Методы борьбы с коррозией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Коррозия (от лат. corrosio -- разъедание) -- это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

1. Типы коррозии

Электрохимическая коррозия

Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. Не следует путать с электрохимической коррозией коррозию однородного материала, например, ржавление железа или т. п. При электрохимической коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуется наличие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды -- либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т. п., электропроводность её повышается, и скорость процесса увеличивается.

При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO₂, образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Этот вид коррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так, совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большим редокспотенциалом уже достаточно для возникновения коррозионного элемента. Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различными потенциалами, например, сварочные швы или заклёпки.

Если растворяющийся электрод коррозионно-стоек, процесс коррозии замедляется. На этом основана, например, защита железных изделий от коррозии путём оцинковки -- цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такой паре железо восстанавливается, а цинк должен корродировать. Однако в связи с образованием на поверхности цинка оксидной плёнки процесс коррозии сильно замедляется.

Химическая коррозия

Химическая коррозия -- взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисления металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом.

При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде)

2. Борьба с коррозией

Как бороться с коррозией? Приемов и средств много. Чем может быть уменьшена или практически устранена коррозия? Нанесением защитных покрытий, например лакокрасочных; введением в потнециально корродирующую среду ингибиторов, например хроматов, нитритов, арсенитов; применением коррозионностойких материалов.

Однако в каждом случае приходится решать каким из средств или в каком их сочетании можно получить наибольший экономический эффект. Современная наука о коррозии металлов и борьбе с ней достигла серьезных успехов, которые кратко описаны выше. В настоящее время в производство вводятся новые, непрерывно нарастающие объемы металлоизделий и соответственно растут ежегодные убытки, исчисляемые миллионами тонн прокорродировавшего металла и сотнями миллиардов рублей, затраченных на борьбу с коррозией. Перечисленные факты делают дальнейшие исследования в этой области науки крайне актуальными и важными.

2.1 Защита металлов от коррозии внешним потенциалом

При работе коррозионной гальванической пары активный участок -- анод разрушается и переходит в ионное состояние, развивая при этом некоторый отрицательный потенциал. Если на изделие извне наложить отрицательный потенциал, больший, чем развивает при работе коррозионной пары анод, то процесс прекратится. Этот общий метод реализуется двумя путями.

1. Метод протекторов заключается в том, что к изделию, подвергающемуся электрохимической коррозии, подключают деталь -- протектор из еще более активного металла, чем металл изделия.

2. Метод внешнего потенциала. Конструкция или изделие подключается к отрицательному полюсу динамомашины или выпрямителя и этим тоже ликвидируется коррозионный процесс. Положительный полюс источника питания замыкается на землю.

В принципе можно защищать конструкции и наложением положительного потенциала, вызывая этим самым пассивацию анода путем его поляризации.

Однако этот путь требует очень точного соблюдения условий поляризации, что в коррозионных процессах осуществить трудно. Электрическая защита от коррозии с успехом применяется при работе гидростанций, морских портовых устройств и т. д.

Современная защита металлов от коррозии базируется на следующих методах:

1. повышение химического сопротивления конструкционных материалов,

2. изоляция поверхности металла от агрессивной среды,

3. понижение агрессивности производственной среды,

4. снижение коррозии наложением внешнего тока (электрохимическая защита).

Эти методы можно разделить на две группы. Первые два метода обычно реализуются до начала производственной эксплуатации металлоизделия (выбор конструкционных материалов и их сочетаний еще на стадии проектирования и изготовления изделия, нанесение на него гальванических и иных защитных покрытий). Последние два метода, напротив, могут быть осуществлены только в ходе эксплуатации металлоизделия (пропускание тока для достижения защитного потенциала, введение в технологическую среду специальных добавок-ингибиторов) и не связаны с какой-либо предварительной обработкой до начала использования.

При применении первых двух методов не могут быть изменены состав сталей и природа защитных покрытий данного металлоизделия при непрерывной его работе в условиях меняющейся агрессивности среды. Вторая группа методов позволяет при необходимости создавать новые режимы защиты, обеспечивающие наименьшую коррозию изделия при изменении условий их эксплуатации. Например, на разных участках трубопровода в зависимости от агрессивности почвы можно поддерживать различные плотности катодного тока или для разных сортов нефти, прокачиваемой через трубы данного состава, использовать разные ингибиторы

2.2 Принцип электрохимической защиты

Электрохимическая защита основана на том, что, сдвигая потенциал металла пропусканием внешнего тока, можно изменять скорость его коррозии. Однако для наиболее распространенного вида коррозии металлов с кислородной деполяризацией в условиях ограниченного доступа кислорода наложение внешнего катодного тока эффективно для предотвращения коррозии. Этот способ также эффективен при коррозии металлов, когда отсутствует поляризация анодных участков.

2.2.1 Катодная защита

Электрохимическая защита, основанная на наложении катодного тока, носит название катодной. Она реализуется в производственных условиях в двух вариантах. В первом необходимый сдвиг потенциала обеспечивается подключением защищаемого изделия в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды. Так защищают буровые платформы, сварные металлические основания, подземные трубопроводы.

Катодная защита эффективно используется для подавления не только общей коррозии, но и ее различных видов, например для предотвращения питтинговой коррозии (вид коррозии, очаги которой в начальной стадии имеют вид точек, а в развитом состоянии - коррозионных язв) нержавеющей стали и алюминия, коррозионного растрескивания под напряжением латуней магния, межкристаллитной коррозии нержавеющей стали.

2.2.2 Протекторная (гальваническая) катодная защита

Катодная поляризация металлоизделия достигается за счет контакта его с более электроотрицательным металлом. Последний в паре с защищенным металлом выступает в роли анода. Его электрохимическое растворение обеспечивает протекание катодного тока через защищаемый металл. Сам же анод (обычно это магний, цинк, алюминий и их сплавы) постепенно полностью разрушается. Этот вид защиты используют для сравнительно небольших конструкций или дополнительно покрытых изоляцией металлообъектов (например, трубопроводы) с низким потреблением тока. Указанная защита эффективна. С помощью одного магниевого анода защищают до 8 км трубопровода с покрытием, без него - всего 30 м. Протекторная защита широко распространена, например в США на производство протекторов ежегодно расходуется около 11,5 млн кг алюминия.

2.2.3 Анодная защита

Сдвиг потенциала коррозионной системы в положительную сторону до значения, так же как и в случае наложения катодного тока, приводит к снижению скорости коррозии. Это потребует наложения внешнего анодного тока, часть которого пойдет на подавление катодной реакции до величины i ", а другая часть - на ускорение реакции ионизации металла при . Скорость растворения металла при этом потенциале равна . Хотя скорость коррозии и уменьшилась, однако общая скорость растворения металла возросла на величину . По этим причинам нельзя использовать наложение анодного тока для защиты от коррозии активно растворяющихся металлов.

2.2.4 Электродренаж

К электрохимическим методам борьбы с коррозией можно отнести и защиту от разрушения конструкций блуждающими токами - электродренаж. Блуждающие токи возникают вследствие утечки из электрических цепей части тока в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду возникает анодное растворение металла или, как принято обычно говорить, коррозия под действием блуждающих токов. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Одним из способов устранения такой коррозии является соединение металлическим проводником участка A' конструкции A, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом B . При большом расстоянии между A' и B, когда электродренаж, описанный выше, трудно реализовать, то рядом с A закапывают дополнительный чугунный анод C, который соединяют с A' металлическим проводником. В этом случае под действием блуждающего тока растворяется именно анод C, и коррозия основной конструкции в зоне A' будет полностью прекращена. Блуждающие токи растворяют металл на анодных участках в соответствии с законом Фарадея. Эти токи могут достигать несколько ампер, что должно приводить к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение анодного тока в течение одного года силой в 1 А вызовет растворение железа - 9,1 кг, цинка - 10,7, свинца - 33,4 кг. При осуществлении электродренажа важно правильно определить анодные зоны A', при ошибочном соединении вместо них катодных зон A" металлическим проводником с B коррозия подземного сооружения резко возрастет на участке A'.

3. Принцип ингибиторной защиты

Другим важнейшим, широко практикуемым методом защиты от коррозии является введение в агрессивную среду специально подобранных соединений - ингибиторов. Ингибиторы коррозии - это органические и неорганические вещества, присутствие которых в небольших количествах резко снижает скорость растворения металла и уменьшает его возможные вредные последствия. Метод ингибирования, как правило, отличается высокой экономичностью, легкостью производственного внедрения без изменения ранее принятого технологического режима, обычно не предусматривает для своей реализации специального дополнительного оборудования.

Защита от коррозии с помощью ингибиторов нашла широкое применение во многих отраслях современного промышленного производства и сельского хозяйства: при транспортировании газа и нефти по трубопроводам, для сохранения металлоизделия в межоперационный период, для защиты от коррозии горюче-смазочными веществами, а также в водно-солевых, кислотных, щелочных, водно-органических и органических средах, в пресной, морской воде, при коррозии в атмосферных условиях и почве. Введение ингибиторов в агрессивную среду вызывает изменение поверхности корродирующего металла, а также влияет на кинетику частных электродных реакций, определяющих процесс его саморастворения. Механизм ингибирующего действия определяется несколькими факторами: природой металла, строением ингибитора, составом агрессивной среды, условиями протекания коррозии (температура и гидродинамическое состояние среды). По механизму действия ингибиторы делятся на адсорбционные и пассивационные. Отдельную группу составляют органические соединения, которые не являются окислителями, но способствуют адсорбции растворенного кислорода, что приводит к пассивации. К числу их для нейтральных сред относятся бензоат натрия, натриевая соль коричной кислоты. В деаэрированной воде ингибирующее действие бензоата на коррозию железа не наблюдается. В числе важнейших требований, предъявляемых к ингибиторам, должны быть их соответствие санитарно-гигиеническим нормам, а также пожаро- и взрывобезопасность. Современная наука о коррозии металлов и борьбе с ней достигла серьезных успехов, которые кратко описаны выше. В настоящее время в производство вводятся новые, непрерывно нарастающие объемы металлоизделий и соответственно растут ежегодные убытки, исчисляемые миллионами тонн прокорродировавшего металла и сотнями миллиардов рублей, затраченных на борьбу с коррозией. Перечисленные факты делают дальнейшие исследования в этой области науки крайне актуальными и важными

Создание новых режимов защиты имеет особо важное значение для защиты готовых изделий, подвергающихся коррозионному разрушению.

Широко распространенный метод гальванического (металлического) антикоррозионного покрытия при больших площадях и объемах обрабатываемых поверхностей становится экономически невыгодным, т.к. требует больших затрат на подготовку процесса. Поэтому различные лакокрасочные покрытия не случайно занимают важное место среди противокоррозионных покрытий. Широкое применение на практике этого способа защиты металлов объясняется удачным сочетанием необходимых для защиты от коррозии свойств (гидрофобности, водоотталкивания, низких газо- и паропроницаемости, препятствующих доступу воды и кислорода к поверхности металла), технологичности и возможности получения различных декоративных эффектов. Другое преимущество лакокрасочных покрытий - их ремонт осуществляется легче и с меньшими экономическими затратами.

4. Защита металлов от коррозии

метод борьба коррозия

Защита металлов от коррозионного разрушения состоит из целого комплекса мероприятий по увеличению работоспособности и надежности машин и конструкций в данной среде. Часть этих мер закладывается еще в процессе проектирования, часть -- в процессе изготовления машин или конструкций, а остальные меры должны быть приняты в процессе эксплуатации.

Создание рациональных конструкций. Выбор материалов и их сочетаний для данного изделия, конечно, диктуется технической и экономической целесообразностью, но должен обеспечивать его коррозионную устойчивость. Конструктор должен предусмотреть рациональные формы частей машины, допускающие быструю очистку от грязи; машина не должна иметь мест скопления влаги, которая является возбудителем коррозии.

Обработка окружающей среды. Для разных видов коррозионных процессов обработка среды принимает различные формы. Сюда можно отнести удаление или снижение концентрации веществ, вызывающих или ускоряющих коррозионные процессы, а также введение замедлителей или ингибиторов коррозии.

Так, например, высокотемпературная газовая коррозия происходит главным образом за счет кислорода воздуха или других окисляющих сред, удалить кислород из которых нельзя, так как это нарушит работу машин (двигателей) или конструкций (оболочки, плоскости и т. д.).

Поэтому обработка сводится только к. удалению катализирующих веществ или веществ, наличие которых приводит к нарушению устойчивых оксидных слоев, пассивирующих металл. Примером для первого случая обработки среды может служить удаление соединений ванадия, содержащихся иногда в сернистых мазутах. Ванадий, окисляясь до V₂O₅ в процессе горения мазута, действует как катализатор при разрушении металлических поверхностей

V₂O₂ V₂O₄ + O

даже при содержании его в мазутах 10^-2--10^-3%. Связывание ванадия в прочные соединения со степенью окисления +5 устраняет его вредное влияние («ванадиевая коррозия»).

На устойчивость оксидных слоев вредно влияет наличие галогенов, образующих летучие соединения. Поглощение галогенов или изменение состава окислительной среды (без галогенов) значительно повышает устойчивость металлических поверхностей.

К обработке среды можно в полной мере отнести и общие мероприятия по сохранению окружающей среды, требующие очистки промышленных и выхлопных газов, так как увеличение содержания в воздухе SO₂, CO₂, оксидов азота и других газов не только пагубно действует на окружающую природу, но и форсирует разрушение металлических конструкций в результате атмосферной коррозии, особенно в больших городах и вблизи промышленных предприятий.

Электрохимическая коррозия зависит от состава электролита, и регулирование рН и содержание ионов Cl^- существенно влияют на скорость коррозии. Кислород, растворенный в электролитах (например, питательная вода паровых котлов), также форсирует коррозию с кислородной деполяризацией, и снижение его концентрации приводит к стабилизации поверхности металла. Кислород, содержащийся в питательной воде, можно поглотить, пропуская воду через фильтры из металлической стружки. Окисление стружки, которую всегда легко заменить в фильтре, предохраняет стенки котла.

В приборостроительной практике при герметизации схем обычно заменяют воздух на гелий или аргон высокой чистоты, что вообще исключает коррозию. Если есть возможность, то создается вакуум 1,33 * 10^-2 -- 1,33 * 10^-3 Па. При необходимости сообщения приборного устройства с атмосферой и невозможности герметизации его ставят поглотители, сорбирующие влагу и диоксид углерода из воздуха и тем самым снижают возможность появления коррозионных пар.

Ингибиторы или замедлители коррозии -- это вещества, пасси-вирующие поверхность металлов и препятствующие развитию коррозионных процессов. Ингибиторами могут быть как неорганические, так и органические вещества. Неорганические вещества применяются редко, главным образом при травлении металлов.

Кислые растворы (H₂SO₄, H₃PO₄) растворяют оксидную пленку на металле, а потом начинают растворять и сам металл. При добавлении соединений свинца [(СНзСОО)₂Рb] свинец осаждается на металлической поверхности, свободной от оксидной пленки, и прекращает ее растворение:

Me⁰ + Pb²⁺ ® Pb⁰ + Me²⁺

Для длительного хранения изделий применяют ингибиторы органического типа. Обычно это соединения, содержащие атом азота (амины, имины и т. д.), неподеленная пара электронов у которого (2s²) создает условия для адсорбции ингибиторов 'на активных участках металла, пассивируя их. Стойкие, длительно действующие ингибиторы должны иметь высокую температуру кипения и, следовательно, низкую упругость пара для того, чтобы десорбция их с поверхности металла происходила медленно. В настоящее время разработано много ингибиторов в основном производных пиридина

и их применение быстро расширяется. Их используют при химической обработке металлов и при консервации для хранения на длительные сроки (смазки, содержащие ингибиторы).

Создание изолирующих пленок на металлах. Для различных условий коррозии на поверхности металлов создаются изолирующие пленки. Их устойчивость зависит от температуры и коррозионной среды.

Защитные слои от высокотемпературной коррозии могут быть созданы из тугоплавких соединений, обладающих низкой диффузионной проницаемостью для агента коррозии (О, N, галогены). Для повышения коррозионной устойчивости металлов и сплавов их легируют поверхностно или объемно другими металлами.

Жаростойкое или объемное легирование осуществляют одновременно с получением того или иного конструкционного металла. Вводятся такие легирующие компоненты, которые увеличивают жаропрочность и, кроме того, обладают высокой диффузионной способностью в данном металле или сплаве и, выходя на поверхность, образуют устойчивые оксидные слои.

Так, например, хром и никель в нержавеющих сталях, диффун-дируя к поверхности, образуют оксидный слой, содержащий шпинель NiCr₂O₄ и частично шпинель FeCr₂O₄,. Оксидный слой такого состава оказывается более устойчивым, чем просто оксид Cr₂O₃, образующийся на поверхности чистого хрома. Поверхностное легирование представляет собой насыщение поверхности данного сплава металлом, обладающим прочным оксидным слоем, -- аллитиро-вание, хромирование, силицирование и т. д. Оно осуществляется диффузионным путем из газовой фазы, содержащей пары или летучие соединения легирующего компонента, или нанесением слоя этого металла вакуумным или плазменным напылением, или даже наплавкой, но обязательно с последующей термообработкой изделия. При нанесении на поверхность данного металла легирующего компонента возможно образование между ними интерметаллидов.

Примером такого типа защитных пленок может служить силици-рованный молибден: на поверхность молибдена диффузионным путем наносится слой кремния, образующего с молибденом соединение MoSi₂. В результате окисления такого материала образуется слой оксидов сложного состава (рис. 1).

Рис. 1. Схема слоев на окисленном силицированном молибдене

Защитные слои от низкотемпературной коррозии могут быть органические, неорганические или металлические.

Органические защитные слои. При консервации изделий применяется смазка неокисляющимися маслами (угле-водороды, устойчивые к окислению). Масла наносятся при повышенной температуре- (улучшение смачивания, понижение вязкости) и, застывая, образуют слой, защищающий металл от электролитной среды и воздуха. Особенно устойчива такая защита при добавлении в состав смазок ингибиторов. Неудобство консервирования смазкой состоит в необходимости удаления масла с поверхности металла при последующих операциях (обезжиривание).

Лакирование-- нанесение высокомолекулярных соединений, растворенных в летучем растворителе, на поверхность металла. После испарения растворителя на металле остается полимерный слой, не пропускающий окислитель и обладающий электроизоляционными свойствами. Лаки изготовляются из естественных смол (шеллак) или из синтетических полимеров (фенолальдегидные, глифталевые, силиконовые и др.). При испарении растворителя могут образоваться поры в лаковом покрытии, и поэтому чаще всего употребляются многослойные покрытия, вероятность образования сквозных пор в которых значительно меньше.

Окраска металлических поверхностей сопровождается образованием полимера непосредственно на поверхности металла в процессе нанесения краски и ее отвердевания. Масляная краска представляет собой смесь частично окисленного масла (олифа) и пигмента-красителя. При нанесении краски тонким слоем на зачищенную до блеска поверхность металла масло быстро окисляется кислородом воздуха и затвердевает, образуя на поверхности металла плотную пленку, которая и защищает металл от коррозии.

Нанесение полимеров на металл создает защитные слои с особыми свойствами (изолирующие, декоративные). Например, нанесение слоя резины на поверхность стали для изготовления различной химической аппаратуры. В настоящее время выпускается заводами готовая сталь с нанесенным полимерным слоем.

Неорганиче с к ие защитные слои. Оксидирование металлов. Оно сводится к созданию на поверхности металла слоя оксида, через который диффузия кислорода была бы ничтожно малой. Методы нанесения оксидных слоев можно разделить на термические, химические и электрохимические.

Термические методы оксидирования применяются редко, так как окисление металлов при высокой температуре вызывает коробление деталей. Химическое оксидирование идет при более низких температурах и в ряде случаев сохраняет не только форму, но и размеры обрабатываемых деталей. Сохранение размеров возможно в том случае, если толщина образованной пленки равна толщине слоя израсходованного металла.

Электрохимическое оксидирование использует окислительные процессы на аноде электролизера: обезжиренные и освобожденные от оксидных пленок изделия помещают на анод электролизера с окисляющим электролитом (SO₄^2-, Cr₂O₇, CrO₄^2-) и через очень короткое время металл изделия покрывается плотной оксидной пленкой:

Фосфатирование металлической поверхности представляет собой процесс осаждения нерастворимых фосфатов этого металла. Сущность процесса фосфатирования сводится к усреднению дигидрофосфатов до фосфатов, нерастворимых в воде, за счет растворения поверхности металла:

Нерастворимые фосфаты в виде мелких кристаллов прочно связаны с поверхностью металла. Однако покрытие получается пористое: оно может быть использовано как грунт для нанесения лакокрасочных покрытий, что широко используется в машино- и приборостроении.

Процесс фосфатирования может быть ускорен наложением переменного тока (плотностью 40 А/м² при напряжении 20 В). При 330 К процесс заканчивается в течение 4--5 мин. Электролитом является или раствор «Мажеф» Fe(H₂PO₄)₂ + Mn(H₂PO₄)₂, или раствор гидрофосфатов цинка Zn(H₂PO₄)₂.

Металлические защитные покрытия. Для нанесения металлических защитных покрытий надо выбирать металлы, оксидный слой на поверхности которых делает их пассивными (А1, Zn, Sn, Cr, Pb, Ni), или металлы, пассивные по своим химическим свойствам (Au, Ag, Сu). Кроме того, надо учитывать условия эксплуатации изделия..

Методы нанесения металлических защитных слоев на поверхность металлов весьма разнообразны и их можно разделить условно на «горячие» или высокотемпературные и электрохимические.

Высокотемпературные методы. Метод окуна-ния. Он применим для нанесения покрытий из легкоплавких металлов на более тугоплавкие. Так покрывают стальные листы оло-' вом, цинком и свинцом. Сущность метода сводится к тому, что в расплавленный металл, из которого хотят приготовить покрытие, через слой флюса, закрывающий поверхность жидкого металла, погружают стальной лист и вынимают его также через слой флюса или масла для того, чтобы поверхность сразу не окислилась. Схема такого процесса показана на рис. 6. Цинк и олово в жидком состоянии хорошо смачивают поверхность стали; для покрытия стали свинцом необходимо добавлять к нему некоторое количество олова, так как свинец плохо смачивает стальную поверхность.

Цинк, смачивая поверхность железа, взаимодействует с ним, образуя интерметаллиды (FeZn₇, FeZn₃), обладающие значительной хрупкостью. Поэтому процесс ведут быстро, с тем чтобы слой интерметаллидов был максимально тонким и не вызвал хрупкости всего защитного слоя.

Олово растворяет железо с образованием твердого раствора и интерметаллид FeSn₂обычно не образуется. Оловянный слой на луженом железе очень пластичен, так же как и свинцовый.

Рис. 2. Нанесение металлических покрытий окунанием

Оценивая свойства луженого и оцинкованного железа, следует раздельно рассматривать механические свойства покрытия и его физико-химические свойства. Цинк по отношению к железу представляет собой анод и будет разрушаться в первую очередь сам, защищая железо от растворения, в то время как олово будет по отношению к железу катодом и повреждение покрытия вызовет усиленную коррозию железа.

Однако из этого не следует, что всегда оцинкованное железо лучше луженого, так как при этом получаются разные механические свойства нанесенного покрытия. В процессе цинкования между железом и цинком образуются хрупкие прослойки интерметаллидов, которые могут при перегибе листа дать трещины, приводящие к отслою покрытия и его повреждению. При лужении железа слой олова получается пластичным, покрытие оказывается более прочным и выносит многократные перегибы листа без повреждения слоя.

Металлизация--это нанесение металлических покрытий на поверхность изделия распылением жидкого металла. Проволока металла, который наносится в качестве защитного слоя, подается в ацетиленокислородное пламя, в дуговой или плазменный разряд-- металл плавится и частично испаряется. Мельчайшие капли и пары металла струей газа транспортируются на поверхность изделия и кристаллизуются на ней. Поверхность изделия должна быть тщательно очищена, так как иначе не будет прочного сцепления нанесенного слоя с металлом изделия.

Защитные слои можно создавать также вакуумным испарением. Покрытия, наносимые этим способом, не только защищают металл от коррозии, но и упрочняют его поверхность. Этот метод используют в ремонтно-восстановительных работах для наращивания изношенного слоя металла.

Плакирование-- нанесение пленок защитного металла пу-тем совместного проката. Метод приемлем только для листов и некоторых профилей проката (пруток, угольник и т. д.).

Этот способ нанесения покрытий очень удобен, но при изготовлении из плакированного металла изделий встречаются технологические трудности. Сейчас наша промышленность выпускает дюраль и АМг-6, плакированные чистым алюминием, что значительно повышает коррозионную стойкость этих материалов. Выпускается также сталь, плакированная нержавеющей сталью (Х18Н10), и другие аналогичные материалы.

Электрохимические методы нанесения металлических покрытий основаны на электролизе. Металлические защитные слои в этом случае осаждаются на поверхности изделия, которое в электролизере представляет собой катод и находится под отрицательным потенциалом. Покрытие должно иметь мелкокристаллическую структуру и быть сплошным -- без пор и трещин. Разработаны определенные режимы осаждения, обеспечивающие эти качества покрытий (температура, плотность тока и состав электролита). Для получения мелкозернистой структуры в состав электролита вводят поверхностно-активные вещества и органические добавки, препятствующие росту отдельных кристаллических зерен (декстрин, ализариновое масло и т. д.).

При выборе покрытий следует учитывать относительную активность основного металла и металла покрытия (катодное или анодное покрытие).

Механическая прочность покрытия исследуется различными путями -- действием струи кварцевого песка или движением заточенного на полусферу металлического стержня под определенной нагрузкой.

Химическая стойкость определяется временем, которое необходимо для растворения пленки определенным реактивом. Время измеряется от начала испытания для появления характерной окраски от ионов основного металла, появляющихся в результате коррозии в данной среде.

В коррозионную среду вводят соответствующий реактив. Например, начало коррозии железа можно фиксировать добавлением ионов [Fe(CN)₆]^3-, а появление ионов меди можно обнаружить раствором аммиака -- тетрааммиакат меди и т. д.

Коррозионная стойкость стали зависит от ее химического состава. Давно известно, что сталь, содержащая медь, лучше противостоит коррозии в атмосферных условиях, чем сталь без меди.

Небольшая добавка в сталь меди, фосфора и хрома еще больше повышает ее коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Повышение коррозионной стойкости таких марок стали в атмосферных условиях связано с природой пленок продуктов коррозии, образующихся в первый период на поверхности металла. На Плакате № 1 приведены данные коррозии углеродистой стали, медистой стали и стали с небольшими добавками фосфора, меди, хрома и никеля.

Из приведенных данных следует, что сталь с фосфором интенсивно корродирует только в первые 1,5-2 года, а далее образующиеся на поверхности стали продукты коррозии практически полностью затормаживают дальнейшее развитие процесса коррозии. Такая сталь может применяться в атмосферных условиях без защитных покрытий. Низколегированные стали уже находят широкое применение за рубежом - в США, Японии, ФРГ.

Применение противокоррозионных защитных покрытий

Для защиты оборудования и строительных конструкций от коррозии в отечественной и зарубежной противокоррозионной технике применяется большой ассортимент различных химически стойких материалов - листовые и пленочные полимерные материалы, бипластмассы, стеклопластики, углеграфитовые, керамические и другие неметаллические химически стойкие материалы.

В настоящее время расширяеется применение полимерных материалов, благодаря их ценным физико-химическим показателям, меньшему удельному весу и др. Большой интерес для применения в противокоррозионной технике представляет новый химически стойкий материал - шлакоситалл.

Значительные запасы и дешевизна исходного сырья - металлургических шлаков - обусловливают экономическую эффективность производства и применения шлакоситалла. Шлакоситалл по физико-механическим показателям и химической стойкости не уступает основным кислотоупорным материалам (керамике, каменному литью), широко применяемым в противокоррозионной техники.

Среди многочисленных полимерных материалов, применяемых за рубежом в противокоррозионной технике, значительное место занимают конструкционные пластмассы, а также стеклопластики, получаемые на основе различных синтетических смол и стекловолокнистых наполнителей. В настоящее время химическая промышленность выпускает значительный ассортимент материалов, обладающих высокой стойкостью к действию различных агрессивных сред. Особое место среди этих материалов занимает полиэтилен. Он инертен во многих кислотах, щелочах и растворителях, теплостоек до температуры + 70 С и т.д.

Однако большим недостатком данного материала, затрудняющего его широкое применение в противокоррозионной технике, является неполярный характер поверхности полиэтилена. Другими направлениями использования полиэтилена в качестве химически стойкого материала являются порошкообразное напыление и дублирование полиэтилена стеклотканью.

Широкое применениее полиэтиленовых покрытий объясняется тем, что они будучи одними из самых дешевых, образуют покрытия с хорошими защитными свойствами. Покрытия легко наносятся на поверхность различными способами, в том числе пневматическим и электростатическим распылением. Используя свойство термопластичнотси пленкообразователя, покрытия получают сплавлением частиц без применения растворителей. Широкое использование порошкообразных покрытий вызвано рядом технико-экономических соображений: доступностью исходного сырья, простотой нанесения, высоким качеством покрытий, огне- и взрывобезопасностью при производстве работ.

Также в противокоррозионной технике особого внимания заслуживают монолитные полы на основе синтетических смол. Высокая механическая прочность, химическая стойкость, декоративный вид - все эти положительные качества делают монолитные полы чрезвычайно перспективными. Продукция лакокрасочной промышленности находит применение в различных отраслях промышленности и строительства в качестве химически стойких покрытий.

Лакокрасочное пленочное покрытие, состоящее из последовательно наносимых на поверхность слоев грунтовки, эмали и лака, применяют для противокоррозионной защиты конструкций зданий и сооружений (ферм, ригелей, балок, колонн, стеновых панелей), а также наружных и внутренних поверхностей емкостного технологического оборудования, трубопроводов, газоходов, воздуховодов вентиляционных систем, которые в процессе эксплуатации не подвергаются механическим воздействиям абразивных (твердых) частиц, входящих в состав среды. Для повышения механической прочности лакокрасочного покрытия используют армирующие ткани (хлориновую или стеклянную) различных марок.

Одним из новых направлений являются разработка и применение лакокрасочных материалов, не содержащих органических растворителей; разработка и применение порошковых лакокрасочных материалов; водоразбавляемых красок; цинконаполненных комбинированных лакокрасочных материалов и других. Для наненсения лакокрасочных материалов применяются в основном окраска изделий в электростатическом поле и окраска безвоздушным напылением. Возможна также комбинация этих двух способов, то есть окраска безвоздушным напылением в электростатическом поле.

Данные способы окраски находят широкое применение в промышленности и в силу многих своих преимуществ - уменьшения потерь материалов, увеличения толщины покрытия, наносимого за один слой, уменьшения расхода растворителей, улучшение условий производства окрасочных работ и т.д. В последнее время большое внимание уделяется получению и применению комбинированных покрытий, поскольку в ряде случаев использование традиционных методов защиты является неэкономичным. В качестве комбинированных покрытий, как правило, используется цинковое покрытие с последующей окраской. При этом цинковое покрытие играет роль грунтовки.

Перспективно применение резин на основе бутилкаучука, которые отличаются от резин на других основах повышенной химической стойкостью в кислотах и щелочах, включая концентрированную азотную и серную кислоты. Высокая химическая стойкость резин на основе бутилкаучука позволяет более широко применять их при защите химической аппаратуры, например в цветной металлургии при производстве цинка и меди такие аппараты как сгустители, баки для серной кислоты, баки для реагентов, баки для обработанного электролита и другого оборудования.

С целью повышения долговечности строительных конструкций, зданий, сооружений проводятся работы в области улучшения противокоррозионной защиты.

Широко применяются следующие основные решения защиты металлических конструкций от коррозии:

1. Защитные покрытия;

2. Обработка коррозионной среды с целью снижения коррозионной активности. Примерами такой обработки могут служить: нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии;

3. Электрохимическая защита металлов;

4. Разработа и производство новых металлических конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости путем устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов и т.д.), или введения в сплав новых компонентов, сильно повышающих коррозионную устойчивость (например хрома в железо, марганца в магниевые сплавы, никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы и т.д.);

5. Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким материалам (пластические высокополимерныме материалы, стекло, керамика и др.);

6. Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей (исключение неблагоприятных металлических контактов или их изоляция, устранение щелей и зазоров в конструкции, устранение зон застоя влаги, ударного действия струй и резких изменений скоростей потока в конструкции и др.).

Размещено на Allbest.ru