В прошлом номере журнала мы объявили о начале публикации серии статей по борьбе с коррозией. Но сначала давайте разберемся, что это за явление такое - коррозия?

Терминология

Повторение - не только «мать учения», но и неизбежный спутник тематических публикаций. Поэтому, договариваясь о терминологии и переходя к формальным определениям, мы не избежим некоторых повторений сказанного ранее - в частности, в №№ 3/1999 и 6/2000.

Итак, что такое - коррозия металлов? Это слово происходит от латинского «corrodo - грызу». В литературе встречаются ссылки и на поздне-латинское «corrosio - разъедание». Но так, или иначе, коррозия - это процесс разрушения металлов в результате химического и электрохимического взаимодействия с внешней средой.

Мы не зря подчеркнули слово процесс в определении коррозии. Дело в том, что многие водители и механики в бытовых и даже в профессиональных разговорах частенько отождествляют термины «коррозия» и «ржавчина». Однако это не синонимы, разница в следующем.

Слово «коррозия» применимо ко всем металлам (включая цветные) и сплавам, а также бетону и некоторым пластмассам. А ржавчина - это результат коррозионного процесса, и сей термин относится только к железу, входящему в состав сталей и чугунов. И говоря «ржавеет», мы подразумеваем, что ржавеет (корродирует) именно железо, входящее в состав сплава.

Столь подробное разъяснение тривиальных, в общем-то, вещей, приводится с единственной целью: подчеркнуть, что бороться надлежит именно с коррозией. Иными словами, не с результатом, а с процессом, на что и нацелены все современные системы антикоррозионной защиты. И чем раньше начата эта борьба, тем дольше проживет автомобильный кузов.

И еще. В определении коррозии мы также подчеркнули слова химического и электрохимического взаимодействия. Это тоже не зря. В упомянутых беседах, а также в некоторых публикациях, включая рекламные, встречается мнение, что коррозия - процесс сугубо химический. Дескать, окисление кислородом воздуха и все тут. Это далеко не так - едва ли не главную роль в разрушении автомобильного кузова играют электрохимические процессы, и мы подробно поговорим об этом ниже. А пока немного истории.

«От Ромула до наших дней...»

Коррозия отравляет жизнь человечеству уже давно. Еще в первом веке нашей эры римский ученый Плиний-старший писал: «На железо обрушилась месть человеческой крови... Оно ржавеет быстрее, когда соприкасается с нею».

Немало воды утекло с момента высказывания Плиния. А сколько железа превратилось в бурый порошок! Зато процесс коррозии металлов получил теоретическое объяснение, правда, не сразу.

Например, Лавуазье рассматривал коррозию железа как процесс простого окисления - прямо как некоторые наши современники, упомянутые в предыдущем разделе. Однако и великие иногда ошибаются - в 1837 г. М. Пайен показал, что при температуре ниже 200oС в атмосфере сухого кислорода (то есть среде, не содержащей водяные пары) железо практически не ржавеет! Значит, дело не только в наличии кислорода?

Волей-неволей от взглядов Лавуазье на коррозию пришлось отказаться. Но что предложить взамен, ведь «природа на терпит пустоты»? Какое-то время механизм коррозии увязывали с кислотностью соприкасающейся с железом среды. И лишь электрохимическая теория коррозии металлов смогла объяснить все тонкости этого коварного процесса.

В заключение этого раздела отметим, что в результате коррозии по разным данным теряется от 10 до 25% мировой добычи железа. Значит, железная руда, изначально сконцентрированная в земной коре, в поте лица добытая и искусно переработанная в чугун и сталь, безвозвратно рассеивается, распыляется по всему белому свету. И не борясь с коррозией, мы наказываем не только себя, любимых, но и потомков своих, оставляя их без ценнейшего конструкционного материала - железа. А оно, несмотря на успешные опыты с алюминиевыми сплавами и пластиками, пока что играет ведущую роль в производстве автомобильных кузовов.

Химическая коррозия

Итак, коррозия может быть химической и электрохимической. Их отличия в следующем: первая протекает в среде, не проводящей электрический ток, вторая - в водных растворах электролитов.

В документации некоторых фирм, производящих защитные антикоррозионные материалы, химическую коррозию иногда называют «сухой», а электрохимическую - «мокрой». Однако, следует знать, что в присутствии влаги, углекислого газа и кислорода воздуха химическая коррозия также активизируется.

В результате окислительных процессов на поверхности железных изделий образуется ржавчина, состоящая из слоя частично гидратированных оксидов железа. Формула ржавчины - Fe3O4 (или FeO•Fe2O3), а под действием кислорода во влажном воздухе образуется соединение Fe2O3•nH2O.

Слой этот хрупок и порист, поэтому не предохраняет сталь от дальнейшего корродирования. А вот оксидная пленка, образующаяся на поверхностях алюминиевых деталей, ведет себя иначе. Как известно из школьного курса химии, она отменно защищает алюминиевое изделие от коррозии.

Электрохимическая коррозия

В отличие от окислительных, процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики. Вспомним тот же курс химии, посмотрев на рис. 1.

Элементы, расположенные в указанном на схеме порядке, образуют электрохимический ряд напряжений металлов. Смысл его в следующем: металл, стоящий в этом ряду левее, способен вытеснить из растворов электролитов металл, стоящий правее. Поэтому глядя на рисунок, можно с уверенностью сказать, что железо будет вытеснять медь из раствора ее солей.

В электрохимический ряд напряжений металлов включен также водород. Казалось бы, зачем? А вот зачем: его положение показывает, какие металлы могут вытеснять водород из растворов кислот, а какие - нет. Так, железо вытесняет водород из растворов кислот, поскольку находится левее его. Медь же на такой подвиг не способна, так как находится правее. Из этого следует вывод: кислотные дожди для железа опасны, а для чистой меди - нет. Чего нельзя сказать о бронзе и других сплавах на основе меди: они содержат алюминий, олово и другие металлы, расположенные левее водорода.

Но вернемся к электрохимической коррозии как таковой. Все, в общем-то, просто: если в каком-либо узле имеется соединение двух металлов с различными потенциалами, то в присутствии электролита они образуют гальваническую пару. И чем дальше разнесены металлы в электрохимическом ряду напряжений, тем больше гальванический ток, активнее переход электронов и, соответственно, сильнее разрушения металла - какого? Правильно, «левого».

Проиллюстрируем это простым примером. Положим, в стальной автомобильной панели появилась медная заклепка. Она будет являться катодом, а стальной лист - анодом. Коррозионное разрушение железа в месте соединения обеспечено.

Итак, контакт данного «левого» металла с менее активным «правым» усиливает коррозию первого. Теперь понятно, почему цинковое покрытие защищает железо от коррозии, а поврежденное медное - усиливает его коррозионное разрушение в местах, медью не покрытых.

Покрытия слоем более активных металлов называют «безопасными», а слоем менее активных - «опасными». Безопасные покрытия давно и успешно применяют в мировом автомобилестроении. Это, в частности, оцинковка кузовных панелей и хромирование некоторых деталей.

Заканчивая этот раздел, еще раз подчеркнем, что автомобильный кузов подвергается действию обоих видов коррозии - химической и электрохимической. Но главная роль все же принадлежит электрохимическим процессам. Дело в том, что при относительной влажности воздуха более 60% на металлической поверхности образуется слой влаги, играющий роль электролита. А для средних широт показатель 60%, как правило, превышается в течение всего года.

Кроме того, в реальных условиях эксплуатации оба вида коррозии усиливаются неоднородностью металла, воздействием напряжений, деформаций, трения, износа и других факторов. Обо всем этом - в следующих разделах.

Что влияет на коррозию автомобильного кузова

1.Химический состав и структура металла

Если бы кузовные панели штамповались из технически чистого железа, их коррозионная стойкость была бы выше всяких похвал. Но по многим причинам это невозможно. В частности, применяющееся в электротехнической промышленности железо AРMKO (99,85% Fe), для автомобиля слишком дорого и недостаточно прочно. Хотя оно обладает великолепной пластичностью и ржавеет крайне неохотно - в чем автор статьи убедился лично, работая в свое время с этим материалом.

А вот конструкционные металлы и тем более сплавы пасуют перед коррозией. Например, сталь марки 08КП, широко применяемая в нашей стране для штамповки деталей автомобильных кузовов, при исследовании под микроскопом являет такую картину: в зерна основы сплава обильно вкраплены частицы карбида железа и другие включения.

Думаем, дальше все понятно: подобная структура порождает множество гальванических пар, в которых примеси играют роль положительных электродов, а само железо - отрицательных. При соприкосновении с влажным воздухом в этой системе возникают гальванические токи, вызывающие коррозию. Аналогично «работают» примеси и в других металлах.

Так что в рассуждениях опытных мастеров и водителей - дескать, раньше металл был чище, кузова долго не ржавели - содержится изрядная доля истины. Любые отклонения от стандартов и ТУ при изготовлении стального листа сулят будущему автомобилю весьма недолгую жизнь.

Кстати, почему, извините за невольный каламбур, не ржавеют нержавеющие стали? Да потому, что фактически - это сплавы, по составу близкие к однородным твердым растворам, без карбидных и иных включений. Кроме того, в их состав входят изрядные порции хрома и никеля (25% и выше), стоящих в электрохимическом ряду напряжений рядом с железом. И еще: хром и никель на воздухе почти не окисляются, поскольку образуют на своей поверхности прочную оксидную пленку. Поэтому гальванические и окислительные процессы в нержавеющей стали практически не возникают.

2. Конструкция кузова и его технология

Кузов современного легкового автомобиля состоит из большого числа деталей (панелей), собранных в единое целое. Толщина листовой стали, из которой эти детали изготавливаются, как правило, менее 1 мм. Кроме того, в процессе штамповки эта толщина в некоторых местах уменьшается.

Теория обработки металлов давлением гласит, что в любом технологическом процессе - будь то вытяжка, гибка и тому подобные операции - пластическая деформация металла сопровождается возникновением нежелательных остаточных напряжений. Если оборудование и скорости деформирования подобраны правильно, а штамповая оснастка не изношена, эти напряжения незначительны.

В противном случае в кузовную панель закладывается этакая «бомба замедленного действия»: атомы в некоторых кристаллических зернах располагаются неравномерно, поэтому механически напряженный металл корродирует интенсивнее, чем ненапряженный. Кстати, нечто подобное происходит в панелях, восстановленных после аварии, а также в старых «уставших» кузовах.

Но вернемся к заводским технологиям. После сборки (сварки) в кузове образуется множество щелей, полостей, нахлестов, кромок, в которых скапливается грязь и влага. И что очень важно - сварные швы образуют с основным металлом все те же гальванические пары. Надо ли указывать, что перечисленные факторы способствуют возникновению и развитию коррозионных процессов?

3. Влияние окружающей среды при эксплуатации

В результате человеческой деятельности, прежде всего развития промышленности, окружающая среда становится все более агрессивной. В последние годы в атмосфере повысилось содержание оксидов серы, азота, углерода. А значит, автомобиль омывается кислотными дождями, фактически - электролитом, ускоряющим коррозионные процессы.

Можно и формально подтвердить, что в городских условиях кузова живут меньше. Здесь мы можем сослаться на Шведский институт коррозии, опубликовавший следующие данные:

• скорость разрушения стали и цинка в сельской местности в Швеции составляет 8 и 0,8 мкм в год;

• для города эти цифры составляют соответственно 30 и 5 мкм в год.

Немалую роль играет и географическое положение местности, где эксплуатируется автомобиль. Так, морской климат делает коррозию примерно в два раза активнее, чем резкоконтинентальный.

4. Влияние доступа воздуха

В теории коррозии есть так называемый «принцип дифференциальной аэрации», гласящий: неравномерный доступ воздуха к различным участкам металлической поверхности приводит к образованию гальванического элемента.

При этом участок, хуже снабжаемый кислородом, будет разъедаться, а участок, интенсивно снабжаемый им, наоборот, останется невредимым. Так, блестящая поверхность витого стального троса вовсе не означает, что он не проржавел внутри: в местах, куда доступ воздуха затруднен, угроза коррозии больше.

Проецируя сказанное на внутренние полости автомобильных кузовов, можно представить, сколько возможностей существует для возникновения коррозии в скрытых, плохо и неравномерно вентилируемых сечениях.

Кроме того, коррозия скрытых полостей начинает свою разрушительную деятельность невидимкой. Когда же она «выходит наружу» в виде перфорированной ржавчины, бороться с ней уже бесполезно. Зачастую ответственные участки кузова становятся ненадежными, и дальнейшая эксплуатация такого автомобиля может иметь катастрофические последствия.

5. Влияние влажности и температуры

Важнейшим фактором, влияющим на скорость коррозии, является время, в течение которого металлическая поверхность остается влажной.

Ясно, что внутренние поверхности коробов, щелей, кромок, отбортовок сохнут гораздо медленнее открытых частей кузова. Немалую роль здесь играет посыпание зимних дорог солью, особенно хлоридом натрия NaCl. Когда снег и лед подтаивают, в результате электролитической диссоциации образуется очень сильный электролит. А поскольку внутренние полости не герметичны, он проникает и в них. Тем самым создаются прекрасные условия для электрохимической коррозии.

Отметим также, что повышение температуры активизирует коррозию. Так, вблизи выхлопной системы следов коррозии всегда больше.

6. Прочие факторы

Вот еще важный пример: та же зима или весна-осень. Утром водитель прогревает машину, ночью она остывает - в дверях и порожках образуется конденсат. И так каждый день. А вот, казалось бы, мелочь: в машине мы дышим, выдыхаем углекислый газ, а коррозии это только на руку.

Впрочем, пока достаточно. Начатую сегодня тему в одной статье осветить невозможно. В следующем номере она будет продолжена.