В случае изнашивания с заданным количеством абразива:

v₁=v_g²+v_p²+(lv_н)². (4.4)

5 Коррозионная стойкость материалов

5.1 Классификация процессов коррозии

Коррозия – это процесс разрушения металлов вследствие химического, электрохимического или биохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозия протекает самопроизвольно согласно законам кинетики возможных термодинамических реакций и приводит к понижению свободной энергии металла, в результате его образуются более устойчивые в термодинамическом отношении соединения.

Коррозия наносит народному хозяйству огромный, трудно исчисляемый ущерб.

Коррозию относят к поверхностным явлениям и классифицируют по тем изменениям, которые происходят с поверхностью металла.

Различают общую или сплошную и местную или локальную коррозии.

Общая коррозия может быть равномерной или неравномерной. При общей неравномерной коррозии вся поверхность металла покрыта продуктами коррозии, под которыми имеются более глубокие поражения. К этому же виду коррозии относятся и структурно-избирательная коррозия, когда один из компонентов сплава растворяется с большей скоростью, чем другой.

Местная (локальная) коррозия характеризуется разрушением отдельных участков поверхности металла, причем она бывает нескольких видов: коррозия пятнами, язвенная коррозия, точечная коррозия, межкристаллитная коррозия.

Механические воздействия на металл (внешние и внутренние напряжения, вибрация) ускоряют коррозионный процесс; в таких случаях наблюдаемое разрушение конструкций называют коррозией под напряжением (коррозионное растрескивание) и коррозионной усталостью. Разрушение металлов может протекать по границам кристаллитов или в их толще (транскристаллитная коррозия).

В зависимости от механизма коррозионного процесса коррозия бывает химическая, электрохимическая.

Химическая коррозия – процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановления окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте, а их скорости зависят от электродного потенциала.

Различают следующие виды химической коррозии:

а) атмосферная коррозия во влажной газовой или воздушной атмосфере;

б) коррозия в жидких средах;

в) почвенная или подземная коррозия, коррозия металлических сооружений, находящихся под землей;

г) электрокоррозия под действием внешнего источника тока.

Биохимическая коррозия – это процесс, связанный с воздействием микроорганизмов на металл.

5.2 Методы защиты от коррозии

Для защиты от газовой коррозии используют термостойкие сплавы, защитную атмосферу, термостойкие покрытия, основными методами борьбы против коррозии в неэлектролитах является использование коррозионно-стойких материалов (нержавеющие стали).

Скорость электрохимической коррозии можно уменьшить:

а) выбором коррозионно-устойчивого сплава;

б) обработкой коррозионной среды с целью замедления скорости катодной или анодной реакции или же той или другой одновременно;

в) изоляцией металла от агрессивной среды путем покрытий;

г) применением новых конструкционных решений и методов рационального конструирования;

д) электрохимической защитой.

Первая группа методов защиты применяется еще на стадии производства металла в процессе его металлургической и механической обработки. При разработке коррозионно-устойчивых сплавов необходимо обеспечить и ряд других требований: литейные качества, хорошая свариваемость и др. Общая теория легирования, преследующая цель повышения коррозионной устойчивости, создана Н.Н.Томашовым. Она базируется на трех основных факторах, характеризующих эффективность действия коррозионного элемента – катодной поляризуемости, анодной поляризуемости и омическом сопротивлении.

Для снижения эффективности катодного процесса:

а) уменьшают площадь макро катодов путем повышения химической чистоты цинка, алюминия, железа, магния и других металлов с помощью закаливания;

б) повышает перенапряжение катодного процесса путем амальгирования цинка, легированием его кадмием, легирование сталей мышьяком, сурьмой, висмутом и т.п.

Эффективность анодного процесса можно понизить различными способами:

а) введением легирующих элементов, повышающих термодинамическую устойчивость анодной фазы (легирование сталей никелем, никеля – медью, меди – золотом и т.д.);

б) добавлением легирующих элементов, содействующих пассивированию анодной фазы (легирование сталей хромом или никелем, никеля – хромом), введением в состав нержавеющих сталей небольших количеств титана, ниобия, тантала и т.д.;

в) добавлением легирующих элементов, способствующих катодному процессу и, тем самым, самопассивированию металла (например, легирование хромистых и хромоникелевых сталей малым количеством платины или палладия с целью повышения устойчивости этих сплавов в атмосферной коррозии и серого чугуна к действию азотной кислоты путем легирования медью и т.п.);

г) уменьшение площади анодной фазы путем устранения внутренних растягивающих усилий и повышения чистоты сплавов по границам зерен.

Скорость коррозии можно уменьшить путем создания сплавов, образующих на своей поверхности под действием агрессивной среды слой продуктов коррозии с высокими защитными качествами (легирования сталей молибденом, меди – цинком и алюминием).

Так как окалина действует как эффективный катод, ее удаление служит вспомогательным методом уменьшения коррозионного действия агрессивной среды.

Вторая группа методов борьбы с коррозией включает обработку коррозионной среды путем введения ингибиторов, снижающих ее агрессивность (пленкообразующие и адсорбирующие ингибиторы). На коррозионную среду можно воздействовать и путем деаэрирования, фильтрования, уменьшения влажности воздуха, гидрофобизации и нейтрализации почвы и т.д.

Третья группа методов защиты от коррозии основана на использовании защитных покрытий, которые, с одной стороны препятствуют проникновению коррозионной среды к поверхности металла, а с другой стороны – ограничивают или полностью предотвращают образование новой фазы продуктов коррозии на границе металл – покрытие. Из этого следует, что материал защитного покрытия прежде всего должен обладать высокой химической устойчивостью для воды, газов, хлор- и сульфат- ионов, хорошей адгезией к металлу, механической прочностью и стабильностью структуры.

Защитные покрытия подразделяются на металлические и неметаллические (органические и неорганические). Часто используют системы из несложных покрытий, например, цинковое покрытие с последующим фосфатированием и нанесением небольших слоев лака. Расширяется применение покрытий на органической основе с наполнителем из металлического порошка (лаковые покрытия смешиваются с цинковым порошком).

Чтобы покрытия были устойчивыми к действию микроорганизмов (судостроение, подземные коммуникации) к ним добавляются фунгициды.

Четвертая группа методов уменьшения коррозионного воздействия агрессивной среды основана на применении рациональных конструкционных решений, которые состоят в том, чтобы не допускать образования застойных зон и узких щелей, изолировать детали, образующие гальванические элементы, предусматривать открытые вентилируемые ниши и т.д.

Пятая группа защиты – электрохимическая. Ее применяют для сооружений химической промышленности, на транспорте, но, в основном для подземных трубопроводов. Усиление коррозионного процесса при наличии электрического поля блуждающих токов может вызвать разрушение подземных металлических коммуникаций в значительно более короткий срок тем, что предусмотрено проектом. В зависимости от влияния блуждающих токов на подземные металлические сооружения различают следующие характерные зоны:

а) устойчивая анодная зона, в которой блуждающие токи “выходят” непрерывно из сооружения;

б) устойчивая катодная зона, в которой блуждающие токи “входят” непрерывно в сооружение;

в) знакопеременная зона, в которой возникают неустойчивые анодные и катодные зоны.

Катодная зона сооружений осуществляется с помощью внешних источников постоянного тока или “жертвенных” анодов-протекторов. Анодная защита основана на переходе металла из активного состояния в пассивное, вследствие смещения его потенциала при анодной поляризации от внешнего источника тока.

Для определения устойчивости данного металла к агрессивному действию различных сред, выяснения механизма и кинетики коррозионного процесса, установления лимитирующих стадий и факторов, влияющих на скорость коррозии, установления эффективности различных методов защиты и др., проводятся коррозионные исследования. Они бывают лабораторные, натурные и эксплуатационные.