Коррозия и защита металлов

По методу параллельных надрезов на образце делают острым лезвием не менее 5 параллельных надрезов на расстоянии 1,2 или 3 мм друг от друга. Перпендикулярно надрезам накладывают полоску липкой ленты на полиэтилентерефталатной основе размером 10х100 мм, оставив один конец ленты неприклеенным. Быстрым движением под прямым углом к покрытию отрывают ленту. Адгезию оценивают по трехбальной шкале. При хорошей адгезии (1 балл) полоски покрытия не отслаиваются, края надрезов гладкие. Отслаивание вдоль надрезов не более чем на 0,5 мм по ширине полосы - 2 балла, отслаивание полосами - 3 балла.

Результаты экспериментов занести в табл.6.2.

Таблица 6.2 Результаты экспериментальных данных

Виды покрытий	Величина адгезии на образцах 1 2 3

Требования техники безопасности

При проведении лабораторной работы необходимо следовать требованиям ГОСТ 12.4.113-82.

Обезжиривание образцов и нанесение покрытия следует осущетсвлять в вытяжном шкафу.

Оборудование и принадлежности

Стальные образцы размером 60х30х1, имеющие форму лопаточки, лакокрасочные покрытия, индикаторная головка, сушильный шкаф, установка для нанесения покрытий, растворы для обезжиривание, наждачная бумага, липкая лента.

Порядок выполнения работы

Задание 1.Четыре стальных образца очистить от окислов, обезжирить ацетоном, нанести покрытия на установке методом погружения. Просушить образцы в сушильном шкафу при 70-100 0С и определить величину адгезии методом решетчатых надрезов.

Задание 2. Нанести покрытия тем же методом, что и в задании 1. Определить величину адгезии методом отслаивания.

Содержание и оформление отчета

Отчет должен содержать название работы, формулировку цели работы, основные понятия о лакокрасочных покрытиях, методику работы и результаты экспериментов в таблицы. По результатам экспериментов сделать выводы о качестве нанесения лакокрасочных покрытий .

Контрольные вопросы

1. Виды лакокрасочных покрытий.

2. Способы подготовки поверхности.

3. Способы нанесения покрытий.

4. Методы оценки качества покрытий.

7.4 Оксидирование алюминия

Цель работы - получение оксидной пленки на алюминии электрохимическим путем и испытание ее защитных свойств.

Основные понятия

Алюминий и его сплавы вследствие хороших конструкционных свойств и достаточно высокой коррозионной стойкости нашли широкое применение, особенно в авиации. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется защитными свойствами оксидной пленки Al2O3, которая возникает на его поверхности в атмосфере или в растворах, содержащих кислород или другой окислитель. Однако эти пленки в силу незначительной толщины (0.006-0.02 мкм) не обеспечивают надежной защиты от коррозии.

Между тем, в результате определенной химической реакции или электрохимической обработки можно создать на поверхности металла искусственные пленки, которые обладали бы значительно более высокой коррозионной стойкостью, в сравнении с основным металлом, и защищали бы его от разрушения.

Процесс получения оксидных покрытий на металле получил название оксидирования. Оксидирование алюминия может быть осуществлено электрохимическим и химическим путем. Основной промышленный способ - электрохимический. Процесс проводят в гальванической ванне на аноде. Чаще всего используют растворы серной кислоты, реже - хромовой или щавелевой кислот.

Оксидная пленка , образующаяся в результате анодного окисления алюминия, хорошо защищает от его атмосферной коррозии, служит прекрасным грунтом под лакокрасочное покрытие, прочно адсорбирует анилиновые красители, окрашивается ими в различные цвета, а также легко пропитывается различными лаками, маслами. Пленка устойчива к воде и некоторым минеральным кислотам, однако легко растворяется в щелочах. Она состоит из кристаллической - модификации Al2O3 и аморфного оксида алюминия. Пленка характеризуется достаточной твердостью, хорошо сопротивляется механическому износу и обладает высокими электроизолирующими свойствами.

Оксид образуется на поверхности алюминия в результате анодного окисления: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H+ + 6e

и состоит из двух слоев: плотного барьерного толщиной 0.01-0.1 мкм, расположенного на поверхности металла, и внешнего пористого слоя, толщина которого может достигать 200-400 мкм.

Предполагают, что барьерный слой возникает в результате взаимодействия ионов алюминия и кислорода при их встречной миграции: ионов Al3+ к внешней поверхности барьерного слоя и ионов О2- - в направлении металла.

Ионы Al3+ образуются при анодном растворении алюминия: Al = Al3+ + 3e,

а ионы О2- - по реакции: Н2О = 2Н+ + О2-

Таким образом, на аноде происходят одновременно процессы формирования барьерного слоя в результате электрохимического окисления металла у основания пор и химическое растворение пленки в электролите. Поэтому рост пленки возможен только тогда, когда скорость растворения оксида ниже скорости его образования.

Процесс проводят в серной кислоте, при этом можно получать защитные оксидные пленки почти на всех алюминиевых сплавах (что затруднено в других электролитах). Чаще всего оксидирование проводят в 20%_ном растворе H2SO4 при 20С и анодной плотности тока 1-2 А/дм2.

Защитные свойства оксидной пленки после оксидирования можно повысить путем обработки изделия паром или горячей водой, погружением в горячие растворы хроматов и бихроматов. При обработке паром или горячей водой происходит смыкание пор из-за гидратации оксида; при хроматной обработке появляются более стойкие соединения типа (AlO)2CrO4.

После оксидирования изделия обрабатывают в водных растворах красителей для придания им красивого внешнего вида.

Методика и техника эксперимента

Работу проводят на установке, схема которой приведена на рис.1. Установка включает стеклянный стакан с электролитом для анодирования (200г/л H2SO4), в который помещают свинцовые катоды и алюминиевый анод.

Постоянный ток подается на устновку от выпрямителя. Заданная анодная

плотность тока устанавливается с помощью амперметра, напряжение

контролируется вольтметром. Поверхность алюминиевых анодов перед

помещением в установку должна быть подвергнута обезжириванию,

осветлению, полированию. Для обеспечения лучшего отвода тепла,

выделяющегося в процессе оксидирования, вода в термостате перемешивается

с помощью мешалки, число оборотов которой регулируется

автотрансформатором. В течение опыта необходимо поддерживать

заданную силу тока.

Рис.6.2. Схема установки для оксидирования алюминия: 1-стеклянный стакан; 2-термостакан; 3-плато; 4- свинцовые катоды; 5-алюминиевый образец (анод)

При определении защитных свойств оксидной пленки нужно наносить капли раствора с помощью пипетки, не допуская образования больших капель и слияния отдельных капель.

Оборудование и принадлежности

Установка для оксидирования - 1; выпрямитель - 1; автотрансформатор - 1; алюминиевые образцы - 6; раствор серной кислоты; растворы для обезжиривания, осветления, полирования, определения защитных свойств; раствор красителя; наждачная бумага, пипетка, штангенциркуль.

Порядок выполнения работы: алюминиевые образцы, количество которых устанавливает преподаватель, подвергают обезжириванию, для чего их помещают на 10-20 минут в стакан с раствором, содержащим 50-100 г/л NaOH и 5 г/л стирального порошка. Процесс обезжиривания осуществляют при температуре раствора 60-80С.

Качество обезжиривания определяют при полном смачивании поверхности образца водой, затем образец промывают, опуская сначала в горячую воду (50-60С) 3-5 раз на 15-30 с, затем в холодную воду таким же образом.

Осветление поверхности образца проводят в растворе, содержащем 35г/л CrO3, 175 г/л H2SO4, при температуре 60С в течение 1-3 минут. Поверхность образца после осветления должна быть молочно-белой без темных пятен. По окончании этой операции следует 3-5-кратная промывка в холодной воде в течение 15-30 с и погружение образца на 5-10 с в раствор азотной кислоты концентрацией 300г/л. Последующее химическое полирование проводят в растворе, содержащем 1500-1600 г/л Н3РО4 и 60-80 г/л HNO3, при 65-75С в течение 15 минут. После образец снова промывают в горячей (50-60С) воде, окуная на 15-30 с, и в холодной таким же образом.

Оксидирование проводится в растворе серной кислоты (150-200 г/л) при соотношении площади анода и катода 1:1, анодной плотности тока 1-2 А/дм2 в течение 20-60 минут. Значение концентрации кислоты, анодной плотности тока и продолжительности оксидирования указываются преподавателем. Если образец после оксидирования подлежит окрашиванию, то промывку следует проводить в холодной воде, если нет, то - в горячей при ранее указанных режимах.

Уплотнение (наполнение) оксидной пленки проводят для одного из образцов после оксидирования путем погружения в стакан с нагретой до 92-98С дистиллированной водой и выдерживания его в ней при этой температуре 15 минут. После этого образец извлекают из стакана, сушат фильтровальной бумагой и затем в сушильном шкафу.

Определение защитных свойств оксидной пленки можно осуществить по времени, по истечении которого нанесенная на поверхность пленки капля раствора, состоящего из 3 г K2Cr2O7, 25 мл HCl ( = 1.16) и 75 мл Н2О, зеленеет. Переход оранжевой краски капли в земную наступает в результате восстановления алюминием шестивалентного хрома до трехвалентного после растворения пленки Аl2O3. Этот процесс протекает в две стадии по реакциям:

Al2O3 + 6HCl = 2Al2Cl3 + 3H2O;

2Al + K2Cr2O7 = 3H2O + 2Al(OH)3 + K2Cr2O4.

Исходные данные и результаты экспериментов заносят в табл. 1.

Защитные свойства оксидной пленки определяются на одной стороне образца по диагонали в трех точках, на которые наносят капли раствора, и затем определяют время, через которое край капли раствора начинает зеленеть. При этом защитные свойства оксидной пленки считают достаточными, если время, после которого наступает позеленение капли, составляет не менее 5 минут при температуре испытания 18-21С, не менее 3.5 минут - при 22-26С и не менее 2.5 минут - при 27-32С.

Результаты экспериментов занести в табл.6.3.

Таблица 6.3. Результаты экспериментов

Номер образца	Продолжительность анодирования, мин	Время от момента нанесения капли до ее позеленения (мин) на участке образца	Оценка защитных
		верхнем	центральном	нижнем	Среднее значение трех определений	свойств оксидной пленки (по времени капельной пробы)

7.5 Электролитическое цинкование стали

Цель работы - электролитическое получение цинкового покрытия из различных электролитов и определение выхода металла по току.

Основные понятия

Цинк является наиболее распространённым металлом, применяемым для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. Около 50% мировой добычи цинка потребляется для защиты чёрных металлов от коррозии. Такое широкое применение цинковых покрытий для защиты от коррозии объясняется значительным электроотрицательным значением его потенциала (нормальный потенциал цинка по отношению к водородному электроду равен - 0,76 В). В паре с железом цинк образует короткозамкнутый гальванический элемент, в котором цинк является растворимым электродом (анодом); он защищает железо от коррозии электрохимически. Скорость коррозии цинковых покрытий в городской атмосфере составляет 40 г/(м2год), или 5 мкм/год. Таким образом, долговечность покрытия при толщине 25 мкм составляет 5 лет.

Процесс электролитического цинкования осуществляется на катоде из растворов цинковых солей по реакции

Zn+2 + 2e- Zn0 (1)

Наряду с реакцией выделения Zn на катоде может протекать реакция выделения водорода

2H+ + 2e- H2 (2)

Теоретическое количество выделившегося металла mтеорможно определить по закону Фарадея, то есть

mтеор = qI ,

где q -- электрохимический эквивалент металла:

q = ,

Am -- атомная масса металла; n -- число электронов, принимающих участие в реакции; F -- число Фарадея; I -- сила тока; -- время осаждения металла.

С учётом того, что наряду с выделением металла по формуле (1) протекает выделение водорода по формуле (2), количество выделившегося металла

mпр = mтеор Вт = qIВт ,

где Вт -- выход по току, коэффициент, показывающий, какая доля тока пошла на выделение металла из раствора.

Обычно Вт определяют в процентах

Вт = mпр / mтеор 100,%. (3)

Как правило, условия электрохимического процесса подбирают такие, при которых достигается наибольшее значение выхода по току.

Цинкование осуществляется из кислых электролитов, главным компонентом является сульфат цинка ZnSO47H2O и из щелочных электролитов, где цинк находится в виде комплексных ионов. Кислые электролиты достаточно устойчивы, высокопроизводительны, но качество осадка на сложнопрфилированных изделиях неудовлетворительно вследствие низкой рассеивающей способности. Цинкатные электролиты достаточно устойчивы, высокопроизводительны и позволяют получить высококачественные покрытия, так как обладают высокой рассеивающей способностью. В настоящее время широко применяются следующие составы электролитов и режимы электролиза :

Цинкатный электролит с добавкой блескообразователя Лимеда Ц-2

ZnO 10 - 14 г/л; NaOH 80-120 г/л:

Лимеда Ц-2 4 - 10 мл/л.

Режим электролиза: плотность тока 1-4 А/дм2; температура 20-30 0С.

2. Кислый сульфатный электролит

ZnSO47H2O 200-300 г/л; Na2SO410H2O 200-250 г/л;

Al2(SO4)310H2O 30 г/л; декстрин 8- 10 г/л.

рН = 3,5-4,5; t = 15-25; i = 1-2 А/дм2.

Рис. 6.3. Схема электролизера для нанесения гальванических покрытий: А - аноды(металл-покрытие), К - катоды(покрываемая деталь).



Методика и техника эксперимента

Электролитическое цинкование стали осуществляется на установке аналогичной той, схема которой приведена на рисунке 6.2. при одном существенном различии- исследуемый образец завешивается в качестве катода; аноды растворимые из цинка высокой чистоты.

Выход по току определяется в электролитической ячейке. Стальной катод обезжиривают ацетоном, травят в HCl, промывают, сушат и взвешивают на аналитических весах. Ячейку заливают исследуемым электролитом и собирают схему установки. Подключают источник постоянного тока и устанавливают силу тока, рассчитанную по уравнению

I = i S ,

где S -- площадь катода.

Плотность тока i выбирается в соответствии с режимом работы применяемого электролита.

Время электролиза (ч) вычисляют по формуле

= Zn/qiВт ,

где -- толщина покрытия, мкм; Zn -- плотность цинка, кг/м3 ; q-электрохимический эквивалент, кг/Ачас; I- плотность тока, А/м2.

Время электролиза должно обеспечивать получение покрытия толщиной приблизительно 10 мкм. Выход по току для расчёта по уравнению (4) принимается равным 100%. По окончании опыта катод 3 (см. рис.) промывают, сушат и взвешивают. Выход по току рассчитывают по формуле (3). Результаты экспериментов заносят в таблицу.

Таблица 7

Состав эле- ктролита	Плотность тока,А/м2	Время осаждения, час	М1,г	М2,г	Выход потоку, %

Выводы:

7.6.Фосфатирование стали

Цель работы - получение фосфатного покрытия на стали и исследование защитных свойств этого покрытия.

Основные понятия

Фосфатирование - процесс получения на поверхности стали пленки фосфорнокислой соли железа и марганца. Образующаяся пленка обладает высоким омическим сопротивлением и пористостью. Однако последнее приводит к тому, что защитные свойства этих пленок, особенно в условиях коррозии в электролитах, оказываются недостаточными. Из-за большой пористости пленка хорошо удерживает масло, краску и служит отличным грунтом под лакокрасочное покрытие. В сочетании с лакокрасочным покрытием или после пропитки ее маслом фосфатная пленка надежно защищает сталь от коррозии.

Иногда применяют обработку фосфатированного изделия в 7-9 % растворе бихромата калия, который заполняет поры и пассивирует нефосфатированные участки поверхности металла.

Фосфатирование проводят обычно при температуре 96-98о С путем погружения стальных изделий в раствор, содержащий препарат "Мажеф", в состав которого входят дигидрофосфаты железа и марганца.

Полагают, что образованию фосфатной пленки предшествуют электрохимические реакции: ионизация железа на анодных участках

Fe Fe2+ + 2e

выделение водорода на катодных участках

2 Н+ + 2е Н2

В горячей воде дигидрофосфаты марганца и железа гидролизуются с образованием нерастворимых двух- и трехзамещенных фосфатов МеHPO4 и Me3(PO4) , где Ме - это Fe и Mn.

Mn(H2PO4)2 MnHPO4 + H3PO4 (2)

MnHPO4 Mn3(PO4)2 + H3PO4 (3)

Железо, переходящее в раствор по реакции (1), связывает фосфорную кислоту и при этом равновесие реакций (2) и (3) сдвигается вправо. Выпадающие в осадок двух- и трехзамещенные фосфаты железа и марганца кристаллизуются на поверхности стального изделия, образуя плотную кристаллическую пленку. Фосфатирование заканчивается после того, как вся поверхность защищаемого изделия покроется сплошной пленкой.

Методика и техника эксперимента

Подготовка поверхности образца стали к фосфатированию включает химическое обезжиривание и химическую активацию, которые проводятся в стеклянных стаканах, содержащих соответствующий раствор. Фосфатирование осуществляют путем выдержки образцов в растворе, содержащем препарат "Мажеф", до прекращения выделения пузырьков водорода. Измерение электродного потенциала производят относительно хлорсеребряного электрода сравнения с помощью ионометра с точностью до десятых долей милливольта.

Требования техники безопасности

При проведении лабораторной работы необходимо следовать требованиям ГОСТ 12.4.113-82.

Во избежание тепловых ожогов нагрев жидкостей следует осуществлять в химически чистой, не имеющей трещин посуде. Переносить сосуды с нагретой жидкостью нужно двумя руками, подложив под дно сосуда полотенце. При получении ожога необходимо промыть пораженное место раствором перманганата калия или спирта, смазать вазелином или кремом и забинтовать.

Оборудование и принадлежности

Образцы стали - 6 шт.; раствор для обезжиривания; раствор для активации; раствор препарата "Мажеф"; раствор для определения защитных свойств покрытия; растительное масло; иономер; электрод сравнения; раствор для определения пористости покрытия.

Порядок выполнения работы

Поверхность образцов зачищают наждачной бумагой, протирают спиртом. Один из образцов оставляют для измерения электродного потенциала, другие подвергают химическому обезжириванию, химической активации и фосфатированию. Химическое обезжиривание проводят в растворе, содержащем 20-40 г/л NaOH, 20-40 г/л Na3PO4, 20-40 г/л Na2CO3, 3-5 г/л жидкого стекла в течение 10-20 мин при температуре 60-80о С. После обезжиривания образцы промывают сначала в горячей воде (50-60о С), затем в холодной в течение 30 с пятикратным окунанием. По окончании промывки проверяют ее качество - поверхность образцов должна быть покрыта сплошной пленкой воды. Химическую активацию осуществляют в растворе, содержащем 50-100 г/л HCl или H2SO4 в течение 30 с, после чего промывают в течение 30 с в холодной воде пятикратным окунанием, затем проводят фосфатирование.

Образцы, подвешенные с помощью хлорвиниловой нити к стеклянным палочкам, погружают в раствор для фосфатирования, содержащий 30 г/л препарата "Мажеф" и нагретый до температуры 96-98оС . Длительность фосфатирования указывается преподавателем. По окончании фосфатирования образцы промывают холодной водой многократным погружением в течение 2 мин и сушат фильтровальной бумагой.

По внешнему виду осуществляют контроль качества покрытия- оно должно иметь цвет от светло-серого до черного в зависимости от марки стали и вида предварительной механической и термической обработки. Покрытие должно иметь мелкокристаллическую структуру. Если покрытие не предназначено под покраску, структура покрытия может быть крупнокристаллической.

На одном из образцов проводят контроль защитных свойств фосфатного покрытия (пористости) капельным методом. Для этого на поверхность образца наносят 1-2 капли раствора (CuSO4 - 82 г/л, NaCl - 33 г/л, HCl 0,1 N - 13 мл/л; температура 18-20оС) и наблюдают за изменением цвета раствора. Признаком неудовлетворительных защитных свойств покрытия является изменение цвета капли от голубого до желтого, светло-зеленого или красного за период времени менее 2 мин.

Для повышения защитных свойств пленки фосфатированный образец дополнительно пассивируют в растворах на основе хроматов. Образец после промывки обрабатывают в 9 % растворе бихромата калия при 80-90оС в течение 10 мин, после чего сушат в сушильном шкафу.

Влияние фосфатирования и дополнительной обработки можно проконтролировать путем измерения электродного потенциала. Измеряют электродный потенциал нефосфатированного образца, фосфатированного и после хроматирования. Электродный потенциал измеряют в 0,5 М NaCl. Фосфатные пленки, защищая металл, сдвигают его потенциал в положительную сторону. Если сдвиг потенциала оказывается более 100 мВ, то защитные свойства пленки считают повышенными, если он в пределах 50-100 мВ - нормальными, в пределах 20-50 мВ - средними, а менее 20 мВ - низкими.

Результаты экспериментов заносят в таблицу.

Таблица 8. Марка стали

Образец	Электродный потенциал, мВ	Цвет покрытия	Структура покрытия	Значение времени до изменения цвета капли, мин
	хлор-серебря ный электрод	н.в.э.
Исходный
Фосфатированный
Фосфатированный с последующей обработкой

Содержание и оформление отчета

Отчет должен содержать название, цель лабораторной работы и результаты наблюдений и измерений. На основании анализа данных необходимо дать характеристику покрытия: цвет, структура (пригодность его под окраску) ; влияние фосфатирования, дополнителной обработки фосфатного покрытия на величину электродного потенциала и представить эти данные в виде таблицы.

По значениям электродного потенциала и времени до изменения цвета капли делают вывод о защитных свойствах полученного фосфатного покрытия.

Рекомендуемая литература

1. Михайлов Б.Н., Селектор С.Л., Баранов А.Н., Кривобоков Ю.А.Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии.- Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1997. -176 с.

2. Баранов А.Н., Михайлов Б.Н., Селектор С.Л. Коррозия и защита металлов.- Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1997.-144 с.

3. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.- 336 с.

4. Варыпаев В.Н., Зайцева Н.А. Электрохимическая коррозия и защита металлов. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1989. 100с.

5. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. - 472 с.

6. Защита оборудования гидроэлектростанций от коррозии и обрастания. Под ред. Эделя Ю.У. М.: Энергоиздат, 1981. 152.

4. 7. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений Справочник (Под редакцией Герасименко А.А.). М.: Машиностроение, 1987. Т. 1. 688с. Т. 2. 784с.

5. 8. Будкевич Р.Л. Защита оборудования от коррозии: Учебное пособие. - Альметьевск: Типография Альметьевского Государственного Нефтяного Института, 2007г. - 56 стр.

9. Муниц Н.Б. Защита силовых кабелей от коррозии. М.: Энергоиздат, 1982. 176с.

10. Муров В.А. Неметаллические материалы в химическом машиностроении (полимерные и композиционные материалы). Учебное пособие.- М.: МИХМ, 1979. 68с.

11. Бурлов В.В. Особенности и виды коррозионных разрушений металла оборудования установок первичной переработки нефти. / В.В. Бурлов, И.В. Парпуц //Защитаметаллов.-2005.- Т.41.- 112с.

12. Способы защиты оборудования от коррозии. Справочное руководство (под ред. Строкана Б.В., Сухотина А.М.).- Л.: Химия, 1987. 279с.

13. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней.- Л.: Химия, 1989. 455с.

15. Шлугер М.А., Ажогин Ф.Ф., Ефимов Е.А. Коррозия и защита металлов.- М.: Металлургия, 1981. 216с.

Размещено на Allbest.ru

...