Коррозионностойкие и жаростойкие материалы
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Защита сельскохозяйственной техники от коррозии» студентами института управления инженерными системами, обучающимися по направлению 35.03.06 «Агроинженерия» (уровень бакалавриата).
Дисциплина «Защита сельскохозяйственной техники от коррозии» включена в обзор изучаемых дисциплин, утвержденный советом института управления инженерными системами, как дисциплина по выбору студента вариативной части профессионального цикла дисциплин подготовки студентов по направлению 35.03.06 «Агроинженерия» (профиль «Технические системы в агробизнесе»).
В результате изучения курса «Защита сельскохозяйственной техники от коррозии» студент должен приобрести знания, которые помогут ему решать многочисленные инженерные проблемы, возникающие при эксплуатации и ремонте сельскохозяйственной техники и технологического оборудования для производства и первичной переработки продукции растениеводства и животноводства.
Студент должен знать: теорию коррозионных процессов, наиболее характерных для сельскохозяйственного производства; закономерности рационального выбора и применения существующих методов и средств противокоррозионной защиты сельскохозяйственной техники; состав, свойства, технологии нанесения различных защитных антикоррозионных покрытий.
Студенты должны уметь: оценивать и прогнозировать состояние материалов и причин отказов деталей под воздействием на них различных эксплуатационных факторов; выбирать на практике подходящее защитное покрытие в зависимости от многообразных условий эксплуатации и хранения сельскохозяйственной техники.
Реализация в дисциплине «Защита сельскохозяйственной техники от коррозии» требований ФГОС ВПО, ООП ВПО и учебного плана по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» должна формировать следующие компетенции:
- ОПК-2 – способность к использованию основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности;
- ОПК-5 – способность обоснованно выбирать материал и способы его обработки для получения свойств, обеспечивающих высокую надежность детали.
В предлагаемом учебном пособии представлен основной теоретический материал и методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Защита сельскохозяйственной техники от коррозии».
Для проверки полученных знаний по каждой из тем предложены контрольные вопросы и образцы тестовых заданий.
Глава I.
Общие сведения о коррозии.
коррозионностойкие и жаростойкие материалы
В наши дни защита металлов от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем мирового народного хозяйства.
Цель курса «Защита сельскохозяйственной техники от коррозии» – более подробное изучение студентами вопросов, связанных как с теорией коррозионных процессов, наиболее характерных для сельскохозяйственного производства, так и с практикой рационального выбора и применения существующих методов и средств противокоррозионной защиты сельскохозяйственной техники.
Коррозией (от лат. corrodere – разъедать, разрушать) называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.
Согласно международному стандарту ISO 8044 под коррозией понимают физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.
Обычно рассматривают коррозию металлических материалов. Однако это явление характерно не только для металлов и сплавов, аналогичные процессы могут происходить и в неметаллических материалах – пластмассах, керамике.
Коррозия влияет на все аспекты жизни, покушается на наш доход и влияет на нашу безопасность. Изделия и материалы, с которыми человек повседневно имеет дело – автомобили, дороги, мосты, жилые здания, водопроводы подвергаются постоянным коррозионным атакам, и этот процесс нельзя оставить неконтролируемым.
Сегодня в мире существует лишь 30 % металлофонда, произведенного за всю историю человечества. Остальные миллиарды тонн исчезли, в основном, по причине коррозии. Экономисты в разных странах постоянно делают попытки оценить ущерб от коррозии для народного хозяйства.
Ущерб, причиняемый коррозией, может быть прямым и косвенным.
Прямой ущерб включает в себя стоимость замены подвергшихся коррозии частей машин, трубопроводов, устройств.
Косвенный ущерб от коррозии связан с простоем оборудования в результате аварий, ухудшением качества продукции, например, в результате ее загрязнения, увеличением расхода топлива, материалов, энергии. Так, при выходе из строя химической аппаратуры не выпускается продукция, отказ в работе двигателей приводит к простою ценного оборудования, нарушение герметичности газо- и нефтепроводов делает возможным утечку ценного сырья. Если в результате коррозии водопроводной системы прекращается подача воды на завод, то ремонт водопровода будет стоить во много раз меньше, чем расходы, связанные с остановкой завода на несколько часов. В зависимости от страны и климатических условий суммарный ущерб, наносимый коррозией, достигает уровня 3…10 % валового продукта (в России 2,1 %). Так, убыток, наносимый коррозией народному хозяйству США, оценивается в 300 млрд. долларов в год или 1200 долл. в год на душу населения.
Проникновение в окружающую среду газа, нефти и других продуктов в результате коррозии приводит не только к материальным потерям, но и к угрозе жизнеобеспечения человека и природы. Если ущерб замены и ремонта оборудования можно хотя бы рассчитать, то ущерб окружающей среде не поддается расчету.
Защита сельскохозяйственной техники от коррозии способствует безаварийности и долговечности ее работы.
Убытки, причиняемые коррозией парку машин, занятых в сельском хозяйстве, исчисляются многими миллионами рублей. Они включают в себя как прямые, так и косвенные расходы. К прямым относятся расходы на материалы для ремонта, к косвенным – потери от вынужденных простоев машин и снижение их эксплуатационных возможностей до их полного выхода из строя (например, на 25 % снижается мощность поршневых двигателей, у которых поражены коррозией зеркала цилиндров, расход масла увеличивается на 50...80 %, а сроки службы двигателей сокращаются вдвое).
Особенностью сельскохозяйственной техники является сезонность ее использования. В период длительного хранения (без консервации) под действием влаги, солнечных лучей, ветра, колебаний температуры и других факторов происходят разрушения и деформация ряда деталей и покрытий, возникают неисправности, которые иногда трудно обнаружить даже после разборки во время ремонта. Коррозия подшипников качения, прецизионных деталей топливной аппаратуры и гидросистемы, шлифовальных поверхностей валов, цилиндров и других деталей обнаруживается только во время работы, вызывая длительные простои машин.
Многие исследователи считают, что 50 % простоев сельскохозяйственной техники в период сезонных работ (посева, уборки урожая) связано с коррозией деталей в период межсезонного хранения на открытых площадках. Особенно сильно разрушаются тонколистовая сталь, удельная масса которой в конструкциях сельскохозяйственных машин очень велика, а также рабочие органы машин, резьбовые соединения, сварные швы, внутренние поверхности емкостей из-под ядохимикатов и удобрений. Так, усталостная прочность тонколистовых сталей марок Ст3 и 08 при коррозионных поражениях за один год может снижаться на 35...40 %, а износостойкость сопрягаемых деталей из сталей 45 и 20, чугуна СЧ18 и стали 20 при коррозии может снизиться в 1,5...4 раза.
На развитие коррозии оказывают влияние условия, в которых работают сельскохозяйственные машины. Наиболее агрессивно влияют черноземы и болотистые почвы, сточные воды, особенно с высоким содержанием навоза, соки трав и зерновых культур и т. д. В наиболее опасных условиях находятся машины для внесения удобрений, гербицидов и ядохимикатов. Частички этих веществ, растворенные в атмосферной влаге, образуют электролиты (кислоты и соли), вызывающие сильную коррозию. Поэтому так быстро выходят из строя туковысевающие аппараты, тукопроводы, емкости и аппаратура для внесения аммиачных удобрений и другие детали. Срок службы этих машин нередко в 3...4 раза меньше срока службы тракторов. Создание механизированных животноводческих ферм и комплексов расширило сферу применения различных видов металлических конструкций, стационарного и мобильного оборудования, электротехнических и других изделий, находящихся в жестких в коррозионном отношении условиях. Этому способствует насыщенность окружающего воздуха аммиаком, углекислым газом, сероводородом и высокая влажность в помещениях. На комбайны, плуги, сеялки, культиваторы также постоянно действуют атмосферные разрушающие факторы, так как эти машины эксплуатируются и хранятся в большинстве хозяйств под открытым небом.
В условиях эксплуатации, хранения и ремонта машин большое значение в сохранении сельскохозяйственной техники имеют правильный выбор и применение противокоррозионных средств, и прежде всего разного рода защитных покрытий, которые должны не только надежно защищать от коррозии металлические рабочие поверхности, но и не требовать больших затрат при нанесении и обеспечивать минимальные трудозатраты при расконсервации. В последние годы предложен целый ряд эффективных противокоррозионных средств, к которым относятся новые атмосферостойкие грунты и эмали (МС-0141, 11Ф-042, ПФ-И26, ПФ-1127, КО-198, ВН-30 и др.), тонкопленочные ингибированные покрытия (ЛСП, ВАП-2, НГ-216 и др.), модификаторы ржавчины (МС-0152 и др.), восковые составы (автоконсервант, ПЭВ-74 и др.), рабочеконсервационные масла и т. д.
Одним из наиболее перспективных методов консервации сельскохозяйственной техники является применение летучих ингибиторов, которые позволяют снизить затраты на противокоррозионную защиту в 5...10 раз по сравнению с применявшимися ранее материалами при одновременном повышении длительности и эффективности защиты.
Большое внимание следует уделять подготовке поверхности перед нанесением защитных покрытий. Определено, что в 60...70 % случаев преждевременного выхода из строя покрытий причиной является плохая очистка металлической поверхности.
В последнее время для снижения затрат на защиту от коррозии и подготовку поверхности под лакокрасочные покрытия широко применяют различные виды модификаторов ржавчины. Используя некоторые из них, можно миновать стадию механической подготовки поверхности. Применение модификаторов ведет к значительному сокращению трудоемкости подготовки поверхности, улучшению качества ее обработки, адгезии ЛКП (лакокрасочного покрытия) к металлу, а главное – замедляет процесс коррозии.
От всех видов коррозии техника может быть защищена применением специальных материалов. Существуют два способа защиты техники от коррозии с применением материалов специального назначения, воздействующих на окружающую среду и на металл. Как правило, в сельскохозяйственном машиностроении не используют материалы специального назначения из-за их высокой стоимости. Поэтому на среду воздействуют следующим образом: герметизируют полости машин и тракторов (полностью или частично); осушают воздух (с применением селикагеля, активированного угля); создают искусственные среды (легколетучими нейтрализующими добавками, легколетучими ингибиторами, фунгицидами, деаэрацией водных и влажных сред, например в системе водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания). Воздействие на металл заключается в механической обработке металлоконструкций, очистке их с последующим нанесением защитных смазок, составов и покрытий.
ТЕМА 1. Типы коррозии
Классификация коррозионных процессов дает представление об их многообразии и позволяет выделить те их них, которые характерны для машин и механизмов, применяемых в сельском хозяйстве.
Коррозию различают:
- по механизму взаимодействия металла со средой (типы коррозии);
- по условиям ее протекания и характеру коррозионного разрушения (виды коррозии).
Таким образом, по механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию (типы коррозии).
Химическая коррозия
Химическая коррозия – процесс взаимодействия металла со средой, не проводящей электрического тока. Это могут быть газы при высокой температуре или жидкости, являющиеся неэлектролитами.
При химической коррозии металлы и сплавы разрушаются без электрического тока, а продукты коррозии, как правило, остаются на поверхности прокорродировавшего металла и сплава.
Примером химической коррозии может служить взаимодействие металла с кислородом, особенно при высоких температурах, галогенами, сероводородом, сернистым газом и т. д. (окисление при высоких температурах металлической арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, поршней и колец двигателей, элементов электронагревателей). По химическому механизму протекает и коррозия металлов в жидкостях, не проводящих электрического тока, но способных химически взаимодействовать с металлом (спирте, бензине, мазуте и т. п.). Например, металлы могут разрушаться в полностью обезвоженной нефти и продуктах ее переработки, если в среде находятся соединения, химически взаимодействующие с данным металлом: сероводород, серосодержащие продукты и т. д.
В процессе химического разрушения на поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии, обычно окислов. В некоторых случаях эта пленка предохраняет лежащий под нею металл от дальнейшей коррозии, то есть делает его более пассивным по отношению к окружающей среде. Необходимым условием защиты металла от последующей химической коррозии является образование на поверхности металла сплошной и плотной пленки, которая защищает (пассивирует) металл от дальнейшего разрушения. Сравнительно плотные окисные пленки образуются на поверхности алюминия, свинца, олова, никеля и хрома. Рыхлые окисные пленки возникают в ходе окисления бария, кальция и магния.
На стальных изделиях при температурах 200…300 °С появляется видимая пленка окислов, которая растет с повышением температуры. До 600 °С скорость коррозии углеродистой стали очень мала, но при дальнейшем повышении температуры скорость окисления металла резко повышается, и защитное действие пленки прекращается. Легированные стали можно нагревать без заметного окисления до более высоких температур.
Алюминий при высоких температурах покрывается тонкой плотной пленкой, устойчивой до температуры плавления. Эти свойства алюминия используют и добавляют его в качестве легирующей добавки в другие сплавы. Медь окисляется на воздухе и образует пленку, которая предохраняет ее от дальнейшего окисления.
Сплавы на основе никеля хорошо сопротивляются газовой коррозии и обладают высокой жаропрочностью.