Студенческая конференция «Наука, творчество, молодежь – успех будущего», проводимой в рамках IX всероссийского фестиваля науки «наука 0+» Исследовательский проект на тему: «Инновационные способы защиты от коррозии автотранспорта»
проект

Студенческая конференция «Наука, творчество, молодежь – успех будущего», проводимой в рамках IX всероссийского фестиваля науки «наука 0+»

Исследовательский проект на тему:

«Инновационные способы

защиты от коррозии автотранспорта»

Автор    Бондарчук Илья Игоревич

Обучающийся 31ТК группы. Специальность 23.02.03  Техническое обслуживание и  ремонт  автомобильного транспорта.                    смоленское областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Рославльский многопрофильный колледж»

Руководители:

Морщакина Т.Н., Ковалев В.А.-

преподаватели специальных дисциплин

Содержание

Введение

Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Начало практического использования человеком железа относят к 9 веку до нашей эры.

         Еще и века не прошло с тех пор, как автомобиль, скромный, нерешительный и неловкий, как ребенок, медленно и стеснительно передвигался по улицам, а впереди бежал человек с красным флажком и громко оповещал встречных о его вторжении в конно-экипажный уличный переплет. Сегодня автомобиль стал неотъемлемой частью нашей современной жизни. С одной стороны, это и роскошь, и комфорт, с другой - суровая необходимость. Автомобиль облегчает труд человека. Без него не освоили бы Север, не осушали бы болота, не орошали бы засушливые земли. Но с его появлением  автомобиля образовались и новые проблемы, направленные на содержание и уход транспорта. В обычной жизни мы часто употребляем слова «ржавчина», «ржавление», видя коричнево-рыжий налёт на изделиях из железа и его сплавов. Ржавление — это коррозия железа. Наши машины подвергаются коррозии.

Актуальность проекта:

Технический прогресс в современном машиностроении тормозиться из-за нерешенности ряда коррозионных проблем. Эта проблема приобрела большую актуальность в промышленно развитых странах с большим автомобильным фондом, и особенно в последние годы в связи более широким использованием в промышленности высокопрочных материалов, особо агрессивных сред, вызываемых опасными формами коррозии, такими как: коррозионное растрескивание, межкристаллитная коррозия, питтинг и т.п.

Разработка и практическое использование инновационных эффективных средств противокоррозионной защиты позволяет уменьшить потери металла и средств, снизить металлоемкость конструкций, уменьшить расход топливно-энергетических ресурсов, увеличить эксплуатационный период, в частности в общественном автотранспорте.

Предмет исследования:

коррозия металла в автомобилях.

Объект исследования:

средства защиты от коррозии металла в автомобилях.

Гипотеза:

Своими руками, в частном гараже можно защитить автомобиль   от коррозии.

Цель:

Раскрыть механизм коррозионного процесса металлов; найти инновационные методы защиты металлов от коррозии, применяемые при производстве автотранспорта и выбрать наиболее эффективный способ.

Методы исследования:

Теоретический анализ и синтез, конкретизация, аналогия, обобщение, наблюдение, эксперимент.

Задачи:

1. Выявить  причины возникновения коррозии металла.

2.       Классифицировать  коррозионные процессы.

           3.        Анализ процессов  коррозии автомобиля и способы ее устранения

4.          Проанализировать теоретический материал, результаты опытов.

5.     Сформулировать рекомендации для  защиты автомобиля от коррозии.

   Этапы исследования:

I. Проведение анкетирования.

II. Провести анализ современных способов защиты от коррозии и выбрать приемлемые методы.

 III. Проведение лабораторного эксперимента по созданию антикоррозийного покрытия .

IV. Создание и распространение рекомендаций для автолюбителей о современных способах защиты от коррозии автотранспорта.

1. Основы теории коррозии

1.1 Коррозия металлов

Что такое коррозия? Слово «коррозия» происходит от латинского «corrode-грызу». Встречается ссылки и на позднелатинское «corrosion-разъедание». Так или иначе: коррозия – это разрушение металла в результате химического и электрохимического воздействия окружающей среды. Среда, в которой металл подвергается коррозии, называется коррозионной или агрессивной средой.

В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют в виду нежелательный процесс взаимодействия металла со средой. Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии, является окисление металла.

Известно, что большинство металлов (кроме Ag, Pt, Cu, Au) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и др., называемые обычно руды металлов.

Ионное состояние более выгодно, оно характеризуется меньшей внутренней энергией. Это заметно при получении металлов из руд и их коррозии. Поглощенная энергия при восстановлении металла из соединений свидетельствует о том, что свободный металл обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение. Это приводит к тому, что металл, находящийся в контакте с коррозионно - активной средой, стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии.

1.2 Классификация коррозионных процессов

 (слайд 3) Существует несколько классификаций коррозии.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металла.

Химическая коррозия металлов протекает в сухих газах и неэлектролитах, т. е. в тех средах, которые не проводят электрический ток. Химическая коррозия - это взаимодействие металлов с коррозионной средой, при котором окисляется металл, и восстанавливаются окислительные компоненты коррозионной среды. При окислении меди, цинка, свинца или алюминия возникает на поверхности плотная, трудно разрушаемая пленка оксида, защищающая эти металлы от дальнейшей коррозии.

Ржавчина — это рыхлый пористый слой, который не обеспечивает никакой защиты от дальнейшей коррозии. 

Электрохимическая коррозия протекает при соприкосновении металла с электролитом. При электрохимической коррозии возникает электрический ток, который протекает как в металле, так и в растворе электролита, образующих замкнутую цепь, подобно короткозамкнутому гальваническому элементу. При соприкосновении металла с электролитом (например, морской водой, раствором кислоты и т.д.) на его поверхности образуется множество микроскопически малых гальванических элементов. Обычно зерна самого металла при этом играют роль анодов; загрязнения и примеси, а также некоторые структурные составляющие сплавов становятся катодами.

Ржавление железа – сложный процесс, в результате которого на поверхности образуется ржавчина.

Со временем происходит дальнейшее превращение гидроксида железа (III) в гидратируемый оксид железа (III) или "ржавчину".

По характеру коррозионного разрушения.

1.Общая или сплошная коррозия, при которой коррозирует вся поверхность металла. Она соответственно делится на: равномерную и неравномерную.

Если коррозия металлов довольно равномерно распределяется по всей поверхности металла, то коррозию называют равномерной.

Неравномерная коррозия бывает:

Местная коррозия может быть выражена в виде :

отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла; язв - разрушений, имеющих вид раковины, сильно углубленной в толщу металла; точек (питтингов), глубоко проникающих в металл; подповерхностная коррозия начинается на поверхности, но затем распространяется в глубине металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид коррозии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий.

Межкристаллитной коррозии разрушению подвергаются границы между зернами (кристаллитами) металла. Этот вид коррозии металлов особенно опасен, т. к. при весьма сильном снижении механических свойств внешний вид поверхности часто сохраняется почти неизменным.

 2. Избирательная, при которой разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава.

По условиям протекания процесса.

Газовая коррозия - это коррозия в газовой среде при высоких температурах; атмосферная коррозия - это коррозия металла в естественной атмосфере или атмосфере цеха;кжидкостная коррозия - это коррозия в жидких средах: как в растворах электролитов, так и в растворах неэлектролитов; подземная коррозия - это коррозия металла в почве;

Структурная коррозия - коррозия из-за структурной неоднородности металла.

Микробиологическая коррозия - результат действия бактерий.

Коррозия внешним током - воздействие внешнего источника тока (анодное или катодное заземление).

Коррозия блуждающими токами - прохождение тока по непредусмотренным путям по проекту.

Контактная коррозия - сопряжение электрохимически разнородных металлов в электропроводящей среде.

Коррозия под напряжением - одновременное воздействие коррозионной среды и механического напряжения.

По виду коррозионной среды:

газовая, атмосферная, почвенная, жидкостная, кислая, щелочная, солевая.

2. Коррозия автомобиля и способы ее устранения

Проблема защиты автомобиля от коррозии приобретает в настоящее время особую актуальность, что связано с увеличением общего агрессивного воздействия окружающей среды на автомобиль. Одним из существенных факторов, способствующих коррозии автомобилей в зимнее время, является применение химических средств борьбы против обледенения дорог. Самые распространенные средства против обледенения — хлориды натрия и кальция. Общее количество соли, разбрасываемой на дорогах, за последние десятилетия значительно возросло. Расход соли на проезжей части достигает 4—5 кг на 1 м2 (слайд 4). Попадание соли вместе с водой и снегом в трудно-промываемые элементы конструкции ускоряет коррозию кузова.

По степени поражения коррозию автомобиля можно условно разделить на три основных типа – косметическую, проникающую и структурную (слайд 5,6,7).

Косметическая коррозия появляется на наружных, видимых поверхностях. Она ухудшает внешний вид автомобиля, но не влияет на его эксплуатационные качества.

Проникающая коррозия чаще всего развивается со стороны труднодоступных для контроля поверхностей, в местах скопления грязи и влаги. Эта коррозия становится заметной только тогда, когда ущерб, причиненный ею, трудно исправить.

Структурная коррозия – это уже коррозионное разрушение силовых элементов кузова, составляющих его несущую структуру.

1. Методы химической защиты от коррозии

Антикоррозионная защита — нанесение на поверхность защищаемых конструкций слоев защитных покрытий на основе органических и неорганических материалов, в частности, лакокрасочных материалов, металлов и сплавов. Незащищенная сталь, находясь в воздушной среде или почве, подвергается воздействию коррозии, что может привести к её разрушению.

 Существуют различные методы защиты от коррозии, которые зависят от особенностей материала, который необходимо защищать и особенностей его эксплуатации, а также и от агрессивности окружающей среды.

Методы защиты от коррозии: (слайд 8)

применение химически стойких сплавов (нержавеющие стали, содержащие до 18% хрома и 10% никеля;  защита поверхности металла покрытиями:

а) металлами, образующими на своей поверхности прочные пленки (хромирование, никелирование, золочение и т. д.); б) неметаллами — лаками, красками, эмалями, смолами, создающими защитные пленки;

3) подавление влияния коррозионной среды (деаэрация, добавка ингибиторов) ;

4) электрохимические методы: (слайд 9);

а) катодная защита (слайд 10) — защищаемая конструкция или деталь присоединяется к отрицательному полюсу источника электроэнергии; Устройство защиты от коррозии состоит из электронного блока и защитных электродов. На корпусе электронного блока размещают световую индикацию работы устройства.

Устройство позволяет поддерживать значение потенциала влажных участков поверхности кузова на уровне, необходимом для полной остановки и прекращения коррозийных процессов за счет разрушения защитных электродов.

 б) метод протектора — к защищаемому металлу присоединяется кусок или лист из более активного металла — протектора. Для защиты кузовов автомобилей используются аноды в виде небольших металлических пластин, припаянных к концам длинных проводов, вторые концы которых закреплены. Каждую пластину, в свою очередь, необходимо с помощью клея (эпоксидная смола) приклеить к заранее выбранным и очищенным от грязи местам кузова автомобиля, наиболее подверженным коррозии.

 Чтобы предохранить изделия от коррозии, их покрывают цинком, кадмием, Особенно нуждается в этом химическая и электротехническая аппаратура. Цинкование, лужение, свинцевание - неотъемлемые звенья многих технологических цепочек.

 Никелевые покрытия нарядны, стойки, прочны. Поэтому никелирование — самый распространенный в гальванотехнике процесс. Ежегодно во всем мире никелируют миллионы квадратных метров поверхности различных изделий — от дверных ручек до бамперов автомобилей и волноводов. Разработаны специальные электролиты и оптимальные токовые режимы, благодаря которым никелирование производится быстро и надежно. Точно также хромируют цилиндры двигателей, лопатки паровых турбин и другие изделия, которые должны противостоять сильному жару, износу, агрессивной среде

2. Противокоррозионная защита кузовов автомобилей

Срок службы легковых автомобилей во многом зависит от технического состояния кузова. Через несколько лет эксплуатации автомобиля на его кузове появляются следы коррозии, а при дальнейшей эксплуатации от коррозии начинают разрушаться элементы днища кузова и места присоединения несущих стоек.

Защита кузова от коррозии в период эксплуатации автомобиля заключается в выполнении дополнительных мероприятий по сохранению и защите заводских противокоррозионных покрытий. Особая значимость придается уходу за внешним лакокрасочным покрытием кузова, его подкраске, а при необходимости нанесению новых лакокрасочных слоев на весь кузов.

Средства по уходу за автомобилем подразделяются на следующие группы: моющие, чистящие, полирующие, герметизирующие, противокоррозионные, в том числе лакокрасочные эмали и вспомогательные материалы (слайд 11).

Учитывая, что кузов легкового автомобиля является несущим элементом всей конструкции, к его долговечности предъявляются повышенные требования, поэтому проведение дополнительных работ по противокоррозионной защите кузова становится очевидным.

Эксплуатационное состояние кузова поддерживается комплексным защитным покрытием днища и установленных на нем деталей путем выполнения трехступенчатой защиты: долговременной, сезонной и текущей. Средства для долговременной защиты(слайд 12) наносятся толщиной 0,4—2 мм, особенно в области колесных ниш и прилегающих частей днища. В продаже и на СТО для долговременной защиты днища имеются мастики на битумной и каучуковой основе.

3. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Влияние окружающей среды на кузов автомобиля при эксплуатации в различные периоды года (слайд 14).

    Среда, в которой эксплуатируется автомобили с каждым годом становиться более агрессивной. В последнее десятилетие в атмосфере повысилось содержание сернистого газа, оксидов азота и углерода. А значит, автомобили омываются уже не просто водичкой, а кислотными дождями. Среди климатических условий, наиболее сильное влияние на коррозию автомобиля (машины) оказывают влажность, температура и состав окружающей среды. Условия окружающей среды зависят от района, в котором авто эксплуатируется: загрязнения окружающей среды, климата, дороги. Окружающая атмосфера условно делится на промышленную, сельскую и морскую. Наименьшей агрессивностью отличается сельская атмосфера.

В легковых автомобилях и автобусах быстрее всего подвергается коррозии кузов. В грузовых автомобилях  – кабина, рама.  Кузов, кабина, рама подвергаются чаще всего чисто коррозионному износу, а трансмиссия, двигатель – коррозионно-механическому и механическому разрушению (износу). Коррозия автомобиля очень опасна, т.к. может послужить причиной аварии.

      При подготовке проекта проводилось тестирование. В тестировании приняли участие автомобили МУП Рославльский «ПАТП» города Рославля и было опрошено 50 частников. Вашему вниманию представлен результат в виде графика.

                                                                                время года

Рисунок 1- Скорость коррозии в зависимости от времени года.

Участок I -  соответствует минимальной скорости коррозии в относительно сухой атмосфере (сухая  атмосферная коррозия).

На участке II,III - механизм коррозии в осенне-зимний период. Механизм коррозии изменяется от химической к электрохимической(с анода, его роль выполняет металлический кузов, эмульсируются электроны и через электролит(вода с незначительной примесью солей) попадает на катод(металлические  части), в результате железо машины преобразует в оксид железа -  происходит резкое возрастание коррозии (влажная  атмосферная коррозия), то есть  кузов ржавеет.

На участке IV-  коррозия  незначительно замедляется с наступлением весны.

3.2 Инновационные методы и способы защиты от коррозии металлов.

В агрессивной среде   кузова прогнивают до дыр буквально за два-три года. Чтобы противостоять процессу ржавления и агрессивному воздействию дорожных реагентов, есть очень простой, но действенный способ — оцинковка кузова своими руками.

 Мы предлагаем - цинкование автомобиля. Проводим  с целью защитить раз и навсегда  кузов от образования назойливых очагов коррозии так называемых в народе «рыжиков», а также с целью предупреждения дальнейшего распространения коррозии по всему кузову.

Цинковая «корочка» на поверхности металла создает некий барьер, который защищает сталь от негативных факторов и разрушающих воздействий агрессивной среды. Покрытие на основе цинка эффективно противостоит воздействию солей, химических веществ и влаги.

 Цинковать можно как часть кузова машины (крыло, багажник, капот и т.д.), так и какую-нибудь отдельную деталь.

Опыт

Подготовительные работы (слайд 15)

Данный метод подразумевает использование ортофосфорной кислоты с растворенным в ней цинком, а также потребуются цинковые (соляные) батарейки. Можно использовать как маленькие пальчиковые, так и большие батарейки – в данном случае все зависит от объема производимых работ.

Если вам нужно оцинковать большую площадь поверхности на авто, то лучше взять большие цинковые батарейки. Для начала их необходимо все «распечатать» и снять всю лишнюю оплетку.

При желании вы можете также использовать только корпус соляной (солевой) батарейки, предварительно удалив графитовый стержень и сажу, но в принципе можно оставить все «внутренности» на месте.

На корпусе «оголенной» оцинкованной батарейки с одной стороны с помощью резинки нужно закрепить ватный диск, а с обратной стороны (также при помощи обычной резинки) — питающий провод. В качестве источника питания можно использовать автомобильный аккумулятор или подходящий по параметрам блок питания.

Процесс  цинкование поверхности    

(слайд 16-24) «Минус» от автомобильного аккумулятора должен быть подключен непосредственно к той части кузова (или детали), которую вы собираетесь оцинковать батареей — то есть, с помощью батарейки.

К плюсовой клемме аккумулятора подключаем провод, который идёт к цинковому корпусу батарейки. Обратите внимание, что минусовую клемму ни в коем случае нельзя отключать, потому как должный эффект не получится.

Перед началом цинкования обрабатываемую поверхность желательно зачистить от следов ржавчины, если они имеются. В шприц нужно набрать ортофосфорную кислоту с растворенным в ней цинком и пропитать ватный диск, который одет на корпус солевой батарейки. После этого нужно просто перемещать «насадку» по всей площади обрабатываемой поверхности.

Такой метод цинкования машины некоторые хоть и называют «кустарным», но это действительно проверенный, самый простой и главное — эффективный способ борьбы с коррозией.

2. Рекомендации для химической защиты автомобиля от коррозии

 (слайд 24) С целью более полного знакомства с коррозией автомобиля и способами ее устранения, я посетил автосервис ООО «Гарант» в г.Рославль и в ходе беседы с работниками автосервиса я составил последовательный ход действий при устранении косметической коррозии:

1. Очистка пораженного участка «болгаркой»;
2. Обработка материала с использованием рассматриваемой технологии (цинкование) для предотвращения новой коррозии;
3. Очистка щелочным раствором
4. Обезжиривание специальным составом «NAVOL»;
5. Грунтовка поверхности кузова для подготовки перед нанесением краски;
6. Зачистка наждачной бумагой;
7. Шлифование на 3 раза разными специальными губками и соответствующими средствами;
8. Обезжиривание средством «Novel»;
9. Покраска в несколько слоев. Краска подбирается с помощью компьютера;
10. С помощью специальной салфетки, которая протирает без разводов, придается «товарный вид» автомобилю.

Заключение

Любой коррозионный процесс является многостадийным. Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства.

Зная законы химии, сущность коррозии, можно надежно защитить металлы от разрушения. Коррозия – это природное явление, а природу надо знать, понимать, охранять и использовать ее законы в своих целях.

 «Простейший» способ гальванической оцинковки металла позволяет предотвратить образование коррозии на кузове автомобиля и тем самым сократить расходы на сервисное обслуживание. Также жидкую оцинковку можно применять для разных металлических изделий с целью дополнительной защиты их от ржавчины.

Нужно сразу сказать, что этот способ очень простой и не требует больших финансовых затрат. По сути, это всеми известный Цинкор авто, но своими руками.

Литература

1. Бурда А. Г. Б91 Основы научно-исследовательской деятельности : учеб. пособие (курс лекций) / А. Г. Бурда; Кубан. гос. аграр. ун-т. – Краснодар, 2015. – 145 с.
2. Габриелян  О.С. Химия 11 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений / О.С.Габриелян, Г.Г.Лысова. – 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
3. Кофанова Н.К. Коррозия и защита металлов. Уч. пособие. 2009 год.
4. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И.В. Семеновой – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 336 с.
5.  Федосова Н.Л. Антикоррозионная защита металлов. – Иваново, 2009. – 187 с.
6.   Экилик В.В. Электрохимические методы защиты металлов. Методическое пособие по спецкурсу. 2011 год.
7. Экилик В.В.  Теория коррозии и защиты металлов Методическое пособие по спецкурсу. 2012 год.
8. Интернет ресурсы:

1.Всероссийская ассоциация коррозионистов

http://w ww.corrosion.ru/content/view/33/31/

2. http://krasnokanna.krasnogvardeiskoe.ru/uroki/korroziya-metallov.html 

3. http://n-t.ru/ri/kk/hm13.htm 
4. http://www.neon-san.ru/korozia.htm 
5. http://www.ingibitory.ru/ 
6. http://www.krugosvet.ru/articles/116/1011691/1011691a1.htm 
7. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2135.html 
8. http://stroyservis.ru/content/view/66/45/ 
9. http://www.korrosion.ru 
10. http://www.ukazka.ru/product-book208287.html 
11. http://www.slovopedia.com/2/195/217329.html