Коррозия металлов, как известно, приносит много бед. Уж не вам ли, уважаемые автовладельцы, объяснять, чем она грозит: дай ей волю, так от машины одни покрышки останутся. Поэтому, чем раньше начнется борьба с этим бедствием, тем дольше проживет автомобильный кузов.
Чтобы быть успешными в борьбе с коррозией, необходимо выяснить, что же это за «зверь» и понять причины ее возникновения.
Сегодня вы узнаете
Есть ли надежда?
Ущерб, наносимый человечеству коррозией, колоссален. По разным данным коррозия «съедает» от 10 до 25% мировой добычи железа. Превращаясь в бурый порошок, оно безвозвратно рассеивается по белому свету, в результате чего не только мы, но и наши потомки остаемся без этого ценнейшего конструкционного материала.
Но беда не только в том, что теряется металл как таковой, нет — разрушаются мосты, машины, крыши, памятники архитектуры. Коррозия не щадит ничего.
Неизлечимо больна та же Эйфелева башня — символ Парижа. Изготовленная из обычной стали, она неизбежно ржавеет и разрушается. Башню приходится красить каждые 7 лет, отчего ее масса каждый раз увеличивается на 60-70 тонн.
К сожалению, полностью предотвратить коррозию металлов невозможно. Ну, разве что полностью изолировать металл от окружающей среды, например поместить в вакуум. 🙂 Но какой прок от таких «консервированных» деталей? Металл должен «работать». Поэтому единственным способом защиты от коррозии является поиск путей ее замедления.
В незапамятные времена для этого применяли жир, масла, позднее начали покрывать железо другими металлами. Прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) и римского ученого Плиния-старшего уже есть упоминания о применении олова для защиты железа от коррозии.
Интересный случай произошел в 1965 году на Международном симпозиуме по борьбе с коррозией. Некий индийский ученый рассказал об обществе по борьбе с коррозией, которое существует около 1600 лет и членом которого он является. Так вот, полторы тысячи лет назад это общество принимало участие в постройке храмов Солнца на побережье у Конарака. И несмотря на то, что эти храмы некоторое время были затоплены морем, железные балки прекрасно сохранились. Так что и в те далекие времена люди знали толк в борьбе с коррозией. Значит, не все так безнадежно.
Что такое коррозия?
Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodo – грызу». Встречаются ссылки и на позднелатинское «corrosio – разъедание». Но так или иначе:
Коррозия – это процесс разрушения металла в результате химического и электрохимического взаимодействия с окружающей средой.
Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, ей также подвергаются бетон, камень, керамика, дерево, пластмассы. Применительно к полимерным материалам, правда, чаще используется термин деструкция или старение.
Коррозия и ржавчина — не одно и то же
В определении коррозии абзацем выше не зря выделено слово «процесс». Дело в том, коррозию частенько отождествляют с термином «ржавчина». Однако это не синонимы. Коррозия — это именно процесс, в то время как ржавчина — один из результатов этого процесса.
Также стоит отметить, что ржавчина — продукт коррозии исключительно железа и его сплавов (таких как сталь или чугун). Поэтому, когда говорим «ржавеет сталь», мы подразумеваем, что ржавеет железо в ее составе.
Если ржавчина относится только к железу, значит другие металлы не ржавеют? Не ржавеют, но это не значит, что они не корродируют. Просто продукты коррозии у них другие.
Например, медь, корродируя, покрывается красивым по цвету зеленоватым налетом (патиной). Серебро на воздухе тускнеет — это на его поверхности образуется налет сульфида, чья тонкая пленка придает металлу характерную розоватую окраску.
Патина — продукт коррозии меди и ее сплавов
Механизм протекания коррозионных процессов
Разнообразие условий и сред, в которых протекают коррозионные процессы, очень широко, поэтому сложно дать единую и всеобъемлющую классификацию встречающихся случаев коррозии. Но не смотря на это, все коррозионные процессы имеют не только общий результат — разрушение металла, но и единую химическую сущность — окисление.
Упрощенно окисление можно назвать процессом обмена веществ электронами. Когда одно вещество окисляется (отдает электроны), другое, наоборот, восстанавливается (получает электроны).
Например, в реакции…
… атом цинка теряет два электрона (окисляется), а молекула хлора присоединяет их (восстанавливается).
Частицы, которые отдают электроны и окисляются, называются восстановителями , а частицы, которые принимают электроны и восстанавливаются, называются окислителями . Два этих процесса (окисление и восстановление) взаимосвязаны и всегда протекают одновременно.
Такие вот реакции, которые в химии называются окислительно-восстановительными, лежат в основе любого коррозионного процесса.
Естественно, склонность к окислению у разных металлов неодинакова. Чтобы понять, у каких она больше, а у каких меньше, вспомним школьный курс химии. Было там такое понятие как электрохимический ряд напряжений (активности) металлов, в котором все металлы расположены слева направо в порядке повышения «благородности».
Так вот, металлы, расположенные в ряду левее, более склонны к отдаче электронов (а значит и к окислению), чем металлы, стоящие правее. Например, железо (Fe) больше подвержено окислению, чем более благородная медь (Cu). Отдельные металлы (например, золото), могут отдавать электроны только при определенных экстремальных условиях.
К ряду активности вернемся немного позднее, а сейчас поговорим об основных видах коррозии.
Виды коррозии
Как уже говорилось, критериев классификация коррозионных процессов существует множество. Так, различают коррозию по виду распространения (сплошная, местная), по типу коррозионной среды (газовая, атмосферная, жидкостная, почвенная), по характеру механических воздействий (коррозионное растрескивание, явление Фреттинга, кавитационная коррозия) и так далее.
Но основным способом классификации коррозии, позволяющим наиболее полно объяснить все тонкости этого коварного процесса, является классификация по механизму протекания.
По этому критерию различают два вида коррозии:
- химическую
- электрохимическую
Химическая коррозия
Химическая коррозия отличается от электрохимической тем, что протекает в средах, не проводящих электрический ток. Поэтому при такой коррозии разрушение металла не сопровождается возникновением электрического тока в системе. Это обычное окислительно-восстановительное взаимодействие металла с окружающей средой.
Наиболее типичным примером химической коррозии является газовая коррозия. Газовую коррозию еще называют высокотемпературной, поскольку обычно она протекает при повышенных температурах, когда возможность конденсации влаги на поверхности металла полностью исключена. К такому виду коррозии можно отнести, например, коррозию элементов электронагревателей или сопел ракетных двигателей.
Скорость химической коррозии зависит от температуры — при ее повышении коррозия ускоряется. Из-за этого, например, в процессе производства металлического проката, во все стороны от раскаленной массы разлетаются огненные брызги. Это с поверхности металла скалываются частички окалины.
Окалина — типичный продукт химической коррозии, — оксид, возникающий в результате взаимодействия раскаленного металла с кислородом воздуха.
Помимо кислорода и другие газы могут обладать сильными агрессивными свойствами по отношению к металлам. К таким газам относятся диоксид серы, фтор, хлор, сероводород. Так, например, алюминий и его сплавы, а также стали с высоким содержанием хрома (нержавеющие стали) устойчивы в атмосфере, которая содержит в качестве основного агрессивного агента кислород. Но картина кардинально меняется, если в атмосфере присутствует хлор.
В документации к некоторым антикоррозионным препаратам химическую коррозию иногда называют «сухой», а электрохимическую — «мокрой». Однако химическая коррозия может протекать и в жидкостях. Только в отличие от электрохимической коррозии эти жидкости — неэлектролиты (т.е. не проводящие электрический ток, например спирт, бензол, бензин, керосин).
Примером такой коррозии является коррозия железных деталей двигателя автомобиля. Присутствующая в бензине в качестве примесей сера взаимодействует с поверхностью детали, образуя сульфид железа. Сульфид железа очень хрупок и легко отслаивается, освобождая свежую поверхность для дальнейшего взаимодействия с серой. И так, слой за слоем, деталь постепенно разрушается.
Электрохимическая коррозия
Если химическая коррозия представляет собой не что иное, как простое окисление металла, то электрохимическая — это разрушение за счет гальванических процессов.
В отличие от химической, электрохимическая коррозия протекает в средах с хорошей электропроводностью и сопровождается возникновением тока. Для «запуска» электрохимической коррозии необходимы два условия: гальваническая пара и электролит .
В роли электролита выступает влага на поверхности металла (конденсат, дождевая вода и т.д.). Что такое гальваническая пара? Чтобы понять это, вернемся к ряду активности металлов.
Смотрим. Cлева расположены более активные металлы, справа — менее активные.
Если в контакт вступают два металла с различной активностью, они образуют гальваническую пару, и в присутствии электролита между ними возникает поток электронов, перетекающих от анодных участков к катодным. При этом более активный металл, являющийся анодом гальванопары, начинает корродировать, в то время как менее активный коррозии не подвергается.
Схема гальванического элемента
Для наглядности рассмотрим несколько простых примеров.
Допустим, стальной болт закреплен медной гайкой. Что будет корродировать, железо или медь? Смотрим в ряд активности. Железо более активно (стоит левее), а значит именно оно будет разрушаться в месте соединения.
Стальной болт — медная гайка (корродирует сталь)
А если гайка алюминиевая? Снова смотрим в ряд активности. Здесь картина меняется: уже алюминий (Al), как более активный металл, будет терять электроны и разрушаться.
Таким образом, контакт более активного «левого» металла с менее активным «правым» усиливает коррозию первого.
В качестве примера электрохимической коррозии можно привести случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками. Также примечателен случай, который произошел в декабре 1967 года с норвежским рудовозом «Анатина», следовавшим из Кипра в Осаку. В Тихом океане на судно налетел тайфун и трюмы заполнились соленой водой, в результате чего возникла большая гальваническая пара: медный концентрат + стальной корпус судна. Через некоторое время стальной корпус судна начал размягчаться и оно вскоре подало сигнал бедствия. К счастью, экипаж был спасен подоспевшим немецким судном, а сама «Анатина» кое-как добралась до порта.
Олово и цинк. «Опасные» и «безопасные покрытия
Возьмем еще пример. Допустим, кузовная панель покрыта оловом. Олово — очень стойкий к коррозии металл, кроме того, оно создает пассивный защитный слой, ограждая железо от взаимодействия с внешней средой. Значит, железо под слоем олова находится в целости и сохранности? Да, но только до тех пор, пока слой олова не получит повреждение.
А коль уж такое случается, между оловом и железом тут же возникает гальваническая пара, и железо, являющееся более активным металлом, под воздействием гальванического тока начнет корродировать.
Кстати, в народе до сих пор ходят легенды о якобы «вечных» луженых кузовах «Победы». Корни этой легенды таковы: ремонтируя аварийные машины, мастера использовали паяльные лампы для нагрева. И вдруг, ни с того ни с сего, из-под пламени горелки начинает «рекой» литься олово! Отсюда и пошла молва, что кузов «Победы» был полностью облужен.
На самом деле все гораздо прозаичнее. Штамповая оснастка тех лет была несовершенной, поэтому поверхности деталей получались неровными. Вдобавок тогдашние стали не годились для глубокой вытяжки, и образование морщин при штамповке стало обычным делом. Сваренный, но еще не окрашенный кузов приходилось долго готовить. Выпуклости сглаживали наждачными кругами, а вмятины заполняли оловяным припоем, особенно много которого было вблизи рамки ветрового стекла. Только и всего.
Ну, а так ли «вечен» луженый кузов, вы уже знаете: он вечен до первого хорошего удара острым камешком. А их на наших дорогах более чем достаточно.
А вот с цинком картина совсем иная. Здесь, по сути, мы бьем электрохимическую коррозию ее же оружием. Защищающий металл (цинк) в ряду напряжений стоит левее железа. А значит при повреждении будет разрушаться уже не сталь, а цинк. И только после того, как прокорродирует весь цинк, начнет разрушаться железо. Но, к счастью, корродирует он очень и очень медленно, сохраняя сталь на долгие годы.
а) Коррозия луженой стали: при повреждении покрытия разрушается сталь. б) Коррозия оцинкованной стали: при повреждении покрытия разрушается цинк, защищая от коррозии сталь.
Покрытия, выполненные из более активных металлов называются «безопасными », а из менее активных - «опасными ». Безопасные покрытия, в частности оцинковка, давно и успешно применяются как способ защиты от коррозии автомобильных кузовов.
Почему именно цинк? Ведь помимо цинка в ряду активности относительно железа более активными являются еще несколько элементов. Здесь подвох вот в чем: чем дальше в ряду активности находятся друг от друга два металла, тем быстрее разрушение более активного (менее благородного) . А это, соответственно, сокращает долговечность антикоррозионной защиты. Так что для автомобильных кузовов, где помимо хорошей защиты металла важно достичь и продолжительного срока действия этой защиты, оцинковка подходит как нельзя лучше. Тем более, что цинк доступен и недорог.
Кстати, а что будет, если покрыть кузов, например, золотом? Во-первых, будет ох как дорого! 🙂 Но даже если золото стало бы самым дешевым металлом, такого делать нельзя, поскольку оно окажет нашей «железке» плохую услугу.
Золото ведь стоит очень далеко от железа в ряду активности (дальше всего), и при малейшей царапине железо вскоре превратится в груду ржавчины, покрытую золотой пленкой.
Автомобильный кузов подвергается воздействию как химической, так электрохимической коррозии. Но главная роль все же отводится электрохимическим процессам.
Ведь, чего греха таить, гальванических пар в автомобильном кузове воз и маленькая тележка: это и сварные швы, и контакты разнородных металлов, и посторонние включения в листовом прокате. Не хватает только электролита, чтобы «включить» эти гальванические элементы.
А электролит тоже найти легко — хотя бы влага, содержащаяся в атмосфере.
Кроме того, в реальных условиях эксплуатации оба вида коррозии усиливаются множеством других факторов. Поговорим о главных из них поподробнее.
Факторы, влияющие на коррозию автомобильного кузова
Металл: химический состав и структура
Конечно, если бы автомобильные кузова изготавливались из технически чистого железа, их коррозионная стойкость была бы безупречной. Но к сожалению, а может быть и к счастью, это невозможно. Во-первых, такое железо для автомобиля слишком дорого, во-вторых (что важнее) — недостаточно прочно.
Впрочем, не будем о высоких идеалах, а вернемся к тому, что имеем. Возьмем, к примеру, сталь марки 08КП, широко применяемую в России для штамповки кузовных элементов. При изучении под микроскопом эта сталь представляет собой следующее: мелкие зерна чистого железа перемешаны с зернами карбида железа и другими включениями.
Как вы уже догадались, подобная структура порождает множество микрогальванических элементов, и как только в системе появится электролит, коррозия потихоньку начнет свою разрушительную деятельность.
Интересно, что процесс коррозии железа ускоряется под действием серосодержащих примесей. Обычно она попадает в железо из каменного угля при доменной выплавке из руд. Кстати, в далеком прошлом для этой цели использовался не каменный, а древесный уголь, практически не содержащий серы.
В том числе и по этой причине некоторые металлические предметы древности за свою многовековую историю практически не пострадали от коррозии. Взгляните, к примеру, на эту железную колонну, которая находится во дворе минарета Кутуб-Минар в Дели.
Она стоит уже 1600 (!) лет, и хоть бы что. Наряду с низкой влажностью воздуха в Дели, одной из причин такой поразительной коррозионной стойкости индийского железа является, как раз-таки, низкое содержание в металле серы.
Так что в рассуждениях на манер «раньше металл был чище и кузов долго не ржавел», все-таки есть доля правды, и немалая.
Кстати, почему же тогда не ржавеют нержавеющие стали? А потому, что хром и никель, используемые в качестве легирующих компонентов этих сталей, стоят в электрохимическом ряду напряжений рядом с железом. Кроме того, при контакте с агрессивной средой они образуют на поверхности прочную оксидную пленку, предохраняющую сталь от дальнейшего корродирования.
Хромоникелевая сталь — наиболее типичная нержавейка, но кроме нее есть и другие марки нержавеющих сталей. Например, легкие нержавеющие сплавы могут включать алюминий или титан. Если вы были во Всероссийском выставочном центре, вы наверняка видели перед входом обелиск «Покорителям космоса». Он облицован пластинками из титанового сплава и на его блестящей поверхности нет ни единого пятнышка ржавчины.
Заводские кузовные технологии
Толщина листовой стали, из которой изготавливаются кузовные детали современного легкового автомобиля, составляет, как правило, менее 1 мм. А в некоторых местах кузова эта толщина — и того меньше.
Особенностью процесса штамповки кузовных панелей, да и вообще, любой пластической деформации металла, является возникновение в ходе деформации нежелательных остаточных напряжений. Эти напряжения незначительны, если шпамповочное оборудование не изношено, и скорости деформирования настроены правильно.
В противном случае в кузовную панель закладывается этакая «часовая бомба»: порядок расположения атомов в кристаллических зернах меняется, поэтому металл в состоянии механического напряжения корродирует интенсивнее, чем в нормальном состоянии. И, что характерно, разрушение металла происходит именно на деформированных участках (изгибах, отверстиях), играющих роль анода.
Кроме того, при сварке и сборке кузова на заводе в нем образуется множество щелей, нахлестов и полостей, в которых скапливается грязь и влага. Не говоря уже о сварных швах, образующих с основным металлом все те же гальванические пары.
Влияние окружающей среды при эксплуатации
Среда, в которой эксплуатируются металлические конструкции, в том числе и автомобили, с каждым годом становится все более агрессивной. В последние десятилетия в атмосфере повысилось содержание сернистого газа, оксидов азота и углерода. А значит, автомобили омываются уже не просто водичкой, а кислотными дождями.
Коль уж зашла речь о кислотных дождях, вернемся еще раз к электрохимическому ряду напряжений. Наблюдательный читатель подметил, что в него включен также и водород. Резонный вопрос: зачем? А вот зачем: его положение показывает, какие металлы вытесняют водород из растворов кислот, а какие — нет. Например, железо расположено левее водорода, а значит вытесняет его из растворов кислот, в то время как медь, стоящая правее, на подобный подвиг уже не способна.
Отсюда следует, что кислотные дожди для железа опасны, а для чистой меди — нет. А вот о бронзе и других сплавах на основе меди этого сказать нельзя: они содержат алюминий, олово и другие металлы, находящиеся в ряду левее водорода.
Замечено и доказано, что в условиях большого города кузова живут меньше. В этой связи показательны данные Шведского института коррозии (ШИК), установившего, что:
- в сельской местности Швеции скорость разрушения стали составляет 8 мкм в год, цинка — 0,8 мкм в год;
- для города эти цифры составляют 30 и 5 мкм в год соответственно.
Немаловажны и климатические условия, в которых эксплуатируется автомобиль. Так, в условиях морского климата коррозия активизируется примерно в два раза.
Влажность и температура
Насколько велико влияние влажности на коррозию мы можем понять на примере ранее упомянутой железной колонны в Дели (вспомним сухость воздуха, как одну из причин ее коррозионной стойкости).
Поговаривают, что один иностранец решил раскрыть тайну этого нержавеющего железа и каким-то образом отколол небольшой кусочек от колонны. Каково же было его удивление, когда еще на корабле по пути из Индии этот кусочек покрылся ржавчиной. Оказывается, на влажном морском воздухе нержавеющее индийское железо оказалось не таким уж и нержавеющим. Кроме того, аналогичную колонну из Конарака, расположенного поблизости моря, коррозия поразила очень сильно.
Скорость коррозии при относительной влажности до 65% сравнительно невелика, но когда влажность возрастает выше указанного значения — коррозия резко ускоряется, поскольку при такой влажности на металлической поверхности образуется слой влаги. И чем дольше поверхность остается влажной, тем быстрее распространяется коррозия.
Вот почему основные очаги коррозии всегда обнаруживаются в скрытых полостях кузова: cохнут-то они гораздо медленнее открытых частей. Как результат — в них образуются застойные зоны, — настоящий рай для коррозии.
Кстати, применение химических реагентов для борьбы с гололедом коррозии тоже на руку. Вперемешку с подтаявшими снегом и льдом антигололедные соли образуют очень сильный электролит, способный проникнуть куда угодно, в том числе и в скрытые полости.
Что касается температуры, то мы уже знаем, что ее повышение активизирует коррозию. По этой причине вблизи выхлопной системы следов коррозии всегда будет больше.
Доступ воздуха
Интересная все-таки вещь эта коррозия. Насколько интересна, настолько же и коварна. К примеру, не удивляйтесь, что блестящий стальной трос, с виду абсолютно не тронутый коррозией, внутри может оказаться проржавевшим. Так происходит из-за неравномерного доступа воздуха: в тех местах, где он затруднен, угроза коррозии больше. В теории коррозии это явление называется дифференциальной аэрацией.
Принцип дифференциальной аэрации: неравномерный доступ воздуха к разным участкам металлической поверхности приводит к образованию гальванического элемента. При этом участок, интенсивно снабжаемый кислородом, остается невредимым, а участок хуже снабжаемый им, корродирует.
Яркий пример: капля воды, попавшая на поверхность металла. Участок, находящийся под каплей и потому хуже снабжаемый кислородом, играет роль анода. Металл на этом участке окисляется, а роль катода выполняют края капли, более доступные влиянию кислорода. В результате на краях капли начинает осаждаться гидроксид железа — продукт взаимодействия железа, кислорода и влаги.
Кстати, гидроксид железа (Fe 2 O 3 ·nH 2 O) и является тем, что мы называем ржавчиной. Поверхность ржавчины, в отличие от патины на медной поверхности или оксидной пленки алюминия, не защищает железо от дальнейшего корродирования. Изначально ржавчина имеет структуру геля, но затем постепенно происходит ее кристаллизация.
Кристаллизация начинается внутри слоя ржавчины, при этом внешняя оболочка геля, который в сухом состоянии очень рыхлый и хрупкий, отслаивается, и воздействию подвергается следующий слой железа. И так до тех пор, пока все железо не будет уничтожено или в системе не закончится весь кислород с водой.
Возвращаясь к принципу дифференциальной аэрации, можно представить, сколько существует возможностей для развития коррозии в скрытых, плохо проветриваемых участках кузова.
Ржавеют… все!
Как говорится, статистика знает все. Ранее мы упоминали о таком известном центре борьбы с коррозией, как Шведский институт коррозии (ШИК) — одной из наиболее авторитетных организаций в данной области.
Раз в несколько лет ученые института проводят интересное исследование: берут кузова хорошо потрудившихся автомобилей, вырезают из них наиболее полюбившиеся коррозии «фрагменты» (участки порогов, колесных арок, кромок дверей и т.д.) и оценивают степень их коррозионного поражения.
Важно отметить, что среди исследуемых кузовов есть как защищенные (оцинковкой и/или антикором), так и кузова без какой либо дополнительной антикоррозионной защиты (просто окрашенные детали).
Так вот, ШИК утверждает, что наилучшей защитой автомобильного кузова является лишь сочетание «цинк плюс антикор». А вот все остальные варианты, включая «просто оцинковку» или «просто антикор», по словам ученых — плохи.
Оцинковка — не панацея
Сторонники отказа от дополнительной антикоррозионной обработки часто ссылаются на заводскую оцинковку: с ней, мол, никакая коррозия автомобилю не грозит. Но, как показали шведские ученые, это не совсем так.
Действительно, цинк может служить в качестве самостоятельной защиты, но только на ровных и плавных поверхностях, к тому же не подверженных механическим атакам. А на кромках, краях, стыках, а также местах, регулярно подвергающихся «обстрелу» песком и камнями, оцинковка перед коррозией пасует.
К тому же, далеко не у всех автомобилей кузова оцинкованы полностью. Чаще всего цинком покрыто лишь несколько панелей.
Ну и не нужно забывать, что цинк хоть и защищает сталь, но в процессе защиты неизбежно расходуется сам. Поэтому толщина цинкового «щита» со временем будет постепенно снижаться.
Так что легенды о долгожительстве оцинкованных кузовов правдивы лишь в тех случаях, когда цинк становится частью общего барьера, дополнением к регулярной дополнительной антикоррозионной обработке кузова.
Пора заканчивать, но на этом тема коррозии далеко не исчерпана. О борьбе с ней мы продолжим говорить в следующих статьях рубрики «Антикоррозионная защита».
Коррозия металлов может проявляться в различных формах, основными из которых являются:
1. Общая коррозия, известная также как равномерная. Общая коррозия является наиболее распространенным типом разрушения металлов и вызвана химическими или электрохимическими реакциями. Общая коррозия приводит к ухудшению всей поверхности металла, но считается одной из самых безопасных форм коррозии, так как является предсказуемой и управляемой.
2. Местная (локализированная) коррозия. В отличие от общей коррозии, этот вид коррозии ориентирован на одну область металлической конструкции.
Локализованная коррозия классифицируется на три типа:
2.1 Питтинговая: коррозия в виде небольшого отверстия или полости в металле. Возникает, как правило, в результате депассивации небольшой области поверхности. Пораженная область становится анодом, а часть оставшегося металла - катодом, в результате происходят локализованные гальванические реакции. Эту форму коррозии часто бывает трудно обнаружить из-за того, что пораженный участок обычно относительно мал и может быть скрыт под поверхностью.
2.2 Щелевая: подобно питтинговой, щелевая коррозия локализируется в определенном месте. Этот тип коррозии часто ассоциируется с застойной микро-зоной агрессивной среды, например, под прокладками, шайбами и зажимами. Кислотность среды, или отсутствие кислорода в узких щелях может привести к этому типу коррозии.
2.3 Нитевидная коррозия: появляется под окрашенными или металлизированными поверхностями, когда вода или влажная среда нарушает покрытие. Нитевидная коррозия начинается с небольших дефектов в покрытии и распространяется вширь, вызывая структурные разрушения.
3. Электрохимическая коррозия начинается тогда, когда два различных металла находятся вместе в коррозионной электролитной среде. Между двумя металлами образуется гальваническая пара, один из металлов — анод, а другой — катод. При этом ионы металла переходят из анодированного материала к катодному металлу.
При наличии электрохимического эффекта анодный участок разрушается гораздо сильнее, чем катодный. Без наличия потока заряженных частиц оба металла корродируют одинаково. Для существования гальванической коррозии необходимо наличие трех условий: электрохимически разнородные металлы, непосредственный контакт этих металлов, воздействие электролита.
4. Разрушение металла от влияния окружающей среды может быть результатом сочетания условий среды, воздействующих на материал, либо от одного из факторов. Химическое воздействие, температура и условия, связанные с механическим напряжением (особенно с растягивающими усилиями), могут привести к следующим видам коррозии: коррозионное усталостное растрескивание, коррозионное растрескивание под нагрузкой, водородное растрескивание, жидкометаллическое охрупчивание при контакте с жидким металлом.
5. Эрозионно-коррозионный износ возникает при воздействии агрессивного частиц и потока среды, кавитации, в результате чего постоянно удаляется защитный оксидный слой на поверхности металла, а основной металл корродирует.
6. Межкристаллитная коррозия представляет собой химическое или электрохимическое разрушение на границах зерен металла. Это явление часто происходит из-за примесей в металле, которые обычно концентрируются на границах зерен.
7. Селективное выщелачивание (или разрушение сплава) представляет собой коррозию одного из элементов в сплаве. Наиболее распространенным типом является выщелачивание цинка из латуни. В результате коррозии получается пористая медь.
8. Фрикционная коррозия происходит в результате износа и / или вибрации на неровной, шероховатой поверхности. В результате на поверхности возникают углубления и канавки. Фрикционная коррозия часто встречается при вращении деталей машин, в болтовых узлах и подшипниках, а также на поверхностях, подвергающихся вибрации во время транспортировки.
9. Высокотемпературная коррозия чаще всего появляется в газовых турбинах, дизельных двигателях и других машинах, содержащих ванадий или сульфаты, которые могут при горении образовывать соединения с низкой температурой плавления. Эти соединения являются очень коррозионно-агрессивными по отношению к металлическим сплавам, в том числе для нержавеющих сталей.
Высокотемпературная коррозия также может возникнуть при высокой температуре в результате окисления, сульфидирования и карбонизации металла.
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ – 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:
4Fe + 6H 2 O (влага) + 3O 2 (воздух) = 4Fe(OH) 3
Гидроксид 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:
2Al + 4H 2 O = 2AlO(OH) + 3H 2
Коррозии 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 (1865–1952) и Александр Наумович Фрумкин (1895–1976).
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 (3–4):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 50–70%. 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 18–8 (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
Корро́зия (от лат. corrosio - разъедание) - это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.
Пример - кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н2О + ЗО2 = 4Fe(OH)3. Гидратированный гидроксид железа Fe(OН)3 и является тем, что называют ржавчиной.
Механизм коррозии автомобиля
Прежде чем пытаться защититься от коррозии, необходимо ответить на вопрос о том, что же такое коррозия металла. В обиходе коррозией называют появление ржавчины на поверхности металла. Каковы же основные механизмы появления ржавчины?
Необходимо признать, что до настоящего времени полного ответа на этот вопрос нет, а результаты проводимых исследований показывают, что процесс коррозии является очень сложным, поскольку на его протекание оказывает влияние большое число факторов - химический состав металла среда, в которой он находится температура давление наличие газов и т.д. По этой причине в книге изложены только самые начальные сведения из теории коррозии, знание которых необходимо для правильной защиты корпуса автомобиля. Более полное представление о механизмах коррозии читатель может почерпнуть из рекомендуемой литературы.
Коррозия железа (а именно этот процесс мы будем рассматривать в дальнейшем) осуществляется, если дополнительно имеются, по крайней мере, еще две составляющие электролит, с которым граничит железо, и другой проводник, также граничащий с электролитом. Электролитом в обычных условиях является дождевая вода атмосферная влага снег, дорожная грязь. Вторым, по отношению к кузову автомобиля проводником чаще всего является поверхность земли, атмосфера, какой либо другой внешний проводник, расположенный вблизи автомобиля. Два проводника (которые в данном случае называются электродами) погруженные в электролит образуют так называемый гальванический элемент. Основное свойство гальванического элемента состоит в том, что если электроды выполнены из различных металлов, то такой элемент является источником напряжения. При этом положительный, электрод называется анодом отрицательный - катодом.
Проделайте простой эксперимент. В стакане теплой воды растворите ложку поваренной соли и опустите две пластины - одну медную другую стальную. Простейший источник напряжения готов. С помощью вольтметра можно легко убедиться в том, что гальванический элемент создает небольшое менее полувольта напряжение. Если вы продолжите эксперимент несколько дней, то заметите как на поверхности стали начнет появляться ржавчина Этот простой эксперимент наглядно демонстрирует механизм коррозии металла. Объяснение этого механизма состоит в следующем.
Из курса физики известно, что проводники характеризуются способностью отдавать электроны во внешнюю среду. Наглядно можно представить, что каждый проводник окружен облаком из электронов, которые под действием тепловой энергия вылетают из него, а затем, если им ничто не мешает, под действием электрических сил возвращаются в проводник. Если металл поместить в электролит, то положительные ионы металла (т.е. те атомы металла, электроны которых находятся во внешней среде) начнут переходить в электролит. В результате этого металл приобретает некоторый потенциал, который может быть измерен. На практике потенциал металла определяют по отношению к специальному стандартному электроду потенциал которого принимается равным нулю. Полученная разность потенциалов между стандартным электродом и металлом получила название стандартного электродного потенциала (СЭП).
Наибольший интерес представляет процесс коррозии железа в электролите при наличии менее активного металла. В этом случае железо как более активный металл является анодом а менее активный - катодом. В гальванической паре всегда корродирует более активный металл - анод.
Коррозия анода сопровождается двумя видами реакций - окислительной на аноде и восстановительной на катоде. В дальнейшем для определенности в качестве анода рассмотрим железо (Fe), однако все результаты относительно его коррозии справедливы, по крайней мере качественно для любого ранее названного металла.
Окислительная реакция может быть представлена как процесс при котором атомы железа отдают два электрона и вследствие этого превращаются в положительно заряженные ионы железа (Fе2+), которые переходят в раствор электролита в месте контакта его с анодом. Указанные два электрона сообщают аноду отрицательный заряд и тем самым вызывают ток по направлению к катоду, где соединяются с положительными ионами. Одновременно положительные ионы анода соединяются с отрицательно заряженными гидроксильными группами (ОН), которые всегда присутствуют в растворе электролита.
Схематически реакция на аноде может быть записана в следующем виде:
Fe + 20Н- = Fe2+ + 2е + 20Н- = Fe(OH)2 + 2е
Под действием ионов железа на катоде возникают ионы водорода (Н+), с которыми и соединяются электроны анода. Схематически этот процесс описывается в следующем виде:
Н+ + 2е = 2Н = Н2
т.е. на катоде происходит выделение водорода.
Если анодная и катодная реакции объединяются, они приводят к общей реакции коррозии:
Fе + 2Н20 = Fе(ОН)2 + Н2
Таким образом, железо в сочетании с водой и менее активным металлом переходит в гидроокись железа, которая в обиходе и называется ржавчиной.
Наличие в воде дополнительной соли приводит к повышению проводимости электролита и, как следствие, к увеличению скорости окисления анода. При этом дополнительно образуются хлорное железо и раствор соляной кислоты. Вот такие условия создают автолюбителям каждую зиму наши дорожники. Впрочем, кислотные дожди, которые выпадают с осадками, также не способствуют долголетию автомобиля.
Важной характеристикой коррозии является скорость коррозии, которая определяется как глубина проникновения коррозии в металл в единицу времени. Для железа наиболее характерным является значение скорости коррозии в пределах 0,05-0,02 нм/год. Из приведенных значений скорости коррозии следует, что при нарушении лакокрасочного покрытия за 5 лет эксплуатации автомобиля толщина металла может уменьшиться на 0,25-1 мм, т е., по сути дела, если не предусмотреть специальных мер защиты, металл проржавеет, что называется, насквозь.
Описанный механизм коррозии указывает также на основные пути борьбы с этим явлением. Кардинальный путь состоит в устранении катода или электролита, однако, этот способ и наименее пригоден, поскольку автомобиль не может быть изолирован от окружающей среды и, в частности, от поверхности земли. Остаются два пути - изолировать металл от электролита с помощью покрытия или превратить корпус автомобиля из анода в катод.
Первый способ известен всем автолюбителям и широко используется на практике, однако он не прекращает коррозии как таковой, а только защищает металл от ржавления. При нарушении лакокрасочного покрытия коррозия начинается разъедать металл, а повторное нанесение покрытия сопряжено с большими временными и материальными затратами (прил. 1, 2).
Наиболее уязвимыми частями корпуса автомобиля при этом являются скрытые полости и щели, такие, как пороги, внутренние балки, лонжероны, стойки, внутренние поверхности дверей, потолок, да практически весь корпус автомобиля (см. прил. 1). Сложная форма скрытых щелей и полостей затрудняет, а чаще делает невозможным качественную подготовку поверхности под окраску и саму окраску, а внутренние напряжения изогнутого в этих местах металла способствуют его интенсивной коррозии. В этих условиях срок службы кузова легкового автомобиля до выхода его из строя составляет 6 лет.
Вместе с тем, не отрицая важности регулярного восстановления лакокрасочного покрытия, автор обращает внимание на принципиально иной метод защиты корпуса автомобиля от коррозии, а именно, полное прекращение самого процесса коррозии путем изменения потенциала корпуса. Этот метод в литературе называется катодной защитой.
Катодная защита металлов основана на том, что скорость коррозии пропорциональна активности металлов, образующих гальваническую пару. В обычных условиях корпус автомобиля является анодом и поэтому корродирует. Если же изменить потенциал корпуса относительно внешней среды либо с помощью внешнего источника напряжения либо приведя в контакт с более активным металлом, то сам корпус автомобиля станет катодом и корродировать вообще не будет (по крайней мере скорость коррозии уменьшится в сотни раз), а разрушаться станет анод. В соответствии со способом изменения потенциала защищаемого металла различают протекторную и электрохимическую защиту. Однако прежде чем рассматривать методы защиты, целесообразно описать особенности коррозии автомобиля в различных условиях его эксплуатации.
Коррозия автомобиля во время эксплуатации и пассивные методы борьбы с ней
Особое влияние на коррозию кузова автомобиля оказывают условия его хранения. Связано это с тем, что автомобиль большую часть времени содержится на стоянке, в гараже и только небольшую часть времени находится в движении. Во время движения автомобиль интенсивно обдувается свежим воздухом, "проветривается", что снижает при прочих равных условиях скорость коррозии.
Условия хранения в первом приближении можно разделите на хранение автомобиля на открытой стоянке (в том числе под тентом) и хранение автомобиля в гараже. Рассмотрим варианты хранения.
Коррозия автомобиля на открытой стоянке
На открытой стоянке на автомобиль постоянно воздействуют находящаяся в воздухе влага и атмосферные осадки. В условиях низкой и средней влажности в теплое время года при изменении температуры воздуха (например, вечером или ранним утром) атмосферная влага конденсируется по всей поверхности автомобиля как снаружи, так и внутри салона. Наибольшее ее скопление наблюдается в скрытых полостях (порогах, лонжеронах, стойках, на внутренней поверхности дверей, потолка под декоративной обивкой) С повышением температуры влага с открытых поверхностей испаряется но еще продолжительное время находится в скрытых полостях. В результате именно эти, как правило, труднодоступные части кузова более других страдают от коррозии. При высокой влажности воздуха или во время выпадения осадков влага более или менее равномерно распределяется по всей внешней поверхности автомобиля и поскольку она в данном случае не застаивается, в наименьшей степени вызывает процесс коррозии.
Однако следует заметить, что и в данном случае возможно накопление влаги в салоне автомобиля. Таким образом, при хранении автомобиля на открытой стоянке в максимальной степени подвержены коррозии внутренние поверхности его кузова. Внешние поверхности корродируют лишь там, где нарушено лакокрасочное покрытие.
Как это не покажется странным дополнительные меры предосторожности необходимо принимать при хранении автомобиля под тентом. Тент (например, из брезента) надежно предохраняет автомобиль от пыли грязи снега и частично от воды, но совершенно не предохраняет от воздействия на корпус влаги воздуха. Более того, под тентом влага конденсируется и долгое время находится на кузове автомобиля. Таким образом, автомобиль под тентом находится как бы в водяной бане, что способствует коррозии автомобиля в летний период когда после ночной прохлады температура воздуха повышается. Механизм возникновения ржавчины в этом случае понятен из предыдущего изложения. Корпус автомобиля и влажный воздух вместе образуют гальваническую пару, в которой корпус автомобиля является анодом. Если чехол касается поверхности автомобиля, то от коррозии не спасает даже лакокрасочное покрытие и ржавчина проступает сквозь краску.
Обычно достаточно нескольких летних утренних туманов чтобы новый автомобиль превратился в груду ржавого металла. Поэтому, если вы закрываете автомобиль тентом, обязательно придерживайтесь правил:
1. не допускайте соприкосновения чехла с корпусом автомобиля;
2. обеспечьте вентиляцию воздуха под чехлом;
3. периодически, особенно в период большой влажности и перепада температур, снимайте чехол и проветривайте автомобиль.
Реализовать эти правила на практике можно различными способами.
Из дюралевых уголков размером 40х40 мм изготавливается рама в виде лестницы. Длина рамы соответствует длине автомобиля, ширина рамы несколько больше ширины автомобиля. Средние поперечины рамы закрепляются на верхнем багажнике автомобиля с помощью винтов или веревок.
На полученную раму набрасывается брезент прямоугольной формы. Такая конструкция защищает автомобиль от дождя и грязи, обеспечивает хорошую вентиляцию (поскольку передняя и задняя стенки отсутствуют) и в течение нескольких минут разбирается и собирается.
Коррозия автомобиля при хранении в гараже
На первый взгляд, наилучшие условия для длительного хранения автомобиля создаются в гараже, поскольку гараж предохраняет автомобиль от внешних осадков. Однако многочисленные исследования показали, что это справедливо только при малой влажности воздуха. В условиях большой влажности (в средней полосе этот период включает в себя осень и особенно весну, т е. почти полгода) скорость коррозии металла в обычном стальном боксе с бетонным полом составляет 1 мм/год, что в 5-20 раз выше скорости на открытом воздухе. Причина этого, парадоксального на первый взгляд, явления состоит в том, что металлические стенки гаража являются примером дополнительного катода, который и увеличивает скорость коррозии. Наличие столь большого по размерам дополнительного катода вызывает коррозию как изнутри, так и снаружи всего корпуса. При этом в большей степени страдают те части кузова, которые находятся в более влажных нижних слоях атмосферы пол, днище, диски колес, трансмиссия.
С целью лучшей сохранности автомобиля стенки гаража должны быть окрашены, а пол необходимо надежно защитить от подземных вод. С этой целью перед укладкой бетона, асфальта или щебня положите на землю полиэтиленовые листы, которые полностью закроют поверхность пола Тем самым вы надежно предохраните свой гараж от влаги, содержащейся в земле, что особенно важно в период осенних дождей и весеннего половодья. Некоторые автолюбители обивают стены и пол гаража деревом. Такая защита автомобиля, однако, резко снижает пожаробезопасность. Поэтому, если имеется такая возможность, лучше для этой цели использовать асбестовое покрытие или стекловолокно. При обустройстве гаража обязательно предусмотрите его вентиляцию. Вентиляция гаража способствует постоянному воздухообмену, снижает влажность воздуха и тем самым замедляет скорость коррозии. Простейший способ обеспечить вентиляцию гаража состоит в использовании асбестовой трубы установленной вертикально на высоте 30-40 см над уровнем пола и возвышающейся на 1 м над крышей гаража.
Диаметр трубы для стандартного гаража объемом 50-60 м3 должен составлять не менее 20 см. Чтобы дождь через трубу не попадал в гараж, ее верх украсьте металлическим конусом, который, кроме того, необходимо заземлить.
Коррозия движущегося автомобиля
Как правило, при движении скорость коррозии корпуса автомобиля снижается. Причина этого явления состоит в том, что встречный воздух интенсивно обдувает корпус автомобиля я, как следствие снижается влажность воздуха как снаружи, так и изнутри корпуса. Однако при движении по грязной или мокрой дороге воздействие на корпус автомобиля дождя, снега, соли, которой посыпают дороги в зимний период, в совокупности с механическими воздействиями песка мелких камней, льдинок я вибрации приводит к старению и разрушению покрытия. Наиболее уязвимыми местами при этом являются внутренние поверхности передних я задних крыльев, днища, трансмиссии и подвеска автомобиля. Механические воздействия в сочетании с влагой приводят к тому, что именно эти места корпуса автомобиля начинают корродировать в первую очередь.
Наиболее известные способы защиты корпуса движущегося автомобиля - противокоррозионная обработка днища и использование подкрыльников. Лучшее защитное покрытие для днища - это покрытие на основе каучуковых смол, которое имеет отличную адгезию к металлу и образует толстый, рыхлый слой, в котором механические частицы (песок, грязь) вязнут, не доходят до металла.
Подкрыльники отлично защищают внутренние поверхности крыльев от механического воздействия грязи и песка. Вместе с тем между подкрыльниками и защищаемой ими поверхностью образуется замкнутое пространство, что способствует накоплению влаги. Поэтому при установке подкрыльников необходимо обеспечить свободный доступ воздуха для вентиляции и целесообразно снимать подкрыльники на время длительной стоянки автомобиля.
Приведенные факты, а также собственные наблюдения автолюбителей указывают на большое разнообразие условий, при которых возникает коррозия корпуса автомобиля. Среди этого многообразия выделим два условия, которые, на наш взгляд оказывают наибольшее воздействие образование локальных мест скопления влаги и конденсирование влаги по всей как внутренней, так и внешней поверхности кузова автомобиля. Именно для этих случаев и будут рассмотрены методы катодной защиты.
Виды коррозии
Химическая коррозия >>> Электрохимическая коррозия >>> Газовая коррозия >>> Атмосферная коррозия >>> Подземная коррозия >>> Биокоррозия >>> Контактная коррозия >>> Радиационная коррозия >>> Коррозионная кавитация >>> Фреттинг-коррозия >>> Межкристаллитная коррозия >>> Щелевая коррозия >>>
Коррозионные процессы классифицируют по механизму взаимодействия металлов с внешней средой; по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса; по характеру коррозионных разрушений; по видам дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.
По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов .
Химическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены. Электрохимическая коррозия - это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.
По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии. Газовая коррозия - это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.
Атмосферная коррозия - это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа.
Подземная коррозия - это коррозия металлов в почвах и грунтах.
Биокоррозия - это коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.
Контактная коррозия - это вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите.
Радиационная коррозия - это коррозия, обусловленная действием радиоактивного излучения.
Коррозия внешним током и коррозия блуждающим током . В первом случае - это коррозия металла, возникающая под воздействием тока от внешнего источника. Во втором случае - под воздействием блуждающего тока.
Коррозия под напряжением - коррозия, вызванная одновременным воздействием коррозионной среды и механических напряжений. Если это растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, испытывающих механические нагрузки (оси, рессоры, автоклавы, паровые котлы, турбины и т.д.). Если металлические изделия подвергаются циклическим растягивающим напряжениям, то можно вызвать коррозионную усталость. Происходит понижение предела усталости металла. Такому виду коррозии подвержены рессоры автомобилей, канаты, валки прокатных станов.
Коррозионная кавитация - разрушение металла, обусловленное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды.
Фреттинг-коррозия - это коррозия, вызванная одновременно вибрацией и воздействием коррозионной среды. Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения, применением покрытий и т.д.
Коррозия называется сплошной , если она охватывает всю поверхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной, если процесс протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла, и неравномерной когда скорость процесса неодинакова на различных участках поверхности. Равномерная коррозия наблюдается, например, при коррозии железных труб на воздухе. При избирательной коррозии разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава. В качестве примеров можно привести графитизацию чугуна или обесцинкование латуней.
Местная (локальная) коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла. Местная коррозия может быть выражена в виде отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла; язв - разрушений, имеющих вид раковины, сильно углубленной в толщу металла, или точек (питтингов), глубоко проникающих в металл. Первый вид наблюдается, например, при коррозии латуни в морской воде. Язвенная коррозия отмечена у сталей в грунте, а питтинговая - у аустенитной хромоникелевой стали в морской воде.
Подповерхностная коррозия начинается на поверхности, но затем распространяется в глубине металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид коррозии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий.
Межкристаллитная коррозия характеризуется разрушением металла по границам зерен. Она особенно опасна тем, что внешний вид металла не меняется, но он быстро теряет прочность и пластичность и легко разрушается. Связано это с образованием между зернами рыхлых малопрочных продуктов коррозии. Этому виду разрушений особенно подвержены хромистые и хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы.
Щелевая коррозия вызывает разрушение металла под прокладками, в зазорах, резьбовых креплениях и т.д.
