2.5. Химия и решение проблем коррозии изделий машиностроения

Ущерб от разрушения материалов из-за коррозионных повреждений в зависимости от климатических условий и уровня экономического развития страны оценивают в 3-10% валового внутреннего продукта. В натуральном выражении из-за коррозии мир теряет 20-30 млн. т металла в год, что эквивалентно 20% всей выплавки.

В США по данным National Association of Corrosion Engineers — Международной ассоциации инженеров-коррозионистов - эти потери составляют 276 млрд. долларов ежегодно. Наибольшие потери приходятся на коммунальные службы (34,7%) и транспорт (21,5%).

Экономический ущерб от коррозии в России с конца 1970-х годов не оценивали. Но есть данные, например, по отказам и авариям в гражданской и военной авиации. Огромное их количество связано именно с коррозионными разрушениями.

Помимо прямого ущерба от коррозии (стоимость замены пострадавших от коррозионных повреждений устройств, конструкций, машин, трубопроводов) есть косвенный ущерб — загрязнение окружающее среды, ухудшение условий труда, качества продукции, увеличение расходов материалов и энергии.

Внедрение новых технологических процессов и техники предъявляет и новые более жесткие требования к материалам — металлическим сплавам, полимерам композитам. Если говорить об авиационное промышленности, то помимо коррозионной стойкости в число подобных требований входят увеличение ресурса работы изделия, устойчивости к термоциклическим и механическим нагрузкам, уменьшение массы.

В настоящее время специалисты разрабатывают не только новые материалы, но и способы их защиты. Созданы защитные пасты, составы для локального нанесения химических защитных покрытий, предотвращения отслаивания и разрушения лакокрасочных покрытий, средства удаления продуктов коррозии, ускоряющие процессы коррозионного разрушения.

Согласно исследованиям разрушение конструкционных материалов во многом определяется качеством поверхности деталей. Соответственно необходимо обеспечить высокую чистоту поверхности, ее упрочнение, формирование поверхностного слоя с сжимающими напряжениями, что увеличивает долговечность элементов конструкции на порядок [23].

Фундаментальные работы по проблемам материалов проводят в ВИАМе, на который возложена создание и реализация системы паспортизации "летающих" материалов в режиме производства и эксплуатации.

Весьма показателен пример с самолетом, имевшим двигатель фирмы «Роллс-ройс», который попал в пыльную бурю над Сахарой. Лопатки компрессора, изготовленные из композитного материала, под воздействием песка превратились буквально в метёлки из углеродных волокон. Фирма была вынуждена пойти на огромные затраты, срочно изменив конструкцию. Не менее трагическая ситуация возникла во время пожара на борту одного из новейших авиалайнеров. В интерьере самолета использовали материалы, выбранные по соображениям износостойкости и удобства в эксплуатации. Но их пожарная безопасность проверяли недостаточно. И хотя пожар был относительно небольшой, но при нагревании эти материалы выделили токсичные соединения и пассажиры погибли от отравления.

Применение на одном из отечественных серийных самолетов зарубежных эмалей и напольного пластика без исследования их совместимости с отечественными грунтовками и ковровыми покрытиями привело к сильнейшей электрополяризации покрытий. В результате статическое электричество вывело из строя приборы навигации, самолёт практически «ослеп», а пассажиров и экипаж нещадно било током. Был инцидент с применением керосина новой марки, не прошедшим испытания на совместимость с используемыми в конструкции самолёта уплотнителями, что привело к разгерметизации топливной системы, из которой вытекло топливо.

Для решения проблемы опасности недостаточного учета свойств авиационных материалов в СССР в 1970-х годах была создана система управления качеством авиационных материалов (СУПРАКАМ). Главной ее задачей стало запрещение использования материалов без специального всестороннего их исследования[76].

Краеугольным камнем СУПРАКАМ стала паспортизация. Паспортизация возможна, только если есть централизованный институт авиационных материалов, аккумулирующий весь банк данных по авиаматериалам, их природе, свойствам, методам испытаний, результатам оценки и изучения. За рубежом подобной системы нет, авиапроизводители вынуждены прибегать к услугам многочисленных экспертов и организаций, проводящих испытания. В сборнике «Military Handbook» по авиаматериалам, используемым ВВС США, имеется более сотни ссылок на авторов приводимых данных.

Различие подходов состоит еще и в том, что западная сертификация основной упор делает на гарантии стабильности материала. Что же касается его пригодности, то это забота потребителя — производителя авиатехники. Поставщик несет ответственность только в случае отступления от заявленных характеристик материала. А если этот материал, как в приведённом примере с бомбардировщиками, вызывает коррозию других деталей, решение проблемы ложится на того же потребителя.

В СУПРАКАМ неважно, кем и где создан материал (в нашей стране или за рубежом). Выдавая паспорт, ВИАМ отвечает за значения указанных в нем свойств материала и гарантирует, что материал пригоден для использования и при всех ожидаемых условиях эксплуатации будет работоспособен на протяжении всего заявленного ресурса материалов.

Необходимо указать, что аварии сегодняшней российской авиации зачастую происходят именно потому, что авиаперевозчики грубо игнорируют требования разработчиков и строителей техники.

Для полной и всесторонней оценки всего набора показателей работоспособности авиационных материалов в ВИАМе создан мощный испытательный и исследовательский комплекс. В его составе более 700 единиц оборудования, на котором исследуют и оценивают практически всю гамму существующих параметров. На этом оборудовании проводят механические, климатические, тепловые, оптические и эрозионные испытания, испытания на пожарную безопасность, совместимость материалов, осуществляют металлофизические и химико-аналитические исследования и исследования с использованием методик неразрушающего контроля[76].

Оборудование позволяет проверять материалы и изделия из них в условиях программного нагружения, то есть последовательно воспроизводя весь спектр нагрузок, которые испытывает летательный аппарат от взлёта до посадки. Такие испытания доказали, что долговечность сплава Д16, широко применяемого в авиации, в 50 раз выше, чем предполагалось ранее. Это дало возможность продлить реальные сроки эксплуатации изготовленных из него самолетов.

Примером необходимости оптимизации сочетания компонентов в сложных технических системах является практика использования биоэтанольного топлива для автомобилей, например газохола ( состав газохола - 10-15% этанола и 85-90% бензина). По данным Американской экологической ассоциации, в среднем литр газохола дороже литра обычного бензина на 3 цента. Но благодаря этим 3 центам в атмосферу не попадает 500 тыс. т загрязнений.

Применение этанола вызывает ряд проблем: 1)этанол даже при малом содержании воды обладает электропроводностью и поэтому способствует коррозии металлов; 2)этанол агрессивно воздействует на Zn, Латунь, Pb, Al, сталь, покрытую сплавом Pb и Sn, припой на свинцовой основе. Коррозионное воздействие биоэтанольных бензинов приводит к быстрому износу трубопроводов, резервуаров, топливных баков и к загрязнению бензинов продуктами коррозии в виде механических примесей.

С биоэтанольными бензинами коррозия деталей автомобиля протекает в основном по электрохимическому механизму на границе раздела фаз под действием сконденсировавшейся воды или воды, внесенной в бензины с этанолом, сорбировавшим воду воздуха. Этот вид коррозии замедляют или практически останавливают путем введения в среду ингибиторов ─ веществ, образующих на поверхности металла пленку (чаще всего хемосорбционную), препятствующую выходу ионов металла с поверхности и их взаимодействию с кислородом (в случае ржавления) или другими компонентами среды. Такие защитные пленки возникают при введении в газохол аминов, аминоспиртов, бензойной или других кислот, формирующих на поверхности деталей защитную пленку из гексабензоата железа и нитросоединений. Защитные свойства азотосодержащих аминов тем выше, чем больше их молекулярная масса. Введение в бензин ингибиторов, триэтиламина, пиридина и хинолина в количестве 0,05-0,15% масс. (0,5-1,5 кг на 1 т бензина) предотвращает полностью коррозию углеродистых сталей.

Обнаружено полифункциональное действие исследованных ингибиторов: предотвращая коррозию, они одновременно повышают (незначительно) октановое число бензинов, а противокоррозионная пленка, формируемая аминами, обладает также антифрикционными свойствами.

Другой способ решения проблемы коррозии бразильских автомобилей использующих бензино-этанольное топливо, заключался в замене некоторых медных и цинковых деталей на никелевые [5].

Важность решения проблем коррозии показывает и сложившаяся к настоящему времени обширная номенклатура средств борьбы с коррозией, торговые марки которых активно рекламируют в интернете, например,такие как: Цинол, Алпол, Цинотан, ЦВЭ, Алюмотан, Алюмотерм, Цинэп, Ферротан, Изолэп.