Антикоррозионный слой. Антикоррозийное покрытие металла. Материалы и технологии. Общие сведения об антикоррозийной обработке

Антикоррозионными покрытиями - (греч. анти - приставка со значением противодействия) называются металлические и неметаллические покрытия, защищающие поверхность металлических изделий и сооружений от разрушающего действия коррозии металлов. Различают антикоррозионные покрытия одно- и многослойные (комбинированные); металлические и неметаллические. К наиболее широко применяемым металлическим антикоррозионным покрытиям относятся покрытия из алюминия, хрома, меди, железа, никеля, свинца, олова, цинка, титана, редких и благородных металлов, сплавов медь - цинк, медь - олово, свинец - олово, цинк - алюминий, железо - хром, железо - никель хром. Металлические антикоррозионные покрытия получают следующими способами:

Плакированием с образованием биметаллических материалов, например, сталь - алюминий, углеродистая сталь - нержавеющая сталь;

Погружением основного металла в расплавленный металл покрытия (при лужении, свинцевании, цинковании и др.);

Электролитическим способом(гальванопокрытия);

Контактным способом без применения электрического тока - вытеснением металлов из растворов их солей (например, нанесение олова на латунь и сталь, золота на серебро);

Химическим способом (никелирование восстановлением никелевых солей с помощью гипофосфита);

Осаждением порошка металла покрытия электрофорезом (электрофоретические покрытия) или в электростатическом поле (осаждение алюминия и др.);

Распылением жидкого металла покрытия сжатым воздухом или инертным газом (газопламенные покрытия, плазменные покрытия);

Конденсацией металла покрытия из паровой фазы в вакууме (вакуумные покрытия);

Диффузией защитного металла в поверхностный слой металла основы при нагреве в парах металла покрытия или его летучих соединений, а также в среде порошкообразных соединений (диффузионные покрытия).

При создании многослойного покрытия на стальных изделиях можно последовательно наносить хром и никель с дальнейшей термообработкой для получения диффузионных поверхностных слоев сплава железо - хром – никель. Чтобы повысить коррозионную стойкость и адгезию металла покрытия к металлу основы, вначале наносят медь и никель, а затем хром. Защита стали от коррозии более эффективна, если сочетать цинковые покрытия (рисунок 18.1) с алюминиевыми, оловянные или хромовые покрытия на жести – с последовательно наносимыми пассивными хроматными покрытиями. Защитные свойства антикоррозионных покрытий зависят от их пористости и взаимодействия металла основы, металла покрытия и коррозионной среды. В зависимости от значения потенциалов металлов основы и покрытия, с учетом их анодной или катодной поляризации и коррозионной среды, выбирают анодный или катодный способ защиты поверхности.

К неметаллическим антикоррозионным покрытиям относятся стекло, стеклоэмали, фосфорные соединения, окислы алюминия, магния, титана, оксидные пленки, образующиеся при воронении стали, патинировании меди, анодировании алюминия, оксидные пассивные пленки на железе, хроме и др. металлах.

Эти покрытия создают различными способами. Стеклоэмали наносят на поверхность стальных, чугунных, алюминиевых и др. изделий последовательно в два-три слоя с обжигом каждого из них при температуре 800-900 °С (эмалирование). Оксидные пассивные пленки наносят химическими или электрохимическими способами (пассивирование) как дополнительную или основную защиту поверхности стали, алюминия, титана и др.

Основные требования

Антикоррозионные покрытия должны быть равномерными, сплошными, плотными, с высокой адгезией к металлу основы, со значительной коррозионной стойкостью и при необходимости с повышенными прочностью, твердостью, износостойкостью, жаростойкостью, кислотостойкостъю, щелочестойкостъю. Свойства же металла основы должны удовлетворять требованиям стандартов. Чтобы связь покрытий с металлом основы была достаточно прочной, поверхность его очищают от жира и грязи, подвергают механической обработке (напр., полированию, шлифованию), химической и электрохимической обработке, нагреву в вакууме или в среде инертных либо восстановительных газов, бомбардировке электронными и ионными потоками.

Предварительная подготовка способствует возникновению химических и межатомных сил взаимодействия между металлами основы и покрытия.

Прочность сцепления иногда повышается при дополнительной термообработке изделия с антикоррозионными покрытиями, когда получает развитие переходной диффузионный слой в виде твердых растворов или интерметаллических соединений (рисунок 18.1). Эти соединения, как правило, более хрупки, чем их составляющие, поэтому толщину таких промежуточных слоев сводят к возможному минимуму. Однако иногда для повышения коррозионной стойкости, если не требуется высокая пластичность, все покрытие соответствующей термообработкой переводят в интерметаллическую фазу (например, после горячего цинкования).

Антикоррозионные покрытия наносят на стационарных агрегатах или на линиях покрытия непрерывного действия, где последовательно подготавливают покрываемую поверхность, создают на ней покрытия и обрабатывают их, а при необходимости осуществляют термическую и механическую обработку (горячие процессы цинкования и алюминирования стальных полос). Применение антикоррозионных покрытий существенно увеличивает срок эксплуатации машин, изделий и сооружений, дает возможность экономить миллионы тонн дорогостоящих материалов.

Жаростойкие покрытия

Жаростойкими покрытиями называются покрытия, отличающиеся жаростойкостью и защищающие поверхность изделий от высокотемпературной коррозии в среде активных газов, а также предохраняющие изделия от обеднения легирующими элементами (происходящего вследствие их диффузии к поверхности и окисления) и от насыщения их газами (рисунок 2). 3ащитное действие покрытий обусловливается образованием на поверхности изделий плотной окисной пленки, отличающейся хорошим сцеплением с покрытием. Жаростойкие покрытия наносят на изделия из стали, сплавов на основе железа, никеля, кобальта, титана, из цветных и тугоплавких металлов, из графита и др. материалов.

Различают жаростойкие покрытия металлические, неметаллические и комбинированные. Основой большинства металлических покрытий являются сплавы или интерметаллические соединения кремния, титана, алюминия, хрома, кобальта, иттрия и др. Возможно также применение покрытий из благородных металлов - золота, платины, иридия. К неметаллическим покрытиям относятся следующие:

Стеклоэмали - стеклосилицидные, стеклокарбидосилицидные, боросилицидные и др.;

Покрытия керамического типа – Al 2 O 3 , Сr 2 О 3 - Al 2 O 3 , ZrO 2 и др. (в основном для одноразового действия);

Комбинированные покрытия - силицидные с эмалевыми, интерметаллические с оксидными и т. п.

Перспективны многослойные покрытия, в которых чередуются в определенной последовательности слои покрытий разного типа.

Качество жаростойкого покрытия зависит от предварительной подготовки поверхности: чистоты ее обработки, скругленности кромок, размеров отверстий, выбора вида резьбы и т. п. Выбор материала и толщины жаростойкого покрытия (от долей микрометра до нескольких миллиметров) обусловливается назначением покрытия, рабочей температурой, составом среды, размером и конфигурацией изделия. Жаростойкие покрытия наносят гальваническим и диффузионным способами, осаждением в вакууме, напылением, детонацией, плакированием или эмалированием. Гальванический способ заключается в электроосаждении металла из водных растворов и расплавов солей (покрытия хромовые, хромоникелевые, хромоалюминиевые, платиновые и др.).

Иногда изделия с нанесенными покрытиями подвергают диффузионному отжигу. Диффузионным способом поверхность изделий насыщают при высокой температуре в порошковых смесях, металлических расплавах, расплавах солей, в газовых и паровых средах с различной степенью разрежения. К этому способу относится также шликерный: из суспензий порошков различного состава, смешанных с растворителями и связующими веществами, на изделие наносят слой покрытия, после чего осуществляют отжиг, в процессе которого происходят диффузия элементов из этого слоя в основу и спекание покрытия.

В условиях вакуума покрытия осаждают из паров металлов, оксидов и др. соединений, образующихся вследствие испарения соответствующих веществ в электроннолучевых, ионных и электронно-ионных установках. Напыление покрытий осуществляют с помощью кислородно-ацетиленовых и плазменных горелок. Таким способом наносят покрытия любого состава, подвергая затем изделия, если это необходимо, диффузионному отжигу. Для нанесения покрытий детонационным способом используют энергию взрыва. Чтобы создать жаростойкие покрытия чаще всего применяют хром, алюминий, кремний, никель, гафний, бор. Для обеспечения надежной защиты изделий покрытия и оксидные пленки на них должны иметь высокие механические свойства (прочность, пластичность), достаточную толщину, высокую прочность сцепления между слоями покрытий и материалом изделия, близкие по величине коэффициенты термического расширения (во избежание растрескивания и отслаивания).

Важным свойством жаростойких покрытий при защите открыто излучающей поверхности изделий, нагреваемых до температуры 1500-2000 °С, является теплоотдача, определяемая коэффициентом излучения (коэффициентом черноты). При высоком коэффициенте излучения покрытия поверхность изделия нагревается на несколько десятков и даже сотен градусов меньше. Чтобы уменьшить скорость изменения фазового состава покрытия и металла-основы, между основой и покрытием наносят жаростойкие барьерные слои, препятствующие диффузии кислорода в материал основы и легирующих элементов из основы на поверхность изделия.

Жаростойкие покрытия применяют для защиты деталей в приборо- и машиностроении, авиа- и ракетостроении и других областях техники. Изделия и обычных сплавов с такими покрытиями экономически более выгодны, чем из жаростойких сплавов. Сплавы на основе тугоплавких металлов, имеющие высокие прочностные свойства при температурах 1000-2500 °С, вообще не могут применяться на воздухе или в другой окислительной среде без защитных жаростойких покрытий.

Потеющие покрытия

Потеющие покрытия - покрытия, рабочая поверхность которых охлаждается вследствие выпотевания их компонентов или компонентов основы, на которую они нанесены. Используются с 50-х гг. 20 в. Потеющие покрытия, являющиеся разновидностью защитных покрытий, повышают эрозионную стойкость и жаропрочность потеющих материалов или осуществляют их активную тепловую защиту. Потеющие покрытия подразделяют на транспирационно охлаждаемые и самоохлаждающиеся.

К транспирационно охлаждаемым относятся покрытия со значительной (20 – 50 %) открытой пористостью (проницаемостью), нанесенные на пористую основу, через которую навстречу тепловому потоку подается жидкий или газообразный хладагент, охлаждающий материал вследствие поглощения тепла, испарения или диссоциации. Температуру поверхности покрытия регулируют изменением расхода хладагента. Большую роль в снижении теплового потока в материале играет так называемый эффект вдува, уменьшающий коэффициент теплопередачи в результате изменения температурного и скоростного профилей. Однако определяющей характеристикой таких покрытий является их проницаемость. Технология напыления потеющих покрытий отличается от обычной необходимостью получения покрытий, обладающих заданной равномерной или изменяющейся в соответствии с требованиями проницаемостью. Такие покрытия создают, выбирая определенные режимы нанесения либо вводя в исходную смесь удаляемые впоследствии (растворением, выплавлением, выжиганием и т. д.) порообразователи.

К самоохлаждающимся относятся потеющие покрытия, представляющие собой каркас, заполненный высокоэнтальпийным наполнителем. Эффект теплопоглощения обусловливается плавлением, испарением, сублимацией или диссоциацией наполнителя. Если наполнитель не взаимодействует с материалом каркаса и не разлагается в процессе нанесения покрытия, потеющие покрытия наносят термическими методами (газопламенным, плазменным, электрометаллизационным и др.) в виде композиций (вольфрам – медь). Если же создание покрытий термическими методами невозможно, вначале наносят пористый каркас, пропитываемый впоследствии высокоэнтальпийным наполнителем.

Значительная пористость, уменьшая полезную площадь сцепления, снижает адгезионные характеристики потеющего покрытия. Вследствие этого подбирают наполнители, не образующие химически агрессивных веществ в процессе разложения, поскольку их действие на область контакта может привести к отслоению покрытия. Чтобы повысить прочность сцепления, нанесенное пористое покрытие до пропитки иногда подвергают термообработке в нейтральной или восстановительной среде.

Контрольные вопросы

1 Что называется защитным покрытием?

2 Чем определяются свойства защитных покрытий?

3 Как можно уменьшить внутренние напряжения в материале после нанесения защитного покрытия?

4 Какими способами получают антикоррозионные покрытия?

5 От каких факторов зависит качество жаростойкого покрытия?

В случае атмосферной коррозии наилучшим способом защиты изделий является нанесение защитных антикоррозийных покрытий. Антикоррозийные покрытия изолируют металл от коррозионной атмосферы, предотвращая его разрушение. Защитные антикоррозийные покрытия отличаются друг от друга способами нанесения и составом и бывают:

1. Органические

2. Металлические

3. Керамические

Основные требования к антикоррозийным покрытиям:

Хорошая адгезия к защищаемой поверхности;

Сравнимые физические свойства антикоррозийного покрытия с защищаемым металлом, прежде всего коэффициент теплового расширения;

Абразивная стойкость и износоустойчивость;

Стойкость к воздействию окружающей среды, УФ и солнечных лучей;

Нетоксичность;

Экономичность (высокая кроющая способность, низкая себестоимость);

Легкость эксплуатации (антикоррозийные покрытия легко наносятся и чистятся).

При атмосферной коррозии железа анодная и катодная реакции протекают следующим образом:

Fe → Fe 2+ + 2е -

2е - + 1/2О 2 + Н 2 О → 2ОН - .

Анодную реакцию замедляет присутствие подавляющего высвобождение электронов железа активного красителя типа цинка. Также она тормозится при образовании пассивационной пленки в присутствии активных веществ – хроматов, фосфатов и силикатов. Катодная реакция замедляется при перекрытии доступа кислорода к защищаемой поверхности. Присутствие влаги снижает электрическое сопротивление антикоррозийных покрытий, поэтому необходимо стремиться к их гидрофобности.

Органические антикоррозийные покрытия.

Нанесение данного типа антикоррозийных покрытий не представляет никакой трудности. Краска необходимой консистенции наносится на защищаемую поверхность кистью или распыляется на нее. После высыхания образуется плотно прилегающая к поверхности металла пленка. Для повышения адгезии покрытия к металлу краску можно предварительно разогреть до температуры 150-250 О С и дать ей высохнуть 10-30 минут.

Основным недостатком органических антикоррозийных покрытий, в отличие от металлических, является возможность диффузии сквозь них влаги, кислорода и галогенид-ионов, т.е. веществ вызывающих коррозию. Степень проникновения обуславливается молекулярной массой материала антикоррозийного покрытия и его химической структурой. Нанесение покрытия одного типа чаще всего не обеспечивает надежной защиты от коррозии. Поэтому антикоррозийные покрытия обычно представляют собой систему из двух или трех покрытий, при этом каждый слой выполняет свою определенную функцию. Сочетание покрытий позволяет обеспечить высокий уровень защиты от коррозии. Система антикоррозийных покрытий состоит из грунтовочного слоя, нижнего и верхнего слоя.

Грунтовка обеспечивает хорошую адгезию к защищаемой поверхности и служит подложкой для нанесения последующих слоев. Грунтовка обычно содержит в составе конденсаторную пыль (мелкодисперсный порошок цинка с добавкой оксида цинка). Образуя гальваническую пару с основным металлом (железом), она предотвращает его коррозию. Трудность заключается в необходимости наличия проводящей среды и обычно для этого служит присутствующая на поверхности влага, которая со временем ускоряет коррозию. Также может применяться краситель на основе силиката цинка.

Другой тип грунтовки действует на анодные центры, электрически изолируя их. Это осуществляется за счет оксидного слоя, присутствующего на аноде. Либо с этой целью можно применить фосфатирование защищаемой поверхности.

Нижний слой антикоррозийного покрытия создает связь между наружным слоем и грунтовкой. Верхний слой должен слабо проницаем для коррозионных веществ, устойчив к воздействию УФ-, солнечных лучей, атмосферных явлений.

Рис. 1. Схема защитного антикоррозийного покрытия.

Принято выделять три главные составляющие лакокрасочных антикоррозийных покрытий:

Краситель: обычно присутствует в мелкодисперсной форме, покрывая всю защищаемую поверхность.

Разбавитель: добавляют для придания необходимой вязкости и технологичности.

Связующее: обычно это полимерное органическое вещество, которое связывает частицы красителя друг с другом и обеспечивает хорошую адгезию покрытия к металлу.

Краситель.

Обычно применяют неорганические красители, поскольку органические обесцвечиваются под воздействием УФ-, солнечных лучей, атмосферных явлений.

Краситель должен хорошо смачиваться связующим, при воздействии окружающей среды не изменять своих свойств, не поглощать влагу, желательно, чтобы частицы красителя не проводили электрический ток. Форма частиц красителя предпочтительна чешуйчатая для удлинения пути коррозионных веществ, препятствуя их диффузии (рис. 2).

Рис. 2. Чешуйчатая форма частиц красителя удлиняет путь коррозионных веществ, препятствуя их диффузии.

Объемная доля красителя в покрытии составляет 25-35%. Ее повышение ухудшает защитные свойства покрытия. Гранулометрический состав красителя тщательно подбирается для однородности краски.

Разбавитель.

Разбавители добавляют в краску для улучшения ее технологичности. После нанесения покрытия разбавитель испаряется. Следует учитывать, что слишком высокая скорость испарения приведет к наличию дефектов покрытия. После испарения разбавителя не должно оставаться никаких нелетучих соединений, которые могут ухудшить антикоррозионные свойства покрытия.

Распространенные разбавители: метилэтилкетон, высшие спирты (бутанол), ксилол. Применяют также смеси, например, ксилол-бутанол для эпоксидных смол.

Связующее.

Именно связующие вещества определяют качество антикоррозийного покрытия. Чаще всего используют органические связующие, которые после отверждения приобретают свойства необходимые для защиты поверхности.

Связующие бывают природные и синтетические. Природные – льняное, оливковое, касторовое масла, шеллак, канифоль. Синтетические связующие позволяют получать более широкий спектр свойств.

Свойства основных полимерных связующих важные с точки зрения защиты от коррозии представлены в табл. 1.

Таблица 1. Свойства основных полимерных связующих, используемых в антикоррозийных покрытиях .

Пластик	Поглощение влаги 24 ч., %	Кислород и озон	Высокий вакуум
Термопласты
Фторуглероды		Инертны
Метилметакрилат			Разлагается
Нейлон
Простой полиэфир (хлорированный)	0,01
Полиэтилен (низкой плотности)	0,15
Полиэтилен (высокой плотности)
Полипропилен	0,01
Полистирол	0,04
Поливинилхлорид	0,10
Винил (хлорид)	0 , 45
Термореактивные пластмассы
Эпоксидные смолы
Фенольные смолы
Полиэфиры
Силикон	0,15
Мочевины

Обозначения в таблице:R - стоек, А - сильно подвержен действию, F - средне, Р – слабо, SA - незначительно.

Добавки.

Добавки вводятся для повышения адгезии, технологичности, улучшения физических свойств антикоррозийных покрытий.

С течением времени свойства антикоррозийных покрытий ухудшаются. Через поры, существующие даже в самом качественном органическом покрытии, просачивается влага. Существует еще ряд причин, таких какнекачественное нанесение, старение связующего и др.

Новым направлением в создании органических антикоррозийных покрытий является применение полианилина, самого известного представителя проводящих полимеров. В основе антикоррозийных свойств полианилина лежит предотвращение или замедление им процесса окисления металла кислородом воздуха. Ряд авторов объясняет это следующим образом. Определенные фрагменты молекулы полианилина обладают более высоким окислительно-восстановительным потенциалом по сравнению с окислительно-восстановительным потенциалом кислорода. Поэтому полианилин окисляет ион кислорода О 2- до молекулярного кислорода, что ингибирует окисление металла.

Металлические антикоррозийные покрытия.

Самый распространенный метод защиты от коррозии – это нанесение металлических антикоррозийных покрытий. Данный тип покрытий имеет хорошую адгезию и может наноситься множеством способов: окунанием, гальванизацией , напылением (плазменным , сверхзвуковым и др.), электроискровым методом и др.

Надежность металлического антикоррозийного покрытия обусловлена его положением в электрохимическом ряду напряжений относительно защищаемого металла. Если покрытие катодно по отношению к основному металлу, например как хром, мель, свинец или никель но отношению к железу, то образование оголённой поверхности в результате повреждения или некачественного нанесения приводит к интенсивной локальной коррозии из-за невыгодного соотношения площадей электродов. Если же покрытие анодно, как в случае цинка или алюминия по отношению к железу, то образование оголённой поверхности основного металла не вызывает таких катастрофических последствий, как в предыдущем случае. Поверхность оказывается защищенной катодно.

При разработке антикоррозийных покрытий необходимо учитывать совместимость металлов .

Керамические антикоррозийные покрытия.

Применение этого типа покрытий актуально только для высокотемпературных изделий, поскольку очень сложно обеспечить высокий уровень адгезии керамики к металлу.

Литература:

Р. Ангал. Коррозия и защита от коррозии. Изд-во «Интеллект», 2013. – 344 с.

Антикоррозионная защита требуется любым инструментальным и конструкционным изделиям, изготовленным из металла, так как в той или иной мере все они испытывают на себе негативное коррозионное влияние среды, окружающей нас.

1

Под коррозией понимают разрушение поверхностных слоев конструкций из стали и чугуна в результате электрохимического и химического воздействия. Она просто-напросто портит металл, разъедает его, делая тем самым непригодным для последующей эксплуатации.

Специалисты доказали, что каждый год примерно 10 процентов от всего добытого металла на Земле тратится на покрытие потерь (обратите внимание – они считаются безвозвратными) от коррозии, ведущей к распылению металла, а также к выходу из строя и порче металлических изделий.

Стальные и чугунные конструкции на первых этапах воздействия коррозии снижают свою герметичность, прочность, электро- и теплопроводность, пластичность, отражательный потенциал и ряд других важных характеристик. Впоследствии конструкции становятся и вовсе непригодными для эксплуатации.

Кроме того, коррозионные явления - причина производственных и бытовых аварий, а иногда и настоящих экологических катастроф. Из проржавевших и прохудившихся трубопроводов для нефти и газа в любой момент может хлынуть поток опасных для жизни человека и для природы соединений. Учитывая все вышесказанное, любой может понять то, насколько важна качественная и эффективная защита от коррозии с применением традиционных и новейших средств и методов.

Полностью избежать коррозии, когда речь идет о стальных сплавах и металлах, невозможно. А вот задержать и снизить негативные последствия ржавления вполне реально. Для этих целей нынче существует множество антикоррозионных средств и технологий.

Все современные методы борьбы с коррозией можно разделить на несколько групп:

применение электрохимических способов защиты изделий;
использование защитных покрытий;
проектирование и выпуск инновационных, высокоустойчивых к процессам ржавления конструкционных материалов;
введение в коррозионную среду соединений, способных уменьшить коррозионную активность;
рациональное строительство и эксплуатация деталей и сооружений из металлов.

2

Чтобы защитное покрытие справлялось с задачами, которые возлагаются на него, оно должно обладать целым рядом особых качеств:

быть износостойким и максимально твердым;
характеризоваться высоким показателем прочности сцепления с поверхностью обрабатываемого изделия (то есть обладать повышенной адгезией);
иметь такую величину теплового расширения, которая бы незначительно отличалась от расширения защищаемой конструкции;
быть максимально недоступным для вредных факторов окружающей среды.

Также покрытие должно наноситься на всю конструкцию как можно более равномерно и сплошным слоем.

Все используемые в наши дни защитные покрытия делят на:

металлические и неметаллические;
органические и неорганические.

3

Самым распространенным и сравнительно несложным вариантом защиты металлов от ржавления, известным уже очень давно, признается использование лакокрасочных составов. Антикоррозионная обработка материалов такими соединениями характеризуется не только простотой и дешевизной, но еще и следующими положительными свойствами:

возможностью нанесения покрытий разных цветовых оттенков - что и элегантный облик конструкциям придает, и надежно защищает их от ржавчины;
элементарностью восстановления защитного слоя в случае его повреждения.

К сожалению, лакокрасочные составы имеют совсем небольшой коэффициент термической стойкости, малую стойкость в воде и относительно низкую механическую прочность. По этой причине в соответствии с существующими СНиП их рекомендовано применять в тех случаях, когда на изделия действует коррозия со скоростью не более 0,05 миллиметров в год, а запланированный срок их эксплуатации не превышает десяти лет.

К составляющим современных лакокрасочных составов относят такие элементы:

краски: суспензии пигментов с минеральной структурой;
лаки: растворы (коллоидные) смол и масел в растворителях органического происхождения (защита от коррозии при их применении достигается после полимеризации смолы либо масла или их испарения под влиянием дополнительного катализатора, а также при нагреве);
искусственные и природные соединения, называемые пленкообразователями (например, олифа – самый, пожалуй, популярный неметаллический "защитник" чугуна и стали);
эмали: лаковые растворы с комплексом подобранных пигментов в измельченном виде;
смягчители и разнообразные пластификаторы: адипиновая кислота в виде эфиров, дибутилфтолат, касторовое масло, трикрезилфосфат, каучук, другие элементы, которые увеличивают эластичность защитного слоя;
этилацетат, толуол, бензин, спирт, ксилол, ацетон и другие (данные компоненты нужны для того, чтобы лакокрасочные составы без проблем наносились на обрабатываемую поверхность);
инертные наполнители: мельчайшие частицы асбеста, тальк, мел, каолин (они делают антикоррозионные возможности пленок более высокими, а также уменьшают траты других составляющих лакокрасочных покрытий);
пигменты и краски;
катализаторы (на языке профессионалов – сиккативы): необходимые для быстрого высыхания защитных составов кобальтовые и магниевые соли жирных органических кислот.

Лакокрасочные соединения выбирают с учетом того, в каких условиях эксплуатируется обрабатываемое изделие. Составы на базе эпоксидных элементов рекомендованы для использования в атмосферах, где постоянно присутствуют испарения хлороформа, двухвалентного хлора, а также для обработки конструкций, находящихся в различных кислотах (азотная, фосфорная, соляная и т. п.).

К кислотам также устойчивы и лакокрасочные составы с полихровинилом. Они, кроме того, применяются для предохранения металла от воздействия масел и щелочей. А вот для защиты конструкций от газов чаще применяются составы на базе полимеров (эпоксидных, фторорганических и иных).

Очень важно при подборе защитного слоя учитывать требования российских СНиП для разных отраслей промышленности. В таких саннормах четко указывается, какие составы и методы защиты от коррозии можно использовать, а от каких лучше отказаться. Например, в СНиП 3.04.03-85 изложены рекомендации по защите различных строительных сооружений:

магистральных газо- и нефтепроводов;
обсадных труб из стали;
тепломагистралей;
железобетонных и стальных конструкций.

4

На металлических изделиях вполне можно формировать посредством электрохимической либо химической обработки специальные пленки для защиты их от ржавления. Чаще всего создаются фосфатные и оксидные пленки (опять-таки, обязательно принимаются во внимание положения СНиП, так как механизмы защиты таких соединений разные для различных изделий).

Фосфатные пленки подходят для антикоррозионной защиты цветных и черных металлов. Суть такого процесса заключается в погружении изделий в нагретый до определенной температуры (в районе 97 градусов) раствор цинка, железа или марганца с кислыми фосфорными солями. Получающаяся при этом пленка идеальна для нанесения на нее лакокрасочного состава.

Заметим, что фосфатный слой сам по себе не отличается длительным сроком применения. Он малоэластичный и совсем непрочный. Используется фосфатирование для защиты деталей, которые работают при высоких температурах или в соленой воде (например, в морской).

Также ограниченно используются и оксидные защитные пленки. Получают их при обработке металлов в растворах щелочей под действием тока. Известным раствором для оксидирования является едкий натр (четырехпроцентный). Операцию получения оксидного слоя нередко называют воронением, так как на поверхности мало- и высокоуглеродистых сталей пленка характеризуется красивым черным цветом.

Оксидирование производится в ситуациях, когда начальные геометрические параметры нужно сохранить в неизменном виде. Оксидный слой обычно наносят на точные приборы, стрелковое вооружение. Толщина такой пленки в большинстве случаев не превышает полутора микронов.

Другие способы защиты от коррозии с применением неорганических покрытий:

5

Если изделия из металла подвергнуть поляризации, скорость ржавления, обусловленного электрохимическими факторами, можно существенно уменьшить. Электрохимическая антикоррозионная защита бывает двух видов:

анодной;
катодной.

Анодная технология подходит для материалов из:

сплавов (высоколегированных) на базе железа;
с малым уровнем легирования;
углеродистых сталей.

Суть методики анодной защиты проста: металлическое изделие, которому требуется придать антикоррозионные свойства, подключается к катодному протектору либо к "плюсу" источника (внешнего) тока. Данная процедура обеспечивает уменьшение скорости ржавления в несколько тысяч раз. В качестве катодного протектора могут выступать элементы и соединения с высоким положительным потенциалом (свинец, платина, диоксид свинца, платинированная латунь, тантал, магнетит, углерод и другие).

Анодная антикоррозионная защита будет результативной только в том случае, если аппарат для обработки конструкций отвечает далее указанным запросам:

на нем нет заклепок;
сварка всех элементов выполнена максимально качественно;
пассивирование металла выполняется в технологической среде;
число зазоров и щелей минимально (или же они отсутствуют).

Описанный вид электрохимической защиты небезопасен из-за риска активного анодного растворения конструкций во время приостановки подачи тока. В связи с этим он осуществляется только тогда, когда имеется специальная система контроля выполнения всех предусмотренных технологической схемой операций.

Более распространенной и менее опасной считается катодная защита, которая годится для металлов, не имеющих склонности к пассивации. Подобный метод предполагает подсоединение конструкции к электродному отрицательному потенциалу или к "минусу" источника тока. Катодная защита используется для следующих видов оборудования:

емкости и аппараты (их внутренние части), эксплуатируемые на химических предприятиях;
буровые установки, кабели, трубопроводы и иные подземные сооружения;
элементы береговых конструкций, которые соприкасаются с соленой водой;
механизмы, изготовленные из , высокохромистых и медных сплавов.

Анодом в данном случае выступает уголь, чугун, металлолом, графит, сталь.

6

На производственных предприятиях с коррозией можно с успехом справляться посредством модификации состава агрессивной атмосферы, в которой работают металлические детали и конструкции. Существует два варианта снижения агрессивности среды:

введение в нее ингибиторов (замедлителей) коррозии;
удаление из среды тех соединений, которые являются причиной возникновения коррозии.

Ингибиторы, как правило, используются в системах охлаждения, цистернах, ваннах для выполнения травильных операций, различных резервуарах и прочих системах, в коих коррозионная среда имеет примерно постоянный объем. Замедлители подразделяют на:

органические, неорганические, летучие;
анодные, катодные, смешанные;
работающие в щелочной, кислой, нейтральной среде.

Ниже указаны самые известные и часто используемые ингибиторы коррозии, которые отвечают требованиям СНиП для разных производственных объектов:

бикарбонат кальция;
бораты и полифосфаты;
бихроматы и хроматы;
нитриты;
органические замедлители (многоосновные спирты, тиолы, амины, аминоспирты, аминокислоты с поликарбоксильными свойствами, летучие составы "ИФХАН-8А", "ВНХ-Л-20", "НДА").

А вот уменьшить агрессивность коррозионной атмосферы можно такими методами:

вакуумированием;
нейтрализацией кислот при помощи едкого натра либо извести (гашеной);
деаэрацией с целью удаления из кислорода.

Как видим, на сегодняшний день существует немало способов защиты металлических конструкций и изделий. Важно лишь грамотно подобрать оптимальный для каждого конкретного случая вариант, и тогда детали и сооружения из стали и чугуна будут служить очень и очень долго.

7

Мы хотим очень кратко рассмотреть данные СНиП, описывающие требования к защите от ржавчины строительных (алюминиевых, металлических, стальных, железобетонных и иных) конструкций. В них даются рекомендации по использованию разных методов антикоррозионной защиты.

СНиП 2.03.11 предусматривают защиту поверхностей строительных конструкций следующими способами:

пропиткой (уплотняющего типа) материалами с повышенной химической стойкостью;
оклейкой пленочными материалами;
применением разнообразных лакокрасочных, мастичных, оксидных, металлизированных покрытий.

По сути, данные СНиП позволяют использовать все описанные нами способы защиты металлов от ржавления. При этом правила оговаривают состав конкретных защитных средств в зависимости от того, в какой среде располагается строительное сооружение. С этой точки зрения среды могу быть: средне-, слабо- и сильноагрессивными, а также полностью неагрессивными. Также в СНиП принято деление сред на биологически и химически активные, на твердые, жидкие и газообразные.

Атмосферные факторы сильно влияют на металлические конструкции и подвергают их коррозии. Они постепенно утрачивают свои первоначальные характеристики. При возникновении таких ситуаций возникает закономерный вопрос, существует ли эффективная антикоррозийная защита металлоконструкций, способная сохранить металл от негативного влияния?

Коррозия – реакция, разрушающая металл, вследствие контакта с окружающей средой. Чтобы предотвратить разрушающий процесс предусмотрена антикоррозийная обработка металлоконструкций. Подобная защита предполагает увеличение срока эксплуатирования конструкционного материала, и снизить расходы на последующее возрождение сломанного элемента. Антикоррозийные защитные покрытия получили всеобщее признание, и стали общеобязательной процедурой при стройке промышленных предметов. Главная цель защиты – это изоляция металлических поверхностей от агрессивной среды. В основе элементов для противокоррозионной работы применяют эпоксидное либо полиуретановое основание. Эта характеристика позволяет надежно защитить материал.

Стандартная схема антикоррозийной обработки

В ряде случаев используется классическая технология антикора:

Пескоструйная либо механическая зачистка основания. Тип очистки зависит от множества факторов: состояние обрабатываемой конструкции, удобство использования, расположение предмета;
Обеспыливание и грунтование поверхности;
Покрытие специальным полимером, окраска металлоконструкций;
Создание прочного слоя лака.

Повременную антикоррозийную защиту металлоконструкций рационально осуществлять на следующих объектах:

металлические конструкции;
сооружения на металлическом каркасе;
мостовые строения;
техническое оборудование;
трубопроводы;
транспорт морского, речного и железнодорожного сообщения;
цистерны и резервуары продуктов нефтехимической промышленности.

Систематизация коррозии

Коррозия металлических конструкций портит существование человека уже не одно поколение, поэтому этот неблагоприятный процесс изучен достаточно широко. Коррозию подразделяют на несколько классификаций.

Электрохимическое ржавление

Ржавые пятна возникают у двух разных металлов, связанных между собой, когда на место их соприкосновения попадает, к примеру, влажный воздух. У металлов электрохимические потенциалы отличаются, тем самым образуя гальванический материал. Элемент с меньшим окислительно-восстановительным потенциалом начинает корродировать. Это свойство особо проявляется на местах сварных швов, около болтов и заклепок.

Защита строительных конструкций и оборудования от коррозии подобного вида воздействия, как правило, предполагает использование оцинковки. В составе металлический элемент и цинк подвергаться ржавлению должен цинковый элемент, но этого не происходит, так как появляется пленка окиси, которая регулирует и замедляет негативный процесс.

Химическая ржавчина

Подобное ржавление появляется в случаях, когда металл соприкасается с агрессивной средой, но при этом не возникает электрохимической реакции. Явным примером химического взаимодействия считается появление окалины при реакции металлического соединения и кислорода воздуха при экстремальных температурах.

Нормы и правила СНиП

Оберег строительных конструкций от коррозии рассматривается еще в период зарождения проекта. Все финансовые потери, сконцентрированные на защите металлоконструкций, уже включены в ценовую составляющую изделия. В СНиП такие способы защиты оборудования от коррозии именуются конструктивными. Главной задачей способов защиты металлоконструкций считается выбор компонентов, способных огородить металлическую среду от агрессивной среды.

Кроме выбора особого нанесения для металлических изделий, СНиП советует и способы рационального порядка применения металлических конструкций:

ликвидация щелей и иного дефекта поверхности конструкции, в которых возможно образование конденсата или некая опасная температурная область, приводящие к утрате свойств противокоррозийного покрытия;
сохранение металлических конструкций от воздействия воды;
внедрение в экстремальную среду веществ, замедляющих нежелательное течение физико-химических процессов.

Скачать СНиП 2.03.11-85 “Защита строительных конструкций от коррозии”

Способы сохранности

Ржавление металлов приводит к многомиллионным убыткам. Главный ущерб кроется в значительной стоимости компонентов, разрушаемых ржавлением. Поэтому существуют специальные способы защиты конструкций и оборудования от коррозии.

Выделяют три способа сохранности:

конструкционный;
неактивный;
активный.

Конструктивный метод предполагает внедрение сплавов различных металлов, применение изоляционных резиновых прокладок и материалов с целью блокады коррозийной среды.

Защита строительных конструкций и оборудования от коррозии предполагает электрохимические защитные механизмы. Активные методы защиты и противодействия коррозии направлены на модификацию строения двойного электрослоя. На защищаемый металл накладывают постоянное электрическое поле, чтобы повысить его электродный потенциал. На практике также применяют материальную «жертву» в виде анода. Этот материал более активен и будет разрушаться, защищая требуемую конструкцию.

Отмечают способы защиты конструкций и оборудования от коррозии, например, с применением цинка:

Оцинковывание горячим способом. Эта металлическая обработка конструкций предполагает внимательную и тщательную подготовку поверхности, а именно очистка от окислов и обработка пескоструем. Подготовленная конструкция помещается в резервуар с цинковым расплавом. Далее деталь вращают, и в момент застывания тонкого цинкового слоя выходит гладкая поверхность с хорошей степенью противокоррозийной защиты.
Электрогальванический прием. Этот способ антикоррозионной защиты металлоконструкций обработка отнимает значительное количество времени. Сначала конструкция из стали опускается в резервуар с электролитом. На деталь и цинковое изделие подключается электрокабель. Оба кабеля подключаются к постоянному току. Благодаря диффузии (процесс переноса материи) ионы цинка осаждаются на стальной детали. Так появляется маленький слой цинка, имеющий связь с металлом на молекулярном уровне.
Термодиффузия. Процедура достаточно сложна и требуется наличия специального оборудования. Изделие из стали устанавливают в печь для прогрева, в которой подается цинковая пыль. Все это происходит при температуре выше 300 градусов по Цельсию. При таком факторе молекулы цинка начинают плавиться, а это способствует тому, что они могут проникать даже в толщу металла. Такие антикоррозионные обработки являются эффективными, так как металлические конструкции, обработанные этим методом, выдерживают даже экстремальные среды. Защита сварных швов будет на высоком уровне.

Не активная (пассивная) защита металлоконструкций – это использование различных лаков, красок, эмалей, которые изолируют металлы от взаимодействия с внешней атмосферой. Наносить защитные покрытия на металлическую поверхность можно разными способами. Оцинковку, например, осуществляют в горячем цеху и напылением. Осуществлять окраску эмалевыми элементами можно валиком, пульверизатором, кистью.

Подготовка металлической поверхности

Процесс подготовки металла включает в себя несколько этапов:

очистка поверхности от смазочных жидкостей и ранее нанесенного покрытия щетками, скребками либо промывание водой под высоким давлением в 210 бар;
использование органических растворителей для обезжиривания поверхности;
избавление от окалины термическим, химическим или механическим методом;
сушка зачищенной поверхности;
обеспыливание, то есть обдувание чистым воздухом для удаления пыли.

Новые способы защиты

Компоненты противодействия коррозии постоянно совершенствуются. Новые способы защиты от коррозии и появление свежих идей обрабатывания металла упрощают процесс нанесения.

Покрытие ферросодержащих элементов лакокрасочными материалами считается самым доступным методом защиты. Но стоит отметить, что защитный слой потребуется обновлять раз в пятилетку, что требует больших трудовых усилий. Гальваническая и электрохимическая обработка металлических конструкций от коррозии также имеют некоторый недостаток – это большие затраты. Существуют современные технологии защиты от ржавления доступные не только крупным производственным предприятиям, но рядовым потребителям.

Потребность в применении антикоррозийных покрытий металлических конструкций, предназначенных к применению в различных областях народного хозяйства (строительство, производство, быт и т.д.), колоссальна. В течение года, согласно оценкам экспертов, от коррозии портится 20 - 30% годового объема производства черных металлов в России. По другим оценкам, ущерб от коррозии составляет 2 - 4% от валового национального продукта каждого государства.

Коррозия - химический процесс окисления металла, который протекает самопроизвольно в условиях окружающей среды под действием кислорода воздуха и воды и приводит к разрушению металлических изделий. Скорость коррозии напрямую зависит от влажности воздуха и температуры. Для предотвращения коррозии металлических изделий используют их антикоррозийную обработку , которая включает очистку поверхности изделия от грязи и элементов первичной коррозии и покрытие поверхности тонким слоем другого металла (алюминия, цинка, меди, хрома, никеля и др.) или материала, к которым относятся всевозможные полимеры, краски, пасты, эмали и т.п.

В настоящее время наиболее современной технологией очистки металлической поверхности является ее пескоструйная или дробеструйная обработка с помощью абразивоструйного оборудования. Процесс позволяет удалять с поверхности материала элементы первичной коррозии, окалину, нагар, остатки старого покрытия (металлического или лакокрасочного). При помощи сжатого воздуха поток абразива с огромной скоростью выбрасывается на обрабатываемую поверхность, в результате чего осуществляется ее очистка. На данный момент на рынке представлено мобильное и стационарное оборудование российских и иностранных производителей.

Далее очищенную металлическую поверхность покрывают тонким слоем антикоррозийного покрытия . В настоящее время существует несколько технологий нанесения металлического покрытия (никеля, хрома, цинка, аллюминия и др.) на различные стальные заготовки. Для никелирования металлических деталей сложной конфигурации часто используют метод их электрохимической обработки, основанный на осаждении слоя используемого металла из раствора на поверхности изделия. Малогабаритные установки химического никелирования УХН-20 или -100, производимые ЗАО АКБ «Экспресс-Волга» (г. Саратов), или Установка химического никелирования ГУ002М, производимая ООО «РПТИ» (г. Рязань), позволяют получать покрытия толщиной от 3 до 18 мкм. Производительность таких устройств составляет 0,2 - 6 м2/час, а твердость получаемого покрытия достигает 950 кг/мм2.

Нанесение цинковых или алюминиевых покрытий можно проводить способом электродуговой металлизации , например, с использованием установки «УЭМ» компании «Пневмотехника». В данную установку по специальным каналам непрерывно подаются две проволоки (диаметром 1,5—3,2 мм), между концами которых возбуждается электрическая дуга, в результате чего происходит плавление металлов. Расплавленный металл распыляется в виде жидких капель на поверхность напыляемой детали с помощью сжатого воздуха. Установка позволяет наносить различные металлические покрытия (в том числе, состоящие из двух металлов) по ГОСТу 9-304-81 с мощностью распыления от 9 до 30 кг/ч в зависимости от используемого материала. Толщина напыляемого слоя достигает 0,5 - 15 мкм, прочность сцепления - 3,0 - 5,0 кг/мм2, а пористость покрытия составляет 5 - 20%. Срок службы получаемых изделий увеличивается до 50-ти лет, что значительно сокращает затраты на эксплуатацию и ремонт различных металлоконструкций.

Методы газопламенного и плазменного напыления защитного слоя на стальную поверхность имеют схожие принципы со способом электродуговой металлизации. В их основе лежит распыление расплавленных металлов сжатым воздухом. При этом плавление материалов достигается в случае газопламенного метода в пламени газовой горелки (рабочие газы ацетилен, пропан или водород), а в случае плазменного метода - в потоке дуговой плазмы (рабочие газы аргон или азот). Процессы напыления хорошо поддаются автоматизации. Оборудование доступно как зарубежных, так и отечественных производителей, например, ООО «Нейтрино», ООО «Термал-Спрей-Тек», ООО ЦЗК «ЭГО» и др., характеристики получаемых покрытий, а также характеристики оборудования, в целом, схожи.

Таблица. Характеристики антикоррозийных покрытий , полученных различными методами, и оборудования.

Метод	Электродуговой	Газопламенный	Плазменный
Характеристики покрытия
Пористость, %	5 - 20	05 - 12	4 - 8
Прочность сцепления с основой (адгезия), кг/мм2	3,0 - 5,	2,5 - 5,0	5,0 - 8,0
Толщина слоя, мм	0,5 - 15	0,5 - 10	0,05 - 5
Характеристики оборудования
Потребляемая мощность, кВт	16 - 20	0,3	40 - 50
Расход газов, л/мин	воздуха: 2000 - 2500	ацетилена: 10 - 30, кислорода: 13 - 40	аргона: 30 - 70, азота: 5 - 10
Производительность, кг/ч	12 - 45	3 - 10	2 - 5

ЗАО НПП «Высокодисперсные Металлические Порошки» (г. Екатеринбург) предлагает метод «холодного» цинкования стальных изделий . В основе данного метода лежит использование лакокрасочных композиций, содержащих высокодисперсный порошок цинка в качестве пигмента. Компания предлагает широкий выбор покрытий (Цинотан, Цинол, Цвэс, ЦИНЭП, ЦИНОТЕРМ и др.), имеющих различную основу: полиуретановую, полимерную, кремнийорганическую, эпоксидную и др. Кроме цинкнаполненных материалов компания производит композиции на основе алюминиевой пудры: АЛПОЛ , АЛЮМОТАН , АЛЮМОТЕРМ , ПАЭС и на основе железной слюдки: ФЕРРОТАН , ИЗОЛЭПК.

Композиции наносятся на поверхность стальных изделий традиционными лакокрасочными способами в интервале температур от -15 до +400С, время высыхания одного слоя при 200С составляет не более 30 минут. Образующиеся покрытия с высоким содержанием цинка дают не только эффективную катодную защиту стали, но и барьерную, характерную для обычных лакокрасочных покрытий. При окислении металлического порошка, согласно заявлениям специалистов компании, в микропорах защитного покрытия образуются нерастворимые продукты коррозии цинка, препятствующие доступу коррозионно-активных агентов к стали, в результате чего скорость окисления цинка в цинкнаполненных покрытиях ниже по сравнению с горячеоцинкованными покрытиями, а срок их службы соответственно более длительный. Прогнозируемый срок службы таких систем защиты в зависимости от условий эксплуатации составляет от 8 до 20 лет и более.

Несомненно, традиционный способ защиты стальных изделий от коррозии - нанесение обычных лакокрасочных покрытий (краски, пасты, грунт и т.п.) продолжает пользоваться популярностью.

На сегодняшний день все больше потребителей стальных изделий обращаются в компании, специализирующиеся на защите металлических конструкций от коррозии. Такая практика, во-первых, позволяет осуществлять действительно качественную обработку металла с привлечением высококвалифицированных специалистов и высокотехнологического оборудования. Во-вторых, автоматизация процессов очистки поверхности изделия и нанесения на нее защитного слоя значительно увеличивает производительность труда и приводит к снижению финансовых затрат. Лидирующей компанией в области антикоррозийной обработки металлических изделий на российском рынке можно назвать ОАО «Инпром».

Каждый из описанных методов находит свое применение в той или иной области, а совокупное применение нескольких методов защиты позволяет достичь максимальной защиты стальных изделий от коррозии.