Коррозионные повреждения деталей машин

Коррозия металлов и сплавов представляет собой процесс их разрушения вследствие химического или электрохимического воздействия внешней среды.

Коррозионные повреждения имеют следующие основные особенности:

1) разрушение металла всегда начинается с поверхности;

2) внешний вид детали, как правило, изменяется;

3) в результате коррозии металл обычно превращается в окислы или гидраты окислов.

По характеру внешней среды коррозия разделяется на три основных вида: атмосферную, газовую и коррозию в электролитах. Рассмотрим кратко особенности и природу разрушения металлов в результате действия коррозии.

Процесс электрохимической коррозии объясняется действием микрогальванических элементов. В качестве анода и катода могут служить различные структурные составляющие сплава, граница и сердцевина зерна, напряженный и ненапряженный участок металла, чистый металл и его окислы. Иными словами, если на поверхности металла имеются точки или участки, существенно отличающиеся по значению электродных потенциалов, это приводит к образованию микрогальванических элементов. При этом анодные участки всегда имеют более высокий электронный потенциал и подвергаются растворению.

Гидратированные ионы взаимодействуют с водой, в результате чего образуются окислы металла (FеО, Fe₃O₄, Fe₂O₃, А1₂O₃, Сг₂O₃ и др.), которые обычно оседают на поверхности металла, образуя плотную или рыхлую пленку продуктов коррозии.

Действие микрогальванических элементов может протекать с кислородной или водородной деполяризацией. Поэтому скорость электрохимического процесса, прежде всего, зависит от степени аэрации корродирующей поверхности. Например, при недостатке кислорода в растворе процесс резко затормаживается, а при свободном доступе кислорода к поверхности металла – интенсифицируется.

Интенсивность процесса электрохимической коррозии зависит также от химического состава сплава; электропроводности раствора, обусловленной содержанием солей и кислот; характера и плотности продуктов коррозии, которые могут резко затормаживать электрохимический процесс, отлагаясь на корродирующей поверхности; структурной неоднородности металла (гомогенные сплавы менее склонны к коррозии); наличия и распределения внутренних напряжений, поскольку участки металла, подвергнутые действию внутренних напряжений или наклепа, интенсивнее корродируют. Характер повреждений деталей машин, вызываемых протеканием электрохимических процессов на поверхности металлов, зависит от условий воздействия внешней среды.

Атмосферная коррозия развивается при нормальном давлении и температуре, не превышающей 80⁰ С. Детали машин в этом случае находятся в контакте с атмосферным воздухом, который всегда содержит некоторое количество влаги. Мельчайшие частицы воды, являющейся электролитом (в связи с обязательным наличием в ней солей, щелочей и кислот), оседают на поверхности металла, что создает необходимые условия для возбуждения микрогальванических элементов (микропар). Этим объясняется точечный характер атмосферной коррозии в начальной стадии. При наличии значительного количества влаги, особенно при переменном смачивании поверхности металлов, процесс атмосферной коррозии интенсифицируется и коррозионное повреждение принимает сплошной характер.

Коррозия металлов в электролитах представляет собой случай электрохимической коррозии, соответствующий непрерывному воздействию на металл воды, содержащей значительное количество солей, кислот и щелочей. Типичным для этого вида коррозии является разрушение внутренних поверхностей металла котлов. На рисунке 6 представлено коррозионное повреждение металла в котлах низкого давления.

Рисунок 6 – Характер коррозионных повреждений в котлах низкого давления (по В. А. Кислику и В. Н. Ткачеву).

Процесс коррозии может развиваться весьма интенсивно. Темп роста коррозии питтингов в глубину может составлять 0,5 мм в месяц и более.

При проектировании узлов машины или оборудования, предназначенного для работы в среде электролита, следует учитывать, что изготовление деталей из разнородных материалов может привести к образованию микрогальванических элементов. Во избежание этого необходимо все элементы, например, охлаждающей системы двигателя выполнять из однородных материалов.

Как разновидность коррозии в жидких средах, следует отметить коррозию металла в неэлектролитах. Такими средами обычно являются различные органические вещества, весьма слабо проводящие ток (спирты, бензин, керосин и др.). Процесс коррозии металла в этом случае может происходить вследствие химического взаимодействия металла с органическими веществами. Интенсивность химической коррозии зависит, прежде всего, от химической природы органического вещества и его температуры.

Газовая коррозия является частным случаем химической коррозии. Внешней средой является газ, горячий воздух или пар. Этот вид коррозии поражает самые различные детали машин и оборудование, работающее при повышенных температурах в контакте с агрессивными газами. В большинстве случаев газовая коррозия является результатом взаимодействия кислорода воздуха с металлом. На поверхности металла образуется слой окислов (окалина), который становится хорошо заметным при температурах более 300° С. При нагревании углеродистой стали выше 570° С интенсивность окисления скачкообразно увеличивается. Пленка окислов имеет сложное строение, обусловленное встречной диффузией кислорода и атомов железа.

Вначале располагается слой вюстита FеО, затем следует слой вюстита и магнетита Fe₃O₄, за ним слой магнетита и на самой поверхности пленки окислов располагается слой гематита Fe₂O₃. Наибольшей сплошностью обладает слой FеО. Слои магнетита и гематита покрыты густой сеткой трещин и пор. Этим обусловливается низкое сопротивление углеродистой стали окислению.

Рисунок 7 – Характер газовой коррозии.

Такие элементы, как хром, алюминий и кремний, при взаимодействии с кислородом образуют весьма прочные и плотные окисные пленки и поэтому обладают высоким сопротивлением окислению при повышенных температурах. При легировании стали этими элементами ее сопротивление газовой коррозии резко повышается. Так, например, при содержании 12% Сr сплав весьма устойчив при температуре 800° С, а при содержании 22% Сr – при температуре 900–1000° С.

При взаимодействии металла с горячими агрессивными газами коррозионное разрушение может иметь питтинговую форму. На рисунке 7 представлен характер разрушения трубы промышленной химической установки. В отдельных точках могут наблюдаться сквозные повреждения. Основными факторами, определяющими интенсивность разрушения, являются состав сплава; состав и температура газовой атмосферы; наличие на поверхности защитных покрытий. Поэтому, когда не удается понизить агрессивные свойства газовой среды, наиболее эффективно применение легированных сталей или защитных покрытий, предотвращающих непосредственный контакт с горячим газом.