Корозійне зношування

Корозією називають руйнування поверхні металу в результаті хімічної або електрохімічної дії середовища. Чиста металева поверхня легко піддається хімічній дії середовища. Проте якщо в процесі корозії, що почалася, її продукти утворюють міцно пов'язану з металом плівку, ізолюючу поверхню від корозійного середовища, то метал набуває пасивності по відношенню до неї. Процес штучного утворення тонких оксидних плівок на поверхні металу для захисту його від корозії називається пасивуванням. Здібністю до пасивування володіють залізо, нікель, хром, алюміній і інші метали.

Хімічна корозія протікає при взаємодії металів з сухими газами, парами і рідкими неелектролітами. До цього виду корозії схильні циліндри двигунів внутрішнього згорання, випускні клапани, камери згорання газових турбін, елементи парових казанів і пароперегрівачів, арматура печей і т.п. Серед процесів газової корозії найчастіше зустрічається окислення металу за рахунок кисню повітря або CO₂.

На поверхні вуглецевих сталей газова корозія виявляється у вигляді плівок оксидів вже при температурі 200...300 ^оС. З підвищенням температури приблизно до 600 ^оС, у зв'язку з утворенням в оксидній плівці тріщин під дією внутрішніх напруг, швидкість корозії зростає, але залишається досить низькою. При подальшому підвищенні температури швидкість корозії різко збільшується і утворюється окалина. Швидкість окислення в середовищі CO₂ не тільки вище, ніж в повітрі (сухому і вологому), але і вище, ніж в кисні. На залізовуглецевих сплавах при газовій корозії спостерігається зневуглецювання поверхневих шарів металу, що знижує його механічні характеристики, особливо втомну міцність і твердість.

На алюмінії і його сплавах захисна плівка швидко досягає найбільшої товщини при температурі 300...600 ^оС і процес газової корозії припиняється.

Електрохімічна корозія протікає при дії на метали рідких електролітів (наприклад, морська вода). Вона обумовлена неоднорідністю у контакті з електролітом. Ця неоднорідність сплавів пов'язана з тим, що вони складаються з двох і більш структурних складових. Неоднорідний фізичний стан металу обумовлений відмінністю між зерном і його межею, неоднорідністю структури (ліквація, газові міхури і неметалічні включення). Різний напружений стан суміжних ділянок деталі під навантаженням змінює фізичний стан навіть однорідного металу. Відмінність в концентрації розчину електроліту, що змочує метал, і неоднакові умови підведення кисню до різних ділянок поверхні – теж неоднорідний стан; до нього можна віднести і неоднакову температуру ділянок поверхні. Існування на поверхні металу мікродільниць з різними електричними потенціалами є причиною утворення величезної кількості гальванічних мікроелементів, в результаті роботи яких відбувається корозія.

На швидкість корозії впливає температура (з підвищенням її корозія посилюється) і швидкість обмивання середовищем металевої поверхні. При значній швидкості обмивання середовищем, корозія посилюється під дією ерозії.

В деяких випадках спостерігається щілиста корозія; при ній корозійні пошкодження зосереджені в зазорі між поверхнями. Зазором можуть бути щілини між листами, зазори в сполученнях і стиках, зони тріщин в металі, а також щілині між речовинами, які осіли або прилипли до поверхні. У середовищі електроліту щілиста корозія обумовлена різною концентрацією металевих іонів всередині і поза щілиною, а в середовищі повітря вона пов'язана з нерівномірною аерацією. Малодоступні для кисню або електроліту ділянки поверхні металу в щілині стають анодом по відношенню до решти поверхні. До щілистої корозії схильні навіть метали високої корозійної стійкості – корозійностійкі сталі, титан і алюміній.

Показовий випадок щілистої корозії із-за диференціальної аерації, виявлені Пінегіним С.В. при вивченні контактної міцності елементів шарикопідшипників. Дослідження проводилися на електромагнітному пульсаторі при багатократному здавленні без перекочування пружних сталевих тіл (кулька і площина) із сталі ШХ 15. Після випробування на площині навколо центру майданчика контакту виявлені чотири зони (Мал. 5.7).

Мал. 5.7 – Схема розвитку корозії поверхонь при пульсуючому контакті

під впливом нерівномірної аерації поверхонь

Зона I – порівняно правильної форми відповідна мінімальній стискаючій силі. Поверхня до країв знижується на 12...20 мкм. Зона II є западиною завглибшки до 100 мкм заповнена продуктами окислення. Зона III – кільцева ділянка контактної поверхні із слідами інтенсивного зношування; рівень цієї ділянки на 18...40 мкм нижчий за ділянки, не зачеплений зносом. За зоною III розташована зона IV, що складається з плямистих і точкових слідів корозії без слідів механічної дії. Застосування різних масел не змінює описаної картини явища.

Виникнення корозії пояснюється наступним. При циклічній деформації поверхонь сфери і площини відбувається поперемінне виштовхування і уклинення повітря в простір між ними. Унаслідок великої частоти циклів і опору повітря нерівномірно омиває поверхні навколо майданчика постійного контакту. Чим ближче до зони I, тим менш доступно для повітря клиновий простір. Зони II-IV є анодом. До найбільшої корозійної дії схильна зона II, де діють значні змінні напруги і відносно високі температури.

Газова корозія, як і електрохімічна, не є видом зношування, але істотно впливають на знос робочих поверхонь деталей.

Корозія робочих поверхонь у непрацюючих машин знижує зносостійкість пар тертя з наступних причин: у непрацюючих пар погіршується якість поверхні і після пуску машини знову починається прироблення деталей. Продукти корозії діють як абразив; спрацьовування продуктів корозії, що відбувається за малий час, зв'язане з швидкою зміною лінійних розмірів деталі в несприятливу сторону. Навіть невелика корозія на поверхнях, що працюють в умовах тертя кочення і високих навантажень, сильно знижує межу контактної витривалості поверхонь.

При тривалому нерухомому контакті зв'язаних деталей в окислювальному середовищі (повітрі, водяній парі і т.д.) може відбутися їх з'єднання унаслідок зрощення оксидних плівок в зазорі. Таке схоплювання спостерігається в запобіжних клапанах, запиральній арматурі і в різьбових з'єднаннях.

Механізм з'єднання зв'язаних металевих тіл при окисленні наступний. Незалежно від точності і щільності взаємного прилягання поверхонь, між ними є зазори, у багато разів що перевершують розмір молекул окислювача. Проникаючи в ці зазори, молекули окислювача адсорбуються на оксидних плівках, потім утворюють хімічне з'єднання з металом поверхневих шарів.

1 – початкові оксидні плівки; 2 – сполучна оксидна плівка

Мал. 5.8 – Схема з'єднання деталей при утворенні загального оксидного шару в зазорі

Утворення оксидних плівок і їх стрічне зростання завершується з'єднанням кристалічних решіток плівок на тих або інших ділянках (Мал. 5.8). Число таких ділянок збільшується з часом. При високих температурах процес прискорюється. Для з'єднання зв'язаних металевих деталей, крім окислювального середовища, необхідно, щоб об'єм оксидної плівки перевищував об'єм металу, з якого вона утворилася. Загальний оксидний шар, що утворився, має високий опір стисненню; опір відриву доходить до 25% від опору стисненню.

Розбирання різьбових з'єднань котлотурбінного, газотурбінного і іншого устаткування, що працює при високих температурах, часто супроводжується зламом болтів і шпильок. Відбувається це через те, що для повороту гайки потрібно прикласти великий крутячий момент, щоб зруйнувати оксидний шар в зазорах різьбових з'єднань. Вже при першому строгуванні гайки тверді частинки оксидів заліза своєю абразивною дією ушкоджують поверхню різьблення. При подальшому повороті гайки пошкодження посилюються, і може наступити заїдання і повне заклинювання деталей.

Легко вигвинтити болти і шпильки, виготовлені з матеріалу, коефіцієнт лінійного розширення якого, вище, ніж у матеріалу гайки. Але цим не можна користуватися в муфтових, різьбових і фланцевих з'єднаннях із-за можливої втрати щільності з'єднання. Для оберігання різьбових з'єднань від заклинювання і заїдання застосовують спеціальні змащувальні матеріали (дісульфідмолібденові, графітові, сернортутні); рекомендується також офарблювати кріпильні деталі після збірки.