Jak przechytrzyć rdzę metodami ochrony elektrochemicznej?

Korozja to jeden z najczęstszych i jednocześnie destrukcyjnych czynników wpływających na samochód podczas eksploatacji. Opracowano kilka metod ochrony przed nim ciała i istnieją zarówno środki skierowane specjalnie przeciwko temu zjawisku, jak i złożone technologie ochrony samochodu, chroniące go przed różnymi czynnikami. W tym artykule rozważono elektrochemiczną ochronę organizmu.

Ponieważ elektrochemiczna metoda ochrony auta jest ukierunkowana wyłącznie na korozję, należy wziąć pod uwagę przyczyny, które powodują uszkodzenia karoserii. Główne z nich to woda i chemia drogowa używana w okresie zimowym. W połączeniu ze sobą tworzą silnie stężony roztwór soli fizjologicznej. Ponadto brud, który osiadł na ciele, długo zatrzymuje wilgoć w porach, a jeśli zawiera odczynniki drogowe, to również przyciąga cząsteczki wody z powietrza.

Sytuację pogarsza fakt, że lakier auta ma wady, nawet niewielkich rozmiarów. W takim przypadku rozprzestrzenianie się korozji nastąpi bardzo szybko i nawet zachowane powłoki ochronne w postaci podkładu i galwanizacji mogą tego procesu nie zatrzymać. Dlatego tak ważne jest nie tylko stałe czyszczenie samochodu z brudu, ale również monitorowanie stanu jego lakieru. Wpływ na rozprzestrzenianie się korozji mają również wahania temperatury oraz wibracje.

Należy również zwrócić uwagę na te obszary samochodu, które są najbardziej podatne na uszkodzenia korozyjne. Obejmują one:

• części znajdujące się najbliżej nawierzchni drogi, tj. progi, błotniki i podwozie;
• spoiny pozostawione po naprawie, zwłaszcza jeśli została wykonana nieumiejętnie. Wynika to z „osłabienia” metalu w wysokiej temperaturze;
• ponadto rdza często dotyka różnych ukrytych, słabo wentylowanych wnęk, w których gromadzi się wilgoć i nie wysycha przez długi czas.

Rozważany sposób ochrony ciała przed rdzą określany jest jako metody aktywne. Różnica między nimi a metodami pasywnymi polega na tym, że te pierwsze tworzą pewnego rodzaju środki ochronne, które nie pozwalają na oddziaływanie czynników powodujących korozję na samochód, podczas gdy te drugie jedynie izolują nadwozie od powietrza atmosferycznego. Technologia ta była pierwotnie stosowana do ochrony przed korozją rurociągów i konstrukcji metalowych. Metoda elektrochemiczna jest uważana za jedną z najskuteczniejszych.

Ta metoda ochrony organizmu, zwana także katodową, opiera się na cechach przebiegu reakcji redoks. Najważniejsze jest to, że na chronioną powierzchnię nakładany jest ładunek ujemny.

Przesunięcie potencjału odbywa się za pomocą zewnętrznego źródła prądu stałego lub poprzez podłączenie do anody protektorowej, składającej się z metalu bardziej elektroujemnego niż chroniony obiekt.

Zasada działania ochrony elektrochemicznej samochodu polega na tym, że między powierzchnią ciała a powierzchnią otaczających obiektów, ze względu na różnicę potencjałów między nimi, przez obwód reprezentowany przez wilgotne powietrze przepływa słaby prąd. W takich warunkach bardziej aktywny metal ulega utlenieniu, podczas gdy drugi jest redukowany. Dlatego płyty ochronne wykonane z metali elektroujemnych stosowane w samochodach nazywane są anodami protektorowymi. Jednak przy nadmiernym przesunięciu potencjału w kierunku ujemnym wydzielanie wodoru, zmiana składu warstwy przyelektrodowej i inne zjawiska prowadzące do degradacji powłoki ochronnej i wystąpienia korozji naprężeniowej zabezpieczanej obiekt są możliwe.

Rozważana technologia dla samochodów polega na zastosowaniu karoserii jako katody (biegun naładowany ujemnie), a różne otaczające przedmioty lub elementy zainstalowane w samochodzie przewodzące prąd, na przykład konstrukcje metalowe lub mokre nawierzchnie drogowe, służą jako anody (pozytywnie naładowane bieguny). W takim przypadku anoda musi składać się z aktywnego metalu, takiego jak magnez, cynk, chrom, aluminium.

Wiele źródeł podaje potencjalną różnicę między katodą a anodą. Zgodnie z nimi, aby stworzyć całkowitą ochronę żelaza i jego stopów przed korozją, konieczne jest osiągnięcie potencjału 0,1-0,2 V. Duże wartości mają niewielki wpływ na stopień ochrony. W takim przypadku gęstość prądu ochronnego powinna wynosić od 10 do 30 mA/m².

Jednak dane te nie są do końca poprawne - zgodnie z prawami elektrochemii odległość między katodą a anodą jest wprost proporcjonalna do wielkości różnicy potencjałów. Dlatego w każdym konkretnym przypadku konieczne jest osiągnięcie określonej wartości różnicy potencjałów. Ponadto powietrze, traktowane w tym procesie jako elektrolit, jest w stanie przewodzić prąd elektryczny charakteryzujący się dużą różnicą potencjałów (około kW), dlatego prąd o gęstości 10-30 mA/m² nie będzie przewodzony przez powietrze. W wyniku zamoczenia anody może wystąpić tylko prąd „boczny”.

Jeśli chodzi o różnicę potencjałów, obserwuje się polaryzację stężeń w odniesieniu do tlenu. Jednocześnie cząsteczki wody, które spadły na powierzchnię elektrod, są zorientowane w ich kierunku w taki sposób, że uwalniają się elektrony, czyli następuje reakcja utleniania. Przeciwnie, na katodzie ta reakcja ustaje. Ze względu na brak prądu elektrycznego uwalnianie elektronów jest powolne, więc proces jest bezpieczny i niewidoczny. Na skutek działania polaryzacji następuje dodatkowe przesunięcie potencjału ciała w kierunku ujemnym, co umożliwia okresowe wyłączanie zabezpieczenia antykorozyjnego. Należy zauważyć, że powierzchnia anodowa wprost proporcjonalnie determinuje skuteczność ochrony elektrochemicznej.

W każdym razie rolę katody będzie pełnić karoseria. Użytkownik musi wybrać obiekt, który będzie używany jako anoda. Wybór dokonywany jest na podstawie warunków pracy samochodu:

• W przypadku samochodów, które są nieruchome, pobliski obiekt metalowy, taki jak garaż (pod warunkiem, że jest wykonany z metalu lub zawiera elementy metalowe), pętla uziemienia, którą można zainstalować w przypadku braku garażu na otwartym parkingu, jest odpowiedni jako katoda.
• W jadącym aucie można zastosować takie urządzenia jak gumowo metalizowany „ogon” uziemiający, ochraniacze (elektrody ochronne) montowane na karoserii.

Ze względu na brak prądu płynącego między elektrodami wystarczy podłączyć sieć pokładową samochodu +12 V do jednej lub więcej anod poprzez dodatkowy rezystor. To ostatnie urządzenie służy do ograniczenia prądu rozładowania akumulatora w przypadku zwarcia anoda-katoda. Głównymi przyczynami zwarcia jest niepiśmienna instalacja sprzętu, uszkodzenie anody lub jej rozkład chemiczny w wyniku utleniania. Ponadto brane są pod uwagę cechy użycia wcześniej wymienionych elementów jako anod.

Zastosowanie garażu jako anody uważane jest za najprostszy sposób zabezpieczenia elektrochemicznego karoserii stojącej. Jeśli pomieszczenie ma metalową podłogę lub wykładzinę podłogową z otwartymi sekcjami żelaznych okuć, zapewniona zostanie również ochrona dna. W okresie ciepłym w garażach metalowych obserwuje się efekt cieplarniany, jednak w przypadku tworzenia ochrony elektrochemicznej nie niszczy on samochodu, a raczej ma na celu ochronę jego karoserii przed korozją.

Bardzo łatwo jest stworzyć ochronę elektrochemiczną w obecności metalowego garażu. Aby to zrobić, wystarczy podłączyć ten obiekt do dodatniego złącza akumulatora samochodowego poprzez dodatkowy rezystor i przewód montażowy.

Nawet zapalniczka może być używana jako złącze dodatnie, pod warunkiem, że jest w niej napięcie po wyłączeniu zapłonu (nie we wszystkich samochodach urządzenie to działa, gdy silnik jest wyłączony).

Podczas tworzenia ochrony elektrochemicznej pętla masy jest używana jako anoda zgodnie z tą samą zasadą, co omówiony powyżej garaż metalowy. Różnica polega na tym, że garaż chroni całą karoserię auta, podczas gdy ta metoda to tylko jego dno. Pętla uziemienia jest tworzona przez wbicie w ziemię czterech metalowych prętów o długości co najmniej 1 m na obwodzie samochodu i przeciągnięcie między nimi drutu. Obwód jest podłączony do samochodu, a także garażu poprzez dodatkowy rezystor.

Metalizowany gumą „ogon” uziemiający to najprostszy sposób zabezpieczenia elektrochemicznego poruszającego się samochodu przed korozją. To urządzenie to gumowy pasek z metalowymi elementami. Zasada jego działania polega na tym, że w warunkach dużej wilgotności powstaje różnica potencjałów pomiędzy karoserią a nawierzchnią drogi. Co więcej, im wyższa wilgotność, tym większa skuteczność ochrony elektrochemicznej tworzonej przez dany element. „Ogon” uziemiający montowany jest z tyłu auta w taki sposób, że podczas jazdy po mokrej nawierzchni jest spryskiwany wodą wylatującą spod tylnego koła, co zwiększa skuteczność ochrony elektrochemicznej.

Zaletą ogona uziemiającego jest to, że oprócz funkcji ochrony elektrochemicznej odciąża karoserię od napięcia statycznego. Dotyczy to zwłaszcza pojazdów przewożących paliwo, ponieważ iskra elektrostatyczna, będąca wynikiem nagromadzenia ładunku statycznego podczas ruchu, jest niebezpieczna dla przewożonego przez nią ładunku. Dlatego też urządzenia w postaci metalowych łańcuchów ciągnących się po powierzchni drogi można spotkać np. w samochodach ciężarowych z paliwem.

W każdym razie konieczne jest odizolowanie ogona uziemienia od karoserii w prądzie stałym i odwrotnie, „zwarcie” w prądzie przemiennym. Osiąga się to za pomocą łańcucha RC, który jest elementarnym filtrem częstotliwości.

Zabezpieczenie samochodu przed korozją metodą elektrochemiczną za pomocą elektrod ochronnych jako anod jest również przeznaczone do pracy w ruchu. Ochraniacze montowane są w najbardziej narażonych na korozję miejscach nadwozia, reprezentowanych przez progi, skrzydła, dno.

Elektrody ochronne, jak we wszystkich dotychczas rozważanych przypadkach, działają na zasadzie tworzenia różnicy potencjałów. Zaletą tej metody jest stała obecność anod, niezależnie od tego, czy samochód stoi, czy jest w ruchu. Dlatego ta technologia jest uważana za bardzo skuteczną, ale jest najtrudniejsza do stworzenia. Tłumaczy się to tym, że w celu zapewnienia wysokiej skuteczności ochrony konieczne jest zainstalowanie na karoserii 15-20 ochraniaczy.

Jako elektrody ochronne można zastosować elementy wykonane z materiałów takich jak aluminium, stal nierdzewna, magnetyt, platyna, karboksyl, grafit. Dwie pierwsze opcje klasyfikowane są jako zapadające się, czyli składające się z nich elektrody ochronne muszą być wymieniane w odstępach 4-5 lat, pozostałe zaś nazywane są nieniszczącymi, ponieważ charakteryzują się znacznie większą trwałością. W każdym razie ochraniacze to okrągłe lub prostokątne płytki o powierzchni 4-10 cm².

W procesie tworzenia takiej ochrony należy wziąć pod uwagę niektóre cechy ochraniaczy:

• promień działania ochronnego sięga 0,25-0,35 m;
• elektrody należy instalować tylko na obszarach pokrytych lakierem;
• do mocowania przedmiotowych elementów należy użyć kleju epoksydowego lub szpachli;
• zaleca się wyczyszczenie połysku przed montażem;
• niedopuszczalne jest pokrywanie zewnętrznej strony ochraniaczy farbą, mastyksem, klejem i innymi substancjami elektroizolacyjnymi;
• ponieważ elektrody ochronne są dodatnio naładowanymi płytkami kondensatora, muszą być izolowane od ujemnie naładowanej powierzchni karoserii.

Rolę uszczelki dielektrycznej kondensatora pełnić będzie lakier i klej znajdujący się pomiędzy ochraniaczami a karoserią. Należy również wziąć pod uwagę, że odległość między ochronnikami jest wprost proporcjonalna do pola elektrycznego, dlatego należy je instalować w niewielkiej odległości od siebie, aby zapewnić wystarczającą pojemność kondensatora.

Przewody do elektrod ochronnych poprowadzone są przez przebicia w gumowych zatyczkach, które zamykają otwory w dnie samochodu. W pojeździe można zainstalować wiele małych ochraniaczy lub mniej większych elektrod ochronnych. W każdym razie konieczne jest zastosowanie tych elementów w obszarach najbardziej narażonych na korozję, skierowanych na zewnątrz, ponieważ rolę elektrolitu w tym przypadku odgrywa powietrze.

Po zamontowaniu tego typu ochrony elektrochemicznej karoseria nie zostanie wstrząśnięta, ponieważ wytwarza prąd o bardzo małej sile. Nawet jeśli osoba dotknie elektrody ochronnej, nie otrzyma ciosu. Wyjaśnia to fakt, że w elektrochemicznej ochronie antykorozyjnej stosuje się prąd stały o małej mocy, który wytwarza słabe pole elektryczne. Ponadto istnieje alternatywna teoria, zgodnie z którą pole magnetyczne istnieje tylko między powierzchnią ciała a miejscem zainstalowania elektrod ochronnych. Dlatego pole elektromagnetyczne generowane przez ochronę elektrochemiczną jest ponad 100 razy słabsze niż pole elektromagnetyczne telefonu komórkowego.