Предохранение металлов от коррозии

Причины коррозии металлов. Детали машин, механизмов, пожарно-технического вооружения сопри­касаются с атмосферой, горючесмазочными материала­ми, специальными и охлаждающими жидкостями, огне- тушащими веществами. По отношению к поверхностям металлических деталей они являются внешней средой. Внешняя среда и металлические поверхности деталей не всегда нейтральны по отношению друг к другу. Под воз­действием внешней среды на поверхности деталей про­текают химические или электрохимические процессы, разрушающие металлические поверхности. Химическое или электрохимическое разрушение металлов в резуль­тате воздействия на них окружающей среды называется коррозией. Проблема защиты металлов от коррозии чрезвычайно важна. Убытки от коррозии в индустриаль­но развитых странах составляют 2...4 % национального дохода.

По механизму протекания процесса различают хими­ческую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия характеризуется хи­мическим взаимодействием металла с окружающей сре­дой, при котором не возникает электрический ток. При­мерами химической коррозии являются окисление метал­лов в сухом воздухе или жидкостях, не проводящих электрический ток (диэлектриках). К таким жидкостям относятся бензины, дизельное топливо, специальные жидкости. Коррозия в них называется жидкостной.

Химическая коррозия в результате взаимодействия металла с различными газами при высокой температуре (в цилиндрах двигателя, газоструйных вакуум-аппара­тах и т. д.) называется газовой.

Электрохимическая коррозия характери­зуется как химическая коррозия, при которой разруше­ние металла обусловлено протеканием электрического тока от одной части металлической поверхности к другой.

Детали современных машин изготовляют из сплавов различных металлов, основой которых является железо. Этим обеспечивается необходимая прочность деталей, улучшаются их противоизносные и другие свойства. В сплавах кроме того могут находиться примеси. Ком­поненты сплавов имеют различные электродные потен­циалы. Если на поверхность детали из такого сплава (на­пример, стали) попадает электролит, то будут образо­вываться микрогальванические элементы. Компоненты с более отрицательным потенциалом начнут разрушать­ся. Протеканию этих процессов способствует также фи­зическая неоднородность поверхностей деталей, напри­мер, твердость, шероховатость и т. д. Это также влияет на электродные потенциалы и, следовательно, на интен­сивность коррозии.

Пример. Рядом находятся кристаллы цинка и меди. Электрод­ный потенциал Zn-анод (-0,766), Си-катод (+ 0,34 В). Если оба кристалла покроет капля электролита, то образуется микрогальвани­ческий элемент. Его напряжение будет равно разности электродных потенциалов +0,34В—(0,76 В) = 1,1 В. Металл с более отрицатель­ным потенциалом (Zn — анодный участок) под каплей электролита будет разрушаться.Ниже рассмотрена коррозионная агрессивность внеш­них сред.

Атмосфера. В ее состав входят воздух (кисло­род, азот, углекислый и другие газы), а также пары во­ды и различные примеси (пыль, промышленные газы и т. д.). Газовый состав воздуха сравнительно постоянен, а содержание в нем влаги и примесей изменяется в ши­роких пределах. Коррозионная активность составляющих частей атмосферы различна.

Кислород воздуха окисляет металлы. В результате чего на металлических поверхностях изделий образуют­ся пленки окислов. Это продукт химической коррозии в сухом воздухе. Пленки окислов на цветных металлах плотные, прочные, т. е. сами защищают металл от кор­розии. Пленки окислов на поверхностях деталей из ста­ли непрочные, рыхлые и не служат защитой их от кор­розии. Другие газы, входящие в состав воздуха химиче­ски неактивны и на коррозию металлов практически не влияют.

Большую роль в развитии коррозионных процессов играет влага. Влажность воздуха характеризуют содер­жанием в нем водяного пара. Для ее оценки используют упругость водяного пара (Па) или количество водяного пара в единице объема воздуха (г/м³). На практике в основном используют последний показатель и оцени­вают абсолютную или относительную влажность.

Абсолютная влажность характеризуется количеством водяных паров в единице объема воздуха. Относитель­ную влажность оценивают отношением абсолютной влажности к максимальной (насыщенной) при данной температуре воздуха, выраженной в %. Таким образом, относительная влажность R равна:

a

R=---- 100 где а-абсолютная влажность, г/м3; А- макс. Влажность,г/м3

A

Относительную влажность измеряют специальным прибором — психрометром. Психрометры бывают раз­ной конструкции. На рис. 3.17 показан прибор, состоя­щий из двух одинаковых термометров. Шарик одного из них покрыт марлей 2, концы которой опущены в со­судик 3 с водой. Температура воды и воздуха должна быть одинаковой. Этот термометр называют влажным.

Таблица 3.3. Психрометрическая таблица t, °с t-t1 С

Вследствие испарения воды с поверхности шарика пока­зания влажного термометра всегда меньше показаний сухого термометра. Относительную влажность воздуха (табл. 3.3) определяют по специальным таблицам.

Пример. t= 12 °С, t= 9°C. Разность t—U= 3°С. По табл. для данных температур находим относительную влажность, равную 65 %.

Чистая влага практически не вызывает коррозию ста­ли (кривая 3 на рис. 3.18). При относительной влажно­сти ниже 60 % атмосферная коррозия практически прекращается, так как влага не конденсируется с пониже­нием температуры. Наличие в атмосфере даже неболь­ших количеств промышленных газов (например SO2 — 0,01 %, на рис. 3.18 кривая 2) увеличивает скорость кор­розии в десятки раз. В этом случае влага становится электролитом, так как сернистый газ с водой образуют сернистую кислоту, т. е. электролит. Таким образом, в присутствии электролита на металлической поверхно­сти образуются микрогальванические элементы и разви­вается электрохимическая коррозия. Эта разновидность коррозии называется атмосферной коррозией.

Содержание сернистого газа в атмосфере может до­стигать 0,02...1,5 г/м³ и более. Опасны в коррозионном отношении хлориды (соли морской воды), а также про­мышленные газы. Скорость коррозии значительно возрастает, если ме­таллические поверхности загрязнены, например, части­цами пыли (кривая 1 на рис. 3.18, в атмосфере 0,01 %' S0₂). Между металлическими поверхностями и осевши­ми на них пылинками образуются микрощели. Они иг­рают роль капилляров, облегчающих конденсацию влаги и, следовательно, протекание коррозионных процессов.

Рис. 3.17. Психрометр

1 — термометры; 2— чехольчик из марли; 3 — сосудик с водой

Рис. 3.18. Влияние влажности воздуха на коррозию стали

1 — металлические поверхности загрязнены (в атмосфере 0,01 % атмосфере 0,01 % S0₂ ); 2- в атмосфере;3-чистая влага

Огнетушащие вещества. Вода всегда содер­жит в растворенном состоянии различные соли, газы. Она является слабым электролитом и вызывает корро­зию внутренних поверхностей цистерн, труб водопенных коммуникаций и т.д. Коррозионная активность пенообразователя ПО-1 обусловлена тем, что в его состав входит нейтрализован­ный керосиновый контакт Петрова. Нейтрализуют его щелочью (едким натром), которую вводят с избытком. Коррозии подвергаются детали водопенных коммуника­ций пожарных автомобилей. Пенобаки, изготовленные из нержавеющей стали, не подвергаются коррозии.

Эксплуатационные материалы не вызы­вают коррозию металлов при эксплуатации машин. Коррозионно-активными в определенных условиях бывают дизельное топливо и бензин. Топливо содержит различ­ные соединения серы. В дизельных топливах их количе­ство достигает 0,2 %. В присутствии влаги они вызыва­ют коррозию деталей топливоподающей аппаратуры.

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя обра­зуются различные соединения и окислы серы. Если оста­новка двигателя производится при низкой температуре охлаждающей жидкости, то на поверхности камер сго­рания и гильз цилиндров осаждается влага, образуются серная и сернистая кислоты. Они и вызывают электрохи­мическую коррозию гильз цилиндров дизелей. Поэтому не рекомендуется продолжительная работа дизелей на пониженном тепловом режиме и низких частотах враще­ния коленчатого вала.

В отработавших газах карбюраторных двигателей также содержится некоторое количество окислов серы. Но в этих двигателях цилиндры изготовлены из корро­зионно-стойких чугунов, поэтому в них коррозия менее опасна, чем в дизелях.

Формы коррозионных разрушений. Не­однородность металла деталей, разная интенсивность коррозионных процессов металлов, составляющих спла­вы, являются причиной образования некоторых форм коррозионных разрушений. В зависимости от соотноше­ния анодных и катодных участков на поверхности дета­ли коррозия может быть сплошной или местной (рис. 3.19). Местная коррозия бывает нескольких типов: пят­нами 1, точками 2, язвами 3. Эти формы коррозионных разрушений встречаются наиболее часто.

Рис. 3.19. Формы коррозионных разрушений

I - пятнами; 2- точками в глубь металла: 3 -язвами

Защита металлов от коррозии. Защита метал­лических изделий от коррозии достигается торможением коррозионных процессов, осуществляемым различными методами (рис. 3.20).

Повышение коррозионной стойкости изделий достига­ется использованием легированных металлов, а также подбором металлов для соприкасающихся деталей с близкими значениями электродных потенциалов.

Легирование заключается в том, что в основной ме­талл для повышения его коррозионной стойкости добав­ляют другие металлы, например, в железо добавляют хром, никель и т. д.

Повышение коррозионной стойкости обеспечивается при проектировании пожарной техники.

Рис. 3.20. Способы защиты металлических изделий от коррозии

Уменьшение коррозионной агрессивности среды. Этот метод широко используют при эксплуатации пожарной техники. Так, повышение антикоррозионных свойств экс­плуатационных материалов достигается введением в них антикоррозионных присадок (добавок). Такие же при­садки вводят в смазочные масла при их изготовлении.

Для предотвращения коррозии деталей систем охлаж­дения к воде добавляют трехкомпонентную присадку. В ее состав входят хромпик калиевый, К2СГ2О2, нитрит натрия NaN0₂ и тринатрийфосфат Na₃P0₄. Компоненты добавляют в воду по 0,05 % (по массе) от количества за­правляемой воды. Присадка предотвращает отложение накипи и защищает металлические детали системы охлаждения от коррозии.

Торможение процессов коррозии достигается поддер­жанием относительной влажности защищаемых изделий ниже 60 %. В этом случае при любых возможных суточ­ных изменениях температуры влага не выпадет в виде росы.

Рис. 3.21. Анодная (протекторная) зашита

1- катод: 2- кабель: 3- протектор

Рис. 3.22. Коррозия оцинкованной стали 1- сталь: 2-разрушенный слой цинка; 3-слой цинка (пленка)

Рис. 323. Коррозия луженой стали

1- ржавчина (коррозия стали); 2- слой олова; 3-сталь

Рис. 3.24. Коррозионные разрушения под слоем смазки

1- сталь; 2- слой смазки; 3-капля влаги; 4- очаги коррозии

Следовательно, на металлических поверхностях изделий будет отсутствовать электролит и не будет раз­виваться электрохимическая коррозия. Для предотвра­щения коррозии многие изделия хранят в полиэтилено­вых чехлах, помещая в них влагопоглотитель (например, силикагель Si0₂-3H₂0). Паропроницаемость полиэтиле­новой пленки и интенсивность поглощения влаги силикагелем таковы, что внутри чехла поддерживается отно­сительная влажность в пределах 40...60 %•

Электрохимическая защита металлических изделий может осуществляться методом анодной или катодной защиты.

Анодную защиту выполняют в соответствии со схемой, показанной на рис. 3.21. К катоду 1 при помощи кабеля 2 подсоединяют протектор 3. Протектор изготов­ляют из сплава цинка, магния и других металлов. Электродный потенциал железа 0,44 В, а протектора -0,76 В (протектор всегда имеет отрицательный электродный потенциал). Таким образом, в воде образуется гальва­нический элемент, в котором будет разрушаться про­тектор. Протекторная защита применяется для крупных объ­ектов - нефтехранилищ, судов и т. д. В речной воде она малоэффективна.

Катодная защита отличается от анодной тем, что анодом служит сталь. Защищенную конструкцию ис­кусственно делают катодом путем наложения электри­ческого потенциала от источника постоянного тока. Этот метод применяют в случаях, когда электропроводность среды невелика (речная вода, грунт).

Изоляция металлических поверхностей изделийотвнешней среды осуществляется различными способами: металлическими и неметаллическими покрытиями, а так­же специальной обработкой поверхностей.

Металлические покрытия подразделяются на анодные и катодные. Анодными называются покрытия металлами более электроотрицательными, т. е. более активными, чем защищаемый металл. К анодным покрыти­ям относится цинкование. Слой цинка 3 (рис. 3.22) за­щищает стальную деталь 1, т. е. его потенциал более от­рицателен. В случае нарушения целостности цинкового слоя (например, царапины) будет разрушаться слой цин­ка 2.

Катодными называются покрытия металлами менее активными, чем защищаемый металл. К ним относятся никелирование, меднение, лужение (покрытие оловом) стали (рис. 3.23). В этих случаях покрывающий металл механически защищает сталь. Если слой олова 2 будет нарушен, то разрушаться будет сталь.

Эффективно нанесение металлических порошков. Та­кие покрытия позволяют уменьшить потери от коррозии в 5...6 раз.

Покрытие при помощи электродуговой металлизации конструкций обеспечивает защиту изделий от коррозии на протяжении 20...30 лет. Лучшие лакокрасочные материалы эффективны до 7 лет.

Неметаллические покрытия - жидкие мас­ла, консистентные смазки, краски, лаки. Их эффектив­ность достаточно велика. Однако эти покрытия непроч­ные, их целостность может быть легко нарушена.

Моторные и трансмиссионные масла обладают хорошими антикоррозионными свойствами. Недостаток масел состоит в том, что они стекают с на­клонных и вертикальных поверхностей деталей. Для восстановления слоя масла на деталях при длительном хранении машин валы их механизмов следует прокручи­вать вручную.

Консистентные смазки (УС-2, УС_с, УТ) на­дежно защищают от коррозии эксплуатируемые детали механизмов. Для защиты деталей, хранящихся на скла­де, применяют технический вазелин (УН) или пушечную смазку (УНЗ). Смазки наносят на поверхность деталей тонким ровным слоем и упаковывают детали в бумагу.

При наличии в слое смазки 2 (рис. 3.24) пузырьков воздуха или разрушении этого слоя влагой будет окис­ляться защищаемый металл 1. Окисленный слой метал­ла становится более электроположительным, поэтому коррозия 4 будет развиваться под слоем краски. Обна­ружить ее можно только после расконсервации деталей.

Краски и лаки. Их применяют очень широко для защиты деталей пожарных машин.

При эксплуатации машин слой краски часто повреж­дается. При этом коррозия происходит под слоем крас­ки, у мест разрушения ее слоя. Постепенно развиваясь, продукты коррозии (ржавчина) ослабляют прочность со­единения слоя краски с металлом. Краска осыпается, по­этому при обнаружении на окрашенной поверхности по­вреждений необходимо очистить ее от краски, удалить коррозию. После этого надо закрасить разрушенные места.

Изложенные выше методы защиты металлов от кор­розии используют при консервации пожарной техники.