Eroziune și coroziune în ingineria mecanică

Coroziunea și eroziunea afectează durata de viață și performanța componentelor. Dar care este de fapt diferența dintre eroziune și coroziune? Ce tipuri există? Și cum pot fi contracarate aceste forțe? Următorul articol examinează acest aspect mai în detaliu.

Care este diferența dintre eroziune și coroziune?

Așa cum sunt utilizați în viața de zi cu zi, cei doi termeni eroziunea și coroziunea sunt adesea confundați, dar ambele reprezintă două concepte complet diferite: eroziunea se referă la îndepărtarea materialului și, astfel, la o schimbare fizică, în timp ce coroziunea este în principal o schimbare cauzată de o reacție chimică. În contextul ingineriei mecanice, eroziunea înseamnă că, de exemplu, efectul mecanic al particulelor erozive asupra suprafeței unei componente duce la deteriorarea sau abraziunea materialului suprafeței. Deteriorarea rezultată poate fi mică, de nivel microscopic, dar și macroscopică, adică vizibilă cu ochiul liber. Abraziunea este o formă de eroziune și denotă procesul de îndepărtare a materialului de pe o suprafață solidă prin frecare cu un alt partener de frecare. Partenerii de fricțiune pot fi particule mici dintr-un gaz care curge, dar și lichide sau solide care prezintă frecare. Materialul îndepărtat este denumit abraziune.

Pe de altă parte, coroziunea descrie o reacție chimică sau electrochimică a materialului pe baza unei interacțiuni cu mediul, ceea ce duce la o schimbare a materialului până la distrugerea acestuia. Eroziunea poate fi o condiție prealabilă pentru coroziune, cum ar fi coroziunea erozivă. În acest caz special, îndepărtarea (eroziunea) peliculei de oxid de protecție de pe suprafața metalului cauzează apariția unui atac coroziv pe suprafața expusă acum a zonelor afectate.

Unele metale și aliaje metalice, cum ar fi fierul sau oțelul, sunt susceptibile la coroziune, ceea ce poate duce la distrugerea completă. Alte aliaje metalice corozive se corodează pe suprafața lor și formează o peliculă de oxid etanșă la oxigen, care previne coroziunea mai profundă. De exemplu, aluminiul sau cuprul netratat este susceptibil la coroziune din cauza umezelii și a sărurilor. Acestea reacționează cu umezeala și oxigenul din mediu și formează o peliculă protectoare de oxid pe suprafața materialului, care apoi protejează împotriva coroziunii suplimentare.

Atât coroziunea, cât și eroziunea reprezintă o problemă majoră în multe domenii și duc la uzura materialelor și la costuri ridicate de întreținere.

Coroziunea în detaliu

DIN EN ISO 8044 definește coroziunea ca fiind reacția unui material cu mediul său. Această reacție cauzează o modificare cuantificabilă a materialului și poate duce la o afectare funcțională. Această reacție este de obicei de natură electrochimică, dar poate avea și cauze chimice sau metalo-fizice. Standardul face diferența între deteriorarea cauzată de coroziune și stresul cauzat de coroziune:

• Deteriorarea prin coroziune: deteriorarea materialului din cauza reacțiilor chimice sau electrochimice cu mediul. Se formează produse de coroziune care slăbesc materialul, de ex., coroziunea suprafeței sau coroziunea lacunelor.
• Stresul de coroziune: Contaminarea materialului din cauza condițiilor de mediu corozive. Acest stres poate fi crescut de factori precum umiditatea, conținutul de sare, temperatura și influențele chimice. Stresul de coroziune face materialele mai susceptibile la deteriorarea cauzată de coroziune, în special în cazul solicitărilor mecanice suplimentare.

Simptome de coroziune

Există diferite stadii sau apariții ale coroziunii:

• Nu se pot observa modificări la suprafață: nu s-au format produse secundare de coroziune sau depunerile de pe suprafață incidentă se află în interval nanometric; prin urmare, degradarea ulterioară este puțin probabilă.
• Suprafața este decolorată, fără alte modificări: pe suprafață se pot vedea produse secundare de coroziune, dar coroziunea nu progresează în alt mod. Decolorarea are o grosime mai mare de 10 nm de formare a ruginii.
• Coroziune progresivă: produsele secundare anticorozive nu aderă ferm la suprafață, expunând astfel continuu suprafața la mediul de producere a coroziunii. Acest lucru se observă prin rugină descuamată, de ex., în oțelurile nealiate expuse la ploaie sau vânt.
• Fără formarea ruginii, coroziune progresivă: Produsele secundare de coroziune s-au dizolvat în mediu, dar coroziunea continuă să progreseze, de exemplu, atunci când metalul intră în contact cu acidul.

Tipuri de coroziune

Coroziunea poate fi clasificată în funcție de tipul de mecanisme de reacție: Coroziune chimică, coroziunea electrochimică și coroziunea metalo-fizică.

• Coroziune chimică: Coroziunea chimică apare atunci când metalele și alte materiale reacționează cu mediul lor, în special cu oxigenul, apa sau substanțele chimice agresive, iar apoi sunt descompuse și distruse.
• Coroziune electrochimică: Coroziunea electrochimică este declanșată de prezența unui electrolit, de ex., coroziune intercristalină.
• Coroziune metalo-fizică: Coroziunea metalo-fizică apare atunci când fenomenele fizice duc la coroziune.

Rezistență la coroziune și protecție anticoroziune

Rezistența la coroziune este o proprietate a materialelor care depinde de următorii factori, de exemplu:

• Compoziția materialului
• Tratamentul de suprafață
• Elementele din aliaj

În mod ideal, componentele relevante au o rezistență ridicată la coroziune. Cu toate acestea, există și alte opțiuni de protecție împotriva coroziunii.

Următorul tabel prezintă efectele jetului de apă sărată în conformitate cu JIS H8502 pe un lagăr cu bile liniar simplu cu flanșă:

Eroziune în detaliu

Eroziunea este deosebit de importantă atunci când mașinile și componentele sunt supuse la sarcini extreme. Forma și unghiul de atac al particulelor incidentale influențează, de asemenea, efectul uzurii. Proprietatea materialului joacă, de asemenea, un rol. Materialele fragile se comportă diferit față de cele ductile. Pentru sticlă ca material friabil, de exemplu, sensibilitatea la uzură crește odată cu unghiul de atac, aceasta se așchiază literalmente. Pentru materialele ductile, uzura crește la un unghi de atac de până la 25°, dar apoi scade din nou rapid.

Iată câteva exemple de moduri de defectare posibile ale diferitelor materiale:

• 1 - Ductil, moale
• 2 - Ductil, moale, acoperit
• 3 - Friabil

Pe materialele casante, pot rezulta diferite moduri de fracturare în funcție de structura materialului, forma și impactul energiei particulei de impact și unghiurile de impact diferite:

• 1 - Ruptură conică
• 2 - Ruptură radială
• 3 - Ruptură laterală

Eroziunea ca proces de fabricație care elimină materialul

Eroziunea poate fi utilizată și pentru un efect pozitiv, de ex., prin eroziunea cauzată de scânteie. Eroziunea cauzată de scânteie este un proces de îndepărtare, de producție termică. Aceasta se bazează pe procesele de descărcare electrică și, prin urmare, este potrivită numai pentru materialele conductoare. Un instrument cu electrod scufundat într-o baie dielectrică este alimentat cu tensiune c.c. și apoi ghidat către un material conductor. Acest lucru duce la descărcări sub formă de scântei, care duc la temperaturi ridicate de până la 1200 °C. Materialul piesei de prelucrat este topit și particulele de material îndepărtate sunt spălate în lichid. Formele geometrice complexe cu o calitate superioară a suprafeței pot fi produse prin eroziunea cauzată de scântei. Electroeroziunea, ca subtip de eroziune cauzată de scânteie, utilizează un instrument care reprezintă un negativ al structurii care urmează să fie produsă. Această metodă este utilizată în principal pentru diverse piese turnate.

Eroziunea cu particule este un alt mod de a utiliza în mod intenționat eroziunea în ingineria mecanică. Eroziunea cu particulele apare atunci când particule mici și solide (de ex., nisip) sunt propulsate pe suprafața unei componente. Acest lucru duce la abraziune și pierderea materialului.

Protecție împotriva coroziunii și a eroziunii

Există diferite tipuri de protecție împotriva coroziunii și a eroziunii. Principiul de bază este că se adaugă proprietăți materialului care trebuie protejat pentru a-l face mai rezistent la eroziune și/sau coroziune. Acest lucru extinde și durata de viață. Cu toate acestea, protecția suplimentară împotriva eroziunii este adesea mai scumpă decât simpla înlocuire a componentei și, prin urmare, trebuie luată în considerare cu atenție. Protecția împotriva eroziunii și protecția anticorozivă pot fi clasificate în protecție pasivă și activă împotriva eroziunii sau a coroziunii.

Protecția pasivă împotriva coroziunii se obține, de exemplu, prin agenți de protecție anticorozivă care protejează suprafețele metalice ca strat de acoperire. Un strat de protecție este adesea aplicat ca o operațiune finală. Metodele uzuale includ pulverizarea termică și acoperirea cu polimer:

• Pulverizarea termică: Pulverizarea termică implică pulverizarea de materiale aditive pe suprafață sub formă de particule de pulverizare, care sunt apoi depuse pe suprafață în straturi pentru a forma stratul de pulverizare. Principala aplicație pentru pulverizare termică este protecția împotriva coroziunii și a uzurii. Sarcina termică a acestei metode este foarte scăzută. Pulverizarea cu arc electric, pulverizarea cu plasmă și pulverizarea cu flacără sunt subtipuri.
• Acoperire polimerică: Acoperirea polimerică implică acoperirea instrumentului cu un strat de material polimeric. Peliculele tribologice din polimer sunt în mod particular adaptabile. Acestea reduc abraziunea și sunt utilizate și ca protecție împotriva coroziunii și a uzurii. Sunt disponibile următoarele opțiuni: Acoperire cu pulbere, acoperire cu plasmă pentru straturi foarte subțiri, acoperire umedă, acoperire în vid.

Protecția anticorozivă activă este utilizată în principal pe piesele de prelucrat inaccesibile, de ex., cabluri sau conducte scufundate sau subterane. Protecția activă împotriva coroziunii poate fi obținută prin adăugarea unui inhibitor de coroziune sau prin polarizare electrochimică. Se face distincție între protecția anodică și cea catodică:

• Catodică: metalul care trebuie protejat este conectat ca un catod cu un anod încărcat pozitiv (de ex., un metal neprețios, cum ar fi zincul) prin intermediul curentului extern. Sursele externe de curent pot fi omise chiar și atunci când magneziul este utilizat ca anod. Electrozii sunt direcționați către materialul ce trebuie protejat și sunt absorbiți de acesta din urmă. Se creează un curent de protecție care previne ruginirea.
• Anodică: pe metalele care generează produse de coroziune sau oxidative, aceste produse sunt utilizate ca strat protector pentru a preveni atacurile ulterioare.