книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

рушаться зерна твердого раствора, и атомы алюминия перейдут в раствор в форме гидратированных трехвалентных ионов

A1+ + + ∙∏H2O.

,На катодных участках (CuAI2) произойдет взаимодействие электронов с кислородом и водой, в результате чего возникнут гидроксильные ионы:

4θ + O2 + 2H2O → 4OH~.

Затем ионы алюминия соединятся с этими гидроксильными ионами, получится продукт коррозии — белый, нерастворимый

гидрат окиси алюминия:

Al+++ +ЗОН" → Al(OH)3.

C течением времени этот продукт коррозии покроет поверх­

ность сплава и коррозия замедлится.

Так как разрушение происходит на большой анодной поверх­

ности, коррозия будет носить поверхностный характер (равно­ мерная коррозия).

Следовательно, зная структуру сплава, потенциалы структур­

ных составляющих, их размеры и форму распределения, можно

заранее предсказать характер коррозионного разрушения и

выбрать правильные методы защиты.

Следует добавить, что электрохимическая коррозия разви­

вается особенно сильно в случае контакта в конструкции дета­ лей из разнородных металлов и сплавов, обладающих резко

различными электродными потенциалами (например, коррозия

стальных деталей в контакте с медью или магниевых сплавов

в контакте со сталью.

Чистые металлы и сплавы, имеющие однородное строение,

обладают более высокой, коррозионной стойкостью, чем сплавы

с разнородной структурой.

Опасным явлением является совместное влияние коррозион­ ной среды и механического воздействия, особенно в условиях

переменного нагружения. В этом случае развивается явление

коррозионной усталости.

Чрезвычайно большую роль в процессах коррозии играет

влага. Она, растворяя соли и другие вещества, образует элек­

тролиты, при соприкосновении которых с металлическими дета­

лями развивается электрохимическая коррозия.

Коррозию усиливают растворяющиеся также в воде различ­

ные газы. Большое влияние на скорость коррозии оказывает так­

же температура.

При электрохимической коррозии температура влияет на потенциал, растворимость солей и газов, диффузию ионов и т. п.

При газовой коррозии температура является основным факто­ ром в процессе химической реакции окисления.

160

II. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Углеродистые и малолегированные стали обладают невысо­

кой коррозионной стойкостью и требуют обязательной защиты.

При атмосферной коррозии эти стали легко ржавеют. Жидкост­

ная коррозия сталей легко развивается в нейтральных и осо­ бенно в кислых средах. В условиях газовой коррозии эти стали относительно устойчивы лишь до температуры 600°. При боль­ шем нагревании они быстро окисляются.

На коррозионную стойкость этих сталей влияет термическая

обработка. Стали, отпущенные после закалки на тростит, обла­

дают наименьшей стойкостью.

Основными способами защиты от коррозии углеродистых и.

малолегированных сталей являются металлические покрытия,,

фосфатирование, воронение и лакокрасочные покрытия.

Металлические покрытия широко распространены в авиа­

строении. Различают анодные и катодные покрытия. При анод­ ном покрытии защитный металл имеет более отрицательный

электродный потенциал, чем потенциал стали. Анодными покры­ тиями для стали являются цинк или кадмий (см. ряд напряже­

ний, табл. 46). При местном разрушении анодного покрытия

(фиг. 109) образуется гальваническая пара «сталь—покрытие»,

начинается электрохимический процесс и разрушаться будет

покрытие (анод); при этом скорость разрушения будет незна­

чительной, так как катодная поверхность окажется небольшой

по сравнению с анодной. Сталь в этом случае разрушаться не

будет.

Таким образом, анодные покрытия создают не только меха­ ническую, но и электрохимическую защиту. Этот вид покрытий нужно особенно рекомендовать для авиационных деталей.

Катодными покрытиями для стали являются хром, никель,

медь, олово и другие металлы, имеющие более отрицательный

потенциал, чем потенциал стали.

Пока катодное покрытие не повреждено, оно хорошо защи­

щает сталь от коррозии; в случае его местного разрушения или при наличии в нем пор начинается коррозия, причем разрушать­

ся будет не покрытие, а сталь (фиг. НО). Ввиду большой поверх-

пости катода по сравнению с участком анода коррозия будет развиваться очень быстро и может разрушить деталь в месте

повреждения.

Применение катодных покрытий объясняется их высокой

химической стойкостью, большой твердостью и хорошими деко­

ративными свойствами.

Таким образом, катодные покрытия могут быть рекомендо­ ваны лишь в случае достаточной гарантии против их поврежде­ ния, при отсутствии активной коррозионной среды и при доста­ точной толщине и плотности слоя покрытия.

Кроме того, например, хромированные и никелированные

детали обладают хорошим блеском, обтекаемостью и имеют кра­ сивый декоративный вид.

Для нанесения металлических защитных покрытий можно

пользоваться различными методами.

Чаще всего применяется гальванический способ нанесения;

он обеспечивает покрытие высокого качества, желаемой тол­ щины и хорошую сцепляемость с основным материалом.

Для получения такого покрытия тщательно очищенную деталь погружают в ванну, содержащую в качестве электролита

водный раствор соли защитного металла. Деталь присоединяют

к отрицательному полюсу, т. е. делают катодом. Анодами слу­ жат пластины из соответствующего защитного металла.

Через определенное время на детали отлагается тонкий слой защитного металла.

Гальванический способ обеспечивает получение высококаче­

ственного покрытия. Большим преимуществом этого метода

является также возможность точной регулировки толщины покрытия, зависящей от состава ванны и режима электролиза.

Большинство авиадеталей подвергают электролитическому

цинкованию, кадмированию или хромированию.

Цинкованию подвергают стальные детали авиаконструкций,

имеющие предел прочности до 140—150 кг!мм2. Для цинкования

применяют кислые и цианистые ванны.

Кислые ванны более устойчивы и не ядовиты, но они обла­

дают невысокой рассеивающей способностью. Цианистые ванны рекомендуются для цинкования сложных сварных узлов.

Нормальная толщина цинкового покрытия составляет для деталей сухопутных машин 5—15 мк, а для гидросамолетов —

15—25 мк.

При цинковании происходит насыщение поверхностного слоя

детали водородом, в связи с чем появляется так называемая

«водородная хрупкость». Для уничтожения этой хрупкости детали после цинкования нагревают в течение двух часов при

230—250°.

Цинкование в кислых ваннах применяется для защиты лентрасчалок, тросов, некоторых деталей вооружения, а также раз­

162

личных нормалей — болтов, гаек, заклепок, шурупов, гвоздей

и т. д.

Для кадмирования применяют преимущественно цианистые ванны, так как они дают более равномерные и плотные покры­

тия. Кадмирование ведется аналогично цинкованию. Защита

кадмием более эффективна, чем цинком. Поэтому для получения

одинаковой коррозионной устойчивости слой кадмия может

быть в 2—3 раза тоньше по сравнению с цинком. Кадмиевые

покрытия отличаются от цинковых, кроме того, большей плот­

ностью и отсутствием пор. Но кадмирование значительно дороже цинкования.

Кадмированию подвергают высоконагруженные стальные

детали с прочностью выше 140—150 кг/мм2, а также некоторые

нормали и пружины. Кадмирование рекомендуется также для деталей, соприкасающихся с морской водой или с водными сре­

дами, имеющими температуру более 60°, например гильз цилин­

дров (наружная поверхность), двигателей жидкостного охлаж­

дения.

Оптимальная толщина слоя кадмия на деталях гидросамоле­

тов должна составлять ~ 15 мк.

Хромирование применяют для деталей, работающих на тре­

ние, а также для мелких деталей, от которых требуются деко­

ративные качества.

Слой хрома, нанесенный непосредственно на сталь, не обла­

дает хорошими защитными свойствами, так как является пори­

стым. Влага, проникая через поры вглубь, достигает стали и

вызывает ее интенсивное разрушение, так как хром служит по отношению к ней катодом. Поэтому перед хромированием

рекомендуется нанесение подслоя меди, являющегося практи­

чески беспористым. На медь наносят никель, а затем хром.

Никель обеспечивает прочную связь хрома с медным подслоем.

Металлические покрытия можно также наносить методом распыления. При металлизации распылением защитный металл

распыляют по поверхности изделия с помощью специального

пистолета-распылителя. Защитный металл вводится в пистолет

в виде проволоки, затем расплавляется с помощью ацетиленового

пламени или электрической дуги

чают слой цинка, кадмия, алю­

Толщина слоя цинка при металлизации должна составлять:

для деталей сухопутных самолетов —30 мк;

для деталей гидросамолетов ~50 мк.

Кроме этих методов, металлические покрытия можно созда­

вать диффузионным способом (насыщение поверхности сталь­

ных изделий алюминием, кремнием, цинком и др.) и методом лужения (горячий способ).

При фосфатировании на поверхности детали создается защит­

ная пленка, содержащая фосфорнокислые соли железа и мар­

ганца. Фосфатная пленка является прекрасным грунтом для нанесения лакокрасочных покрытий. Фосфатированные и окра­

шенные детали хорошо противостоят действию атмосферы,

а также пресной и морской воды.

Воронение или оксидирование заключается в искусственном

получении на поверхности стальной детали тонкой защитной

окисной пленки, состоящей главным образом из Fe3CU

Для авиационных деталей применяют оксидирование в горя­ чих водных растворах, содержащих щелочь (NaOH) и азотисто­

кислый натрий (NaNO2).

Следует указать, что воронение не является надежным сред­

ством защиты от коррозии. Вороненые детали разрушаются как

в морской, так и в пресной воде. Стойкость против атмосферной

коррозии несколько выше; однако в этом случае необходимо

периодическое промасливание деталей.

Воронению подвергают поршневые кольца, чугунные втулки клапанов, пружины и другие внутренние детали авиадвигателей,

защищенные от непосредственного влияния атмосферы и влаги.

C помощью воронения защищают также многие детали

вооружения.

Помимо рассмотренных методов защиты от коррозии сталь­

ных деталей, применяют также азотирование, пассивирующие добавки, защиту смазками и лакокрасочные покрытия.

Высоколегированные нержавеющие стали в специальной

защите от коррозии не нуждаются. Большое содержание хрома

и никеля обеспечивает их высокую коррозионную стойкость.

В закаленном состоянии они имеют однородную структуру аусте­

нита. что является одной из причин их высокой коррозионной

стойкости.

Вторая причина заключается в образовании на поверхности

нержавеющей стали стойкой окисной пленки СггОз, обладающей

хорошими защитными свойствами.

Одним из недостатков нержавеющей стали является ее склон­ ность к межкристаллитной коррозии при нагревании до темпера­ тур 500—750°. При этих температурах начинается распад аусте­

нита, сопровождающийся выделением карбидов хрома по грани­

цам зерен; пограничные зоны зерен аустенита при этом обедня­ ются хромом, а выделяющиеся карбиды, богатые хромом, рас­ полагаются вблизи этих зон.

164

Различие в составе этих составляющих приводят к электро­

химической неоднородности стали: богатые хромом карбиды и

центральные участки аустенитных зерен будут служить като­

дами, а тонкие поверхностные оболочки аустенитных зерен,

обедненные хромом, — анодами. В результате сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии.

Для борьбы с межкристаллитной коррозией нержавеющей стали в нее вводят стабилизаторы — титан и ниобий. Эти метал­ лы образуют с углеродом более стойкие карбиды, чем хром, не способные выделяться при нагревании по границам зерен из

аустенита. В результате этого структура аустенита остается практически устойчивой, стабильной и межкристаллитной кор­

розии не происходит.

Жаростойкие стали и сплавы, применяющиеся для изготов­

ления деталей, работающих при

мазками.

Кзащитным жаростойким покрытиям относятся стеллит,

нихром и другие высокожаростойкие материалы, которые нава­ риваются на поверхность.

Ктермодиффузионным покрытиям относятся алитирование, диффузионное хромирование, силицирование и др. И наконец,

специальными обмазками являются окислы металлов (окись

алюминия, окись циркония), керамические и металлокерамиче­ ские покрытия (керметы, термопокрытия), эмали и другие.

Втабл. 47 приведена сравнительная жаростойкость различ­

ных покрытий.

Взаключение необходимо отметить, что для деталей, рабо­

тающих при высоких температурах, особенно вредными являют­ ся периодические колебания температуры, так как благодаря

неодинаковым коэффициентам теплового расширения сплава и окисла при таких колебаниях в окисной пленке создаются напря-

165

жения, часто приводящие к развитию микротрещин, в которые

прорываются горячие газы, вызывающие ускоренное разруше­

ние сплава.

IlL ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Для алюминия и его сплавов характерно образование на

поверхности окисной пленки, обладающей хорошими защитными

свойствами. Пленка в основном состоит из А120з, а ее толщина

О

колеблется в пределах от 50 до 1000 А. Основные методы защи­

ты алюминиевых сплавов от коррозии заключаются в искусствен­ ном утолщении этой окисной пленки. Повреждение пленки ведет

к понижению коррозионной стойкости.

Эта пленка устойчива в нейтральных средах, но легко раст­

воряется в щелочах; поэтому в щелочных средах алюминий и

его сплавы легко разрушаются.

Кислоты также растворяют окисную пленку; однако сильные

окислители, например, концентрированная азотная кислота,

способствующая образованию окисной пленки, почти не разру­

шает алюминия. Поэтому алюминий и некоторые его сплавы могут применяться для изготовления деталей, соприкасающихся с подобными кислотами.

Коррозия алюминиевых сплавов происходит в основном с кислородной деполяризацией. Однако возможно также частич­ ное выделение водорода на катоде, т. е. процесс может протекать

в незначительной степени также с водородной деполяризацией.

Для алюминиевых сплавов типа дуралюмина характерны три

типа коррозии — равномерная, местная и межкристаллитная.

Чаще всего встречаются с местной, язвенной коррозией.

Большое влияние на коррозионную устойчивость дуралюмина

оказывает термическая обработка.

Отожженные сплавы, имеющие разнородное строение, обла­ дают меньшей стойкостью по сравнеиню с закаленными. Наи­ большей коррозионной стойкостью обладают закаленные и

естественно состаренные сплавы, а наименьшей — литые.

166

Сплавы типа силумин по коррозионной стойкости стоят зна­

чительно выше медноалюминиевых сплавов. Повышенная кор­ розионная стойкость сплавов, богатых кремнием, объясняется образованием на их поверхности защитной пленки, содержащей

SiO2-

Необходимо помнить, что на коррозию алюминиевых сплавов сильно влияют технологические условия производства. Наличие

флюсов, рыхлот, газовых пузырей, оставшихся в сплаве после

литья, а также остатки селитры, не отмытые после термической обработки, загрязнения, попадающие в полуфабрикаты при про­ кате во время плакировки, и другие дефекты способствуют раз­

защиты алюминиевых сплавов от коррозии. Детали, подлежа­

щие окрашиванию лакокрасочными покрытиями, целесообразно также анодировать. Увеличивается свойство сцепляемости.

Химическое оксидирование заключается в обработке алюми­

ниевых деталей в окислительных ваннах. В результате на поверх­

ности деталей образуется защитная окисно-солеобразная плен­ ка. Обычно применяют щелочные ванны, содержащие в каче­ стве окислителя хромовокислый натрий. Осуществляется хими­ ческое оксидирование путем погружения деталей в этот раствор или путем прокачки, если необходимо оксидировать внутренние

части деталей, например, трубы.

167

Металлические покрытия или плакирование заключается в со­

здании на поверхности алюминиевых изделий путем проката

тонкого слоя чистого алюминия. Это покрытие является анодным

и, следовательно, защищает основной сплав от коррозии не только механически, но и электрохимически. Стойкость плаки­ рованных листов дуралюмина по сравнению с неплакирован­ ными увеличивается более чем в десять раз. Высокопрочный

алюминиевый сплав В95 плакируется не чистым алюминием, а

алюминиевым сплавом В35, содержащим около 1% цинка.

Защита протекторами основана на электрохимическом зако­ не, что в случае контакта двух разнородных металлов, сопри­ касающихся с электролитом, разрушаться будет лишь тот, кото-

Ф и г. 114. Крепление протектора к стенкам лодки гидро­ самолета

рый обладает более отрицательным потенциалом, т. е. является в данной паре анодом.

Протектор при коррозии постепенно разрушается, предохра­ няя от разрушения деталь (катод).

Протектором может являться любой металл, имеющий по отношению к данному сплаву более отрицательный потенциал.

Фиг. 1і5 Протекторная защита прокладки:

¡ — кадмий; 2 — силумин; 3 — железо, 4 — медь

Однако разница в потенциалах не должна быть слишком боль­

шой, чтобы при электрохимическом процессе не происходило

быстрого разрушения протектора.

Протекторы представляют собой обычно небольшие пластин­ ки, присоединяемые к защищаемой детали заклепками или бол-

168

тами. На фиг. 114 показана схема крепления цинковых протек­ торов к дуралюминовым поплавкам гидросамолета, а на фиг. 115 — протекторная защита прокладками.

Для защиты от коррозии алюминиевых сплавов широко так­

же применяются лакокрасочные покрытия и смазки.

IV. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Магниевые сплавы обладают очень низкой коррозионной стойкостью. Это объясняется тем, что магний из всех техниче­

ских авиационных металлов обладает самым отрицательным

электродным потенциалом; кроме того, окисная пленка, обра­

зующаяся на его поверхности, не обладает защитными свой­

ствами.

Отличительной особенностью коррозии магния и его спла­

вов является выделение водорода. Механизм коррозии с водо­ родной деполяризацией был рассмотрен выше.

Сплавление магния с марганцем значительно повышает его

после литья или сварки, являются очагами местной коррозии.

Поэтому поверхности деталей из магниевых сплавов, а также сварные швы, необходимо тщательно очищать от остатков флю­

сов.

Вконструкциях опасными для магния и его сплавов являют­ ся контакты с такими металлами, как медь, железо, никель.

Вслучае контакта с алюминиевыми деталями, последние не­

обходимо защищать анодированием и по возможности окра­

шивать.

Наиболее безопасными контактами для магниевых сплавов

являются контакты с цинком или кадмием или с деталями,

покрытыми этими металлами.

Одним из наиболее распространенных методов защиты маг­

ниевых сплавов от коррозии является химическое оксидирование

с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

Металлические покрытия почти не применяются, так как для магниевых сплавов очень трудно найти металл или сплав, обла­ дающий более - низким электродным потенциалом, чем магний.

Катодные же покрытия очень опасны, так как в случае местного

разрушения могут вызвать интенсивную электрохимическую кор­ розию защищаемого сплава.

По этой же причине не применяется защита протекторами.

Химическое оксидирование магниевых сплавов состоит

в обработке деталей в окислительных средах, в результате чего

169