В процессе сгорания топливно-воздушной смеси в двигателе все сернистые соединения образуют коррозионно-агрессивные окислы серы.
В результате взаимодействия этих агрессивных веществ с металлическими поверхностями деталей цилиндро-поршневой группы ослабляется спай зерен металла с основной массой и под действием трения эти зерна легко выкрашиваются, поверхность деталей становится шероховатой, интенсивность износа намного возрастает.
Как показали исследования отечественных и зарубежных ученых, в условиях эксплуатации существенное влияние на износ трущихся поверхностей в двигателе оказывает электрохимическая коррозия, хотя детали при этом смазываются маслами, которые, как известно, электролитами не являются.
Тщательные наблюдения позволили установить, что коррозия деталей двигателя наиболее интенсивно протекает при эксплуатации автомобиля в зимнее время с небольшими пробегами и длительными стоянками. В таких условиях температура воды и масла не выходит на установившийся режим, что приводит к интенсивной конденсации паров воды.
Основным объектом низкотемпературной коррозии продуктами cropания является цилиндро-поршневая группа двигателя. Возможность конденсации паров воды или серной кислоты, в первую очередь, зависит от температуры деталей двигателя, которая во время работы непрерывно изменяется. Исследования показали, что конденсация продуктов сгорания и образование электролита наиболее возможны в верхней части цилиндра. При этом, вследствие большой неравномерности распределения температур по окружности, характерной для указанной части цилиндра, конденсация может быть местной, т. е. будет происходить только на тех участках, температура которых ниже критической. Величина и расположение таких участков определяются конструктивными особенностями двигателей. Так, для карбюраторных двигателей с односторонним расположением клапанов в блоке цилиндров зона наименьших температур верхней Части цилиндра расположена против клапанов, в силу чего эта зона наиболее сильно увлажняется конденсатом и наиболее подвержена коррозии. На интенсивность коррозионного поражения деталей двигателя большое влияние оказывает влажность всасываемого воздуха и его температура, степень прорыва газов в картер и др.
С другой стороны, развитие электрохимической коррозии зависит от наличия в двигателе электролита. В пробах масла, отобранных из масляных картеров двигателей автомобилей, особенно при их эксплуатации с пониженной температурой системы охлаждения, практически всегда находят воду. Влияние на процессы коррозии присутствующей в нагретом масле воды определяли окислением масла сухим и влажным воздухом. При этом в масло помещали пластинки из стали, меди и свинца и выдерживали 12 ч при температуре масла 175°С. Результаты опыта показали, что при окислении влажным воздухом коррозия пластин увеличилась более чем в 4 раза. Для свинцовой пластинки убыль веса составляла 8,0 г/м² при окислении сухим воздухом и 36 г/м² при окислении влажным воздухом. Разность потенциалов между пластинками увеличилась на 100—150 мВ, вероятно из-за усиления электрохимической коррозии.
Между коррозией деталей и их износом имеется непосредственная связь, причем коррозионные процессы играют важную роль при коррозионно-механическом изнашивании и во многих случаях определяют суммарный износ оборудования, машин и механизмов.
Под общим износом понимают потерю функциональных свойств данного изделия, выражаемую в потере его стоимости за данное время с учетом затрат на текущие и капитальные ремонты. Этот износ возникает в результате следующих процессов: усталости и старения, т. с. ухудшения свойств металла, резины, пластмасс и других материалов под воздействием температуры, кислорода, ультрафиолетового облучения и т. п.; эрозии (разъедания) конструктивных материалов под воздействием твердых абразивных частиц, газов и пр.; механического износа в результате трения; химической и электрохимической коррозии (разрушения). Общий износ можно представить как результат физических, физико-химических, химических и электрохимических явлений.
Понятия химического и электрохимического износа эквивалентны понятиям химической и электрохимической коррозии; понятия физического и физико-химического износа включают в себя сложную совокупность понятий контактных взаимодействий: трения, старения, эрозии, электрических и акустических явлений, адсорбции, хемосорбции, «эффекта Ребиндера» и пр., На практике все эти процессы и явления тесно связаны между собой. Для некоторых сложных изделий выделяют основные узлы, надежность которых лимитирует надежность всего изделия. Для этих узлов, кроме того, определяют условия, при которых тот или иной фактор износа является доминирующим.
Так, надежность легковых автомобилей во многом определяется общим износом двигателя внутреннего сгорания и кузова. Износ двигателя внутреннего сгорания во время эксплуатации определяется всеми четырьмя видами износа, из которых превалирующее значение имеют физический (от трения) и химический (высокотемпературный). При хранении и периодической эксплуатации на первое место выступает электрохимический износ (коррозия). Общий износ кузова легковых автомобилей — его скрытых поверхностей (лонжеронов, стоек и т. п.), крыльев, днища и других элементов, определяется электрохимическим износом и только во время эксплуатации для крыльев брызговиков и днища общий износ определяется также физической абразивной эрозией (от воздействия гравия, песка и т.п.). В условиях работающего двигателя коррозионный износ цилиндро-поршневой группы, вкладышей подшипников коленчатого вала и других ответственных деталей объясняется смешанной электрохимической и химической коррозией, причем одновременное или последовательное протекание химических и электрохимических процессов взаимно усиливает износ и приводит прежде всего к разрушению («вымыванию») цветных металлов.
При наличии в зоне трения электролита или поверхностно-активных веществ (ПАВ), уменьшающих работу выхода ионов металла (за счет их сольватации или химического взаимодействия), локальное увеличение давления или нагрузки по любым причинам способствует интенсивному электрохимическому и химическому износу (коррозии), прежде всего вследствие усиления в десятки и сотни раз анодного процесса растворения металла. Отрыв поверхностных ионов металла осуществляется с участием механического фактора. Высокая скорость катодного процесса при этом обеспечивается большим количеством деполяризаторов, а также тем, что локальное повышение температуры в зоне трения приводит к уменьшению работы выхода электрона.
Многочисленные лабораторные, стендовые и натурные испытания подтверждают, что трение и другие физические процессы в сочетании с химической и электрохимической коррозией приводят к наибольшему износу машин и механизмов, причем электрохимические факторы часто имеют превалирующее значение.
Электрохимическая коррозия развивается на всех внутренних поверхностях двигателя. Так, видимые невооруженным глазом коррозионные точки и пятна появляются при гаражном хранении автомобилей на гильзах цилиндров, клапанах, пружинах, подшипниках и других ответственных деталях в районе Мурманска на пятый-шестой месяц, в Москве — на третий — пятый, в Ташкенте — на шестой, в Батуми — на десятые сутки хранения.
Для оценки влияния на общий износ двигателя электрохимических процессов коррозии можно рассмотреть случаи использования автотракторной техники в различных условиях: при хранении, периодической эксплуатации и «легкой» работе машин, когда из-за повышенного содержания воды в нефтепродуктах процессы электрохимической коррозии развиваются особенно интенсивно, и при нормальной эксплуатации.
Многочисленные данные свидетельствуют о том, что в первом случае износ машин значительно больше. Превалирующее значение коррозионного износа в «легких» условиях эксплуатации подтверждено многочисленными натурными испытаниями автомобилей на различных маслах и топливах. Самоходные комбайны и другая сельскохозяйственная техника, эксплуатирующаяся сезонно (30—60 дней в году), а остальное время простаивающая, изнашивается в 3—5 раз быстрее чем грузовые автомобили, эксплуатирующиеся в течение всего года. В результате на ремонт комбайнов (в расчете на рабочий день) затрачивается в 4—5 раз больше средств, чем на ремонт тракторов и автомобилей. Отдельные ответственные детали сельскохозяйственной техники, незащищенные рабоче-консервационными или консервационными продуктами, в результате стоянки на открытых площадках подвергаются коррозии на глубину 0,1—0,2 мм за первый год хранения. Определяя механический и коррозионный износ (по содержанию железа в масле) на тракторных двигателях СМД-14, установили, что даже при сравнительно кратковременном хранении двигателей (18 сут) электрохимический коррозионный износ сравним с износом при эксплуатации за такое же время, а наибольший суммарный износ определяется последовательным или одновременным воздействием на двигатель механического и коррозионного факторов.
Износ на 1000 км пробега для периодически эксплуатирующихся автомобилей по сравнению с автомобилями непрерывной эксплуатации оказался увеличенным: по цилиндрам в 1,5—2 раза, по поршням в 1,5 раза, по шейкам коленчатого вала на 10—15%. Определяли также общий износ легковых автомобилей в различных климатических зонах (рис. 8) — потерю стоимости автомобилей (их общин износ, выраженный в рублях). Даже при постоянной эксплуатации автомобилей (в городах промышленно развитых стран) 70% из них совершают рейсы до 10 км в день. Двигатели большинства автомобилей работают в году от 10 до 20% календарного времени.
Рис 8. Потеря стоимости легковых автомобилей через 1 год (зона двойной штриховки) и 7 (полная высота) лет эксплуатации: а - в умеренном климате; б - в субтропическом климате; I - при постоянной эксплуатация; II - при периодической эксплуатации; III - при хранении
«Легкая» работа двигателей в городских условиях приводит к тому, что электрохимический износ непрерывно воз-' растает. Так, сильная электрохимическая коррозия наблюдается на автомобилях при пробеге до 3200 км с длиной дневных поездок не более 19 км. Если длина рейсов сокращается до 6—7 км, то при пробеге уже 960 км наблюдается аналогичная коррозия. Развитие коррозионных процессов интенсифицируется загазованностью и запыленностью атмосферы, понижением температуры окружающего воздуха.
К особому виду коррозионно-механического износа, наносящему особый вред механизмам, относится фреттинг-коррозия. Собственно фреттинг — это вид механического износа находящихся в контакте поверхностей, колеблющихся относительно друг друга с малой амплитудой (от долей микрометра до 10 мкм). При фреттинге относительная скорость движения поверхностей невелика (от 1 мм/год до 1 мм/с) и продукты износа не могут выходить из зоны контакта Фреттинг-коррозия — это вид коррозии при колебательных перемещениях двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды.
Фреттинг-коррозия прежде всего опасна для всех типов подшипников. Так, в легковых автомобилях, транспортируемых по железной дороге или морским путем от вибрации на «неработающих» подшипниках могут образовываться значительные повреждения в результате фреттинг-коррозии. Большой ущерб фреттинг-коррозия наносит также наружным поверхностям автомобилей. Например, в результате небольших касательных перемещений металлических частей («игрй» между секциями кузова, особенно по стыкам) кузов автомобиля, особенно несущий, подвергается значительной фреттинг-коррозии. Она разрушительно действует на заклепочные и болтовые соединения, различные клапаны и регуляторы, стальные канаты, электрические контакты и пр. Так, в двигателях внутреннего сгорания фреттинг-коррозия разрушает клапаны, что, в свою очередь, усиливает их вибрацию и приводит к прогару.
Механизм фреттинг-коррозии, так же как любого коррозионно-механического износа, объясняется протеканием химической и (или) электрохимической коррозии с последующим или одновременным наложением механического фактора. Защитные окисные пленки на поверхности металла механически разрушаются, а продукты разрушения, более твердые, чем ювенильный металл, оставаясь в зоне контакта, вызывают абразивный его износ, что, в свою очередь, интенсифицирует электрохимический процесс в результате разрушения пассивных пленок и поляризации поверхности металла.
Борьба с коррозионно-механическим износом является комплексной задачей, в решении которой участвуют все функциональные свойства смазочного материала: антиокислительные, моющие, смазывающие, противоизносные, противозадирные, противокоррозионные и защитные. Для создания смазочного материала, максимально уменьшающего коррозионно-механический износ, помимо правильного выбора среды (масляной основы) и, в случае необходимости, загустителя, важнейшее значение имеет выбор наполнителей и особенно присадок — композиций маслорастворимых ПАВ.
При подавлении коррозионных процессов в двигателе используются следующие пути:
- нейтрализация кислых продуктов в рабочем масле; замедление процессов окисления масла;
- создание на металле защитной пленки;
- снижение содержания серы в топливах.
Нейтрализация кислых продуктов в рабочих маслах обеспечивается за счет применения высокощелочных присадок (например, сульфонатов), нейтрализующих кислоты. Присадки этого типа берут в таких количествах, чтобы в масле, полностью отработавшем срок службы в двигателе, еще оставался некоторый запас щелочных свойств.
Замедление или даже предотвращение окисления масла достигается за счет применения присадок, разрушающих гидроперекиси и переводящих активные радикалы в пассивное состояние. Эти функции, как правило, успешно выполняют антиокислительные и многофункциональные присадки.
Образование прочных защитных пленок на поверхности деталей достигается при применении масел с ингибиторами коррозии. При консервации машин с помощью масел, содержащих ингибиторы коррозии, создаются пленки, надежно защищающие металл даже в жестких атмосферных условиях.
Снижение содержания серы в топливах обеспечивается на нефтеперерабатывающих заводах путем гидроочистки.
Начинают получать распространение так называемые рабоче-консервационные топлива, масла и жидкости. Эти продукты содержат сложный комплекс присадок, включающий присадку защитного типа. Они имеют большой запас противокоррозионных и защитных свойств, что позволяет успешно использовать их при длительном хранении автомобилей. При снятии с хранения автомобиль без расконсервации может быть сразу приведен в действие. Это стало возможным потому, что введенный комплекс присадок, помимо защиты от коррозии, обеспечивает необходимый уровень всех других свойств.
Такие топлива, смазочные материалы и жидкости являются весьма ценными при некоторых особых случаях использования автомобильной техники (длительные перевозки, сезонное хранение, периодическая эксплуатация и т. д.).
Первоисточник расположен на портале [Autoinstruction]
Таким образом, борьбу с электрохимической коррозией деталей двигателей и коррозионно-механическим износом наиболее эффективно вести путем введения ингибиторов коррозии в применяемые нефтепродукты.