Влияние коррозионной среды на характер разрушения деталей

Характер и интенсивность разрушения деталей в значительной степени зависят от свойств контактирующей с ними среды. Поэтому для определения коррозионного процесса очень важно знать характер среды, в которой он протекает.

По характеру окружающей среды различают атмосферную, газовую, жидкостную, подземную и биокоррозию. Для большинства деталей машин наиболее характерной является атмосферная коррозия.

Атмосферная коррозия — это процесс постепенного разрушения металлов под действием атмосферного воздуха, а также содержащихся в нем твердых частиц, влаги и газов.

При атмосферной коррозии процесс разрушения поверхности металлов имеет электрохимический характер. Интенсивность разрушения зависит от состава атмосферного воздуха, вида и концентрации содержащихся в нем примесей.

Твердые частицы примесей, растворяясь в конденсате воды на поверхности детали, образуют сильный электролит, активизирующий электрохимические процессы. Для большинства конструкционных сплавов, применяемых в машиностроении, наиболее опасными являются примеси серы, сернистого газа, серо­водорода и хлора. Для медных сплавов, кроме того, коррозионно-активным реагентом является также аммиак. Угольная пыль, песок, соли окислов металлов повышают электропроводимость электролита, обеспечивают улучшение адсорбции молекул различных газов и влаги из воздуха, увеличивают конденсацию воды.

Интенсивность коррозионного разрушения зависит также от температуры окружающего воздуха. При переходе от отрицательных к положительным температурам коррозионная активность среды повышается вследствие конденсации влаги на поверхности детали. Дальнейшее увеличение температуры воздуха, как правило, тормозит коррозию в результате снижения относительной влажности и подсыхания поверхности. Однако комбинированное воздействие высокой влажности и температуры, характерное, например, для тропической климатической зоны, вызывает резкую интенсификацию процессов разрушения поверхностей деталей вследствие электрохимической коррозии.

Рис. 8.1. Зависимость скорости υ_р разрушения металлической поверхности от толщины h пленки влаги на поверхности детали под действием атмосферной коррозии: І — сухой; ІІ — влажной; III — мокрой

В зависимости от степени увлажнения поверхности различают сухую, влажную и мокрую атмосферную коррозию (рис. 8.1).

Сухой называют атмосферную коррозию, протекающую под молекулярными слоями влаги, не превышающими по толщине 10^-3 м (100 А). При сухой коррозии происходит химическое взаимодействие (окисление) металла со средой. В результате поверхностного окисления металла под воздействием кислорода или сероводорода, поступающих из воздуха, про­исходит потускнение никелевых, цинковых, оловянных покрытий, латунных и бронзовых деталей, почернение медных покрытий.

При сухой атмосферной коррозии на поверхности металлов в течение первых 2—3 ч образуются устойчивые пленки окислов, толщина которых стабилизируется на определенном для каждого металла уровне. На стальных и омедненных поверхностях слой окислов достигает (3—4) 10^-9 м, а на поверхностях деталей из алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей (1—2) 10^-9 м. Сухая атмосферная коррозия вследствие слабой интенсивности процессов практически не оказывает влияния на долговечность деталей машин даже при содержании в воз­духе небольших количеств агрессивных веществ.

Атмосферную коррозию, протекающую под пленками влаги толщиной до 10~6 м, сконцентрировавшимися в результате повышенной относительной влажности воздуха (до 98 %) и перепада температур, называют влажной атмосферной коррозией.

В условиях влажной атмосферной коррозии процесс взаимодействия материалов деталей сокружающей средой имеет электрохимический характер. Интенсивность коррозионного разрушения поверхностей резко возрастает с увеличением толщины пленки влаги. При определенной относительной влажности воздуха, называемой критической (50—70 %), на поверхностях деталей образуются сплошные пленки влаги минимальной толщины h_K (см. рис. 8.1). В этот момент наблюдается резкое увеличение скорости коррозионного разрушения.

Мокрой называют атмосферную коррозию, протекающую в условиях капельной конденсации воды или прямого попадания осадков на поверхность металла с образованием пленок влаги, толщина которых превышает 10^-6 м. Условия, необходимые для мокрой атмосферной коррозии, возникают при относительной влажности воздуха выше 98 %, а также в сильно обводненной среде (в карьерах, в заболоченной местности, в поймах рек). Механизм разрушения металла при мокрой атмосферной коррозии имеет ярко выраженный электрохимический характер.

Интенсивность разрушения поверхности металла при мокрой коррозии несколько ниже, чем при влажной. Это объясняется ослаблением раствора электролита и вследствие этого уменьшением коррозионной активности среды.

В реальных условиях эксплуатации машин практически трудно разграничить перечисленные разновидности коррозии, так как влажность, температура и агрессивность среды изменяются в широких пре­делах. Большое влияние на интенсивность атмосферной коррозии всех видов оказывают загрязнения, окислы металлов, продукты износа, а также продукты окисления смазочных материалов.

Газовая коррозия происходит при отсутствии пленок влаги на поверхности металлов. Коррозия этого вида возникает, как правило, при высоких температурах в среде агрессивных газов (например, от­работавших). Процесс разрушения поверхностей деталей при газовой коррозии проходит по химическому механизму. Газовая коррозия встречается в деталях двигателей внутреннего сгорания, газогенераторов, компрессоров.

На скорость разрушения поверхности деталей при газовой коррозии определяющее влияние оказывают температура и состав газовой среды. При повышении температуры скорость коррозионного разрушения заметно увеличивается. Особенно большую активность при газовой коррозии проявляют такие компоненты воздушной среды, как окись углерода, окислы азота, хлористый водород, сернистые соединения.

Жидкостная коррозия металлов протекает в жидкой среде: неэлектропроводящих маслах и топливах, не являющихся электролитами, или в кислотных, щелочных водных электролитических растворах.

В неэлектропроводящей среде жидкостная коррозия представляет собой вариант химического взаимодействия металла с жид­костью. Процесс взаимодействия сводится к химической реакции металла с коррозионно-активными компонентами жидкости, наиболее опасны из которых сера и сернистые соединения. Примером коррозии этого типа являются повреждения поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания, работающих на топливе с высоким содержанием серы.

Скорость коррозии прямо пропорциональна содержанию в топливе серы. При сгорании топлива образуется сернистый газ, который, смешиваясь с парами воды, превращается в сернистую, а при воздействии кислорода воздуха — в серную кислоту. Эти кислоты являются сильными электролитами, поэтому процесс коррозионного разрушения принимает электрохимический характер. Сильными электролитами являются также органические кислоты, образующиеся в результате окисления углеводородов (смазочных материалов) под влиянием воздуха.

Подземная коррозия — процесс разрушения металлических поверхностей под воздействием грунтовой влаги. Этот процесс имеет электрохимический характер. Наблюдается подземная корро­зия в погруженных в грунт элементах металлических и бетонных сооружений, элементах металлоконструкций опор асфальто- и цементобетонных заводов.

Биологическая коррозия (биокоррозия) — процесс разрушения поверхности металлов под влиянием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Микроорганизмы могут непосредственно разрушать материал детали, но чаще продукты их жизнедеятельности стимулируют процессы химической или электрохимической коррозии. Продукта­ми жизнедеятельности микроорганизмов являются сера, сероводород, гидроокись железа, нитриды. Эти вещества являются коррозионно-активными реагентами и интенсифицируют разрушение металлов.

Различают микроорганизмы нескольких видов, вызывающих биокоррозию металлов. К ним относятся бактерии, актиномицеты (плесень) и мицелиальные грибки. Наибольшую биокоррозию вызывают бактерии, поскольку они быстро размножаются и легко приспосабливаются к условиям окружающей среды.

Существуют бактерии особого вида, так называемые железобак­терии, питательной средой для которых являются железо и стальные сплавы. Эти бактерии усваивают железо в виде ионов. При переработке железа и кислорода в процессе жизнедеятельности микроорганизмов на поверхности металла возникает нерастворимая пленка гидроокиси железа, прочно связанная с основным металлом детали. Эта пленка имеет характерный буро-красный цвет и трудно отделяется от поверхности.

Вследствие биокоррозии на металлической поверхности возни­кают мелкие дефекты, имеющие вид раковин, заполненных шламом и тонкими отложениями ржавчины. Известны случаи разрушения от биокоррозии топливных насосов, топливных баков, резервуаров для хранения топлив и масел. Возникает биокоррозия чаще всего во влажной среде (при относительной влажности 75—95 %) при температуре воздуха от 10 до 35—40 °С. Биокоррозия обычно протекает совместно с атмосферной или подземной коррозией и интенсифицирует процесс разрушения металлических поверхностей.