4. Влияние параметров поверхностного слоя на коррозионную стойкость

Коррозия не только портит внешний вид поверхностей, но и снижает механические свойства металлов. Причиной возникновения коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов, возникающая в процессе изготовления изделий. Все металлы и сплавы в условиях эксплуатации стремятся перейти в более устойчивое окисленное (ионное) состояние. Физико-химическая сущность процесса коррозии заключается в самопроизвольном переходе металла из неустойчивого в устойчивое состояние. Интенсивность и характер коррозионного процесса всегда обусловлены рядом факторов, которые делятся на внешние и внутренние.

К внешним факторам относятся: химический состав среды, в которой эксплуатируется деталь; температура в рабочей зоне и движение среды. Эксплуатация автомобильного транспорта происходит в условиях высоких скоростей при наличии агрессивной среды, перепада температур и действия больших механических нагрузок, т.е. факторов способствующих коррозии.

К внутренним факторам относятся: химический состав металлов, их структура, способ обработки и, как следствие этого, шероховатость поверхности, упрочнение и остаточные напряжения поверхностного слоя детали.

Коррозионная стойкость деталей в зависимости от вида коррозии оценивается или уменьшением веса металла с единицы площади или уменьшением линейных размеров за единицу времени. Коррозия происходит под действием химически агрессивных сред: воды, органических и неорганических кислот. Различают два основных вида коррозии: химическую и электрохимическую коррозию. В свою очередь в зависимости от условий эксплуатации и состава внешней среды химическая коррозия может быть атмосферной и газовой. При атмосферной коррозии, которая происходит при нормальном давлении и температуре ниже 80ºС, поверхности деталей покрываются слоем окислов, образующихся в результате химического взаимодействия металла с компонентами окружающей среды (преимущественно с кислородом). Окисный слой в большинстве случаев не обладает необходимыми защитными свойствами и не изолирует поверхность от агрессивной среды. Важнейшим конструкционными материалами для изготовления большинства деталей машин, по-прежнему, являются углеродистые и низколегированные стали. Эти стали имеют большое сродство к кислороду и поэтому подвержены интенсивному коррозионному разрушению. Шероховатость поверхности также является существенным фактором, определяющим интенсивность коррозии. С увеличением высоты микронеровностей возрастает площадь соприкосновения детали с окружающей агрессивной средой и, как следствие, ускоряются коррозионные процессы. Кроме того, малые радиусы закругления впадин микропрофиля являются энергоёмкими местами (концентраторами напряжений), в которых в первую очередь зарождаются очаги коррозии. На полированной поверхности таких энергоёмких мест мало, поэтому она менее подвержена коррозии. Наоборот, после пескоструйной, дробеструйной, химической или механической обработки поверхности деталей имеют большую склонность к коррозии.

Наклеп оказывает неоднозначное влияние на коррозионную стойкость. Известно, что в результате деформационного упрочнения коррозионная стойкость резко снижается. Например, после холодной пластической деформации мягкая сталь может поглощать водорода в 100 раз больше по сравнению с отожжённой сталью. Однако также имеет место повышение коррозионной стойкости детали вследствие создания обкатыванием поверхностного слоя с более положительным электронным потенциалом по сравнению с основным металлом. Этому также способствует высокая термодинамическая устойчивость материала упрочненного слоя, возникающая вследствие образования мелкоблочной и высокодисперсной структуры. Очевидно, что такое противоречивое влияние наклёпа на коррозионную стойкость можно объяснить, во-первых, материалом детали, а во-вторых, методом повышения поверхностной твёрдости. Так, например, при упрочнении поверхностного слоя обкатыванием происходит завальцовывание поверхностных микродефектов, которые являются путями проникновения агрессивных сред внутрь металла. Кроме того, упрочнение методами ППД увеличивает диффузию кислорода воздуха в металле поверхностного слоя и образует в нём твёрдые химические соединения FeO, Fe₂O₃ , FeO₄ , которые обладают защитными свойствами.

Газовая коррозия является частным случаем химической коррозии и происходит в результате воздействия газов и паров на поверхность металла при высокой температуре (особенно при температуре выше 300°С). В качестве агрессивных компонентов газовой среды могут выступать соединения серы, хлора, азота и, конечно же, кислорода. Скорость коррозии возрастает с увеличением содержания в газовой среде агрессивных примесей (например, углекислого газа, двуокиси серы и др.). Образующиеся продукты коррозии создают на поверхности деталей пленку, которая на какой-то период времени защищает металл от воздействия агрессивной среды и снижает интенсивность коррозионных процессов. Защитные свойства пленок зависят от их сплошности, толщины, прочности и адгезии с металлом. Большей защитой обладают тонкие пленки, вследствие их меньшей хрупкости. С повышением температуры, давления и скорости движения газовой среды защитные свойства пленок в большинстве случаев снижаются, в том числе, из-за происходящих эрозионных процессов. Значительное влияние на скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей оказывает соотношение СО и СО₂ в выхлопных газах. С увеличением содержания СО скорость коррозии снижается, а при 14-18% коррозия может прекратится совсем. Примером газовой коррозии является коррозия на фасках тарелок выпускных клапанов, выпускного тракта автомобильного двигателя и в глушителе, которая происходит под воздействием отработавших газов.

Процесс электрохимической коррозии может происходить при наличии макро- и микрогальванических элементов. На поверхности металлических изделий, находящихся в атмосфере, образуется тонкая пленка воды. Толщина такой пленки может быть различной в зависимости от температуры и влажности. Газы, присутствующие в воздухе, растворяются в этой пленке, создают электролит (водный раствор солей, щелочей, кислот). Так, возникают условия для электрохимической коррозии. Известно, что у каждого металла при попадании в электролит возникает электродный потенциал. А при контакте двух разных металлов в жидкой электропроводной среде за счёт возникновения разности электродных потенциалов возникает гальваническая пара и металл с более отрицательным электродным потенциалом (анод) растворяется.

Вследствие различного структурно- фазового состояния отдельных участков металла поверхности детали возникает короткозамкнутый микрогальванический элемент. Анодом и катодом могут служить различные структурные составляющие сплава, граница и сердцевина зерна, чистый металл и его окислы, деформированные и недеформированные участки металла, имеющие разные электродные потенциалы. На отдельных участках поверхности детали локализуются катодные участки, на которых идет восстановление окислителей, на других – анодные участки, на которых идет растворение металла. В начальной стадии коррозия имеет точечный характер, затем распространяется на всю поверхность. Наряду с образованием многочисленных гальванических микропар имеет место образование макропар между сопряженными деталями из разных металлов. В условиях электрохимической коррозии, прежде всего, разрушаются выступы неровностей на поверхности металла, который является анодом. Скорость разрушения материала при электрохимической коррозии выше, чем при химической коррозии.

Коррозионные повреждения кузова автомобиля можно рассматривать как совместный результат действия химической и электрохимической коррозии. Коррозионные повреждения проявляется в нарушении товарного вида автомобиля из-за шелушения и вспучивания лакокрасочного покрытия в результате действия подслойной коррозии, в изменении геометрии кузова и деформации дверных проемов, возникающих вследствие потери жесткости из-за возникновения трещин в усилителях, лонжеронах, из-за образования локальных разрушений в местах соединений деталей пола, порогов, сток крыльев, из-за уменьшения прочности креплений узлов и агрегатов автомобиля, а также в результате общего снижения физико-механических свойств металла.

Для сплавов на основе железа распространенным и опасным видом локальной коррозии является щелевая коррозия, которая происходи при наличии разности pH-среды в щелях, узких зазорах, под всевозможными прокладками и наростами. Весьма склонны к этому виду коррозии участки металла, контактирующие с неметаллическими материалами, такими как древесина, стекло, пластик, бетон, ткани.

Структура в многофазных сплавах, фазы которых являются электрохимически гетерогенными, является одной из причин межкристаллитной коррозии. Она обусловлена не только химическим составом, но и термической обработкой. Например, нарушение режима термообработки коррозионно-стойких сталей приводит к обогащению границ зёрен (кристаллитов) химическими элементами, из которых состоит сталь. Границы зёрен становятся электрохимически отличными от зёрен металла, что приводит к их разрушению. Далее коррозия распространяется по межкристаллитным границам в сердцевину детали. Межкристаллитная коррозия приводит к разрушению металла на большую глубину без явных коррозионных повреждений на поверхности изделия.

Структурная неоднородность металла сварных швов является причиной ножевой коррозии. В местах сварки коррозионные процессы протекают с высокой скоростью.

Считается, что остаточные напряжения любого знака, как один из главных факторов термодинамической неустойчивости металлов, снижают сопротивление коррозии. Однако также известно, что повышение сопротивления коррозионной усталости (при одновременном действии переменных напряжений и коррозионной среды) обкатанных образцов обусловлено действием остаточных напряжений сжатия. Растягивающие остаточные напряжения способствуют коррозионному растрескиванию (коррозионной статической усталости), происходящее обычно в концентраторах напряжений. Наблюдается это явление в коррозионно-агрессивных средах. Сжимающие остаточные напряжения замедляют процессы коррозионного растрескивания. Очевидно, это происходит вследствие того, что усталостный фактор является превалирующим по сравнению с коррозионным фактором.

Существует множество способов защиты изделий от коррозии, учитывающие особенности не только самого металла, но и условий его эксплуатации. Поэтому нет какой-либо единой системы выбора и применения мер защиты от коррозии.

Наиболее распространёнными и максимально эффективными являются методы нанесения защитных покрытий: металлических, химических, лакокрасочных, эмалевых и др. Роль покрытий как средств защиты от коррозии сводится большей частью к изоляции металла от агрессивной среды. В этой связи к ним предъявляются определенные требования. Они не должны иметь пор, должны быть газо- и водонепроницаемыми, химически стойкими, механически прочными, обладать высокой адгезионной прочностью и, следовательно, не должны отслаиваться в процессе эксплуатации. Одним из эффективных методов повышения коррозионной стойкости является электрохимическая защита. Суть ее заключается в подключении защищаемой поверхности к катоду постороннего источника постоянного тока с целью создания на ней отрицательного потенциала (катодная защита), или в присоединении металлов с более отрицательным электродным потенциалом (протекторов), благодаря чему анодные участки защищаемой поверхности становятся катодными (протекторная защита). Электрохимическая защита в основном применяется против подземной коррозии (защита кабелей, трубопроводов, свай и др.), коррозии в морской воде, в нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Многие проблемы, связанные с электрохимической коррозией, могут быть решены на стадии проектирования конструкции изделия и технологии обработки.