Почему ржавеют автомобильные кузова. Немного теории и страшная сказка на ночь
Проблема борьбы с коррозией стара как мир. И журнал «АБС-авто» уделяет ей самое пристальное внимание. Так, первая антикоррозионная статья увидела свет еще в марте 1997 года – одновременно с рождением журнала.
С той поры редакция опубликовала десятки статей по борьбе с коррозией. И даже выпустила тематическую брошюру совместно с компанией ЮВК, нашим давним партнером и консультантом. Сегодня мы предлагаем вам фрагменты из этого издания, посвященные теории коррозионных процессов. Знания – сила, и чтобы победить врага, надо хорошо изучить его повадки.
Терминология
Что такое коррозия металлов? Это слово происходит от латинского «corrodo – грызу». В литературе встречаются ссылки и на позднелатинское «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 многим металлам (включая цветные), сплавам, а также бетону и некоторым пластмассам. А ржавчина – это результат коррозионного процесса. Этот термин относится только к железу, входящему в состав стали и чугуна. И говоря «ржавеет (или корродирует) сталь», мы подразумеваем, что ржавеет (окисляется) железо, входящее в ее состав.
Столь подробное разъяснение тривиальных, в общем-то, вещей, приводится с единственной целью: подчеркнуть, что бороться надлежит не со ржавчиной, а 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 авомобильный кузов.
И еще. В определении коррозии мы подчеркнули слова химического и электрохимического взаимодействия. Это тоже не зря. 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 году М. Пайен показал, что при температуре ниже 200 °С в атмосфере сухого кислорода (т.е. среде, не содержащей водяных паров) 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 отличие 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 железо (сталь) от дальнейшего корродирования.
Электрохимическая коррозия
В отличие от окислительных, процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики. Вспомним тот же курс химии, посмотрев на рисунок внизу.
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 эксплуатции оба вида коррозии усиливаются неоднородностью металла, воздействием напряжений, деформаций, трения, износа и других факторов. А теперь посмотрим, что влияет на коррозию автомобильного кузова.
Химический состав и структура металла
Если бы кузовные панели штамповались из технически чистого железа, их коррозионная стойкойсть была бы выше всяких похвал. Но по многим причинам это невозможно. В частности, применяющееся в электротехнической промышленности железо ARMKO (99,85% Fe), для автомобиля слишком дорого и недостаточно прочно. Хотя оно обладает великолепной пластичностью и ржавеет крайне неохотно – в чем автор 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: мелкие зерна чистого железа, обильно перемешанные с зернами карбида железа (цементита Fe3C) и другими включениями.
Думаем, дальше все понятно: подобная структура порождает множество гальванических пар, в которых примеси играют роль положительных электродов, а зерна железа – отрицательных. При соприкосновении с влажным воздухом в этой системе возникают гальванические токи, вызывающие коррозию железа. Аналогично работают на коррозию 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. Кроме того, в их состав входят изрядные порции хрома и никеля, 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 на поверхности нержавеющей стали практически не возникают.
Конструкция кузова и его технологи
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 процесе – 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 располагаютя нехарактерно, поэтому механически напряженный металл корродирует интенсивнее, чем ненапряженный. Кстати, нечто подобное поисходит в панелях, востановленных 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?
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, ускоряюющим коррозионные процессы.
Можно и формально утверждать, что в городских условиях кузова живут меньше. Здесь мы можем сослаться на Шведский институт коррозии (о нем будет рассказано далее), 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 2 раза активнее, чем резкоконтинентальный.
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 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.
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.
Вот еще важный пример: холодное время года. 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.
Отметим также, что повышение температуры активизирует коррозию. Так, вблизи выхлопной системы следов коррозии всегда больше.
Ржавеют любые кузова
Как писали сатирики, «статистика знает все». Есть в Стокгольме такая организация – Шведский институт коррозии, далее просто ШИК. Его экспертизы пользуются огромным авторитетом, причем не только в Скандинавии.
Раз в три-четыре года шведские ученые организуют масштабное изучение коррозионного поражения автомобильных кузовов. В этих работах участвуют и автопроизводители, охотно предоставляющие автомобили на испытания. Не остались в стороне и металлургические компании, поставляющие листовой прокат для изготовления кузовов, а также разработчики технологий цинковых и цинко-никелевых покрытий.
Для определения степени коррозионного поражения шведские ученые выбирают сотни кузовов хорошо потрудившихся автомобилей. Вырезают участки вблизи порогов, угловых участков дверей, соединений арок колеса с порогом и тому подобных местах, и оценивают степень их поражения.
Исследованные кузовные панели были защищены от коррозии оцинковкой и (или) антикоррозионными препаратами. Итак, оцинковка и антикор.
Поделим оцинковку на три группы: «толстый» слой – от 7 до 10 мкм; «тонкий» слой – от 2 до 5 мкм; и «нулевой» слой (панель не оцинкована).
Под словом «антикор» будем понимать современные профессиональные антикоррозионные материалы. Получается шесть видов обработки панели:
- «толстая» оцинковка плюс антикор;
- «толстая» оцинковка без антикора;
- «тонкая» оцинковка плюс антикор;
- «тонкая» оцинковка без антикора;
- «нулевая» оцинковка плюс антикор;
- «нулевая» оцинковка без антикора, что означает просто окрашенную панель без дополнительной защиты.
ШИК утверждает, что пять вариантов из шести – плохи. Лишь владелец автомобиля с «толстой» оцинковкой и (внимание!) дополнительной антикоррозионной обработкой может ездить спокойно – 5%-ная поверхностная коррозия грозит ему лишь через семь лет эксплуатации. Выводы очевидны: оцинковка – не панацея; основа долголетия кузова – регулярная дополнительная антикоррозионная защита.
Работы ШИКа дают колоссальный статистический материал по коррозионной стойкости автомобильных кузовов. Именно он ложится в основу совершенствования технологий защиты от коррозии – как заводских, так и послепродажных.
К сожалению, у нас в России столь масштабные исследования не проводятся. А тем временем многие популярные иномарки (новые, «с иголочки»!) прибывают к российским дилерам с голым днищем. Катафорезный грунт, штатная окраска да скромные полоски пластизоля на сварных швах – вот и вся защита. Надолго ли ее хватит на наших дорогах?
Столь же безрадостно выглядят скрытые сечения кузова, если заглянуть в них с помощью соединенного с компьютером технического эндоскопа. Редко, очень редко в автомобильных внутренностях можно встретить антикоррозионный барьер из воскообразного ML-препарата. Чаще монитор показывает точки и даже очаги ржавчины – и в порогах, и в дверях, и в полостях капота и багажника. Вот тебе, бабушка, и новая иномарка…
Но автомобильные мифы живучи, иномарки заманчиво блестящи, а сознание потребителя инертно. Значит, будем развенчивать мифы: рассказывать, доказывать, убеждать.
Опасен ли ржавый кузов?
Регламентирует ли государство эксплуатацию ржавых автомобилей? Много лет назад появился ГОСТ Р 51709–2001 «Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки». Иными словами – руководство для проведения Государственного технического осмотра. Все было в этом ГОСТе – только вот о коррозии кузова ничего не говорилось.
В марте 2006 года родилась новая редакция документа. Среди многочисленных поправок и дополнений появились и такие:
«4.7.25. Нe допускаются:
- ненадежное крепление амортизаторов вследствие сквозной коррозии мест или деталей крепления;
- чрезмерная общая коррозия рамы и связанных с ней деталей крепления или элементов усиления прочности основания кузова автобуса, грозящая разрушением всей конструкции;
- сквозная коррозия или разрушение пола пассажирского помещения автобуса, способные служить причиной травмы;
- коррозия либо трещины и разрушения стоек кузова, нарушающие их прочность;
- вмятины и разрушения кузова, нарушающие внешние очертания и узнаваемость модели АТС.
4.7.26. Грозящие разрушением грубые повреждения и трещины или разрушения лонжеронов и поперечин рамы, щек кронштейнов подвески, стоек либо каркасов бортов и приспособлений для крепления грузов не допускаются».
Мы еще в 2006 году отметили: в документе нет количественных оценок коррозионного поражения! И методик нет, и приборы не прописаны. Вот для двигателя есть свои нормативы и оборудование. И для тормозов, и для фар… А для коррозии – нет. Сплошь визуальные, а значит, субъективные оценки.
Старый ГОСТ…
Вдумаемся. Что такое «ненадежное крепление амортизаторов вследствие сквозной коррозии мест или деталей крепления»? Поговорку помните: «Поздно пить ”боржоми“»?
А чего стоит сентенция «вмятины и разрушения кузова, нарушающие внешние очертания и узнаваемость модели АТС»? Это как? Несется по шоссе смятый и разрушенный кузов. Внешние очертания настолько нарушены, что его и опознать-то невозможно. Это значит нельзя. А если не совсем разрушенный, очертания сохранивший, это значит – можно…
Господа разработчики! Тревогу надо бить задолго до потери внешних очертаний. И до появления сквозной коррозии. Необходимо периодически защищать автомобиль специализированными антикоррозионными препаратами, о чем наш журнал пишет регулярно. Но вы же не читатели, а писатели. Вам не до журналов.
По уму надо было делать так. Прописать в ГОСТе обязательный контроль скрытых полостей кузова и прежде всего лонжеронов, порогов, стоек и других силовых элементов. В несущем кузове они играют роль каркаса, скелета. Именно от него зависит, способен кузов что-либо «нести» или пора выносить его самого. В последний путь под шредеры и прессы.
Проконтролировать скрытые полости просто: надо лишь обзавестись уже упомянутым эндоскопом. Подключенный к компьютеру, он дает возможность наблюдать на экране любую внутреннюю поверхность. И оценить степень коррозионного поражения. И тогда можно решать – опасен данный кузов или нет. Неужели разработчики ГОСТов о них ничего не знают? Похоже, что нет. То ли дело «узнаваемость модели», «сквозная коррозия» и прочие страшные сказки на ночь…
…и новый Регламент
Впрочем, ГОСТы – это пройденный этап. Теперь во всех отраслях живут по новым нормативным документам: Техническим регламентам Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств». Когда он готовился, затеплилась надежда: теперь методика инструментального контроля состояния кузова уж точно появится. Но когда Регламент вышел, оказалось, что о коррозии кузова в нем не сказано ничего.
Правда, Правительство РФ распоряжением от 12 октября 2010 года № 1750-р утвердило перечень документов для исполнения Технического регламента. И оказалось тех документов целых 139. И под номером 35 там значится… внимание! – все тот же ГОСТ Р 51709–2001. С теми же страшилками о потере узнаваемости и сквозной коррозии. И опять ни слова об инструментальных методах контроля коррозионных поражений. Не проваливается пол в автобусе, и ладно… Авось, доедет.
Смотрите: Технический регламент разрабатывали не один год. Как тут не вспомнить блестящий скетч Аркадия Райкина. «А работал он в тресте ”Заготбревно“. Они там за год бревно выпускали. За год – бревно!»
Знаете, для треста бревно за год – это нормально. Тут за несколько лет громадный коллектив два десятка строк для Технического регламента не осилил. Вот это я понимаю – темпы! Значит, так у нас и будет: кузов отдельно, коррозия отдельно, нормативные документы отдельно, а безопасность… да кого она волнует, безопасность?
Иллюстрации предоставлены компанией ЮВК