Основные способы защиты металлов от коррозии.
Много веков стоит в Дели удивительная колонна. Потому удивительная, что сделана она из чистейшего железа. Проходят века, а колонна не ржавеет.
Как древнейшим металлургам удалось выплавить чистое железо? Было мнение, что это не человеческих рук дело, а пришельцы из иных миров воздвигли этот обелиск в память своего пребывания на Земле. Но если лишить колонну загадочного ореола ее происхождения, остается чрезвычайно важный факт: чем чище металл, тем медленнее разрушается он коррозией.
И не только одна чистота здесь существенна. Важно, чтобы поверхность металлической детали была тщательно обработана. Ведь отдельные «бугорки» или «впадины» могут, оказывается, играть роль посторонних включений. Ученым и инженерам удалось достичь почти идеальной гладкости поверхности. Изделия с такой поверхностью уже нашли применение в конструкциях ракет и космических кораблей.
Однако проблема борьбы с коррозией полностью не решена. Получить очень чистые металлы, и притом в огромных количествах, — дело трудоемкое, сложное, и дорогое. Опять же техника больше предпочитает иметь дело со сплавами: у них гораздо богаче диапазон различных свойств. А сплав — это уже как минимум два металла.
Правда, ученые и инженеры достаточно хорошо изучили все возможные механизмы коррозии. И, готовясь получить новый сплав с заранее заданными свойствами, внимательно обдумывают и «коррозионную» сторону вопроса. Теперь создано много сплавов, отличающихся большой устойчивостью к коррозии.
В быту повсюду встречаются оцинкованные и луженые изделия. Железо покрывают пленкой цинка или олова для предохранения от ржавления, железные крыши домов красят плотным слоем масляной краски.
Ослабить, уменьшить коррозию — это значит еще и каким-то путем резко замедлить скорость электрохимических реакций, которые составляют суть коррозионного процесса, для этого и применяют специальные неорганические и органические вещества - ингибиторы.
Сначала их искали ощупью. На них наталкивались случайно. Оружейники еще в допетровской Руси применяли любопытный способ. Чтобы очистить ружейные стволы от окалины, они промывали (протравляли) их серной кислотой. А в кислоту предварительно насыпали пшеничные отруби. Благодаря этому примитивному методу удавалось предохранить металл от растворения в кислоте.
Для борьбы с коррозией в настоящее время применяются различные способы, учитывающие особенности не только самого металла, но и условия его эксплуатации. Поэтому нет какой-либо единой системы выбора и применения мер защиты от коррозии. В практике борьбы с коррозией наиболее распространены следующие группы способов защиты поверхностей деталей машин и оборудования:
1. защитные покрытия на органической основе (лакокрасочные, гуммировочные, пластмассовые и др.);
2. металлические покрытия;
3. диффузионное насыщение поверхностного слоя;
4. защитные покрытия на неорганической основе (оксидные, фосфатные, силикатные и др.);
5. применение ингибиторов коррозии;
6. электрохимическая защита (катодная, анодная, протекторная защита, защита от блуждающих токов);
7. создание коррозионно-стойких сплавов.
Покрытия неметаллическими веществами среди других методов защиты нашли наибольшее распространение в практике защиты пожарной техники. Сюда относятся нанесение на поверхность деталей красок, лаков, эмалей, противокоррозионных паст, защитных смазок, пластмасс.
Этот метод имеет ряд преимуществ перед другими видами защиты: простота нанесения, доступность, возможность подновления и ремонта в условиях эксплуатации, возможность сочетания с другими способами защиты и т.д.
Однако этот метод не может считаться универсальным т.к. покрытия неметаллическими веществами, особенно лакокрасочные, обладают ограниченной паро-, газо- и водонепроницаемостью, а также недостаточной термостойкостью, хотя последний недостаток устраняется применением кремнийорганических смол, выдерживающих нагрев до 250-300°С. Опыт эксплуатации пожарных машин показывает, что лакокрасочные покрытия могут длительное время успешно выполнять свои функции, если за ним имеется определённый уход.
Уход за лакокрасочным покрытием предусматривает, прежде всего, предупреждение его механического повреждения. Если в результате механических повреждений покрытие даже не полностью разрушается, а образуется лишь трещины или царапины, то они не защищают поверхность металла, а наоборот способствуют проникновению влаги и дальнейшему разрушения покрытия и развитию коррозии. Поэтому при появлении царапин, трещин они должны затираться пастой (воском), лаком и другими антикоррозионными средствами.
Солнечные лучи оказывают заметное разрушающее действие на лакокрасочные покрытия. Под их влиянием происходит изменение цвета пигмента, выделение его на поверхность покрытия, а также разрушение плёнкообразователя, его растрескивание. В связи с этим, длительное нахождение автомобиля на солнце недопустимо.
Нежелательно также, чтобы на окрашенной поверхности длительное время находилась влага. Во-первых, присутствующие в воде соли и другие вещества взаимодействуют с покрытием, изменяя его свойства, в том числе может происходить и прямое разъедание покрытия. Во-вторых, в осенне-зимний период влага, попавшая в микротрещины, замерзает и усиливает растрескивание покрытия. Поэтому после мойки окрашенной техники её необходимо протереть насухо.
Нежелательно попадание на окрашенные поверхности лёгких нефтепродуктов. Особенно чувствительны к нефтепродуктам покрытия с масляно-смоляными плёнкообразователями (глифталевые, пентафталевые эмали и др.). Нитроэмали и краски более стойки к нефтепродуктам, но пользоваться этим без ограничения нельзя.
Любое длительное загрязнение покрытия грязью, пылью разрушающе действует на покрытие. Основными операциями ухода за лакокрасочными покрытиями являются удаления загрязнений с поверхности, нанесение жирной или восковой плёнки при хранении, восстановление блеска путём полировки. Причём полировку нельзя производить на нагретой поверхности, в туман, дождь, на солнце. При наличии на покрытии глубоких и сквозных трещин, которые полированием устранить невозможно, должно быть немедленно осуществлено их восстановление. Причём восстанавливаться оно должно с применением грунтовки. Простая, подкраска не предохраняет поверхность.
В последние годы для защиты металлических деталей автотракторной техники широко используются различные антикоррозионные составы. Так для обработки нижних частей автомобилей применяется: автоантикор-2 битумный, автоантикор эпоксидный, мастика сланцевая МСА-3, автоантикор эпоксидно-каучуковый, а также импортные: тектил-122А (США, Швейцария), Финикор-845 (Финляндия) и др.
Закрытые полости кузовов легковых автомобилей обрабатывают специальными антикоррозионными составами. Например, Мовиль, Резистин-МЛ, НГМ-МЛ и др., которые хорошо проникают в сварные швы, стыки, зазоры и обладают высокой пропитывающей и водовытесняющей способностью.
Всё более широкое применение для защиты поверхностей техники от коррозии находят пластмассы. Металл с нанесённым пластмассовым покрытием называется металлопластом. А процесс нанесения пластмассовой плёнки на металл называется плакированием. Плёнку с металлом соединяют при помощи клея. Для металлопластов обычно используют полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды, фторопласты, эпоксидные, фенолформальдегидные смолы и др. Для защитных покрытий термопласты применяются в виде листовых и пленочных материалов, в виде порошков, дисперсий и концентрированных растворов. Реактоплатсты на защищаемую поверхность наносят в виде растворов, паст, листового материала.
В практике для защиты мелаллоповерхностей от коррозии следует отметить также применение органосиликатов, поскольку в исходном состоянии они находятся в виде суспензий (т.е. в текучем жидком состоянии) и могут наноситься на защищаемые поверхности кистью, валиком, пульверизатором. Их получают на основе кремнийорганических полимеров с добавкой пигментов, окислов, слюды, талька, асбеста. Они быстро затвердевают при нормальных условиях, легко обрабатываются. При подвергании их нагреванию превращаются в керамику, становясь термо и даже жаростойкими.
Все другие способы, отмеченные ранее, также находят широкое применение, но их реализация осуществляется лишь в заводских условиях, т.к. требует применения специального оборудования и осуществления определённых технологических процессов. Ниже даются краткие сведения об их сущности.
По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные. К катодным относятся покрытия, потенциал которых в данной среде имеет более положительное значение, чем потенциал основного металла. Так, к катодным покрытиям стали относятся покрытия никелем, оловом, медью и др. При повреждении такого покрытия возникает коррозионный элемент, в котором защищаемый металл служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. В обычных условиях катодные покрытия защищают металл механически, изолируя его от окружающей среды. Основное требование к катодным покрытиям - беспористость.
Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла, и защищают изделия не только механически, но главным образом электрохимически. Примерами анодных покрытий являются цинковые и алюминиевые покрытия. Повреждение анодного покрытия или наличие в нем пор не вызывает коррозии основного металла, но способствует разрушению самого покрытия. В образовавшемся коррозионном элементе покрытие является анодом и растворяется, а основной металл катодом, на котором восстанавливается водород и кислород. Образующиеся продукты коррозии заполняют места повреждений или поры и тем самым дополнительно замедляют коррозию. Поэтому степень пористости анодных покрытий не имеет существенного значения.
К защитным металлическим покрытиям предъявляются следующие основные требования: высокая прочность сцепления с основным металлом; равномерное распределение по всей защищаемой поверхности; катодные покрытия должны быть сплошными. При необходимости покрытия должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.
Основной способ нанесения металлических покрытий - гальванический. Покрытия наносятся также погружением изделий в расплавленный металл («горячий метод»), диффузионной металлизацией и плакированием.
Гальванический способ заключается в осаждении на изделие тонкого слоя металла из его соли под действием электрического тока (хромирование, никелирование).
«Горячий метод» заключается в том, что изделие с обработанной и очищенной поверхностью погружают в ванну с расплавленным наносимым металлом (оцинкование, лужение оловом, свинцевание), имеющим более низкую температуру плавления, чем покрываемый металл.
Нанесение покрытия погружением в расплавленный металл является самым старым, простым и дешевым методом. Однако не удается получить равномерные по толщине покрытия. Расход цветных металлов при этом методе велик, так как получаемые покрытия имеют значительную толщину. На автомобилях оцинковывают кузовные и крепёжные детали, покрывают оловом ленту для трубок радиаторов, освинцовывают наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки.
Диффузионное насыщение поверхностного слоя заключается в насыщении его различными элементами (алюминием, кремнием, хромом) при высоких температурах в твердых, жидких и газообразных средах. При температуре, приближающейся к температуре плавления, подвижность металлических ионов настолько велика, что происходит обмен ионов металлов. В результате диффузии в поверхностном слое стали образуются сплавы оксидов алюминия, хрома, кремния или двойные сплавы FeCr2О4, Fe2Si О4, обладающие высокой жаростойкостью.
Плакирование – механотермический метод получения защитного металлического слоя. Лист из углеродистой стали покрывается с одной или с двух сторон защитным (плакирующим) слоем из коррозионно-стойкой стали, цветных металлов или их сплавов. Покрытие образуется в результате совместной горячей прокатки листов.
Применение плакированных металлов дает возможность получить сочетание нужных свойств по механической прочности и коррозионной стойкости. Плакированный материал можно подвергать холодной обработке и сварке. Изготовление жаростойких биметаллов способствует значительной экономии высоколегированных сталей.
Покрытие плёнками окислов. Их бывают 2 разновидности: оксидирование и фосфатирование.
Оксидирование применяется для защиты чёрных и цветных металлов путём придания их поверхности оксидной плёнки погружением в кипящий водный раствор, содержащий едкий натрий, селитру и перекись марганца. Полученная плёнка весьма стойка на сухом воздухе и менее стойка в воде и на сыром воздухе.
Фосфатирование - способ защиты путём образования на поверхности стальных изделий защитной плёнки фосфорнокислых соединений железа и марганца. Ведётся аналогично оксидированию. Фосфатирование применяют для создания антифрикционных покрытий с целью уменьшения износа деталей машин, работающих при трении. Фосфатные пленки сохраняют защитные свойства при температуре до 500 оС.
Коррозия металла в электролитической среде может быть замедлена путем изменения ее электродного потенциала. Электрохимическая защита от коррозии основана на торможении анодных и катодных реакций коррозионного процесса. Одним из путей ее осуществления является присоединение защищаемой детали к протектору – металлу, имеющему более электроотрицательный электродный потенциал (протекторная защита). Протектор изготавливается из более активного металла, чем металл изделия. Протектор будет разрушаться, а изделие останется неизменным. Для изготовления протекторов используются магний, цинк и сплавы на их основе.
Действие протектора ограничивается определенным расстоянием. Такую защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций в грунте, морской и речной воде и других нейтральных средах. Использование протекторной защиты в кислых средах ограничивается высокой скоростью саморастворения протектора.
Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется введением в сталь легирующих добавок хрома, никеля, алюминия, кремния, вольфрама и др.
В последние годы всё шире применяются ингибиторы коррозии, т.е. вещества, которые при добавке в агрессивную среду предотвращают или значительно уменьшают скорость коррозии. Их добавляют в охлаждающие жидкости, топливо, масла, смазки, тормозные жидкости и т.д. К ингибиторам коррозии относятся нитриты и нитраты, хроматы, бихроматы натрия и калия, бикарбонат кальция, силикаты, полифосфаты, соли органических кислот, амины и др.