Коррозионно-механический износ

Коррозионно-механический износ — это процесс разрушения поверхности твёрдого тела, возникающий при одновременном воздействии механических нагрузок (трения, удара, деформации) и химически или электрохимически агрессивной среды. Данный вид износа является одним из наиболее распространённых в промышленности, так как сочетает в себе действие двух разрушающих факторов, что приводит к значительно более быстрому выходу из строя деталей машин и оборудования по сравнению с износом, вызванным только трением или только коррозией.

Механизм процесса

Коррозионно-механический износ характеризуется синергетическим эффектом: механическое воздействие ускоряет коррозию, а коррозия, в свою очередь, снижает механическую прочность материала, делая его более восприимчивым к износу. Основные стадии процесса включают:

1. Начальное повреждение защитного слоя. На поверхности металла обычно присутствует оксидная плёнка или иной защитный слой, образующийся в результате коррозии. Под действием механических нагрузок (трения, царапания, ударов) этот слой разрушается, обнажая чистый металл.
2. Активация коррозионного процесса. Обнажённый металл вступает в реакцию с окружающей средой (кислородом, влагой, кислотами, щелочами), что приводит к образованию новых продуктов коррозии (оксидов, гидроксидов, солей). Эти продукты часто имеют рыхлую структуру и легко удаляются при последующем трении.
3. Удаление продуктов коррозии. Механическое воздействие счищает образовавшиеся коррозионные отложения, вновь обнажая поверхность металла. Цикл повторяется многократно, что приводит к прогрессирующему утончению стенки детали или изменению её геометрии.

Таким образом, скорость износа при коррозионно-механическом воздействии может в десятки раз превышать сумму скоростей чисто механического и чисто коррозионного износа.

Классификация

В зависимости от преобладающего механизма разрушения и условий эксплуатации выделяют несколько основных видов коррозионно-механического износа:

Абразивно-коррозионный износ

Возникает при трении твёрдых частиц (абразива) о поверхность в присутствии агрессивной среды. Частицы не только царапают металл, но и способствуют удалению защитных плёнок, ускоряя коррозию. Характерен для горнодобывающей промышленности, оборудования для переработки руд, землеройной техники.

Усталостно-коррозионный износ

Развивается при циклических механических нагрузках (вибрации, знакопеременных напряжениях) в коррозионной среде. Коррозия способствует зарождению и росту микротрещин, которые под действием усталостных напряжений распространяются, приводя к разрушению детали. Типичен для валов, подшипников, пружин, работающих во влажной атмосфере или в контакте с химическими реагентами.

Фреттинг-коррозия

Особый вид износа, возникающий в плотно соприкасающихся деталях при их малых относительных колебательных перемещениях (амплитуда обычно менее 100 мкм). В зоне контакта происходит разрушение оксидных плёнок, активируется коррозия, и образуются продукты износа в виде мелкодисперсного порошка (часто красного цвета — оксид железа Fe₂O₃). Фреттинг-коррозия характерна для резьбовых соединений, шпоночных пазов, заклёпочных швов, посадочных мест подшипников.

Кавитационно-эрозионный износ

Возникает при воздействии на поверхность жидкости, содержащей пузырьки газа или пара. При схлопывании пузырьков вблизи поверхности возникают локальные гидравлические удары, разрушающие защитные плёнки и вызывающие микроусталость металла. В агрессивной среде (например, морская вода) этот процесс многократно ускоряется. Характерен для гребных винтов, насосов, гидротурбин, трубопроводов.

Факторы, влияющие на интенсивность износа

Скорость коррозионно-механического износа зависит от ряда параметров:

• Свойства материала. Химический состав, микроструктура, твёрдость, коррозионная стойкость. Легированные стали (например, нержавеющие) и сплавы с высоким содержанием хрома, никеля, молибдена более устойчивы.
• Характеристики среды. Агрессивность (pH, концентрация ионов, наличие окислителей), температура, влажность. Повышение температуры, как правило, ускоряет как коррозию, так и механический износ.
• Параметры механического воздействия. Тип трения (скольжение, качение, удар), нагрузка, скорость скольжения, частота циклов. Высокие контактные давления и скорости способствуют более быстрому разрушению.
• Наличие защитных покрытий. Покрытия (лакокрасочные, металлические, полимерные) могут существенно замедлить износ, но при их повреждении процесс ускоряется.

Методы защиты

Для снижения коррозионно-механического износа применяют комплекс мер:

• Выбор материалов. Использование коррозионно-стойких сплавов (нержавеющие стали, титановые сплавы, бронзы), а также материалов с высокой твёрдостью и износостойкостью (например, твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама).
• Поверхностная обработка. Нанесение износостойких и коррозионно-стойких покрытий: хромирование, никелирование, азотирование, цементация, наплавка твёрдых сплавов, плазменное напыление.
• Смазка. Применение смазочных материалов, которые не только снижают трение, но и создают защитную плёнку, препятствующую контакту металла с агрессивной средой. В особо агрессивных средах используют консистентные смазки с ингибиторами коррозии.
• Конструктивные решения. Уменьшение контактных напряжений, снижение вибраций, герметизация узлов, отвод агрессивных сред из зоны трения.
• Ингибиторы коррозии. Введение в рабочую среду специальных добавок, замедляющих коррозионные процессы (например, нитрит натрия, бензоат натрия, амины).

Области проявления

Коррозионно-механический износ является серьёзной проблемой во многих отраслях промышленности:

• Нефтегазовая отрасль. Износ насосов, клапанов, трубопроводов, бурового оборудования при контакте с сероводородом, углекислым газом, пластовой водой.
• Химическая промышленность. Разрушение аппаратуры, работающей в контакте с кислотами, щелочами, расплавами солей.
• Судостроение и морская техника. Износ гребных винтов, рулей, корпусов судов в морской воде.
• Энергетика. Износ лопаток паровых и газовых турбин, теплообменников, насосов.
• Горнодобывающая промышленность. Износ дробилок, мельниц, транспортёров при переработке руд в присутствии воды и реагентов.

Исследования и моделирование

Изучение коррозионно-механического износа ведётся с использованием экспериментальных методов (испытания на трение и износ в контролируемых средах, электрохимические измерения) и математического моделирования. Разработаны эмпирические и полуэмпирические модели, позволяющие прогнозировать скорость износа в зависимости от параметров процесса. В России значительный вклад в исследование этого вида износа внесли учёные Института машиноведения имени А. А. Благонравова РАН, Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, а также отраслевые институты (например, ВНИИНМАШ).

Источники

1. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчётов на трение и износ. — М.: Машиностроение, 1977.
2. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность). — М.: Изд-во МСХА, 2001.
3. Богданович П. Н., Белоцерковский М. А. Коррозионно-механический износ металлов. — Минск: Наука и техника, 1983.
4. ГОСТ 27674-88 «Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения».
5. Материалы конференций по трибологии и коррозии (Российская академия наук).