Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Защита от коррозии - борьба против потерь материала

Материалы можно защищать от коррозии. Активная защита нацелена на то, чтобы повлиять на взаимодействие материала с окружающими его возбудителями коррозии. К ней относятся выбор коррозионно-стойких материалов и электрохимическая защита, либо протекторная, либо путем наложения посторонних напряжений. С агрессивностью окружающей среды можно также бороться путем добавки в нее веществ, замедляющих коррозию, или удаления из материала компонентов, стимулирующих коррозию. В этом плане к мероприятиям по активной защите от коррозии можно отнести разумно проводимое конструирование, учитывающее и опасность коррозии, и закон об охране природы, который обязывает содержать в чистоте воду и воздух.

При пассивной защите от коррозии на изделие наносят тонкий устойчивый слой, который должен надежно предохранить материал от возбудителей коррозии. Для этих целей предпочитают использовать такие мало корродирующие материалы, как цинк, алюминий и медь, а также органические защитные покрытия. Их прочность, к сожалению, ограничена, а частое обновление слоев связано с немалыми затратами.

Замена материалов

При применении коррозионностойких материалов можно быть уверенным, что затраты на уход будут сокращены до минимума, а опасность коррозии практически исключена. То, какие материалы стойки в данной среде, зависит от вида возбудителя коррозии. Так, хромоникелевые стали чрезвычайно стойки в атмосфере, но в хлоридных растворах быстро подвергаются точечной коррозии. Нужно поэтому очень тщательно выяснять, какой материал лучше противостоит ожидаемому типу коррозии. Поскольку легированные стали более чем в 10 раз дороже нелегированных, конструкторы, ответственные за выбор материала, в поисках решения должны исходить из его коррозионной стойкости, прочности и цены.

Коррозия, как известно, начинается с поверхности, поэтому иногда выход из затруднения дают недорогие комбинированные материалы, у которых лишь внешние слои обладают антикоррозионными свойствами. Нанесение такого металлического слоя называется плакировкой. Ценящийся благодаря своей высокой прочности, но очень легко корродирующий медьсодержащий сплав алюминия и магния плакируют чистым алюминием. Только благодаря этому в современном самолетостроении удалось внедрить максимально легкие конструкции.

Пластмассы по сравнению с металлами исключительно коррозионностойки. Агрессивные растворы солей, минеральных удобрений или щелочных моющих средств можно без всяких проблем получать, хранить и перерабатывать в пластмассовых емкостях. Так удалось решить задачу, которая до этого требовала очень больших затрат. Но и здесь выбор подходящего материала должен быть проведен очень тщательно, поскольку пластмассы боятся действия органических растворителей.

Катодная защита

Поскольку коррозия является электрохимическим процессом, на аноде осуществляется реакция то есть на аноде растворяется железо, а на катоде выделяется водород, который при дальнейшей реакции с кислородом образует воду. Обе реакции равновесные, причем возникающие на аноде электроны расходуются на катоде. Если в систему извне ввести достаточное количество электронов, то растворение железа замедлится, а число образовавшихся атомов водорода возрастет. Сталь или железо играют при этом роль катода, и система становится катодно-защищенной. Необходимые для этого посторонние электроны отбираются от какого-либо металла, чаще всего от магния, который вследствие этого процесса ускоренно корродирует, другими словами, приносится в жертву для защиты другого металла. Аналогичного эффекта можно добиться, используя посторонний источник тока, дающий вспомогательные электроны. Катодную защиту применяют преимущественно для труб, особенно для проложенных под землей. В последнее время ее стали часто использовать в домашних газовых колонках. При этом расположенный внутри колонки магниевый электрод подсоединен к корпусу.

Таким образом, защита от коррозии начинается уже на чертежной доске. Эксплуатационный срок конструкции зависит даже, так сказать, от места ее службы: в промышленных районах скорость коррозии в 3-8 раз больше, чем в относительно малонаселенных. Новые промышленные установки следует поэтому сооружать в малонаселенных районах или конструктивно оформлять так, чтобы избежать агрессивного действия воздуха. Чем меньше поверхность материала, тем меньше возможностей предоставляется коррозии.

Все конструкции корродируют прежде всего там, где долгое время сохраняется влажность. Это касается горизонтальных плоскостей и открытых сверху углублений и профилей, в которых застаивается вода. Когда, несмотря на тщательный поиск, не удается найти другое конструктивное решение, для таких рискованных мест должны быть предусмотрены отверстия для стока, причем достаточно большие, чтобы даже при засорении был обеспечен надежный отвод воды. К тому же нужно обращать внимание на то, чтобы стекающая вода не попадала на расположенные ниже конструкции и не причиняла там значительного вреда.

Сильно корродируют и места соединений, особенно на болтах или заклепках, так как в остающиеся щели проникает влага. В щели начинается коррозия, и через некоторое время характеристики материала в месте соединения могут измениться -вплоть до разрыва соединенных элементов.

Ингибиторы борются с агрессивностью среды

Когда на материал воздействует жидкость, в нее можно добавить вещество, подавляющее коррозию, так называемый ингибитор. Ингибиторами могут быть представители самых разнообразных классов химических веществ, так что и механизм их воздействия различен. Они могут путем физической адсорбции блокировать поверхность материала, либо путем химической реакции образовать на ней защитный слой, который практически не виден и очень плотен. В большинстве случаев в жидкость добавляют совсем немного (< 1%) органических веществ. Добавленный в препарат для снятия ржавчины дибензилсульфоксид, смешанный с неорганическими кислотами, преимущественно с серной, соляной и фосфорной, уменьшает воздействие препарата на оголенную поверхность стали, не снижая при этом эффективности самого процесса. В особенно большом объеме органическими ингибиторами пользуются нефтеперерабатывающие заводы.

Из неорганических ингибиторов имеют значение хроматы и нитраты, добавленные в количествах до 0,5% в циркулирующую охлаждающую воду. В смеси с гликолями они являются составной частью антифризов. В воду вводят, кроме того, силикаты и фосфаты, образующие пленки на поверхности труб. Так, в установках по обеспечению горячей водой, где коррозия принимает необычайно большие размеры, можно эффективно бороться с ней путем добавления фосфатов.

Влияние атмосферы можно ограничить и с помощью средств, затрудняющих свободную конвекцию воздуха. Такие ингибиторы важны для упаковочной промышленности. Типичным примером может служить дициклогексилнитрит аммония, желтоватый порошок, который насыщает своими парами находящийся в упаковке воздух и осаждается на металле в виде тончайшей пленки. Такие ингибиторы называют парофазными. Их можно нанести на бумагу, и эта ингибиторная бумага будет служить для упаковки металлических изделий. Ее особенно охотно применяют для чувствительных приборов и сверхточного инструмента, поскольку в данном случае исключена дополнительная защита в форме нанесения покрытий из краски, жира или масла.

Металлические защитные покрытия

Защитные покрытия из металлов, так же как неорганические и органические покрытия, относятся к средствам пассивной защиты. Их наносят почти исключительно на сталь - ведь большинство применяемых в технике металлов корродирует медленнее, чем сталь. Но кроме этого они должны прочно связываться с основным материалом. Таким образом, возникает тесная взаимосвязь между технологией нанесения покрытия, защищаемым материалом и металлом, защищающим его. Способы нанесения металлических покрытий сведены в табл. 26.

Срок службы покрытия зависит от его толщины. Это иллюстрируется на  116 на примере кадмиевых и цинковых покрытий, где кроме основных свойств материалов особо учитывается агрессивность среды. Как и для стали, для покрытий из этих металлов промышленная атмосфера оказывается опаснее, чем городская и сельская. Следует отметить, что при одинаковой толщине цинковые покрытия примерно вдвое устойчивее кадмиевых. Только в морской атмосфере их стойкость одинакова, но и здесь предпочитают более дешевый цинк.

Кадмий отличается прежде всего высокой стойкостью к конденсату, поту (рук) и продуктам разложения реактопластов. Поэтому кадмированные стальные детали широко используют в электротехнике и электронике.

Достойна внимания еще одна особенность этих покрытий: их поверхность можно пассивировать погружением в горячие подкисленные растворы хроматов калия и натрия. При этом замедляется их собственная коррозия и при той же толщине защитное действие покрытия продлевается. Металлическое покрытие начинает переливаться всеми цветами радуги, что является типичным признаком высококачественной антикоррозионной защиты.

Толщину покрытия не выбирают произвольно - она определяется целым рядом хозяйственных факторов и технологией изготовления. Наиболее часто встречаются следующие интервалы толщин (в мкм):

Гальваническое осаждение 6-25

для системы медь-никель-хром       До 50

Металлизация распылением          80-300

Погружение в расплав         70-150

при конвейерной оцинковке          Около 25

Напыление в вакууме          Около 5

Диффузия       20-50

Природа сцепления покрытия с металлической основой обусловлена способом нанесения. Гальванопокрытия и покрытия, полученные металлизацией распылением и напылением в вакууме, связаны с поверхностью чисто механически и лишь примыкают к ней, то есть их связь с основой слабее, чем у покрытий, нанесенных путем диффузии или окунания в расплав, которые под влиянием температуры образуют на поверхности основного материала слой сплава.

сильно отличаются друг от друга. Эмаль расширяется в два раза меньше, чем сталь. Поэтому в большинстве случаев на основной материал вначале наносят очень пористый подслой, который реагирует с железом и хорошо связывается с основанием. Нанесенный затем поверхностный слой определяет внешний вид, цвет и блеск изделия.

Однако для защиты листовой стали широкое признание получило эмалирование в один слой. При этом сокращается число стадий процесса, покрытия получаются тонкими и плотными, а механические свойства их улучшаются.

Покрытия из эмали обладают отличной стойкостью по отношению к щелочам и кислотам и длительно противостоят атмосферному воздействию. Они обеспечивают защиту до тех пор, пока слой эмали не поврежден. Но эмаль настолько чувствительна к ударам, что в промышленности для защиты от коррозии она почти не применяется. Благодаря своей хорошей температурной устойчивости, декоративному эффекту, легкости очистки и высокому поверхностному сопротивлению эмаль широко используется в домашнем хозяйстве и санитарной технике.

Стеклообразные и керамические покрытия также можно получать напылением порошкообразного исходного материала. Такие слои, в отличие от эмали, недостаточно плотны, и их ценность как средства антикоррозионной защиты в настоящее время ограничена. Они нашли свое применение в защите от износа и, ввиду высокой термоустойчивости, при производстве термостатов.

Неорганические защитные покрытия

Из неметаллических неорганических покрытий для защиты стали и чугуна особенно большое значение имеет эмаль. Современные легкоплавкие эмали пригодны также для алюминия и иногда их используют в строительстве для деталей фасадов. Эмаль - это силикатное стекло с добавками оксидов металлов. Ее наносят на очищенную поверхность материала в виде порошка или взвеси и обжигают при 1000 °С. Температура плавления эмали для алюминия, содержащей много свинца, около 500 °С. Для хорошего прилипания, а значит, и устойчивости покрытий важно сблизить коэффициенты объемного расширения основного материала и покрытия

Лакокрасочные защитные покрытия

Большая часть металлических поверхностей защищена сегодня от коррозии путем окраски. Доля лакокрасочных покрытий среди всех средств пассивной защиты составляет 70-80%. Хотя активная защита не требует затрат на нанесение покрытия и поддержание его в порядке, пока нет никаких решающих доказательств преимущества этого метода перед окраской и лакированием. Лакокрасочные покрытия достаточно универсальны и могут быть без особого труда нанесены как в мастерской, так и на строительной площадке. Однако не следует проявлять пренебрежительное отношение к основным необходимым требованиям, таким, например, как предварительная подготовка поверхности.

Эпоксидные смолы Поставляют   в   виде  двух   компонентов,   которые   перед

полиуретан    употреблением смешивают; сушатся на воздухе или в печах

довольно долго; достижима большая толщина покрытия

Применяется универсально; антикоррозийное покрытие для стали в судостроении, трубопроводах, наземных сооружениях

Автомобилестроение; листовая сталь; изделия из жести, например игрушки

Лакированная жесть; автомобилестроение

Отличное защитное покрытие для стальных конструкций; вытесняет ржавчину; применяется в подземных сооружениях

Химическое машиностроение; стальные конструкции в химической промышленности

Особенно распространены в гидротехническом строительстве; защита установок, покрытых землей Химическая промышленность, калийная промышленность; полиуретан особенно широко применяется при одновременных высоких механических нагрузках, например в автомобилестроении

Краски и лаки относятся к органическим защитным покрытиям, которые образуются после испарения растворителя при окислении связующего компонента или путем сшивания макромолекул исходного вещества. Связующие и пигменты образуют само покрытие, а растворитель облегчает его диспергирование и нанесение. Тип связующего во многом определяет физические и химические свойства лакокрасочного покрытия. В табл. 27 перечислены чаще всего встречающиеся красящие вещества.

Красящие вещества наносят на поверхность материала намазыванием (кистью или валиком), распылением, окунанием или обливанием.

Предварительная подготовка окрашиваемой поверхности является первой и решающей стадией малярных работ. С лакируемой поверхности должны быть прежде всего удалены ржавчина, окалина, жиры и масла. Этот процесс на строительных площадках сопряжен с большими затратами рабочей силы. Около 40% всей стоимости, включая саму краску, выпадает на эту предварительную обработку. Так как качество готовой продукции почти невозможно контролировать, не разрушая покрытия, то очень часто нерадивые исполнители проводят подготовительную стадию недоброкачественно или вообще не проводят ее. Результатом является сокращение срока службы покрытия в среднем на одну треть. Дело в том, что оставляемая под краской ржавчина продолжает расти, краска либо приподнимается, либо сквозь нее проникает ржавчина, ликвидируя при этом ее защитное действие. Если не проведено тщательное обезжиривание поверхности, то краска плохо прилипает, а значит, не выполнено важное условие защиты.

Окраска по ржавчине в настоящее время еще не нашла распространения, так как устойчивость покрытия снижается, а его защитное действие ставится под вопрос. Чтобы получить тот несомненный народнохозяйственный эффект, который сулит окраска по ржавчине, необходимы средства, либо превращающие ржавчину в защитный слой, нейтрализуя вредные примеси в ней, либо проникающие через ржавчину. Последние называются пенетрационными средствами. Они должны изолировать ржавчину от основного материала путем всестороннего смачивания. Эти бесцветные или слегка окрашенные вещества на основе масла при обработке ржавчины наиболее эффективны, но до сих пор не удовлетворяют нас полностью.

Для достижения хорошей антикоррозионной защиты путем окраски необходимо нанести несколько слоев, поскольку время защитного действия растет почти линейно с увеличением толщины покрытия. Многослойная структура из различных красящих веществ называется системой лакокрасочного покрытия. Она состоит из грунта, двух или трех промежуточных слоев и кроющего слоя. Их общая толщина, которая определяется длительностью защитного действия и агрессивностью действующей на материал среды, лежит между 100 и 250 мкм. Благодаря пассивирующим грунтовым краскам, содержащим определенные пигменты, можно еще больше продлить защитное действие покрытия.

Прилипание лакокрасочного покрытия определяется грунтовкой. Со сталью в этом плане не возникает в общем-то никаких трудностей. Для алюминия и свежеоцинкованных   поверхностей   предпочтительны активнее грунты. Они содержат наряду с пассивирующими пигментами и связующим добавку фосфорной кислоты, которая вводится незадолго до обработки и разъедает поверхность металла. Благодаря этому достигается хорошее сцепление с металлической основой, после чего можно наносить обычное лакокрасочное покрытие. В качестве преимущества можно отметить также возможность наносить каждый отдельный слой, несколько отличающийся по тональности. Это позволяет легко контролировать число слоев, последовательность их в системе и общую толщину покрытия

Если еще несколько лет назад лакокрасочные покрытия наносили на готовые изделия, и это было последней стадией технологического процесса, сегодня все чаще и чаще покрытиями защищают полуфабрикаты. Жесть, трубы, профили непосредственно после изготовления покрывают лаками и красками, которые устойчивы к механическим нагрузкам, длительно защищают от коррозии и могут быть нанесены наиболее рационально. Эту первичную защиту полуфабрикатов в сочетании с надежной очисткой от ржавчины можно широко механизировать и автоматизировать. Благодаря этому такой способ становится экономичным и по сравнению с окраской готовых изделий дает выигрыш и в отношении качества. Нанесение промежуточных и кроющих слоев происходит после сборки.