Erózió és korrózió a gépészetben

A korrózió és az erózió befolyásolja az alkatrészek élettartamát és teljesítményét. De mi a különbség az erózió és a korrózió között? Milyen típusok léteznek? És hogyan lehet ellensúlyozni ezeket az erőket? A következő cikk ezt részletesebben vizsgálja.

Mi a különbség az erózió és a korrózió között?

A mindennapi életben használt két kifejezést, az eróziót és a korróziót gyakran összekeverik, de a két kifejezés két teljesen eltérő fogalomra utal: az erózió az anyag felületének lebomlására és ezáltal a fizikai változásra utal, míg a korrózió elsősorban kémiai reakció által okozott változás. Gépészmérnöki szempontból az erózió azt jelenti, hogy például az erozív részecskék mechanikai hatása az alkatrész felületére a felületi anyag károsodásához vagy kopásához vezet. Az ebből eredő károsodás lehet mikroszkóposan kicsi, de makroszkópos természetű, azaz szabad szemmel látható is lehet. A kopás az erózió egyik formája, és azt a folyamatot jelzi, amikor egy szilárd felületről súrlódással lekopik az anyag egy másik súrlódó elemmel való érintkezés útján. Ezek a súrlódó elemek lehetnek kis részecskék a folyó gázban, de folyadékok vagy dörzsölő hatást kiváltó szilárd anyagok is. Az így eltávolított anyagot kopásnak nevezzük.

A korrózió ugyanakkor az anyagnak a környezettel való kölcsönhatáson alapuló kémiai vagy elektrokémiai reakcióját írja le, amely az anyag változását eredményezi, akár az anyag megsemmisüléséig terjedően. Az erózió előfeltétele lehet a korróziónak, például az erozív korróziónak. Ebben a különleges esetben a fém felületén lévő védő oxidréteg leválása (eróziója) korrozív hatású behatást okoz az érintett területek most már kitett felületén.

Egyes fémek és fémötvözetek, például a vas vagy az acél, hajlamosak a korrózióra, ami teljesen tönkreteheti az adott egységet. Más korrozív fémötvözetek a felületükön korrodálódnak, és oxigénzáró oxidréteget képeznek, amely megakadályozza a mélyebb korróziót. Például a kezeletlen alumínium vagy réz hajlamos a nedvesség és sók okozta korrózióra. Ezek reakcióba lépnek a környezet nedvességével és oxigénjével, és védő oxidréteget képeznek az anyag felületén, amely ezután védelmet nyújt a további korrózió ellen.

Mind a korrózió, mind az erózió jelentős problémát jelent számos iparágban, és anyagkopáshoz és magas karbantartási költségekhez vezet.

Korrózió részletes leírása

A DIN EN ISO 8044 szabvány szerint a korrózió az anyagnak a környezetével való reakciója. Ez a reakció mérhető változást okoz az anyagban, és funkcionális károsodáshoz vezethet. Ez a reakció általában elektrokémiai jellegű, de kémiai vagy fémes-fizikai okai is lehetnek. A szabvány ezenkívül megkülönbözteti a korrózió okozta károsodást és a korrózió okozta igénybevételt:

• Korróziós sérülés: anyagkárosodás a környezettel kapcsolatos kémiai vagy elektrokémiai reakciók miatt. Olyan korróziós termékek képződnek, amelyek gyengítik az anyagot, pl. felületi korrózió vagy réskorrózió.
• Korrózió okozta igénybevétel: Anyagszennyezés korrozív környezeti körülmények miatt. Ezt az igénybevételt fokozhatják olyan tényezők, mint a páratartalom, a sótartalom, a hőmérséklet és a kémiai hatások. A korróziós terhelés miatt az anyagok könnyebben ki vannak téve a korróziós sérüléseknek, különösen a további mechanikai igénybevételek esetén.

Korrózió tünetei

A korróziónak különböző fázisai vagy megjelenési formái vannak:

• Nem látható változás a felületen: nem képződtek korróziós melléktermékek, vagy a beeső felszíni lerakódások a nanométer tartományban vannak; ezért további lebomlás nem valószínű.
• A felület elszíneződött, egyebekben nincs változás: a felületen korróziós melléktermékek láthatók, de a korrózió más módon nem terjed tovább. Az elszíneződés vastagsága több 10 nm-es rozsdaképződés.
• Progresszív korrózió: a korróziós melléktermékek nem tapadnak szorosan a felülethez, így folyamatosan kiteszik a felületet a korróziót kiváltó környezetnek. Ezt a rozsda lepattogzása jelzi, pl. esőnek vagy szélnek kitett ötvözetlen acélok esetén.
• Nincs rozsdaképződés, fokozatos korrózió: A korróziós melléktermékek a környezetbe kerültek, de a korrózió tovább terjed, pl. amikor a fém érintkezésbe kerül savval.

A korrózió típusai

A korrózió a reakciómechanizmusok típusa szerint osztályozható: Kémiai korrózió, elektrokémiai korrózió és fémes-fizikai korrózió.

• Kémiai korrózió: Kémiai korrózió akkor fordul elő, amikor a fémek és más anyagok reakcióba lépnek a környezetükkel, különösen oxigénnel, vízzel vagy agresszív vegyi anyagokkal, majd lebontják és megsemmisítik azokat.
• Elektrokémiai korrózió: Az elektrokémiai korróziót elektrolit jelenléte váltja ki, pl. kristályközi korrózió.
• Fémes-fizikai korrózió: Fémes-fizikai korrózió akkor fordul elő, ha a fizikai jelenségek korrózióhoz vezetnek.

Korrózióállóság és korrózióvédelem

A korrózióállóság olyan anyagtulajdonság, amely a következő tényezőktől függ, például:

• Anyag összetétele
• Felületkezelés
• Ötvözött elemek

Ideális esetben a megfelelő alkatrészek magas korrózióállósággal rendelkeznek. A korrózióvédelemre azonban más lehetőségek is rendelkezésre állnak.

Az alábbi táblázat a sósvízpermetteszt hatásait mutatja be a JIS H8502 szabvány szerint egy egyszerű lineáris golyóscsapágyon karimával:

Erózió részletes leírása

Az erózió különösen akkor fontos, ha a gépek és alkatrészek extrém terhelésnek vannak kitéve. A beeső részecskék alakja és állásszöge is befolyásolja a kopási hatást. Az anyag tulajdonsága is szerepet játszik. A törékeny anyagok másképp viselkednek, mint a lágy anyagok. Ha például az üveg törékeny (merev) anyag, akkor a kopási érzékenység az állásszöggel nő, és szó szerint szilánkokra törik. A hajlékony anyagok esetében a kopás akár 25°-os állásszögig nő, majd gyorsan újra csökken.

Íme néhány példa a különböző anyagok lehetséges meghibásodási módjaira:

• 1 - Hajlékony, lágy
• 2 - Hajlékony, puha, bevonatos
• 3 - Merev

Törékeny anyagok esetében a törés különböző módjairól beszélhetünk az ütést okozó részecske anyagszerkezetétől, alakjától és ütőerejétől, valamint a különböző ütési szögektől függően:

• 1 - Kúpos szakadás
• 2 - Radiális szakadás
• 3 - Oldalsó szakadás

Az erózió, mint anyageltávolító gyártási folyamat

Az erózió pozitív hatású is lehet, pl. a szikraerózió révén. A szikraerózió eltávolító, termikus gyártási folyamat. Elektromos kisülési folyamatokon alapul, ezért csak vezetőképes anyagokhoz alkalmas. Egy dielektromos közegbe merített elektródaszerszámot egyenáramú feszültséggel táplálnak, majd egy vezetőképes anyag felé vezetik. Ez szikrák formájában kisüléseket eredményez, ami akár 1200 °C-os magas hőmérsékletet is eredményezhet. A munkadarab anyaga megolvad, és az eltávolított anyagrészecskék a folyadékkal kimposódnak. A szikraerózió összetett geometriai formákat hozhat létre magas felületi minőséggel. A szikraerózió egyik altípusaként a süllyesztékmarás olyan szerszámot használ, amely a gyártandó szerkezet negatívját jeleníti meg. Ezt a módszert elsősorban különböző öntött alkatrészekhez használják.

A részecskeerózió egy másik módja annak, hogy a gépészetben az eróziót egy adott célra használják. Részecskeerózió akkor következik be, ha egy alkatrész felszínére kis szilárd részecskék (pl. homok) kerülnek. Ez kopást és anyagvesztést eredményez.

Korrózió- és erózióvédelem

A korrózió- és erózióvédelemnek számos típusa van. Az alapvető elv az, hogy a védendő anyaghoz bizonyos tulajdonságokat adnak hozzá annak az erózióval és/vagy korrózióval szembeni ellenállóbbá tétele érdekében. Ez meghosszabbítja az élettartamot is. Azonban a kiegészítő erózióvédelem gyakran drágább, mint az alkatrész egyszerű cseréje, ezért ezt gondosan mérlegelni kell. MInd az erózióvédelem, mind a korrózióvédelem passzív és aktív erózió- vagy korrózióvédelemként kategorizálható.

Passzív korrózióvédelem érhető el például olyan korrózióvédő anyagokkal, amelyek bevonatként védik a fémfelületeket. A védőbevonatot gyakran alkalmazzák végső műveletként. A leggyakoribb módszerek a termikus szórás és a polimer bevonat:

• Termikus szórás: A termikus szórás során adalékanyagokat szórnak a felületre szórt részecskékként, amelyek ezután rétegekben lerakódnak a felületre, és szórt réteget képeznek. A termikus szórás fő alkalmazási területe a korrózió és a kopás elleni védelem. Ennek a módszernek a hőterhelése nagyon alacsony. Az ívszórás, a plazmaszórás és a lángszórás ennek altípusai.
• Polimer bevonat: A polimer bevonat magában foglalja a szerszám polimeranyag réteggel való bevonását. A tribológiai polimer bevonatok különösen jól adaptálhatók. Csökkentik a kopást, valamint korrózió- és kopásvédelemként is használhatók. A következő lehetőségek állnak rendelkezésre: Porbevonat, plazmabevonat nagyon vékony bevonatokhoz, nedves bevonat, vákuumbevonat.

Az aktív korrózióvédelem elsősorban a nem hozzáférhető munkadarabokon használatos, pl. süllyeszett vagy föld alatti kábeleken vagy csöveken. Aktív korrózióvédelem érhető el korróziógátló hozzáadásával vagy elektrokémiai polarizációval. Különbséget teszünk az anódos és a katódos védelem között:

• Katódos: a védendő fém külső árammal csatlakozik egy pozitív töltésű anódot (pl. nem nemesfémet, például cinket) tartalmazó katódként. A külső áramforrások akár akkor is kihagyhatók, ha magnéziumot használnak anódként. Az elektródák a védendő anyag felé irányulnak, és az elnyeli azokat. A rozsdásodást megakadályozó védőáram jön létre.
• Anódos: korróziós vagy oxidációs termékeket generáló fémeken ezeket a termékeket védőrétegként használják a további korrodálódás megelőzése érdekében.