Коррозия – результат химического или электрохимического взаимодействия металла поверхностного слоя деталей с агрессивной средой. Коррозионной стойкостью называется способность материала сопротивляться коррозионным разрушениям при действии агрессивной среды.
Коррозия не только портит внешний вид поверхностей изделий, но и снижает механические свойства металлов (рис. 27). Причиной возникновения коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов, возникающая в процессе сильного механического или термического воздействия на деталь, например в процессе обработки. Все металлы и сплавы в условиях эксплуатации стремятся перейти в более устойчивое окисленное (ионное) состояние. Физико-химическая сущность процесса коррозии заключается в самопроизвольном переходе металла из неустойчивого в устойчивое состояние.
Рис. 27. Вид коррозионных повреждений кузова автомобиля
Интенсивность и характер коррозионного процесса всегда обусловлены рядом факторов, которые делятся на внешние и внутренние. К внешним факторам относятся химический состав среды, в которой эксплуатируется деталь, температура в рабочей зоне и скорость движения среды.
Эксплуатация автомобильного транспорта происходит в условиях высоких скоростей при наличии агрессивной среды, перепада температур и действия больших механических нагрузок, которые способствуют развитию коррозионных процессов.
К внутренним факторам относятся: химический состав металлов и параметры поверхностей деталей, такие как шероховатость, структура, твердость и остаточные напряжения, которые обусловлены способами обработки.
Коррозионная стойкость деталей в зависимости от вида коррозии оценивается либо уменьшением веса металла с единицы площади либо уменьшением линейных размеров за единицу времени.
Коррозия происходит под действием химически агрессивных сред: воздуха, воды, органических и неорганических кислот и др. Различают два основных вида коррозии – химическую и электрохимическую. В свою очередь, в зависимости от условий эксплуатации и состава внешней среды химическая коррозия может быть атмосферной и газовой. При атмосферной коррозии, которая происходит при нормальном давлении и температуре ниже 80ºС, поверхности деталей покрываются слоем окислов, образующихся в результате химического взаимодействия металла с компонентами окружающей среды (преимущественно с кислородом). Окисный слой в большинстве случаев не обладает необходимыми защитными свойствами, т. е. не изолирует поверхность от агрессивной среды.
Важнейшими конструкционными материалами для изготовления большинства деталей машин по-прежнему являются углеродистые и низколегированные стали. Эти стали имеют большое сродство к кислороду и поэтому подвержены интенсивному коррозионному разрушению.
Шероховатость поверхности также является существенным фактором, определяющим интенсивность коррозии. С увеличением высоты микронеровностей возрастает площадь контакта поверхности детали с окружающей агрессивной средой и, как следствие, возрастает скорость коррозионных разрушений. Кроме того, ускорению коррозионных процессов способствуют малые радиусы закругления впадин микропрофиля, являющиеся энергоёмкими местами (концентраторами напряжений), в которых в первую очередь зарождаются очаги коррозии. На полированной поверхности таких энергоёмких мест мало, поэтому она в меньшей степени подвержена коррозии. Наоборот, после пескоструйной, дробеструйной, химической или механической обработки поверхности деталей имеют большую склонность к коррозии.
Наклеп оказывает неоднозначное влияние на коррозионную стойкость. Известно, что в результате деформационного упрочнения коррозионная стойкость резко снижается. Например, поврежденный при соударении в дорожно-транспортном происшествии участок кузова автомобиля подвергается интенсивной коррозии. Происходит это из-за того, что после холодной пластической деформации мягкая сталь может поглощать на порядок больше кислорода, чем отожжённая сталь. Однако также имеет место повышение коррозионной стойкости при обкатывании деталей, которое происходит вследствие создания наклепанного поверхностного слоя материала с более положительным электродным потенциалом по сравнению с основным металлом. Этому способствует и высокая термодинамическая устойчивость материала наклепанного слоя, возникающая вследствие образования мелкоблочной и высокодисперсной структуры. Очевидно, что такое противоречивое влияние наклёпа на коррозионную стойкость можно объяснить, во-первых, материалом детали, а во-вторых, методом повышения поверхностной твёрдости. Так, при упрочнении поверхностного слоя обкатыванием происходит завальцовывание поверхностных микродефектов, которые являются путями проникновения агрессивных сред внутрь металла. Кроме того, упрочнение методами поверхностного пластического деформирования увеличивает диффузию кислорода воздуха в металле поверхностного слоя, образуя в нём твёрдые химические соединения FeO, Fe2O3, FeO4, которые обладают защитными свойствами.
Газовая коррозия является частным случаем химической коррозии и происходит в результате воздействия газов и паров на поверхность металла при высокой температуре (особенно при температуре выше 300°С). В качестве агрессивных компонентов газовой среды могут выступать химические соединения серы, хлора, азота и, конечно же, кислорода. Скорость коррозии возрастает с увеличением содержания в газовой среде агрессивных примесей (например, углекислого газа, двуокиси серы и др.). Образующиеся продукты коррозии создают на поверхности деталей пленку, которая на какое-то время защищает металл от воздействия агрессивной среды и снижает интенсивность коррозионных процессов. Защитные свойства пленок зависят от их сплошности, толщины и прочности сцепления с металлом. Большей защитной способностью обладают тонкие пленки, вследствие их меньшей хрупкости. С повышением параметров процесса газовой коррозии, таких как температура, давление и скорость движения газовой среды, защитные свойства пленок в большинстве случаев снижаются.
Значительное влияние на скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей оказывает соотношение окиси углерода СО и углекислого газа СО2 в выхлопных газах. С увеличением содержания СО скорость коррозии снижается, а при концентрации 14…18% коррозия может прекратиться совсем. Примером газовой коррозии являются разрушения на фасках тарелок выпускных клапанов, выпускного тракта автомобильного двигателя и в глушителе, которые происходят под воздействием отработавших газов.
Процесс электрохимической коррозии может происходить только при наличии макрои микрогальванических элементов. На поверхности металлических изделий, находящихся в атмосфере, образуется тонкая пленка воды, так называемый конденсат. Толщина такой пленки может быть различной в зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Газы, присутствующие в воздухе, растворяются в этой пленке, создавая электропроводную среду (электролит). Электролит – это водный раствор солей, щелочей, кислот. Так естественным образом формируются условия для электрохимической коррозии.
Известно, что у каждого металла при попадании в электролит возникает электродный потенциал. А при контакте двух разных металлов в жидкой электропроводной среде за счёт возникновения разности электродных потенциалов возникает гальваническая пара и металл с более отрицательным электродным потенциалом (анод) начинает растворяться.
Достаточно часто на металлической поверхности возникают короткозамкнутые микрогальванические элементы, образованные различными структурными составляющими сплава, из которого изготовлена деталь. Анодом и катодом также могут служить граница и сердцевина зерна, чистый металл и его окислы, деформированные и недеформированные участки металла, имеющие разные электродные потенциалы. При наличии электролита на катодных участках идет восстановление окислителей, а на анодных участках – растворение металла.
В начальной стадии коррозия имеет точечный характер, затем распространяется на всю поверхность изделия. Наряду с образованием многочисленных гальванических микропар имеет место образование макропар между сопряженными деталями из разных металлов. В условиях электрохимической коррозии прежде всего разрушаются выступы неровностей на поверхности металла, который является анодом.
Необходимо отметить важный факт: скорость разрушения материала при электрохимической коррозии значительно выше, чем при химической.
Коррозионные повреждения кузова автомобиля можно рассматривать как совместный результат действия химической и электрохимической коррозии. При этом коррозионные повреждения проявляются:
- в нарушении товарного вида автомобиля, происходящем в результате действия подслойной коррозии и выражающемся во вспучивании и шелушении лакокрасочного покрытия;
- в изменении геометрии кузова и деформации дверных проемов, возникающих вследствие локальных разрушений в усилителях, лонжеронах, местах соединений деталей пола, порогах, крыльях и др.;
- в уменьшении прочности креплений узлов и агрегатов автомобиля;
- в ухудшении общего физического состояния металлических деталей.
Наиболее сильные коррозионные повреждения кузова происходят при эксплуатации автомобиля в зимнее время года. Этому во многом способствует обработка дорожного покрытия солью, песком и различными противогололедными реагентами, попадающими на элементы кузова и вызывающими электрохимическую коррозию. Большую роль в развитии коррозионных процессов играет изменение температуры элементов кузова в течение суток, особенно если автомобиль днем эксплуатируется в условиях отрицательных температур окружающей среды, а ночью находится в тёплом гараже при положительных температурах. Во-первых, повышение температуры электролита, образовавшегося из соляных составов, ускоряет протекание коррозионных процессов. Во-вторых, снег и лед, попавшие на кузов на улице, тают, и образовавшаяся вода затекает в узкие зазоры, щели и трещины лакокрасочного покрытия. Когда же автомобиль выезжает на морозную улицу, вода в щелях и трещинах замерзает и в силу расклинивающего действия раздвигает их, вскрывая лакокрасочное покрытие кузова.
Для сплавов на основе железа распространенным и опасным видом локальной коррозии является щелевая коррозия, которая возникает при разности pH-среды в различных щелях, узких зазорах, под всевозможными прокладками и наростами. Этому виду коррозии достаточно сильно подвержены участки металла, контактирующие с неметаллическими материалами, такими как древесина, стекло, пластик, бетон, ткани и др.
Структура в многофазных сплавах, фазы которых являются электрохимически гетерогенными (неоднородными), является одной из причин межкристаллитной коррозии. Она обусловлена не только химическим составом, но и неправильной термической обработкой. Например, нарушение режима термообработки коррозионностойких сталей приводит к обогащению границ зёрен (кристаллитов) химическими элементами, из которых состоит сталь. Границы зёрен становятся электрохимически отличными от зёрен металла, что приводит к образованию микрогальванической пары и, как следствие, к их разрушению. Далее коррозия распространяется по межкристаллитным границам в сердцевину детали. В результате происходит разрушение металла на большой глубине без явных коррозионных повреждений на поверхности изделия.
Структурная неоднородность и высокая напряженность металла сварных швов являются причиной ножевой коррозии. В местах сварки ножевая коррозия протекает с высокой скоростью и сопровождается большими повреждениями.
Считается, что остаточные напряжения любого знака как один из главных факторов термодинамической неустойчивости металлов снижают сопротивление коррозии. Однако также известен факт повышения сопротивления коррозионной усталости (при одновременном действии переменных напряжений и коррозионной среды) обкатанных образцов. Повышение обусловлено действием остаточных напряжений сжатия, замедляющих процессы коррозионного растрескивания. Наоборот, остаточные напряжения растяжения способствуют коррозионному растрескиванию (коррозионной статической усталости) в коррозионно-агрессивных средах. Такое достаточно сильное влияние остаточных напряжений на коррозионную усталость можно объяснить тем, что усталостный фактор является превалирующим в процессе разрушения по отношению к коррозионному фактору.
Существует множество способов защиты изделий от коррозии, учитывающих не только особенности самого металла, но и условия его эксплуатации. Поэтому нет какой-либо единой системы выбора и применения мер защиты от коррозии.
Наиболеераспространённымиимаксимальноэффективнымиявляются методы нанесения защитных покрытий – металлических, гальванических, химических, лакокрасочных, эмалевых и др. Роль покрытий как средств защиты от коррозии сводится большей частью к изоляции металла от агрессивной среды. В этой связи к ним предъявляются определенные требования. Они не должны иметь пор, должны быть газои водонепроницаемыми, химически стойкими, механически прочными, обладать высокой прочностью сцепления с основным металлом и, следовательно, не должны отслаиваться в процессе эксплуатации.
Одним из эффективных методов повышения коррозионной стойкости является электрохимическая защита. Суть ее заключается
в подключении защищаемой поверхности к катоду постороннего источника постоянного тока с целью создания на ней отрицательного потенциала (катодная защита) или в присоединении металлов с более отрицательным электродным потенциалом (протекторов), благодаря чему анодные участки защищаемой поверхности становятся катодными (протекторная защита).
Для электрохимической защиты применяют анодные покрытия (цинк, кадмий), получаемые электрохимическим способом, которые также имеют более отрицательный электродный потенциал, чем основной металл (железо). Электрохимическая защита кабелей, трубопроводов, свай и др. получила широкое распространение в нефтяной, химической, судостроительной и других отраслях промышленности.
Необходимо отметить, что многие проблемы, связанные с электрохимической коррозией, могут быть решены на стадии проектирования конструкции изделия. Так, при конструировании кузова следует исключить условия длительного контакта элементов кузова с водой. Для этого в нижних точках полостей, куда может попадать вода, должны быть предусмотрены дренажные отверстия. Такими отверстиями снабжены двери автомобиля, площадки кронштейнов для установки аккумуляторных батарей, отсеки для хранения запасного колеса и др. Отверстия должны иметь размеры, достаточные для вытекания воды и удаления мусора при условии возможного их засорения.
Внешняя форма кузова должна обеспечивать быстрое стекание воды даже при сильном дожде. Обводы щелей при закрытом капоте и крышке багажника должны иметь желобки, по которым вода может свободно стекать с кузова, не попадая в моторный отсек и багажник при стоянке автомобиля. Поскольку площадка для стоянки автомобиля не всегда строго горизонтальная, желательно, чтобы конструкция желобков обеспечивала полное стекание воды при наклоне автомобиля в любую сторону по крайней мере на угол 2…3°. Конструкция отверстий для вентиляции кузова (за счет жалюзи, специальных отбортовок или других устройств) должна исключать попадание дождевой воды во внутренние полости кузова как при стоянке автомобиля, так и при его движении.
При конструировании кузова его элементы необходимо выполнять из однородных металлов, что позволит устранить образование макрогальванических пар и протекание электрохимических процессов.