2.2.3 Коррозионно-механическое изнашивание

Коррозионное изнашивание

Коррозией называют процесс разрушения металла под химическим или электрохимическим воздействием на него окружающей среды. Иными словами, коррозия – это процесс превращения металла в оксид или другие соединения посредством захвата валентных электронов, образующих ме-таллическую связь. Этот процесс называют также окислением или анодной реакцией.

В водном растворе всегда имеются ионы Н⁺ и ОН^–, как продукты частичного распада воды, а также содержится то или иное количество кис-лорода. При погружении в такой раствор железа его коррозия протекает в условиях образования микрогальванического элемента (рис. 2.21).

1 – металл; 2 – поток электронов; 3 – анод; 4 – катод; 5 – ток

Рисунок 2.21 – Гальванический микроэлемент. Схема электрохимического коррозионного процесса для сплавов на основе железа (в среде раствора)

Процесс коррозии можно выразить с помощью химических реакций:

Fe (анодная реакция)

(катодная реакция)

Для образования гальванического элемента необходимо одновре-меннное протекание катодной и анодной реакций: в случае прекращения какой-либо из этих реакций прекращается и развитие коррозии. Одной из причин прекращения указанных реакций является переход металла в пас-сивное состояние из-за образования поверхностной пленки, предотвра-щающей дальнейшее окисление (анодная поляризация). По мере повышения окислительных свойств раствора коррозия металла достигает максимальной активности, после чего происходит резкое снижение активности вплоть до полного прекращения коррозии. На рис. 2.22 показана кривая поляризации для железа в 5-процентном водном растворе серной кислоты [2].

При отрицательном электродном потенциале через раствор проходит анодный ток и соответственно возрастает скорость коррозии образца. При смещении электродного потенциала в положительную сторону в связи с активизацией образования оксидов железа более высокой валентности вся поверхность образца оказывается покрытой оксидной пленкой, что приводит к резкому уменьшению тока коррозии. Образующая при этом пассивная оксидная пленка тормозит скорость коррозии железа.

При работе в агрессивных средах коррозия ускоряет их износ. В ус-ловиях трения, обеспечивающего очистку поверхности от образовавшихся продуктов коррозии, износ прогрессирует быстрее. Так сера из состава ди-зельного топлива и влага, конденсирующаяся на стенках цилиндра дизеля, ускоряют износ цилиндров, развивающийся в условиях коррозии.

1 – активное состояние; 2 – пассивное состояние; 3 – переход из активного в пассивное состояние; 4 – перепассивация; 5 – область возможного образования водорода; 6 – область стабильного состояния; 7 – область возможного образования кислорода

Рисунок 2.22 – Кривая поляризации. Соотношение между логарифмом

анодного тока log i и электродным потенциалом U

Коррозию классифицируют по разным принципам, в частности по механизму процесса, виду агрессивной среды и т. п. Принята следующая классификация: 1) межкристаллитная коррозия; 2) коррозионное растрес-кивание под напряжением; 3) точечная коррозия; 4) щелевая коррозия; 5) коррозионная усталость; 6) высокотемпературная коррозия.

Ниже рассмотрены отдельные виды коррозии по этой классификации.

Межкристаллитная коррозия

Нестабильность границ кристаллического зерна структуры металла создает благоприятные условия для образования вторичных фаз, ликвации и диффузии. Следовательно, при некоторых условиях на границах зерна может снижаться концентрация тех элементов, которые способствуют повышению коррозионной стойкости, и повышаться концентрация вредных примесей. В таких условиях границы зерна становятся участком преимущественного проникания коррозии, распространение которой вглубь металла сопровождается разрушением по границам зерна. Схема межкристаллитной коррозии (МКК) показана на рис. 2.23.

Рисунок 2.23 – Модель межкристаллитной коррозии

Для выявления МКК коррозионностойкой стали ее подвергают наг-реву до некоторой температуры, составляющей 450…850°С для аустенит-ной (коррозия этой стали возникает после кратковременной выдержки при этой температуре) и выше 900°С для ферритной стали (после нагрева этой стали необходимо быстрое охлаждение).

МКК сопровождается образованием карбида хрома (Сг₂₃С₆) по гра-ницам зерна, вследствие чего вблизи границ образуется зона пониженного содержания хрома, большая часть которого поглощается карбидом (рис. 2.24).

1 – более 70 % Сr в составе карбида; 2 – граница зерна

Рисунок 2.24 – Зона пониженного содержания хрома около

границы кристаллического зерна

Таким образом, задача предотвращения МКК наплавленного металла требует использования аустенитной коррозионностойкой стали с понижен-ным содержанием углерода или стали со стабилизированной структурой, образованной путем введения в ее состав ниобия или других элементов, стабилизирующих углерод. Предотвращение МКК требует также сниже-ния содержания фосфора и других примесей.

Коррозионное растрескивание под напряжением

Возникновение коррозионных трещин под влиянием напряжений, действующих в условиях коррозии, называют коррозионным растрески-ванием под напряжением. Коррозионное растрескивание под напряжением наблюдается лишь при наличии в растворе специфичных определенных для данного металла ионов и не возникает в чистых металлах. Эта разно-видность коррозии не возникает также в случае развития общей коррозии.

Коррозионное растрескивание под напряжением может развиваться в двух формах, в том числе в виде межзеренных трещин, распространяю-щихся по границам кристаллического зерна, и внутризеренных трещин, пе-ресекающих зерно. При работе деталей под малой нагрузкой в среде со слабыми агрессивными свойствами возникают межзеренные трещины, а при больших нагрузках в сильных агрессивных средах создаются условия для образования внутризеренных трещин. Форма коррозионного растрес-кивания зависит также от вида материала и его состояния. Образование внутризеренных трещин инициируется обычно точечной коррозией.

Процесс коррозионного растрескивания под напряжением схемати-чески показан на рис. 2.25.

1 – оксидный слой; 2 – плоскость скольжения; 3 – продукты коррозии;

4 – образование язвин; 5 – плоскость скольжения в начальном состоянии;

6 – переход в пассивное состояние; 7 – незащищенная поверхность

металла; 8 – разрушение защитной пленки и дальнейший рост язвины

Рисунок 2.25 – Схема процесса зарождения и роста трещин

коррозии под напряжением

Зарождение и рост трещин коррозии под напряжением проходит че-рез ряд ступеней, включающих возникновение локального скольжения дислокаций под действием механических напряжений (рис. 2.25, I); разру-шение пассивной оксидной пленки и обнажение свежей металлической поверхности (рис. 2.25, II); начало развития коррозии от участка обнажения металла (рис. 2.25, III); образование новой пленки, переводящей этот участок в пассивное состояние (рис. 2.25, IV); дальнейший рост трещины при повторении цикла, включающего скольжение, коррозию и переход в пассивное состояние (рис. 2.25, V). Если после обнажения свежей металлической поверхности она переходит в пассивное состояние, то трещины коррозии под напряжением не образуются.

В аустенитной коррозионностойкой стали на развитие коррозионно-го растрескивания под напряжением большое влияние оказывают содер-жащиеся в растворе галоидные соединения (хлориды, бромиды) и кисло-род. Повышение концентрации ионов Cℓ (рис. 2.26) в горячей воде созда-ет условия для возникновения в стали трещин.

трещины имеются;

о – трещин нет

Рисунок 2.26 – Влияние концентрации хлоридов Cℓи кислорода О в

котельной воде, подвергнутой обработке фосфатами щелочных

металлов, на коррозионное растрескивание под напряжением

коррозионностойкой стали

В таблице 2.6 приведены данные по влиянию различных элементов на коррозионное растрескивание под напряжением аустенитной коррози-онностойкой стали в среде кипящего водного раствора хлорида магния и в воде высоких параметров.

Таблица 2.6 – Влияние легирующих элементов на коррозионное