На практиці під час експлуатації виробів із металів та їхніх сплавів доводиться стикатися з явищем руйнування їх під впливом зовнішнього середовища. Процес руйнування металів при взаємодії їх з навколишнім природним середовищем називають корозією.
Суть і види корозії металів
Унаслідок взаємодії металів із навколишнім природним середовищем на поверхні металу виникають зміни структури, фізичних і хімічних властивостей. На поверхні чавуну і сталі утворюється іржа, що є продуктом окиснення.
Інтенсивність корозійного руйнування визначається природою і структурою самого металу, а також хімічними властивостями і температурою середовища.
За характером поширення розрізняють рівномірну, місцеву і міжкристалічну корозію.
Рівномірна корозія рівномірно поширюється по всій поверхні металу. При місцевій корозії руйнування поширюється вглиб нерівномірно, виявляється тільки на окремих її ділянках. Міжкристалічна корозія розвивається вглиб по межах зерен металу.
Найнебезпечнішою є міжкристалічна корозія, оскільки вона спричинює досить значну зміну структури і зниження механічних властивостей на велику глибину.
Найчастіше спостерігають міжкристалічну корозію в алюмінієвих сплавах і неіржавних, хромонікелевих сталях і, зокрема, у зварних швах.
Чинники, від яких залежить швидкість корозії, можна поділити на дві категорії: внутрішні й зовнішні.
До внутрішніх чинників належать чистота металів, хімічний склад сплаву, структура металу або сплаву, вид термообробки. Чим чистіші метали, тим більша стійкість до корозії. Чисті метали стійкіші до корозії, ніж сплави.
До зовнішніх чинників належать: середовище і коливання температур, а також чистота обробки поверхні.
Чим чистіша поверхня металу або сплаву після механічної обробки, тим менша корозія. Щоб захистити вироби від корозії, їх треба полірувати.
Залежно від взаємодії металу з навколишнім середовищем корозію поділяють на хімічну й електрохімічну.
Хімічною корозією називають руйнування металу під дією сухих газів і рідких діелектриків (бензин, масла, смоли та ін.), а також у газах за високих температур (клапани і клапанні гнізда двигунів внутрішнього згоряння, лопаті газових турбін, арматури полуменевих печей тощо).
У деяких випадках при хімічній корозії на поверхні металу утворюються щільні оксидні плівки, які захищають метал від подальшого руйнування. Такі властивості мають, наприклад, оксидні плівки хрому, нікелю, олова, міді. В атмосфері сухого повітря за звичайної температури щільні плівки утворюються і на залізі. Проте з підвищенням температури вони швидко стовщуються, стають пухкими і відшаровуються від металу. Для оксидів кальцію, магнію, вольфраму також характерна велика пухкість, тому вони не мають захисних властивостей.
Електрохімічна корозія розвивається в електролітах — водних розчинах, що проводять струм. При цьому атоми металу переходять у розчин у вигляді іонів. Інтенсивність такого розчинення визначається електродним потенціалом металу.
При зануренні в електроліт двох металів, що контактують і мають різні електродні потенціали, утворюється гальванічна пара і починається процес розчинення металу з більш негативним електродним потенціалом — анода.
При зануренні в електроліт неоднорідних за структурою сплавів на їхній поверхні утворюється безліч мікрогальванічних пар, що призводить до розчинення фаз або структурних складових, які виконують роль анодів. Коли між зернами металу і їх межовими ділянками виникає велика різниця потенціалів, ці ділянки руйнуються, тобто відбувається міжкристалічна корозія. Цей вид корозії спостерігається в хромистих і хромонікелевих сталях у разі видалення на межах зерен карбідів хрому.
Крім вищезгаданих, є ще й інші види корозії, що виникають унаслідок хімічних або електрохімічних процесів. Атмосферна корозія відбувається на поверхні металу під дією сконденсованої вологи; ґрунтова корозія — при контакті металів з ґрунтовими водами; морська — при контакті з морською водою.
Методи захисту металів від корозії
Втрати металів і сплавів від корозії дуже значні (до 8 % щорічного виплавляння металів на Земній кулі), а тому заходи щодо захисту металів і сплавів від корозії мають велике значення.
Кожен із різноманітних методів захисту металів від корозії має свої особливості і галузь застосування. До основних методів належать: застосування антикорозійних сталей і сплавів; металеві, неметалеві, хімічні і лакофарбові покриття і покриття захисними мастилами.
Антикорозійні сталі та сплави — дорогі, тому їх застосовують лише для виготовлення відповідальних деталей вузлів та механізмів, а також деталей хімічної та харчової промисловості.
Металеві покриття — це покриття нестійких до корозії металів і сплавів чистими стійкими металами, наприклад покриття покрівельного заліза цинком, покриття заліза для консервних банок чистим оловом, а також гальванічні покриття нікелем, хромом і кадмієм.
Покриття листової сталі цинком здійснюють зануренням листів у ванну з розплавленим цинком за температури 450...480 °С. Товщина цинкового покриття 0,06...0,12 мм. З оцинкованої листової сталі виробляють деталі зернових комбайнів та інші деталі.
Покриття заліза оловом — лудіння — також здійснюють зануренням листів або протягуванням стрічок через ванну з оловом, нагрітим до 280... 300 °С.
Гальванічні покриття мають такі основні переваги: можна точно регулювати товщину металевого шару; економно витрачати кольорові метали; немає потреби у високому нагріванні отже, можна покривати загартовані вироби; вишка якість покриття.
Для захисту від корозії найчастіше застосовують цинкування, кадміювання, нікелювання і хромування.
Електрохімічним цинкуванням покривають болти, гайки та інші деталі.
Електролітичне обміднення застосовують для покриття сталевих шліфованих деталей з метою захисту від корозії, а також для поліпшення процесу припрацювання таких деталей, як черв'ячні пари, пальці ресор, втулки та ін.
Планування — це покриття сплаву тонким шаром (0,04...ОДО мм) чистого металу: сталь — міддю, латунню, нікелем; дуралюмін — алюмінієм тощо. Плакуванням можна назвати операцію, при якій пакет із двох листів металу-покриття і розміщеної між ними штати основного металу або заготовку круглого перерізу, залиту мета-лом-покриттям, піддають гарячому прокатуванню. При цьому міцне з'єднання металу досягається за рахунок дифузійних процесів.
Металізація напиленням полягає в тому, що дріт (або порошок) металу-покриття надходить у пістолетоподібний апарат (металіза-тор), плавиться ацетиленокисневим полум'ям або електричною дугою, а потім розпилюється стисненим повітрям у напрямку поверхні виробу.
Таку металізацію застосовують переважно для нанесення покриття на великогабаритні деталі, вузли і навіть складні конструкції, чого не можна зробити іншим способом. Напиленням дістають покриття з цинку, алюмінію, хрому, титану та інших металів, а також деяких сплавів.
Недоліками цього методу є значні втрати металу під час розпилювання (до 40 %), пористість покриття, недостатня міцність зчеплення покриття з основним металом.
Неметалевими покриттями є гума та ебоніт, які використовують для гумування. Застосовують гумування для захисту від корозії виробів при дії на них кислот, лугів і соляних розчинів.
Хімічні покриття — це утворення на поверхні металів (сплавів) оксидних плівок або фосфатування поверхневого шару металу, який треба захистити від корозії.
Для утворення оксидних плівок сталеві деталі оксидують у розчині каустичної соди і натрієвої селітри за температури 130... 140 °С. Для закріплення плівки деталі занурюють у мінеральну оливу, нагріту до 150... 180 °С. Для оксидування застосовують розчин, віл води якого 750 г каустичної соди, 200 г натрієвої селітри, 50 г нітриду натрію. Час витримування у ванні 1,5...2,0 год. Після оксидування деталі мають чорно-синій колір. Цей процес називають воронуванням.
Фосфатування застосовують для захисту сталевих деталей від корозії або як підготовку до лакофарбового покриття, бо фарби міцно з'єднуються з фосфатованою поверхнею.
Лакофарбові покриття — найпоширеніший і найдоступніший метод захисту від корозії деталей сільськогосподарських машин, тракторів і автомобілів.
Захист техніки від корозії проводять при виробництві нових машин і в процесі експлуатації їх. Особливого захисту від корозії потребують сільськогосподарські машини, які протягом року працюють лише короткий час (плуги, культиватори, сівалки, борони, лущильники, зернові і бурякові комбайни та ін.). Решту часу їх зберігають, більшість з них розміщують на відкритих майданчиках.
Щоб запобігти корозії, поверхні машин фарбують. Процес покриття фарбою не потребує складного устаткування і спеціальних технологій. Лаки і фарби ізолюють металеві поверхні від вологи, повітря та інших чинників, які спричинюють корозію на поверхнях деталей машин.
Емалі за своїми фізичними властивостями і хімічним складом мають високу стійкість до атмосферної корозії, впливу води, мінеральних і органічних кислот, соляних розчинів.
Покриття захисними мастилами застосовують головним чином для захисту від корозії запасних частин і інструментів під час транспортування та зберігання, а також для змащування металевих нефарбованих деталей (полиці і лемеші плуга, робочі органи культиваторів, диски сошників сівалок, ланцюги і зірочки зернових комбайнів та ін.) сільськогосподарських машин на період їх зберігання.
Захисні мастила складаються з 40 % машинної оливи, 35 % циліндричної оливи, 20 % вазеліну і 5 % каніфолі.
Корозійне руйнування — це страшна «хвороба» для металу, яку «лікувати» дуже важко, тому краще захистити від неї метал, ніж потім «лікувати».
Висвітлено багато методів захисту металів від корозії. Кожен із е методів спрямований на продовження довговічності роботи деталей машин, що дасть змогу заощадити сотні мільйонів гривень.
