подвергаются только те металлы, потенциал которых ниже, чем -0,41В (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до кадмия).
На скорость коррозии большое влияние оказываю примеси, которые может содержать тот или иной металл. Так, если в металле имеются примеси неметаллического характера, а их ЭП выше, чем ЭП металла, то скорость коррозии существенно повышается.
Виды коррозии
Различают несколько видов коррозии: атмосферную (коррозия во влажном воздухе при н.у.), коррозию в грунте, коррозия при неравномерной аэрации (доступ кислорода к разным частям металлического изделия, находящегося в растворе, неодинаков), контактная коррозия (соприкосновение 2х металлов, с разными ЭП в среде, где присутствует влага).
При коррозии на электродах (аноде и катоде) происходят электрохимические реакции, которые можно записать соответствующими уравнениями. Так, в кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород (1). В нейтральной среде электрохимическая коррозия протекает с кислородной деполяризацией — на катоде происходит восстановление воды (2).
К (катод) (+):2H + +2e=H 2 — восстановление (1)
А (анод) (-): Me — ne →Me n + – окисление
К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — — восстановление (2)
В случае атмосферной коррозии на электродах происходят следующие электрохимические реакции (причем на катоде, в зависимости от среды могут протекать различные процессы):
А (анод) (-): Me→Me n + +ne
К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — (в щелочной и нейтральной среде)
К (катод) (+): O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (в кислой среде)
Защита от коррозии
Для защиты от коррозии применяют следующие методы: использование химически стойких сплавов; защита поверхности металлов покрытиями, в качестве которых чаще всего используют металлы, покрывающиеся на воздухе оксидными пленками, устойчивыми к действию внешней среды; обработка коррозионной среды; электрохимические методы (катодная защита, метод протекторов).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Деталь состоит из сплава железа и никеля. Какой металл будет быстрее разрушаться при коррозии? Запишите уравнения анодного и катодного процессов при атмосферной коррозии. Значения стандартных электродных потенциалов E(Fe 2+ /Fe)= — 0,444В, E(Ni 2+ /Ni)= -0,250В. |
| Решение | В первую очередь коррозии подвергаются активные металлы (обладающие самыми отрицательными значениями стандартных электродных потенциалов), в данном случае – это железо.
Немцы, французы, японцы – чьи машины ржавеют больше? На какой срок сегодня производители дают гарантию от коррозии? Что дешевле – ремонт или гарантия? Чем опасна коррозия? Вопросов очень много. Рано или поздно ржавеет все! Коррозия или разрушение металла естественным химическим и электрохимическим путем угрожает практически каждому транспортному средству. Она не страшна только пластику и высококачественной нержавеющей стали, неповрежденной термообработкой (например, сваркой). Алюминий не дает надежной защиты, так как со временем окисляется, а недостаточная изоляция от стали приводит к образованию гальванической пары. Сервисы Audi, хорошо об этом знают. Крышка багажника А8 второго поколения активно корродировала в районе накладки над регистрационным знаком. Коррозия – естественный процесс, хотя некоторые автомобили ржавеют гораздо сильнее других. Например, Skoda. Felicia второй половины 90-х годов «разрушается»медленно, а старая Октавия - быстро. Решающим фактором являются, как качество исходного материала и дополнительная защита от коррозии, так и дизайнерские линии. Слишком сложные профили в зонах риска, неправильное расположение дренажных каналов или даже чересчур большой сварочный ток приводят к развитию коррозии. Ржавый ад Мерседес. До сих пор многие автомобилисты оценивают качество машины в зависимости от страны ее происхождения. Преждевременная коррозия Lada и Dacia сегодня никого не удивляет, как и долголетняя стойкость кузова Volvo. Коррозия автомобилей итальянских и французских брендов в восьмидесятых годах считались стандартом. Сегодня же владельцы «французов» и «итальянцев» смотрят свысока на машины именитых брендов. В частности продукция PSA (Peugeot/Citroen) с начала нового тысячелетия имела лучшую защиту от коррозии, чем автомобили концерна VW. В то время как 15-летний Fiat Punto обзаведется всего лишь парой «бородавок», старый Mercedes E-Class становился похож на «металлом». Mercedes E-Class W210. В свое время многие клиенты Мерседес были потеряны на всегда. Одинаково быстро ржавели и А-класс, и S-класс и Vito. Не так давно до 2006 года проблема касалась A-Class (W169) второго поколения. Самой не стойкой к коррозии была модель E-Class W210 (1995-2003). Чуть реже проблема затрагивала C-Class W203 - до 2003 года. Но по факту зацвести мог любой Mercedes до 2005 года выпуска, даже новый W211. Наилучшим образом семя зарекомендовал ML, который собирался в Америке.
Mercedes E-Class W210. Немцы тоже ржавеют. Многие без лишних слов считают немецкие автомобили качественными. Однако они тоже ржавеют довольно часто. Например, Ford Mondeo III (2000-2007), Ford Focus I и чуть меньше Focus II. Opel Astra G тоже в аутсайдерах: найти дырявые колесные арки, а иногда и крышку багажника несложно. Обо всех предыдущих моделях этих брендов даже не стоит и говорить.
Ford Focus II. Старые машины Volkswagen тоже страдали от коррозии. Ситуация значительно улучшилась в 1997 году с приходом Passat B5 и Golf VI. Но как это ни парадоксально, сегодня в Passat B6 2005-2010 года порой обнаруживаются небольшие очаги под тонкими боковыми молдингами дверей. Не эпидемия, но все же. Стабильное качество с середины 80-х годов демонстрируют лишь Audi и Porsche, за исключением Boxster. В то время в автомобилях бренда BMW довольно часто встречалась коррозия задней части порогов, задних крыльев и крышки багажника. Даже у сравнительно молодых BMW 3 E46 (1998-2005), 5 E39 (1995-2003). Более поздние модели пока таких недугов не показывают. Азиатские бренды. Коррозия считается распространенным явлением среди автомобилей японских брендов, примерно до 2002 года. Самыми устойчивыми себя зарекомендовали модели Toyota и Lexus. Лишь эпизодически обнаруживается коррозия порогов в Toyota Urban Cruiser. С Honda все стало в порядке после 2003 года (Accord, Legend и CR-V второго поколения). В случае с Civic выраженная коррозия существовала только у модели Civic 6G (до 2001 года). В Сивик седьмого поколения лишь иногда обнаруживались точечные очаги. Огромное разочарование принес Nissan Almera N16 (2000-2006). Удивляли и молодые модели Mazda. Помимо пожилого родстера MX-5, который эксплуатируется преимущественно в сухую погоду, коррозия атаковала Mazda 3 и Mazda 6 первого поколения (2002-2007). Во всех этих трех моделях через несколько лет зацветали края задних крыльев.
Mazda MX-5. У автомобилей корейских марок ситуация немного лучше, чем обычно принято считать. «Ржавые куски» остались в середине 90-х годов. Более поздние модели имеют лишь незначительные проблемы. Например, первое поколение Hyundai i30 и Kia Ceed: коррозия кромок задних дверей и двери багажника, рамки стекол. Внедорожники ржавеют чаще. Внедорожники находятся в группе риска. Причины очевидны – ссадины после контакта с различными предметами и преодоление грязи и воды. Самый известный пример – Suzuki Jimny. Внешние кузовные панели в период шестилетней гарантии выдержат все что угодно. Но шасси, рама и вакуумные трубки подключения переднего моста могут измениться до неузнаваемости. Лишь немногим лучше ситуация с Mitsubishi Pajero III (2000-2006 года). Из корейских внедорожников чаще страдает Kia Sorento первого поколения (2002-2009). В его случае виноваты скопление грязи и воды под пластиковыми накладками и плохая защита по краям дверей.
Suzuki Jimny. Гарантия – защита или хитрость? Гарантия производителя от сквозной коррозии не отражает реальное качество антикоррозионной защиты. К тому же следовало бы уточнить, на что же все-таки дается гарантия производителя. Реальная гарантия подразумевает защиту «от сквозной коррозии изнутри», т.е. отсутствие коррозии под оригинальной краской, неповрежденной в результате аварии или воздействия агрессивной среды. Кроме того гарантия распространяется обычно на пороги, крылья, двери, капот и т.п., т.е. на локальные детали, которые не потребуют больших финансовых затрат и много времени на демонтаж и восстановление. Лишь некоторые производители готовы сделать исключение. Например, Jeep прямо заявляет, что гарантирует компенсацию стоимости ремонта и замены любых элементов, покрытых ржавчиной, лишь в том случае, если коррозия не стала следствием внешних повреждений. Mercedes готов предоставить длительную гарантию защиты от коррозии лишь в том случае, если автомобиль на протяжении всего времени будет обслуживаться в официальном сервисе.
Mercedes Vito. Что дешевле: длительная гарантия или ремонт за свой счет? Большинство брендов, как и Мерседес, готовы за свой счет заменить ржавое крыло на автомобиле старше 10 лет лишь в том случае, если вы каждый год будете терпеливо оплачивать счета за техобслуживание в официальном сервисе. Но есть несколько оговорок. Во-первых, не все дилеры будут готовы признать коррозию старого автомобиля производственным дефектом. Во-вторых, отремонтировать небольшой дефект гораздо дешевле, чем каждый год ездить в сервис к «официалам» на ТО.
Mitsubishi Pajero 2000-2006. Профилактика. Многие автомобилисты не раз замечали интересный парадокс. Автомобили, хранящиеся в гараже, имеют лучшее состояние лакокрасочного покрытия, чем те, что стоят на улице. Но именно гаражные автомобили нередко зацветают быстрей. Этому способствуют плохо проветриваемые гаражи. Зимой соленая слякоть остается внутри всевозможных кузовных щелей и ниш. Теплый двигатель нагревает воздух, создавая благодатные условия для разрушительного воздействия соли. Стоянка на улице под солнцем и ветром – самая дешевая и простая профилактика коррозии. Сегодня существует большое количество средств для защиты кузова, как снаружи, так и внутри. Многие сервисы готовы выполнить трудоемкую и длительную процедуру антикоррозионной защиты, но не всегда с хорошим качеством.
Dacia Logan. Гарантия от сквозной коррозии. В настоящее время производители гарантируют следующие сроки от сквозной коррозии.
|
