Eroze a koroze ve strojírenství

Koroze a eroze ovlivňují životnost a výkon komponent. Jaký je ve skutečnosti rozdíl mezi erozí a korozí? Jaké typy existují? A jak lze tyto síly potlačit? Následující článek se na to podrobněji zaměřuje.

Jaký je rozdíl mezi erozí a korozí?

V každodenním životě se termíny eroze a koroze často zaměňují, ale oba představují dva zcela odlišné koncepty: eroze se týká odstraňování materiálu a tím fyzické změny, zatímco koroze je primárně změnou způsobenou chemickou reakcí. V kontextu mechanického inženýrství eroze znamená například, že mechanický účinek erozivních částic na povrch komponenty vede k poškození nebo abrazi povrchového materiálu. Výsledné poškození může být mikroskopicky malé, ale také makroskopické povahy, tj. viditelné pouhým okem. Odírání je forma eroze a označuje proces odstraňování materiálu z pevného povrchu třením s jiným prvkem tření. Třecími prvky mohou být malé částice v plynu, ale také proudící kapaliny nebo pevné látky. Odstraňovaný materiál se označuje jako abraze.

Na druhou stranu koroze popisuje chemickou nebo elektrochemickou reakci materiálu na základě interakce s prostředím, která vede ke změně materiálu až k jeho zničení. Eroze může být předpokladem koroze, jako je erozivní koroze. V tomto speciálním případě odstranění (eroze) ochranného oxidového filmu na povrchu kovu způsobí korozivní napadení nyní exponovaného povrchu postižených oblastí.

Některé kovy a slitiny kovů, jako je železo nebo ocel, jsou náchylné ke korozi, což může vést k úplnému zničení. Jiné korozivní kovové slitiny korodují na svém povrchu a vytváří kyslíkově nepropustný oxidový film, který zabraňuje hlubší korozi. Například neošetřený hliník nebo měď jsou náchylné ke korozi způsobení vlhkostí a solemi. Reagují s vlhkostí a kyslíkem okolního prostředí a na povrchu materiálu vytvářejí ochranný oxidový film, který pak chrání před další korozí.

Koroze i eroze jsou hlavním problémem v mnoha odvětvích a vedou k opotřebení materiálu a vysokým nákladům na údržbu.

Koroze podrobně

Norma DIN EN ISO 8044 definuje korozi jako reakci materiálu s okolním prostředím. Tato reakce způsobuje měřitelnou změnu materiálu a může vést k funkčnímu poškození. Tato reakce má obvykle elektrochemický charakter, ale může mít také chemické nebo kovové fyzikální příčiny. Norma dále rozlišuje mezi poškozením korozí a namáháním korozí:

• Poškození korozí: poškození materiálu chemickými nebo elektrochemickými reakcemi s okolním prostředí,. Vznikají korozivní produkty, které oslabují materiál, např. povrchová koroze nebo koroze v mezerách.
• Korozní namáhání: Kontaminace materiálu v důsledku korozivních podmínek prostředí. Toto namáhání může být zvýšeno faktory, jako je vlhkost, obsah soli, teplota a chemické vlivy. Korozní namáhání způsobuje, že materiály jsou náchylnější k poškození korozí, zejména při dalším mechanickém namáhání.

Příznaky koroze

Existují různé fáze nebo vzhled koroze:

• Na povrchu nelze pozorovat žádné změny: nevznikly žádné vedlejší produkty koroze nebo jsou související povrchové usazeniny v rozsahu nanometrů, a další degradace je tak nepravděpodobná.
• Povrch je zabarvený, jinak se nic nemění: vedlejší produkty koroze jsou viditelné na povrchu, ale koroze dále nepostupuje. Změna barvy má tloušťku několika 10 nm rzi.
• Progresivní koroze: vedlejší produkty koroze neulpívají pevně na povrchu, a proto neustále vystavují povrch prostředí způsobujícímu korozi. To je patrné odlupováním rzi, např. v nelegovaných ocelích vystavených dešti nebo větru.
• Žádná tvorba rzi, postupující koroze: Vedlejší produkty koroze se rozpustily do životního prostředí, ale koroze nadále postupuje, např. když se kov dostane do kontaktu s kyselinou.

Typy koroze

Korozi lze klasifikovat podle typu reakčních mechanismů: Chemická koroze, elektrochemická koroze a kovová fyzikální koroze.

• Chemická koroze: K chemické korozi dochází, když kovy a jiné materiály reagují s prostředím, zejména s kyslíkem, vodou nebo agresivními chemikáliemi, a poté jsou rozkládány a ničeny.
• Elektrochemická koroze: Elektrochemická koroze je vyvolána přítomností elektrolytu, např. mezikrystalická koroze.
• Kovová fyzikální koroze: Ke kovové fyzikální korozi dochází, když fyzické jevy vedou ke korozi.

Odolnost proti korozi a ochrana proti korozi

Odolnost proti korozi je materiálová vlastnost, která závisí na následujících faktorech, například:

• Složení materiálu
• Povrchová úprava
• Hliníkové prvky

V ideálním případě mají příslušné součásti vysokou odolnost proti korozi. Existují však i další možnosti ochrany proti korozi.

V následující tabulce jsou uvedeny účinky zkoušky solnou vodou ve spreji v souladu s normou JIS H8502 na jednoduchém lineárním kuličkovém ložisku s přírubou:

Eroze podrobně

Eroze je obzvláště důležitá, když jsou stroje a součásti vystaveny extrémnímu zatížení. Opotřebení je také ovlivněno tvarem a úhlem napadení dopadajícími částicemi. Roli hraje také vlastnost materiálu. Křehké materiály se chovají jinak než tvárné. Například u skla jako křehkého materiálu se citlivost na opotřebení zvyšuje s úhlem napadení, doslova se rozštěpí. U tvárných materiálů se opotřebení zvyšuje v úhlu napadení až 25°, ale pak opět rychle klesá.

Zde je několik příkladů možných režimů selhání různých materiálů:

• 1 - Tvárné, měkké
• 2 - Tvárné, měkké, potažené
• 3 - Křehké

U křehkých materiálů mohou být různé mechanismy lomu výsledkem odvíjejícím se od struktury materiálu, tvaru a nárazové energie narážejících částic a různých úhlů nárazu:

• 1 - Kónická prasklina
• 2 - Radiální prasklina
• 3 - Postranní prasklina

Eroze jako výrobní proces odstraňování materiálu

Eroze může být také použita jako pozitivní účinek, např. elektrojiskrové obrábění. Elektrojiskrové obrábění je proces tepelné výroby, který slouží k odstraňování. Je založeno na procesech elektrického výboje, a proto je vhodné pouze pro vodivé materiály. Do elektrodového nástroje ponořeného do dielektrika je dodáváno stejnosměrné napětí a poté je naváděn směrem k vodivému materiálu. Výsledkem jsou výboje ve formě jisker, které vedou k vysokým teplotám až 1200 °C. Materiál obrobku je roztaven a odstraněné částice materiálu jsou spláchnuty kapalinou. Elektrojiskrové obrábění dokáže vytvářet složité geometrické tvary s vysokou kvalitou povrchu. Die-sinking jako podtyp elektrojiskrové obrábění používá nástroj, který představuje negativní obraz konstrukce, která má být vyrobena. Tato metoda se používá především pro různé lisované díly.

Dalším způsob, jak účelně využít erozi ve strojírenství, je eroze částic (particle erosion). K erozi částic dochází, když jsou malé pevné částice (např. písek) tlačeny proti povrchu komponenty. To má za následek oděr a ztrátu materiálu.

Ochrana proti korozi a erozi

Existují různé typy ochrany proti korozi a erozi. Základním principem je, že do materiálu, který má být chráněn, jsou přidány vlastnosti, aby byl odolnější vůči erozi a/nebo korozi. To také prodlužuje životnost. Dodatečná ochrana proti erozi je však často dražší než obyčejná výměna komponenty, a proto je nutné ji pečlivě zvážit. Ochranu proti erozi a ochranu proti korozi lze kategorizovat na pasivní a aktivní ochranu proti erozi nebo korozi.

Pasivní ochrany proti korozi je dosaženo například ochrannými látkami, které chrání kovové povrchy proti korozi jako povlak. Ochranný povlak se často aplikuje jako závěrečná operace. Mezi běžné metody patří tepelné stříkání a polymerové potahování:

• Žárové stříkání: Žárové stříkání zahrnuje stříkání aditivních materiálů na povrch jako částic spreje, které jsou poté uloženy na povrchu ve vrstvách, aby se vytvořila vrstva spreje. Hlavní aplikací pro žárové stříkání je ochrana proti korozi a opotřebení. Tepelná zátěž této metody je velmi nízká. Dalšími podtypy jsou postřikování elektrickým obloukem, plazmové stříkání a stříkání plamenem.
• Polymerové potahování: Polymerové potahování zahrnuje potažení nástroje vrstvou polymerního materiálu. Obzvláště přizpůsobivé jsou tribologické polymerové potahy. Snižují abrazi a používají se také jako ochrana proti korozi a opotřebení. K dispozici jsou následující možnosti: Práškové potahování, plazmové potahování pro velmi tenké potahy, mokré potahování, vakuové potahování.

Aktivní ochrana proti korozi se používá zejména na nepřístupných obrobcích, např. ponořených nebo podzemních kabelech nebo potrubích. Aktivní ochrany proti korozi lze dosáhnout přidáním inhibitoru koroze nebo elektrochemickou polarizací. Rozlišuje se mezi anodovou a katodovou ochranou:

• Katodová: chráněný kov je připojen jako katoda s kladně nabitou anodou (např. neušlechtilý kov, jako je zinek) pomocí externího proudu. Externí zdroje proudu lze vynechat i při použití hořčíku jako anody. Elektrody jsou nasměrovány na materiál, který má být chráněn, a ten je absorbuje. Vytváří se ochranný proud, který zabraňuje korozi.
• Anodová: na kovech, které generují produkty koroze nebo oxidace, se tyto produkty používají jako ochranná vrstva, aby se zabránilo dalšímu napadení.