Коррозия в переводе с латинского означает «разъедание», это легко объясняет сущность данного понятия. С научной точки зрения коррозия является процессом самопроизвольного разрушения металлов вследствие химических и физико-химических взаимодействий с окружающей средой.
Причиной для начала данного процесса служит отсутствие термодинамической устойчивости того или иного металла при воздействии веществ, которые находятся в контактирующей с ним среде.
Главным преимуществом данного метода является возможность использования любых синтетических средств влажной очистки.
Катодная защита металла от коррозии
Катодную защиту металла от коррозии можно отнести к одному из основных активных способов. Суть данного метода заключается в следующем: к изделию подводится электроток отрицательного заряда, поляризующий участки элементов (пораженных коррозией), тем самым приближая их к . К аноду присоединяется положительный полюс источника тока, что сводит коррозию конструкции практически к нулю. Со временем анод разрушается, поэтому необходимо его регулярно менять.
Катодную защиту можно разделить на несколько вариантов:
- поляризация от внешнего источника электрического тока;
- контакт с металлом, который отличается более отрицательным электропотенциалом свободной коррозии в конкретной среде;
- уменьшение скорости протекания катодной защиты.
Поляризацию от внешнего источника электрического тока используют довольно часто для обеспечения защиты тех сооружений, которые находятся в воде или в почве. Представленный вид защиты от коррозии лучше всего применять для олова, цинка, алюминия, меди, титана, свинца и стали (высокохромистой, углеродистой, легированной).
В роли внешнего источника тока здесь выступают станции катодной защиты, состоящие из выпрямителя, анодных заземлителей, токоподвода к защищаемой конструкции, электрода сравнения, а также анодного кабеля.
Катодную защиту от коррозии можно применять и в самостоятельном, и в дополнительном виде. Стоит отметить, что катодный метод защиты имеет также и недостатки. К ним можно отнести риск перезащиты, то есть произошло большое смещение потенциала защищаемого объекта в отрицательную сторону, которое несет с собой разрушение защитных покрытий, коррозионное растрескивание и водородное охрупчивание металла.
Протекторная защита металла от коррозии
Протекторная защита от коррозии является разновидностью катодной. При использовании данного вида защиты к конструкции или металлу присоединяется такой металл, который обладает более отрицательным электропотенциалом. В ходе этого наблюдается процесс разрушения не самой конструкции, а протектора. По истечению определенного срока протектор становится корродируемым и требует замены на новый.
Протекторную защиту чаще всего используют в тех случаях, когда между протектором с окружающей средой наблюдается небольшое переходное сопротивление.
Протекторы отличаются друг от друга радиусами защитного действия. Они определяются максимально возможным расстоянием, на которое возможно удалить протектор при условии сохранения защитного эффекта.
Данный вид защиты применяется чаще всего в тех случаях, когда вовсе нельзя или трудно (дорого) подвести к металлической конструкции ток. Применять протекторы для защиты сооружений можно в нейтральных средах, таких как морская вода, речная вода, воздух, почва и тому подобное.
Протекторы изготавливаются из следующих металлов: цинк, алюминий, магний, железо. Что касается чистых металлов, то они не способны в полной мере выполнить возложенные на них защитные функции и поэтому требуют при изготовлении протекторов дополнительного легирования.
Практические методы, а также перечень инструментов и средств, пригодных для использования при чистке акриловой ванны описаны .
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод о том, что современная наука о коррозии металлов, а также борьбе с ней имеет достаточно большие успехи. На сегодняшний день в производство многих стран вводятся новые, нарастающие объемы изделий из металла и как результат, каждый год растут убытки в виде миллионов тонн прокорродировавшего металла и огромных потерь денежных средств, которые были затрачены на борьбу с коррозией. Все это говорит о том, что научные исследования в данной области являются чрезвычайно актуальными и важными.
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.
В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.
Легирование
Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое называется легирование. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.
Защитные пленки
Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами, поэтому они препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит процесс коррозии. Именно поэтому важное значение имеет качество покрытия - толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.
Для снижения смачиваемости водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми составами или кремнийорганическими соединениями. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. В большинстве случаев они непригодны для защиты подземных сооружений и конструкций, так как трудно предупредить механические повреждения защитных слоев при контакте с грунтом. Опыт показывает, что срок службы лакокрасочных покрытий в этих условиях невелик. Намного практичнее оказалось применять толстослойные покрытия из каменноугольной смолы (битума).
В некоторых случаях пигменты красок выполняют также роль ингибиторов коррозии (об ингибиторах будет сказано далее). К числу таких пигментов относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO4, PbCrO4, ZnCrO4).
Грунтовки и фосфатирование
Часто под лакокрасочный слой наносят грунтовки. Пигменты, входящие в ее состав, также должны обладать ингибиторными свойствами. Проходя через слой грунтовки, вода растворяет некоторое количество пигмента и становится менее коррозионноактивной. Среди пигментов, рекомендуемых для грунтов, наиболее эффективным признан свинцовый сурик Pb3O4.
Вместо грунтовки иногда проводят фосфатирование поверхности металла. Для этого на чистую поверхность кистью или распылителем наносят растворы ортофосфатов железа (III), марганца (II) или цинка (II), содержащих и саму ортофосфорную кислоту H3PO4. В заводских условиях фосфатирование ведут при 99-970 С в течение 30-90 минут. В образование фосфатного покрытия вносят вклад металл, растворяющийся в фосфатирующейся смеси, и оставшиеся на его поверхности оксиды.
Для фосфатирования поверхности стальных изделий разработано несколько различных препаратов. Большинство из них состоят из смеси фосфатов марганца и железа. Возможно, наиболее распространенным препаратом является “мажеф” - смесь дигидрофосфатов марганца Mn(H2PO4)2, железа Fe(H2PO4)2 и свободной фосфорной кислоты. Название препарата состоит из первых букв компонентов смеси. По внешнему виду мажеф - это мелкокристаллический порошок белого цвета с соотношением между марганцем и железом от 10:1 до 15:1. Он состоит из 46-52% P2O5; не менее 14% Mn; 0,3-3% Fe. При фосфатировании мажефом стальное изделие помещается в его раствор, нагретый примерно до ста градусов. В растворе происходит растворение с поверхности железа с выделением водорода, а на поверхности образуется плотный, прочный и малорастворимый в воде защитный слой фосфатов марганца и железа серо-черного цвета. При достижении толщины слоя определенной величины дальнейшее растворение железа прекращается. Пленка фосфатов защищает поверхность изделия от атмосферных осадков, но мало эффективна от растворов солей и даже слабых растворов кислот. Таким образом, фосфатная пленка может служить лишь грунтом для последовательного нанесения органических защитных и декоративных покрытий - лаков, красок, смол. Процесс фосфатирования длится 40-60 минут. Для его ускорения в раствор вводят 50-70 г/л нитрата цинка. В этом случае время сокращается в 10-12 раз.
Электрохимическая защита
В производственных условиях используют также электрохимический способ - обработку изделий переменным током в растворе фосфата цинка при плотности тока 4 А/дм2 и напряжении 20 В и при температуре 60-700 С. Фосфатные покрытия представляют собой сетку плотносцепленных с поверхностью фосфатов металлов. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают надежной коррозионной защиты. Преимущественно их используют как основу под окраску, обеспечивающую хорошее сцепление краски с металлом. Кроме того, фосфатный слой уменьшает коррозионные разрушения при образовании царапин или других дефектов.
Силикатные покрытия
Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Вначале на очищенную поверхность наносят грунтовочный слой и обжигают его в печи. Далее наносят слой покровной эмали и обжиг повторяют. Наиболее распространены стекловидные эмали - прозрачные или загашенные. Их компонентами являются SiO2 (основная масса), B2O3, Na2O, PbO. Кроме того, вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей, оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью, глушители, красители. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6-10% глины. Эмалевые покрытия в основном наносят на сталь, а также на чугун, медь, латунь и алюминий.
Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу, вследствие чего и начинается коррозия.
Человечество за десятки сотен лет возвело вокруг себя большое множество техники. Но стартом для такого широкого развития послужила эпоха, когда люди научились добывать и обрабатывать металл. Благодаря его свойствам стало возможным достигать больших вершин в технике, строить транспортные средства, которые могли доставлять человека на другой конец мира, оружие, чтобы защищается. Но сейчас техника дошла до такого уровня, что одни механизмы создают другие.
Несмотря на то, что в центре всей (или почти всей) техники находится металл, это не самый совершенный материал. С течением времени и влияния на него окружающей средой, он поддается ржавлению. Это явление наносит большей вред данному материалу, и как следствие – ухудшает работу техники, что часто может привести к аварии или катастрофе. В этой статье будет указано все о ржавеющей стали, как происходит этот процесс, и что делать, чтобы его избежать (или устранить).
Что такое ржавчина?
«Ржавчина» – так называют любые виды разрушения этого материала в быту. Если говорить конкретно, то это те покраснения, которые образовываются на металле после реакции с кислородом. Окисление пагубно влияет на этот материал, делая его хрупким, грани – рыхлыми, и уменьшают его твердость, как и эксплуатационные характеристики.
Поэтому на многих заводах используют разные составы для уменьшения трения, защиты от коррозии и других негативных воздействий окружающей среды. Об этом немного позже. Чтобы перейти к защите от такого воздействия, нежно разобраться с тем, как «гниение» влияет на сталь, и как убивает ее кристаллическую решетку.
Природное разрушение может наносить самые разные повреждения:
- Полное повреждение;
- Нарушение плотности кристаллической решетки;
- Избирательное повреждение;
- Подповерхностное.
В зависимости от характера повреждении, могут принимается разные методы борьбы с коррозией. Каждый из возможных повреждений вредит по-своему, и неприемлем в различных направлениях техники и производства. В энергетике подобные разрушения непозволительна вообще (это может привести к утечкам газа, распространению радиации, и так далее).
Видео ролик о том, что такое ржавчина и как от нее защищаться:
Воздействие ржавчины
Чтобы эффективно подбирать механизмы противодействия разрушению структуры металла, необходимо понять, как действует само ржавление. Она может быть двух видов: химической и электрохимической.
К первой – химической – можно отнести процесс того, как грань образца уничтожается просто под воздействием окружающей среды (газами чаще всего). Такая ржавчина на металле образуется за очень долгое время, и как правило, ее весьма легко избежать. Деталь необходимо чистить и наносить антикоррозионные покрытия (краски, лаки и так далее).
Кроем этого, такой процесс порчи железа возникает в влажных, мокрых средах, а также при контакте с органическими веществами, типа нефти, например. Последний случай особенно важно учитывать, так как ржавчина на нефтяных вышках недопустима.
Электрохимическая коррозия более редкая, и происходит в электролитах. Только в данном случае важна не среда, а ток, который производится в результате электризации. Именно он и разрушает металл и его поверхность (по большей части). Поэтому отличить ее можно легко по рассыпчатой поверхности металла.
Чтобы защитить металл от ржавчины нужно учитывать все эти особенности.
Как создать правильную защиту?
Коррозия металлов и способы защиты тесно связаны между собой. Поэтому все процессы защиты можно разделить на всего лишь две группы: улучшение металла во время производства, и нанесение защиты в процессе эксплуатации. К первому можно отнести изменения химического состава, который сделает деталь более стойкой к окружающему влиянию. Такую технику или предметы не нужно дополнительно защищать.
Ко второй же группе защити можно отнести различные покрытия и изоляции рабочего процесса. Избежать разрушения можно несколькими способами: избежать среды, которая ее провоцирует, или добавить что-то, что поможет избавится от распространения порчи металла, вне зависимости от среды и окружения. В домашних условиях возможен только второй вариант, так как повлиять уже готовое изделие человек без специального оборудования, печи и прочего, просто не может.
Как подготовится к воздействию ржавчины
Во время создания металлических изделий, есть два способа, как убрать коррозию или свести к минимуму ее появление. Для этого в структуру либо добавляют вещества (цинк, медь и так далее), которые стойкие к воздействию газов и других негативных раздражителей. Также часто можно встретить обратный эффект.
Как уже упоминалось, есть такой тип коррозии, как избирательный. Он разрушает определенные элементы в складе элементов. Как известно, металл состоит из разных атомов, которые образуют элементы, каждый из которых в разной степени поддается негативным воздействиям. Например, в железе это сера. Чтобы деталь из этого материала служила как можно дольше, из ее химического состава удаляется сера, из которой начинается избирательное разъединение структуры. В домашних условиях такой надежный способ невозможен.
Еще одна антикоррозионная защита может быть при производстве. При производстве наносятся специальные покрытия, которые будут защищать поверхность от внешних повреждений от химической реакции. Конструкционные материалы, которые используются при этом, могут быть только на производстве, так как в общем доступе их приобрести почти нельзя. К тому же, такое нанесение часто производится на автоматических линиях, что повышает надежность и скорость покрытия материала.
Но как бы металл не усовершенствовался, этот материал все равно будет поддаваться негативному давлению со стороны влажности, воздуха, разных газов и в процессе эксплуатации будет портится. Поэтому необходима антикоррозионная защита, которая будет не только влиять на него, но и защищать его от внешнего мира.
Очень сильно на распространение ржавчины влияет кислород. Защита металлов от коррозии также является замедление, а не только предотвращение, распространения такого негативного явления. Для этого в структуру окружающей среды вводятся специальные молекулы – ингибиторы – которые, приникая в поверхность металла, обеспечивают своего рода щит для него.
Также часто используется антикоррозийная пленка, которая может наносится разными способами. Но проще всего (и надежнее), когда ее наносят путем распыления. Используют для этого различные полимерные материалы, краски, эмали и подобное. Они также обволакивают деталь, и ограничивают к нему доступ разрушительной среды. Борьба с коррозией металла может быть самой разнообразной, несмотря на схожесть в процессе. Этот химический процесс неизбежен, и практически всегда достигает цели. Поэтому так много усилий и уходит на то, чтобы предотвратить коррозию. Способы защиты в виду этого могут комбинироваться.
Это основные методы защиты. Они популярны из-за простоты, надежности и удобства. К ним также можно отнести покрытие лаками и эмалями, но про это немного ниже.
Так, например, перед нанесением краски или эмали, работники смазывают изделие грунтовкой, чтобы краска лучше «легла» на поверхность, и между ней и изделием не осталось влаги (которую грунтовка вбирает). Эти методы защиты металлов от коррозии не всегда делаются на производстве. Домашних инструментов вполне хватит, чтобы сделать такие операции самостоятельно.
Антикоррозионная защита порой бывает весьма необычной. Например, когда один металл защищен другим. К такому приему часто прибегают, когда химический сплав нельзя изменить. Его поверхность покрывается другим материалом, который переполнен вкраплениями элементов, неподдающихся коррозийным воздействиям. Это так называемым антикоррозийный слой помогает очень надежно сохранить поверхность более чувствительного материала. К примеру, покрытие может быть из хрома.
К подобному относят и протекторную защиту металлов от коррозии. В данном случае защищаемая поверхность покрывается металлом, у которого низкая проводимость электричества (которое является одной из основных причин коррозии). Но это применяется тогда, когда контакт с окружающей средой сводится к минимуму. Поэтому подобная защита металлов от ржавчины и других опасных химических процессов, используется в комбинации, например, с ингибиторами.
Такие способы защиты применяются для того, чтобы избежать механических воздействий. То, как защитить металл надежнее всего – сказать сложно. Каждый метод может давать свои положительные результаты.
Как добиться качественного покрытия?
Не всегда защиты металла от коррозии ложится на плечи производителей. Часто заботиться о таком изделии нужно самостоятельно, и тогда лучшей схемой усовершенствования стойкости детали становится нанесение покрытия.
Первым делом, оно должно быть полностью чистым. К «грязи» можно отнести:
- Остатки масла
- Окислы
Устранять их нужно правильно и полностью. К примеру, нужно брать специальную жидкость на основе спирта или бензина, чтобы вода дополнительно не повредила структуру. К тому же, влажность на поверхности может остаться, и нанесенная поверх нее краска попросту не будет выполнять свои функции.
В замкнутой среде (между поверхностью и краской) коррозия железа будет развивается еще активнее, поэтому такая защита металла от коррозии скорее нанесет ему вред, чем поможет. Поэтому важно избегать также и влаги. После устранения грязи необходимо просушить его.
После этого можно наносить необходимое покрытие. Но все же это лучший способ защиты от ржавчины в домашних условиях. Хоть способы защиты от коррозии металлов могут быть разными, всегда нужно помнить, что неправильное их использование может привести к неприятностям. Поэтому не нужно придумывать что-то неординарное, лучше использовать уже проверенные и надежные методы защиты от коррозии металлов.
Также стоит отметить, что поверхность агрегата может быть обработана несколькими способами:
- Химическими
- Электрохимическим
- Механическим
Последний является самым простым методом того, как остановить коррозию. Первые два пункта из списка представляют собой более сложные (в техническом плане) процессы, от чего антикоррозионная защита становится надежнее. Ведь они обезжиривают металл, что делает его более удобным для нанесения на него защитного покрытия. До покрытия должно пройти не более 6-7 часов, так как за это время контакт со средой «восстановит» предыдущий результат, который был до обработки.
Защита от коррозии должна производится – по большей части – на заводе и при производстве. Но не нужно полагаться только на нее. Домашнее средство от коррозии также не повредит.
Можно ли навсегда избавится от коррозии?
Несмотря на простоту ответа, он должен быть развернутым. Коррозию и защиту металлов от коррозии нельзя отделять друг от друга, так как в их основе лежит химический состав как самого изделия, так и его окружающей атмосферы. Не зря способы борьбы с коррозией основываются именно на этих показателях. Они либо убирают «слабые» частицы кристаллической решетки (либо добавляют в нее более надежные вкрапления), либо же помогают «спрятать» поверхность изделия от газов и воздействий извне.
Антикоррозионная защита не являет собой ничего хитрого. В ее основе простая химия, и законы физики, которые также указывают на то, избежать каких-либо процессов во взаимодействии элементов невозможно. Противокоррозионная защита уменьшает вероятность развития такого исхода, повышает долговечность металла, но все же – окончательно его не спасает. Какой бы ни была она, ее все равно нужно обновлять, улучшать и комбинировать, и использовать дополнительные способы защиты металлов от коррозии.
Сказать, как предотвратить коррозию можно, но вот стремится к тому, чтобы железо вообще было ей не подвластно – не стоит. Покрытие также поддается разрушительной силе окружающего мира, и, если за этим не следить, газы и влажность доберутся и до защищенной поверхности, который под ней прячется. Коррозия и защита металлов крайне необходима (как на производстве, так и в процессе эксплуатации), но к ней тоже нужно относится с умом.
Коррозия причиняет огромные убытки. В результате нее металлические изделия теряют свои ценные технические свойства. Поэтому имеют очень большое значение меры борьбы с коррозией.
Они весьма разнообразны и включают следующие методы:
1. Защитные поверхностные покрытия металлов. Они бывают металлические и неметаллические. Металлические покрытия в свою очередь подразделяют на: гальванические; полученные, погружением в расплав; плакированием металлов; диффузионные и изотермически напыленные. Неметаллические покрытия бывают: силикатные (эмалированные); фосфатные; керамические, полимерные: лакокрасочные и порошкообразные.
4. Обескислороживание воды.
5. Создание сплавов с антикоррозионными свойствами.
Металлические гальванические покрытия изолируют металл от внешней среды. Их наносят электролитическим способом, подбирая состав электролита, плотность тока и температуру среды. Метод позволяет получать очень тонкие надежные слои металлов (цинк, никель, хром, свинец, олово, медь, кадмий и др.) и является экономичным. Покрытие железных изделий этими и другими металлами помимо защиты, придает им красивый внешний вид.
Тщательная очистка покрываемого изделия от загрязнений является одним из важных условий получения качественного покрытия. К загрязнениям относятся: жиры, масла и окислы. Обработку покрываемой поверхности производят тремя способами: механическим (шлифовка, песко- и дробеструйная очистка), химическим и электрохимическим (обезжиривание, травление и электрохимическое полирование). Хранение подготовленных изделий до покрытия не более 4 - 6 часов.
Например, кровельное железо предохраняют от коррозии цинком. Цинк, хотя и является более активным металлом, чем железо, покрыт снаружи защитной окисной пленкой. При ее повреждении возникает гальваническая пара железо-цинк. Катодом (положительным) служит железо, анодом (отрицательным) - цинк. Электроны переходят от цинка к железу, цинк растворяется, но железо остается защищенным до тех пор, пока слой цинка не разрушится до конца.
Методом погружения деталей в расплав наносятся например, покрытия из цинка и олова. Защитный слой (d = 10 - 50 мкм) имеет диффузионное сцепление с основой. Недостатки метода - трудность достижения равномерной толщины покрытия, а также большой расход металла, который например, при использовании цинка для слоя толщиной 25 мкм составляет до 600 г/м2.
Диффузионный способ защиты основан на изменении химического и фазового состава поверхностного слоя металла при вхождении в него подходящих элементов, которые обеспечивают коррозионную стойкость. Стали от атмосферной коррозии сохраняют цинкованием, алитирование применяют для защиты от окисления при повышенных температурах. Кремниевые покрытия (силицирование) используют для предохранения жаростойких металлов, борирование - для повышения износостойкости и прочности.
Плакирование металлов используют для изготовления биметаллических листов типа сталь-никель, сталь-титан, сталь-медь, сталь-алюминий. Его проводят методами совместного горячего пластического деформирования, электродуговой и электрошлаковой наплавкой, сваркой взрывом.
Напыляемые покрытия получают газотермическим, плазменным, детонационным и вакуумным способами. При этом металл распыляется в жидкой фазе в виде капель и осаждается на покрываемую поверхность. Метод прост, позволяет получать слои любой толщины с хорошим сцеплением с основным металлом. При вакуумном способе материал покрытия нагревают до состояния пара, и паровой поток конденсируется на поверхности изделия.
Методы напыления позволяют защищать сборные конструкции. Однако расход металла при этом очень значительный, а покрытие получается пористым и для обеспечения противокоррозионной защиты требуется дополнительное уплотнение термопластическими смолами или другими полимерными материалами. При восстановлении изношенных деталей машин пористость является весьма ценной, так как служит носителем смазочных материалов.
Стеклоэмалями называются стекла, наносимые тонким слоем на поверхность металлических предметов с целью защиты от коррозии, придания им определенной окраски и улучшения внешнего вида, создания отражающей поверхности и пр.
Производство эмалированных изделий включает в себя следующие операции: высокотемпературный синтез-варка эмалевых стекол (фриттов); приготовление из них порошков и суспензий; подготовка поверхности металлических изделий и собственное эмалирование - нанесение суспензии на поверхность металла, сушка и оплавление порошкообразного стекла в покрытие.
Стальные изделия грунтовой эмалью покрываются обычно двух- и трехкратно. Общая толщина получаемого покрытия в среднем равна 1,5 мм. После сушки полученного грунта при температуре 90 - 100 °С деталь далее обжигают при 850 - 950 °С. С целью увеличения долговечности эмалевых покрытий стальных труб в теплоэнергетике их наносят по слою напыленного алюминия.
В основе фосфатирования стальных изделий лежит процесс образования нерастворимых в воде двух- и трехзамещенных фосфатов железа, цинка и марганца. Они образуются при погружении изделий в разбавленный раствор фосфорной кислоты с добавкой однозамещенных фосфатов вышеперечисленных металлов. Получающийся фосфатный пласт хорошо сцеплен с металлической основой. Эти покрытия пористы, поэтому на них дополнительно нужно нанести лак или краску. Толщины фосфатных слоев составляют 10 - 20 мкм. Фосфатирование нужно вести окунанием или распылением.
В качестве керамической защиты используются покрытия на основе оксидов некоторых р-элементов, также кремниземистые, алюмисиликатные, магнезильные, карборундовые и другие. Получили развитие новые материалы, называемые керметы. Это металлокерамические смеси или комбинации металлов с керамикой, например Al - Al2O3 (САП), V - Al - Al2O3 (твэл). Они находят применение в реакторостроении. По сравнению с простой керамикой керметы обладают большей прочностью и пластичностью, имеют очень высокую сопротивляемость механическим и тепловым ударам.
Лакокрасочные покрытия наносят: распылением воздухом, высоким давлением и в электрическом поле; электроосаждением, струйным обливом, окунанием, валиками, кистью и т. д. Искусственная сушка красок может выполняться горячим воздухом, в камерах, инфракрасным и ультрафиолетовым излучениями.
Нанесение слоев из порошков полимеров осуществляют газопламенным, вихревым и электростатическим напылением. При температуре 650 -700 °С порошкообразный полимер размягчается и при ударе о подготовленную и нагретую до температуры давления полимера поверхность детали сцепляется с ней, образуя сплошное покрытие. Для напыления успешно используют полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласты, нейлон и другие полимерные материалы.
Для катодной защиты стали в почве и нейтральных водных растворах минимальный потенциал составляет 770 - 780 мВ. Предусматривается одновременная пленочная изоляция поверхности изделия от контакта с коррозионной средой.
Анодную защиту применяют только для оборудования из сплавов, склонных к пассивации в данном технологическом растворе. Коррозия этих сплавов в инертном состоянии протекает гораздо медленнее. Используется источник постоянного тока с автоматическим регулятором потенциала анодной поляризации защищаемого металла.
В зависимости от агрессивности среды при анодно-протекторной защите применяют катоды из кремнистого чугуна, молибдена, сплавов титана и нержавеющих сталей. Так предохраняют теплообменники из нержавеющих сталей, работающие в 70 - 90 %-ной серной кислоте при температуре 100 -120 °С.
Ингибиторы коррозии - это вещества, замедляющие скорость разрушения металлических изделий. Даже в малом количестве они заметно снижают скорость обоих механизмов коррозии. Их вводят в рабочую агрессивную среду или наносят на детали. Они адсорбируются на металлической поверхности, взаимодействуют с ней с образованием защитных пленок и тем самым препятствуют протеканию разрушительных процессов. Некоторые антиоксиданты способствуют удалению кислорода (или другого окислителя) из рабочей зоны, что также снижает скорость коррозии.
Ингибиторами служат многие неорганические и органические соединения и разнообразные смеси на их основе. Их широко применяют при химической очистке паровых котлов от накипи, снятии окалины методом кислотной промывки, а также при хранении и перевозке неорганических сильных кислот в стальной таре и других. Например, для солянокислотной промывки теплосилового оборудования используют ингибиторы марок И-1-А, И-1-В, И-2-В (смесь высших пиридиновых оснований).
Создание сплавов с антикоррозионными свойствами заключается в легировании сталей такими металлами, как хром. При этом получают хромистые нержавеющие устойчивые к коррозии стали. Усиливают антикоррозионные свойства сталей добавками никеля, кобальта и меди. Легирование преследует достижение их высокой коррозионной стойкости в рабочей среде и обеспечение заданного комплекса физико-механических характеристик. Легирование сталей такими легкопассивирующимися металлами, как алюминий, хром, никель, титан, вольфрам и молибден придает первым склонность к пассивации при условии образования твердых растворов.
Для борьбы с МКК аустенитных сталей применяют:
а) снижение содержания углерода, что исключает образование хромистых карбидов;
б) введение в сталь более сильных, чем хром, металлов-карбидообразо-вателей (титан и ниобий), что связывает углерод в их карбиды и исключает обеднение границ зерен по хрому;
в) закалку сталей от 1050 - 1100 °С, обеспечивающую перевод хрома и углерода в твердый раствор на их основе;
г) отжиг, обогащающий приграничные зоны зерен свободным хромом до уровня требуемой коррозионной стойкости.
Вопросы для самостоятельной работы . Основы теории коррозии, виды коррозии металлов, борьба и защита электрооборудования от коррозии Радиационные повреждения металлов и сплавов, борьба с радиационными повреждениями; исправление радиационных повреждений. Сварка и пайка в энергетике. Способы, сущность, преимущества и недостатки. Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и прежде всего легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии. Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, - это легирование металлов, т.е. получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место. Оказалось, что при добавлении легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, т.е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию. Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит коррозию. Поэтому важное значение имеет качество покрытия - толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.Для снижения смачиваемости водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми составами или кремнийорганическими соединениями. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. В большинстве случаев они непригодны для защиты подземных сооружений и конструкций, так как трудно предупредить механические повреждения защитных слоев при контакте с грунтом. Опыт показывает, что срок службы лакокрасочных покрытий в этих условиях невелик. Намного практичнее оказалось применять толстослойные покрытия из каменноугольной смолы (битума).
В некоторых случаях пигменты красок выполняют также роль ингибиторов коррозии. К числу таких пигментов относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO 4 , PbCrO 4 , ZnCrO 4).
Часто под лакокрасочный слой наносят слой грунтовки. Пигменты, входящие в ее состав, также должны обладать ингибиторными-свойствами. Проходя через слой грунтовки, вода растворяет некоторое количество пигмента и становится менее коррозионно-активной. Среди пигментов, рекомендуемых для грунтов, наиболее эффективным признан свинцовый сурик Рb3O4.
Вместо грунтовки иногда проводят фосфатирование поверхности металла. Для этого на чистую поверхность кистью или напылителем наносят растворы ортофосфатов железа (III), марганца (II) или цинка (II), содержащих и саму ортофосфорную кислоту H3PO4. В нашей стране для этой цели применяют 3%-ный раствор смеси кислых солей Fe(H 2 PO 4) 3 и Мn(H 2 PO 4) 2 с добавками KNO 3 или Cu(NO 3) 2 в качестве ускорителей. В заводских условиях фосфатирование ведут при 97…99 0 C в течение 30…90 мин. В образование фосфатного покрытия вносят вклад металл, растворяющийся в фосфатирующейся смеси, и оставшиеся на его поверхности оксиды.
Для фосфатирования поверхности стальных изделий разработано несколько различных препаратов. Большинство из них состоит из смесей фосфатов марганца и железа. Возможно, наиболее распространенным препаратом является «мажеф» - смесь дигидрофосфатов марганца Mn(H 2 PO 4) 2 , железа Fe(H 2 PO 4) 2 и свободной фосфорной кислоты. Название препарата состоит из первых букв компонентов смеси. По внешнему виду мажеф - это мелкокристаллический порошок белого цвета с соотношением между марганцем и железом от 10:1 до 15:1. Он состоит из 46…52% P2O5; не менее 14% Mn; 0,3…3,0% Fe. При фосфатировании мажефом стальное изделие помещается в его раствор, нагретый примерно до 100 0 C. В растворе происходит растворение с поверхности железа с выделением водорода, а на поверхности образуется плотный, прочный и малорастворимый в воде защитный слой фосфатов марганца и железа серо-черного цвета. При достижении толщины слоя определенной величины дальнейшее растворение железа прекращается. Пленка фосфатов защищает поверхность изделия от атмосферных осадков, но мало эффективна от растворов солей и даже слабых растворов кислот. Таким образом, фосфатная пленка может служить лишь грунтом для последующего нанесения органических защитных и декоративных покрытий - лаков, красок, смол. Процесс фосфатирования длится 40…60 мин. Для ускорения фосфатирования в раствор вводят 50…70 г./л нитрата цинка. В этом случае время фосфатирования сокращается в 10…12 раз.
В производственных условиях используют также электрохимический способ - обработку изделий переменным током в растворе фосфата цинка при плотностях тока 4 А/дм 2 и напряжении 20 В и при температуре 60…70 0 C. Фосфатные покрытия представляют собой сетку плотно сцепленных с поверхностью фосфатов металлов. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают надежной коррозионной защиты. Преимущественно их используют как основу под окраску, обеспечивающую хорошее сцепление краски с металлом. Кроме того, фосфатный слой уменьшает коррозионные разрушения при образовании царапин или других дефектов.
Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали - силикатные покрытия, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Вначале на очищенную поверхность наносят грунтовочный слой и обжигают его в печи. Далее наносят слой покровной эмали и обжиг повторяют. Наиболее распространены стекловидные эмали - прозрачные или заглушенные. Их компонентами являются SiO 2 (основная масса), B 2 O 3 , Na 2 O, PbO. Кроме того, вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей, оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью, глушители, красители. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6…10% глины. Эмалевые покрытия в основном наносят на сталь, а также на чугун, медь, латунь и алюминий.
Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу вследствие чего и начинается коррозия.
Для защиты чугунных и стальных водяных труб от коррозии используют цементные покрытия. Поскольку коэффициенты теплового расширения портландцемента и стали близки, а стоимость цемента невысокая, то он довольно широко применяется для этих целей. Недостаток портландцементных покрытий тот же, что и эмалевых, - высокая чувствительность к механическим ударам.
Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами: кратковременным погружением в ванну с расплавленным металлом (горячее покрытие), электроосаждением из водных растворов электролитов (гальваническое покрытие), напылением (металлизация), обработкой порошками при повышенной температуре в специальном барабане (диффузионное покрытие), с помощью газофазной реакции, например 3CrCl 2 + 2Fe - > 2FeCl 3 + 3Cr (в сплаве с Fe).
Имеются и другие методы нанесения металлических покрытий, например, разновидностью диффузионного способа защиты металлов является погружение изделий в расплав хлорида кальция CaCl 2 , в котором растворены наносимые металлы.
В производстве широко используют химическое нанесение металлических покрытий на изделия. Процесс химического металлирования является каталитическим или автокаталитическим, а катализатором является поверхность изделия. Раствор, используемый для металлизации, содержит соединение наносимого металла и восстановитель. Поскольку катализатором является поверхность изделия, выделение металла и происходит именно на ней, а не в объеме раствора. В автокаталитических процессах катализатором является металл, наносимый на поверхность. В настоящее время разработаны методы химического покрытия металлических изделий никелем, кобальтом, железом, палладием, платиной, медью, золотом, серебром, родием, рутением и некоторыми сплавами на основе этих металлов. В качестве восстановителей используют гипофосфит и боргидрид натрия, формальдегид, гидразин. Естественно, что химическим никелированием можно наносить защитное покрытие не на любой металл. Чаще всего ему подвергают изделия из меди.
Металлические покрытия делят на две группы: коррозионностойкие и протекторные. Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны по отношению к железу, т.е. в электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. По отношению к железу они более электроотрицательны, т.е. в ряду напряжений находятся левее железа.
В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом - белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а из второго изготавливают консервные банки. И то и другое получают главным образом протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла. Для большей стойкости водопроводные трубы и арматуру из стали и серого чугуна часто подвергают оцинковыванию также окунанием в расплав данного металла. Это резко повышает срок их службы в холодной воде. Интересно, что в теплой и горячей воде срок службы оцинкованных труб может быть даже меньше, чем неоцинкованных.
Испытания показали, что оцинкованная жесть при толщине покрытия в 0,03 мм, что соответствует 0,036 г./см 2 при покрытии с двух сторон, на крышах домов служит примерно 8 лет. В промышленной атмосфере (в атмосфере больших городов) она же служит всего лишь четыре года. Такое уменьшение срока службы связано с воздействием серной кислоты, содержащейся в воздухе городов.
Покрытия из цинка и олова (так же как и других металлов) защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении покрывающего слоя (трещины, царапины) коррозия изделия протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется «работой» гальванического элемента железо - цинк и железо - олово. Трещины и царапины заполняются влагой и образуются растворы. Поскольку цинк более электроотрицателен, чем железо, то его ионы будут преимущественно переходить в раствор, а остающиеся электроны будут перетекать на более электроположительное железо, делая его катодом.
К железу-катоду будут подходить ионы водорода (вода) и разряжаться, принимая электроны. Образующиеся атомы водорода объединяются в молекулу H2. Таким образом, потоки ионов будут разделены и это облегчает протекание электрохимического процесса. Растворению (коррозии) будет подвергаться цинковое покрытие, а железо до поры до времени будет защищено. Цинк электрохимически защищает железо от коррозии. На этом принципе основан протекторный метод защиты от коррозии металлических конструкций и аппаратов.
При наличии влаги, а точнее в присутствии электролита начнет действовать гальванический элемент. В нем будет растворяться более электроотрицательный металл, а конструкция или аппарат оказываются катодно защищенными. Защита будет действовать до тех пор, пока полностью не растворится анод - более электроотрицательный металл.
С протекторной защитой весьма сходна катодная защита металлов от коррозии. Можно сказать, что катодная защита является модификацией протекторной защиты. В данном случае конструкция или корпус корабля присоединяются к катоду источника постоянного тока и тем самым защищаются от растворения.
При наличии дефектов на белой жести процесс коррозии существенно иной, чем оцинкованного железа. Поскольку олово электроположительнее железа, то растворению подвергается железо, а катодом становится олово. В результате при коррозии слой олова сохраняется, а под ним активно корродирует железо.
Считают, что нанесение олова на поверхность металлов (лужение) было освоено уже в бронзовом веке. Этому способствовала низкая температура плавления олова. В прошлом особенно часто проводили лужение медной и латунной посуды: тазов, котлов, кувшинов, самоваров и др. Продукты коррозии олова безвредны для человека, поэтому луженая посуда широко применялась в быту. В XV в. во многих странах Европы (Германии, Австрии, Голландии, Англии и Франции) широко использовалась столовая посуда, изготовленная из олова. Имеются сведения, что в рудных горах Богемии оловянные ложки, чашки, кувшины, тарелки начали изготавливать уже в XII в.
Луженое железо до сих пор в больших количествах идет на изготовление тары для хранения пищевых продуктов (консервные банки). Однако в последние годы для этой цели все шире применяется алюминиевая фольга. Посуда из цинка и оцинкованного железа не рекомендуется для хранения пищевых продуктов. Несмотря на то, что металлический цинк покрыт плотной оксидной пленкой, он все же подвергается растворению. Хотя соединения цинка относительно мало ядовиты, в больших количествах они могут оказать вредное действие.
Современная техника включает детали и конструкции из различных металлов и сплавов. Если они находятся в контакте и попадают в раствор электролитов (морская вода, растворы любых солей, кислот и щелочей), то может образоваться гальванический элемент. Более электроотрицательный металл становится анодом, а более электроположительный - катодом. Генерирование тока будет сопровождаться растворением (коррозией) более электроотрицательного металла. Чем больше разность электрохимических потенциалов контактирующих металлов, тем больше скорость коррозии.
Применение ингибиторов - один из эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах (в атмосферных, в морской воде, в охлаждающих жидкостях и солевых растворах, в окислительных условиях и т.д.). Ингибиторы - это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Ингибиторы взаимодействуют с промежуточными продуктами реакции или с активными центрами, на которых протекают химические превращения. Они весьма специфичны для каждой группы химических реакций. Коррозия металлов - это лишь один из типов химических реакций, которые поддаются действию ингибиторов. По современным представлениям защитное действие ингибиторов связано с их адсорбцией на поверхности металлов и торможением анодных и катодных процессов.
Первые ингибиторы были найдены случайно, опытным путем, и часто становились клановым секретом. Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате чего растворялись лишь окалина и ржавчина.
Ингибиторами, не зная того, давно пользовались и на Руси. Уральские оружейники для борьбы с ржавчиной готовили «травильные супы» - растворы серной кислоты, в которые добавлялись мучные отруби. Одним из наиболее простых ингибиторов атмосферной коррозии металлов является нитрит натрия NaNO2. Его используют в виде концентрированных водных растворов, а также растворов, загущенных глицерином, оксиэтилцеллюлозой или карбоксиметилцеллюлозой. Нитрит натрия используют для консервирования изделий из стали и чугуна. Для первой применяют. 25%-ные водные растворы, а для второго - 40%-ные. После обработки (обычно окунанием в растворы) изделия заворачивают в парафиновую бумагу. Лучшим действием обладают загущенные растворы. Срок хранения изделий, обработанных загущенными растворами, увеличивается в 3…4 раза по сравнению с водными растворами.
По данным 1980 г., число известных науке ингибиторов коррозии превысило 5 тыс. Считают, что 1 т ингибитора дает в народном хозяйстве экономию около 5000 руб.
Работа по борьбе с коррозией имеет важнейшее народнохозяйственное значение. Это весьма благодатная область для приложения сил и способностей.
