Erozja i korozja w inżynierii mechanicznej

Korozja i erozja wpływają na żywotność i wydajność komponentów. Ale jaka jest różnica między erozją a korozją? Jakie rodzaje są dostępne? Jak można przeciwdziałać tym siłom? Poniższy artykuł analizuje to bardziej szczegółowo.

Jaka jest różnica między erozją a korozją?

W codziennym życiu te dwa terminy erozja i korozja są często mylone, ale oba oznaczają dwie zupełnie różne koncepcje: erozja odnosi się do usuwania materiału, a tym samym do zmiany fizycznej, podczas gdy korozja jest przede wszystkim zmianą spowodowaną przez reakcję chemiczną. W kontekście inżynierii mechanicznej erozja oznacza, że na przykład mechaniczne oddziaływanie cząstek erozji na powierzchnię elementu prowadzi do uszkodzenia lub ścierania materiału powierzchniowego. Powstałe uszkodzenia mogą być mikroskopijnie małe, ale także makroskopowe w przyrodzie, czyli widoczne gołym okiem. Ścieranie jest formą erozji i oznacza proces usuwania materiału z twardej powierzchni poprzez tarcie z innym partnerem ciernym. Partnerami tarcia mogą być małe cząstki w płynącym gazie, ale także płynące ciecze lub ocierające się ciała stałe. Usunięty materiał określa się jako ścieranie.

Korozja, z drugiej strony, opisuje reakcję chemiczną lub elektrochemiczną materiału na podstawie interakcji ze środowiskiem, co prowadzi do zmiany materiału aż do jego zniszczenia. Erozja może być warunkiem wstępnym korozji, takiej jak erozja. W tym szczególnym przypadku usunięcie (erozja) ochronnej folii tlenkowej na powierzchni metalu powoduje atak żrący na obecnie odsłoniętą powierzchnię dotkniętych obszarów.

Niektóre metale i stopy metali, takie jak żelazo lub stal, są podatne na korozję, co może prowadzić do całkowitego zniszczenia. Inne korozyjne stopy metali korodują na ich powierzchni i tworzą warstwę tlenoszczelnego tlenku, co zapobiega głębszej korozji. Na przykład nieobrobione aluminium lub miedź są podatne na korozję spowodowaną wilgocią i solami. Reagują z wilgocią i tlenem środowiska i tworzą ochronną warstwę tlenku na powierzchni materiału, która następnie chroni przed dalszą korozją.

Zarówno korozja, jak i erozja są poważnym problemem w wielu branżach i prowadzą do zużycia materiału i wysokich kosztów konserwacji.

Korozja w szczegółach

Norma DIN EN ISO 8044 definiuje korozję jako reakcję materiału z jego środowiskiem. Reakcja ta powoduje wymierną zmianę materiału i może prowadzić do upośledzenia funkcjonalnego. Reakcja ta ma zwykle charakter elektrochemiczny, ale może również mieć przyczyny chemiczne lub metalo-fizyczne. Norma dodatkowo rozróżnia uszkodzenia korozyjne i naprężenia korozyjne:

• Uszkodzenie korozyjne: uszkodzenie materiału spowodowane reakcjami chemicznymi lub elektrochemicznymi ze środowiskiem. Powstają produkty korozji, które osłabiają materiał, np. Korozja powierzchni lub korozja szczelin.
• Naprężenia korozyjne: Zanieczyszczenie materiału z powodu korozyjnych warunków środowiskowych. Naprężenie to może być zwiększone przez takie czynniki, jak wilgotność, zawartość soli, temperatura i wpływy chemiczne. Naprężenia korozyjne sprawiają, że materiały są bardziej podatne na uszkodzenia korozyjne, zwłaszcza przy dodatkowych naprężeniach mechanicznych.

Objawy korozji

Istnieją różne etapy lub wyglądy korozji:

• Na powierzchni nie widać żadnych zmian: nie powstały żadne produkty uboczne korozji lub złogi powierzchniowe są w zakresie nanometrów; dalsza degradacja jest zatem mało prawdopodobna.
• Powierzchnia jest odbarwiona, w przeciwnym razie nie ma zmian: na powierzchni widoczne są produkty uboczne korozji, ale w przeciwnym razie korozja nie postępuje dalej. Odbarwienie ma grubość kilkudziesięciu 10 nm rdzy.
• Postępująca korozja: produkty uboczne korozji nie przylegają mocno do powierzchni, w ten sposób stale narażając powierzchnię na środowisko wywołujące korozję. Jest to zauważalne przez łuszczenie się rdzy, np. w stali niestopowej narażonej na deszcz lub wiatr.
• Brak tworzenia się rdzy, postępująca korozja: Produkty uboczne korozji rozpuściły się w środowisku, ale korozja postępuje, np. gdy metal wchodzi w kontakt z kwasem.

Rodzaje korozji

Korozja może być sklasyfikowana w zależności od rodzaju mechanizmów reakcji: Korozja chemiczna, korozja elektrochemiczna i korozja metalo-fizyczna.

• Korozja chemiczna: Korozja chemiczna występuje, gdy metale i inne materiały reagują ze swoim środowiskiem, w szczególności z tlenem, wodą lub agresywnymi chemikaliami, a następnie są rozkładane i niszczone.
• Korozja elektrochemiczna: Korozja elektrochemiczna jest wywoływana przez obecność elektrolitu, np. korozja międzykrystaliczna.
• Korozja metalo-fizyczna: Korozja metalo-fizyczna występuje, gdy zjawiska fizyczne prowadzą do korozji.

Odporność na korozję i ochrona przed korozją

Odporność na korozję jest właściwością materiału, która zależy od następujących czynników, takich jak:

• Skład materiału
• Obróbka powierzchni
• Elementy ze stopu metali lekkich

Idealnie, odpowiednie komponenty mają wysoką odporność na korozję. Istnieją jednak również inne opcje ochrony przed korozją.

W poniższej tabeli przedstawiono efekty testu spryskiwania słoną wodą. JIS H8502 na prostym liniowym łożysku kulkowym z kołnierzem:

Erozja w szczegółach

Erozja jest szczególnie ważna, gdy maszyny i komponenty są narażone na ekstremalne obciążenia. Kształt i kąt ataku padających cząstek również wpływa na efekt zużycia. Własność materiału również odgrywa pewną rolę. Kruche materiały zachowują się inaczej niż ciągliwe. Dla szkła jako kruchego materiału, na przykład, wrażliwość na zużycie wzrasta wraz z kątem ataku, to dosłownie odpryski. W przypadku materiałów plastycznych zużycie wzrasta pod kątem ataku do 25°, ale następnie szybko spada.

Oto kilka przykładów możliwych rodzajów awarii różnych materiałów:

• 1 – ciągliwy, miękki
• 2 – ciągliwy, miękki, powlekany
• 3 – kruchy

W przypadku materiałów kruchych mogą wystąpić różne tryby pękania w zależności od struktury materiału, kształtu i energii uderzenia cząstki uderzającej oraz różnych kątów uderzenia:

• 1 - Pęknięcie stożkowe
• 2 - Rozerwanie promieniowe
• 3 - Pęknięcie boczne

Erozja jako proces produkcyjny polegający na usuwaniu materiału

Erozję można również wykorzystać do uzyskania pozytywnego efektu, np. przez erozję iskrową. Erozja iskrowa to proces usuwania, wytwarzania termicznego. Opiera się na procesach wyładowań elektrycznych i dlatego nadaje się tylko do materiałów przewodzących. Narzędzie elektrod zanurzone w dielektryku jest zasilane napięciem DC, a następnie kierowane w kierunku materiału przewodzącego. Powoduje to wyładowania w postaci iskier, które powodują wysokie temperatury do 1200°C. Materiał przedmiotu obrabianego jest topiony, a usunięte cząstki materiału są wypłukiwane w cieczy. Złożone kształty geometryczne o wysokiej jakości powierzchni mogą być wytwarzane przez erozję iskrową. Die-sinking, jako podtyp erozji iskrowej, wykorzystuje narzędzie, które reprezentuje negatyw struktury, która ma być wyprodukowana. Ta metoda jest stosowana głównie do różnych formowanych części.

Erozja cząstek jest kolejnym sposobem na celowe wykorzystanie erozji w inżynierii mechanicznej. Erozja cząstek występuje, gdy małe cząstki stałe (np. piasek) są napędzane na powierzchnię elementu. Powoduje to ścieranie i utratę materiału.

Ochrona przed korozją i erozją

Istnieją różne rodzaje ochrony przed korozją i erozją. Podstawową zasadą jest to, że właściwości są dodawane do materiału, który ma być chroniony, aby uczynić go bardziej odpornym na erozję i / lub korozję. Wydłuża to również okres eksploatacji. Jednak dodatkowa ochrona przed erozją jest często droższa niż po prostu wymiana elementu i dlatego należy ją dokładnie rozważyć. Ochrona przed erozją i korozją można podzielić na pasywne i aktywne zabezpieczenie przed erozją lub korozją.

Pasywną ochronę przed korozją uzyskuje się na przykład za pomocą środków chroniących przed korozją, które chronią powierzchnie metalowe jako powłokę. Powłoka ochronna jest często nakładana jako operacja końcowa. Typowe metody obejmują natryskiwanie termiczne i powlekanie polimerowe:

• Natryskiwanie termiczne: Natryskiwanie termiczne polega na rozpylaniu materiałów dodatkowych na powierzchnię jako cząstek natrysku, które następnie są osadzane na powierzchni warstwami w celu utworzenia warstwy natrysku. Głównym zastosowaniem natryskiwania termicznego jest ochrona przed korozją i zużyciem. Obciążenie termiczne tej metody jest bardzo niskie. Podtypy to natryskiwanie łukowe, natryskiwanie plazmowe i natryskiwanie płomieniem.
• Powłoka polimerowa: Powłoka polimerowa obejmuje powlekanie narzędzia warstwą materiału polimerowego. Powłoki polimerowe są szczególnie elastyczne. Redukują one ścieranie i są również stosowane jako ochrona przed korozją i zużyciem. Dostępne są następujące opcje: Powłoka proszkowa, powłoka plazmowa do bardzo cienkich powłok, powłoka mokra, powłoka próżniowa.

Aktywna ochrona antykorozyjna jest stosowana głównie na niedostępnych przedmiotach, np. kablach lub rurach zanurzonych lub podziemnych. Aktywną ochronę przed korozją można uzyskać poprzez dodanie inhibitora korozji lub polaryzację elektrochemiczną. Rozróżnia się ochronę anodową i katodową:

• Katodowa: metal, który ma być chroniony, jest połączony jako katoda z dodatnio naładowaną anodą (np. metalem nieszlachetnym, takim jak cynk) za pomocą prądu zewnętrznego. Zewnętrzne źródła prądu można nawet pominąć, gdy magnez jest używany jako anoda. Elektrody są skierowane w stronę materiału, który ma być chroniony i są wchłaniane przez ten ostatni. Powstaje prąd ochronny, który zapobiega rdzewieniu.
• Anodowa: na metalach, które generują produkty korozji lub utleniania, produkty te są stosowane jako warstwa ochronna, aby zapobiec dalszemu atakowi.