Коррозионное изнашивание

Лекция

Коррозией называют разрушение поверхности металла в результате химического или электрохимического воздействия среды. Чистая металлическая поверхность легко подвергается химическому воздействию среды. Однако если в процессе начавшейся коррозии ее продукты образуют прочно связанную с металлом пленку, изолирующую поверхность от коррозионной среды, то металл приобретает пассивность по отношению к ней. Процесс искусственного образования тонких оксидных пленок на поверхности металла для защиты его от коррозии называется пассивированием. Способностью к пассивированию обладают железо, никель, хром, алюминий и другие металлы.

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами, парами и жидкими неэлектролитами. Этому виду коррозии подвержены цилиндры двигателей внутреннего сгорания, выпускные клапаны, камеры сгорания газовых турбин, элементы паровых котлов и пароперегревателей, арматура печей и т.п. Среди процессов газовой коррозии наиболее часто встречается окисление металла за счет кислорода воздуха или CO₂.

На поверхности углеродистых сталей газовая коррозия проявляется в виде пленок оксидов уже при температуре 200…300 º С. С повышением температуры примерно до 600 º С, в связи с образованием в оксидной пленке трещин под действием внутренних напряжений, скорость коррозии возрастает, но остается довольно низкой. При дальнейшем повышении температуры скорость коррозии резко увеличивается и образуется окалина. Скорость окисления в среде CO₂ не только выше, чем в воздухе (сухом и влажном), но и выше, чем в кислороде. На железоуглеродистых сплавах при газовой коррозии наблюдается обезуглероживание поверхностных слоев металла, что снижает его механические характеристики, особенно усталостную прочность и твердость.

На алюминии и его сплавах защитная пленка быстро достигает наибольшей толщины при температуре 300…600 º С и процесс газовой коррозии прекращается.

Электрохимическая коррозия протекает при действии на металлы жидких электролитов (например, морская вода). Она обусловлена неоднородностью в контакте с электролитом. Эта неоднородность сплавов связана с тем, что они состоят из двух и более структурных составляющих. Неоднородное физическое состояние металла обусловлено различием между зерном и его границей, неоднородностью структуры (ликвация, газовые пузыри и неметаллические включения). Различное напряженное состояние смежных участков детали под нагрузкой изменяет физическое состояние даже однородного металла. Различие в концентрации раствора электролита, смачивающего металл, и неодинаковые условия подвода кислорода к различным участкам поверхности – тоже неоднородное состояние; к нему можно отнести и неодинаковую температуру участков поверхности. Существование на поверхности металла микроучастков с различными электрическими потенциалами является причиной образования огромного количества гальванических микроэлементов, в результате работы которых происходит коррозия.

На скорость коррозии влияет температура (с повышением ее коррозия усиливается) и скорость омывания средой металлической поверхности. При значительной скорости среды коррозия усиливается под действием эрозии.

В некоторых случаях наблюдается щелевая коррозия; при ней коррозионные повреждения сосредоточены в зазоре между поверхностями. Зазором могут быть щели между листами, зазоры в сопряжениях и стыках, зоны трещин в металле, а также щели между осевшими или прилипшими к поверхности посторонними веществами. В среде электролита щелевая коррозия обусловлена различной концентрацией металлических ионов внутри и вне щели, а в среде воздуха она связана с неравномерной аэрацией. Малодоступные для кислорода или электролита участки поверхности металла в щели становятся анодом по отношению к остальной поверхности. Щелевой коррозии подвержены даже металлы высокой коррозионной стойкости – коррозионно-стойкие стали, титан и алюминий.

Показателен случай щелевой коррозии из-за дифференциальной аэрации, обнаруженные Пинегиным С.В. при изучении контактной прочности элементов шарикоподшипников. Исследования проводились на электромагнитном пульсаторе при многократном сдавливании без перекатывания упругих стальных тел (шарик и плоскость) из стали ШХ 15. После испытания на плоскости вокруг центра площадки контакта обнаружены четыре зоны (Рис. 5.7).

Рис. 5.7 – Схема развития коррозии поверхностей при пульсирующем контакте под влиянием

неравномерной аэрации поверхностей

Зона I – сравнительно правильной формы соответствующая минимальной сжимающей силе. Поверхность к краям понижается на 12…20 мкм.

Зона II представляет собой впадины глубиной до 100 мкм, заполненные продуктами окисления.

Зона III – кольцевой участок контактной поверхности со следами интенсивного изнашивания; уровень этого участка на 18…40 мкм ниже участков, не затронутых износом.

За зоной III расположена зона IV, состоящая из пятнистых и точечных складов коррозии без следов механического воздействия. Применение различных масел не изменяет описанной картины явления.

Возникновение коррозии объясняется следующим. При циклическом деформировании поверхностей сферы и плоскости происходит попеременное выталкивание и вклинивание воздуха в пространство между ними. Вследствие большой частоты циклов и сопротивления воздух неравномерно омывает поверхности вокруг площадки постоянного контакта. Чем ближе к зоне I, тем менее доступно для воздуха клиновое пространство. Зоны II-IV являются анодом. Наибольшему коррозионному воздействию подвержена зона II, где действуют значительные переменные напряжения и относительно высокие температуры.

Газовая, как и электрохимическая, коррозия не являются видом изнашивания, но существенно влияют на износ рабочих поверхностей деталей.

Коррозия у рабочих поверхностей у неработающих машин снижает износостойкость пар трения по следующим причинам: у неработающих пар ухудшается качество поверхности и после пуска машины снова начинается приработка деталей. Продукты коррозии действуют как абразив; срабатывание продуктов коррозии, происходящее за малое время, сопряжено с быстрым изменением линейных размеров детали в неблагоприятную сторону. Даже небольшая коррозия на поверхностях, работающих в условиях трения качения и высоких нагрузок, сильно снижает предел контактной выносливости поверхностей.

При длительном неподвижном контакте сопряженных деталей в окислительной среде (воздухе, водяном паре и т.д.) может произойти их соединение вследствие сращивания оксидных пленок в зазоре. Такое схватывание наблюдается в предохранительных клапанах, запорной арматуре и в резьбовых соединениях.

Механизм соединения сопряженных металлических тел при окислении следующий. Независимо от точности и плотности взаимного прилегания поверхностей, между ними имеются зазоры, во много раз превосходящие размер молекул окислителя. Проникая в эти зазоры, молекулы окислителя адсорбируются на оксидных пленках, затем вступают в химическое соединение с металлом поверхностных слоев. Образование оксидных пленок и встречный их рост завершается соединением кристаллических решеток пленок на тех или иных участках (Рис. 5.8).Число таких участков увеличивается с течением времени. При высоких температурах процесс ускоряется. Для соединения сопряженных металлических деталей, помимо окислительной среды, необходимо, чтобы объем оксидной пленки превышал объем металла, из которого она образовалась. Образовавшийся общий оксидный слой имеет высокое сопротивление сжатию; сопротивление отрыву доходит до 25% от сопротивления сжатию.

1 – начальные оксидные пленки; 2 – оксидная соединительная пленка

Рис. 5.8 – Схема соединения деталей при образовании общего оксидного слоя в зазоре

Разборка резьбовых соединений котлотурбинного, газотурбинного и другого оборудования, работающего при высоких температурах, часто сопровождается изломом болтов и шпилек. Для поворота гайки требуется приложить большой крутящий момент, чтобы разрушить оксидный слой в зазорах резьбовых соединений. Уже при первом страгивании гайки твердые частицы оксидов железа своим абразивным воздействием повреждают поверхность резьбы. При дальнейшем повороте гайки повреждения усиливаются, и может наступить заедание и полное заклинивание деталей.

Легко вывинтить болты и шпильки, изготовленные из материала, коэффициент линейного расширения которого, выше, чем у материала гайки. Но этим нельзя пользоваться в муфтовых, резьбовых и фланцевых соединениях из-за возможной потери плотности соединения. Для предохранения резьбовых соединений от заклинивания и заедания применяют специальные смазочные материалы (дисульфидмолибденовые, графитовые, сернортутные); рекомендуется также окрашивать крепежные детали после сборки.