Сопротивление коррозии и износу

1. Сопротивление коррозии

Для металлов, подверженных воздействию атмосферной коррозии, наиболее существенным фактором при наличии коррозионного разъедания является присутствие водяного электролита. Это может быть только тогда, когда происходит конденсация влаги как результат действия климатических условий. Количество загрязнений в атмосфере также может влиять на скорость коррозии. Коррозию можно зачастую сильно ослабить подбором подходящих материалов. Для металлов, погруженных в воду, коррозия зависит от веществ, которые растворены или взвешены в воде.

Углеродистые и низколегированные стали не обладают особенным сопротивлением коррозии, свидетельством чего является ржавчина. В промышленной атмосфере, в пресной и морской воде не содержащие добавок углеродистые и низколегированные стали имеют низкое сопротивление коррозии. Покраска, нанесенная в виде защитного покрытия на поверхность, может уменьшить такую коррозию. Добавка хрома в сталь может заметно улучшить ее сопротивление коррозии. Стали с содержанием 4-6% хрома имеют высокое сопротивление коррозии в промышленной атмосфере, в пресной и морской воде, тогда как легированные стали имеют весьма высокое сопротивление в промышленной атмосфере и пресной воде, но могут подвергаться некоторой коррозии в морской воде. Серый литейный чугун обладает высоким сопротивлением коррозии в промышленной атмосфере, но не слишком высоким в пресной или морской воде, однако все же лучше, чем не содержащие добавок углеродистые стали.

На поверхности алюминия, когда он находится на воздухе, образуется окисный слой, который защищает нижний слой металла от дальнейшего воздействия окисления. Ковкие сплавы часто покрывают тонкими слоями чистого алюминия или алюминиевого сплава, усиливающего их сопротивление коррозии. Таким образом, на воздухе алюминий и его сплавы имеют высокое сопротивление коррозии. Если же их погрузить в пресную или морскую воду, то большинство алюминиевых сплавов также оказывают высокое сопротивление коррозии, хотя среди них есть исключения, но на такие сплавы можно нанести защитное покрытие, чтобы улучшить сопротивление коррозии.

Медь на воздухе образует поверхностный слой зеленого цвета, который защищает ее от дальнейшего воздействия кислорода и вследствие этого получается высокое сопротивление коррозии. Медь в пресной и морской воде также имеет высокое сопротивление коррозии, поэтому широко распространено применение медных трубопроводов для водяных распределительных систем и систем центрального отопления. Медные сплавы также обладают высоким сопротивлением коррозии в промышленной атмосфере, в пресной и морской воде, хотя у некоторых из них может наблюдаться потеря легирующего металла, например у латуни с содержанием цинка более 15%.

Никель и его сплавы имеют весьма высокое сопротивление коррозии в промышленной атмосфере, пресной и морской воде. У титана и его сплавов наивысшее сопротивление коррозии (возможно, наилучшее, чем у всех известных металлов) в промышленной атмосфере, в пресной и морской воде, и благодаря этому они широко применяются там, где коррозия становится проблемой. Пластики в основном отличаются очень высоким сопротивлением коррозии. Вот почему возрастает использование пластиковых труб, например для пропускания по ним воды и химикатов. Полимеры могут ухудшать свои свойства в результате облучения ультрафиолетовой (УФ) радиацией, например под лучами солнца или при УФ-нагреве, а также под воздействием механических напряжений. Для ослабления этих эффектов в состав пластика вводятся особые добавки. Большинство керамических материалов показывают весьма высокое сопротивление коррозии. Стекла обладают чрезвычайной стабильностью и сопротивлением к воздействию коррозии, поэтому широко распространено применение стеклянных емкостей. Эмали, изготовленные из кремнезема и боросиликатного стекла, широко употребляются как покрытия для защиты сталей и литейных чугунов от воздействия коррозии. В таблице 1 приведена градация сопротивления коррозии материалов в условиях различных окружающих сред.

Таблица 1 - Сопротивление коррозии материалов в условиях различных окружающих сред

Сопротивление коррозииМатериал
Газированная вода
ВысокоеВсе керамики
Стекла
Свинцовые сплавы
Сплавы стали
ВысокоеНикелевые сплавы
Медные сплавы
PTFE, полипропилен, нейлон, эпоксидная смола, полистирол, PVC
СреднееАлюминиевые сплавы
Полиэтилен, полиэфиры
НизкоеУглеродистые стали
Морская вода
ВысокоеАлюминиевые сплавы
Все керамики
Свинцовые сплавы
Нержавеющие стали
Титановы сплавы
Никелевые сплавы
Медные сплавы
PTFE, полипропилен, нейлон, эпоксидная смола, полистирол, PVC, полиэтилен
СреднееАлюминиевые сплавы
Полиэфиры
НизкоеНизвколегированные стали
Углеродистые стали
Ультрафиолетовая радиация
ВысокоеВсе керамики
Стекла
Все сплавы
СреднееЭпоксидная смоля, полиэфиры, полипропилен, полистирол, HD полиэтилен, полимеры с УФ-ингибитором
НизкоеНейлон, PVC, многие эластомеры
Сильные кислоты
ВысокоеСтекла
Глинозем, карбиды кремния, кремнезем PTFR, PVC, полиэтилен, эпоксидная смола, эластомеры
Свинцовые сплавы
Титановые сплавы
Никелевые сплавы
Нержавеющие стали
Сильные щелочи
ВысокоеГлинозем
Никелевые сплавы
Стали
Титановые сплавы
ВысокоеPTFE, полипропилен, нейлон, эпоксидная смола, полистирол, PVC, полиэтилен
СреднееКарбид кремния
Медные сплавы
Цинковые сплавы
Эластомеры, полиэфиры
НизкоеСтекла
Алюминиевые сплавы
Органические растворители
ВысокоеВсе керамики
Стекла
Все сплавы
PTFE, полипропилен
СреднееПолиэтилен, нейлон, эпоксидные смолы
НизкоеПолистирол, PVC, полиэфиры, ABC, многие эластомеры

2. Коррозия разнородных металлов

В таблице 2 приведены гальванические серии металлов, находящихся в морской воде. Серии будут другими, если внешней средой будет пресная вода или промышленная атмосфера, хотя некоторая грубая корреляция порядка их следования сохранится, но потенциалы, вероятно, будут другими. Перечень металлов по порядку коррозионной стойкости, указывающей свободные потенциалы коррозии, дает возможность предсказать сопротивление коррозии для комбинации необходимых металлов. Чем дальше друг от друга разделены в этой серии некоторые два металла, тем сильнее коррозия, больше активность ее, если переход между парой этих металлов погружен в морскую воду. Металл с более отрицательным потенциалом действует как анод в электрохимической ячейке, а с менее отрицательным или положительным - как катод.

Таблица 2 - Гальванические серии металлов и сплавов

МеталлСвободный потенциал коррозии |В|
Магний-1.60...-1.63
Цинк-0.9...-1.2
Алюминиевые сплавы-0.75...-1.0
Мягкие стали-0.6...-0.7
Низколегированные стали-0.58...-0.62
Алюминиевая бронза-0.3...-0.4
Желтая/красная латунь-0.3...-0.4
Олово-0.3...-0.34
Медь-0.3...-0.37
Свинец/олово припой (50/50)-0.3...-0.35
Алюминиевая латунь-0.27...-0.34
Марганцевая бронза-0.27...-0.32
Кремнистая бронза-0.25...-0.29
Оловянная бронза-0.24...-0.31
Нержавеющие стали (410,416)-0.25...-0.35
Нейзильбер-0.22...-0.27
Медно-никелевый сплав (80/20)-0.2...-0.3
Нержавеющая сталь (430)-0.2...-0.25
Свинец-0.2...-0.22
Медно-никелевый сплав (70/30)-0.18...-0.22
Сплавы никель-хром-0.13...-0.17
Сплавы серебро-латунь-0.1...-0.2
Никель-0.1...-0.2
Серебро-0.1...-0.15
Нержавеющая сталь (302,304,321,347)-0.05...-0.1
Сплавы никель-медь-0.02...-0.12
Нержавеющая сталь (317)0...-0.1
Титан+0.05...-0.05
Платина+0.25...+0.20
Графит+0.З...+0.2

В таблице 3 приведены данные о степени стойкости сплавов к точечной коррозии, коррозии под напряжением и коррозии удаления (потере) металла. В результате точечной коррозии появляются маленькие дырки на поверхности металла. Коррозия под напряжением наблюдается в определенных внешних средах, когда сплав подвергается механическому напряжению. Удаление (потеря) металла - это гальваническая коррозия между составными элементами сплава, в результате чего изменяется состав сплава, а из-за этого уменьшается и его прочность.

Таблица 3 - Коррозионностойкость сплавов

СплавыТочечнаяКоррозия под напряжениемУдаление (потеря) металла
МагниевыеSSNo
АлюминиевыеSSNo
СталиSSS
НикелевыеSASNo
Нержавеющие сталиSASNo
МедныеNoSS
ТитановыеSASANo

Примечание: S - некоррозионностойкий, SA - некоррозионностойкий только в агрессивных или особых условиях, No - в основном коррозионностойкий.

3. Подбор материалов по сопротивлению износу (износостойкости)

Износ - это прогрессирующая потеря материала с поверхности в результате контакта с другой поверхностью. Он имеет место вследствие скольжения или прокатки контактирующих поверхностей, при передвижении жидкостей и контактирующих частиц по поверхности. То есть износ является эффектом поверхности, обработка ее и покрытия на ней играют важную роль в улучшении сопротивления износу. В качестве средства защиты поверхности и, следовательно, уменьшения износа можно рассматривать смазку.

Мягкие стали обладают низкой износостойкостью. Однако увеличение содержания углерода увеличивает ее. У поверхностно закаленных углеродистых или низколегированных сталей улучшается износостойкость в результате обработок поверхности, таких, как науглероживание или цианирование. Одинаково высокую износостойкость дает азотирование средненауглеро-женных хромистых или хромоалюминиевых сталей или поверхностное упрочнение высокоуглеродистых, высокохромистых сталей. Серый литейный чугун имеет достаточную износостойкость для многих сфер приложения, наилучшую - дают белые чугуны. Среди нежелезных сплавов наивысшую износостойкость показывают бериллиевые меди и сплавы на основе кобальта, такие, как стеллит.

Металлические материалы, применяемые для рабочих поверхностей подшипников, требуют высоких твердости и сопротивления износу при низком коэффициенте сцепления. Одновременно они должны быть достаточно крепкими. В основном это требование встречается в случае применения мягких или твердых сплавов, в которые вкраплены твердые частицы. Мягкий сплав, обладающий текучестью, приспосабливается к некоторому локальному высокому давлению, появляющемуся из-за незначительных смещений от оси при запуске подшипника в ход, в то время как твердые частицы обеспечивают сопротивление износу. К таким материалам относятся белые подшипниковые металлы и подшипниковые металлы на основе меди и алюминия. Основными материалами белых подшипниковых металлов служат олово и свинец. Материалы с оловом в основе известны как баббитовые металлы. Это сплавы олово-сурьма-медь, возможно, с некоторым количеством свинца. Наличие твердых частиц обеспечивают соединения сурьма- олово и медь-олово. Материалы на основе свинца - это сплавы свинец-сурьма-олово с соединениями сурьма-олово, обеспечивающими твердые частицы. Главные подшипниковые металлы на основе меди содержат фосфорные бронзы с 10-15% олова и сплавы медь-олово. Главными алюминиевыми подшипниковыми материалами являются сплавы алюминий-олово.

Самосмазывающиеся пластики, например нейлон 6.6 со смазывающей добавкой 18% PTFE-2% кремния, оказывают очень хорошее сопротивление износу и широко применяются для сфер, где требуется низкий износ, например, таких, как подшипники и зубчатые передачи.