Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
7.6.ЗАЩИТА МЕТАЛЛА ОТ КОРРОЗИИ
Существующие способы противокоррозионной защиты направлены на снижение скорости коррозии. Этого можно достигнуть за счет:
- подбора соответствующих коррозионных сплавов;
- изменения состава коррозионной среды;
- применения защитных покрытий;
- изоляции металла от агрессивной среды слоем более стойкого материала;
- электрохимических методов защиты.
Первая группа методов связана с легированием и созданием сплавов с определенными коррозионными и эксплуатационными характеристиками. Ко второй группе относится обработка среды для уменьшения ее агрессивности ингибиторами. Ингибитор — это химическое вещество, введение которого в среду в небольших концентрациях приводит к значительному уменьшению скорости коррозии.
Ингибиторы подразделяются:
- по механизму своего воздействия — на катодные, анодные и смешанные;
- по химической природе — на неорганические, органические и летучие;
- по сфере влияния — в кислой, щелочной и нейтральной среде.
Действие ингибиторов обусловлено изменением состояния поверхности металла вследствие адсорбции ингибитора или образования с катионами металла труднорастворимых соединений. Защитные слои, создаваемые ингибиторами, всегда тоньше наносимых покрытий.
В качестве таких веществ применяют, например, неорганические вещества с окислительными свойствами — пассиваторы (хроматы, нитриты, молибдаты); консистентные смазки, содержащие органические добавки (продукты окисления нефти, соли сульфированных масел и др.); летучие ингибиторы — вещества с невысоким, но достаточным для замедления коррозии давлением паров (нитрит дициклогексиламмония, карбонат этаноламина и др.).
Нитрит дициклогексиламмония — один из наиболее эффективных летучих ингибиторов. Это кристаллическое вещество белого цвета, почти без запаха и сравнительно нетоксичное. Давление паров при температуре 21 °С составляет примерно одну десятую давления паров ртути. Одним граммом можно насытить ~550 м3 воздуха и сделать его малоагрессивным по отношению к стали. Это вещество медленно разлагается и эффективно предотвращает коррозию стали при комнатной температуре в течение нескольких лет.
Универсальным и давно используемым способом защиты является нанесение изолирующего покрытия на поверхность металла. К поверхностным тонкослойным покрытиям относятся неорганические защитные пленки, гальванопокрытия и лакокрасочные покрытия.
Выбор того или иного покрытия зависит от сроков эксплуатации изделия и скорости коррозии. Так, применение лакокрасочных покрытий экономически выгодно при долговечности не более 10 лет и скорости коррозии металла до 0,05 мм/год.
Повышение долговечности при скорости коррозии металла 0,5–1,0 мм/год может быть достигнуто при использовании комбинированных металлизационных лакокрасочных покрытий. Например горячее цинкование плюс лакокрасочное покрытие, ручная металлизация плюс лакокрасочное покрытие. Использование этого вида защиты позволяет увеличить ее продолжительность защиты до 30 и более лет.
При химической и электрохимической обработке можно создать на поверхности фосфатные или оксидные покрытия, обладающие высокой адсорбирующей способностью, электроизоляционными свойствами, повышенной твердостью и износостойкостью. При дополнительной обработке пассивирующими растворами, смазочными или лакокрасочными материалами значительно повышается коррозионная стойкость металлов и сплавов.
Фосфатирование применяют для черных и цветных металлов, и оно состоит в образовании малорасворимых фосфатов железа, марганца или цинка. Фосфатные пленки обладают хорошей адгезией, имеют высокоразвитую шероховатую поверхность. Они являются хорошим грунтом для нанесения лакокрасочных покрытий и пропитывающих смазок. Фосфатирование используют для изделий, которые эксплуатируют в морской воде, в тропических районах. Недостатком фосфатных пленок является низкая прочность и эластичность. Они имеют короткий срок эксплуатации.
Оксидирование — это процесс образования оксидных пленок на поверхности металлических изделий.
Современный метод оксидирования — химическая и электрохимическая обработка деталей в щелочных растворах.
Электрохимическое оксидирование ведут в растворе 4 %-ного едкого натра при температуре 65–120 °С и анодной плотности тока от 2,5 до 10 А/дм2. Продолжительность анодной обработки не превышает 60 мин. Оксидирование черных металлов носит название воронения.
Оксидная пленка на малоуглеродистой стали имеет глубокий черный цвет, а на высокоуглеродистых сталях — черный с сероватым оттенком. Для повышения антикоррозионных свойств оксидированное изделие погружают на 2–3 мин в горячий 2–3 %-ный раствор мыла, а затем на 5–10 мин в минеральное трансформаторное или машинное масло при температуре 105–120 °С. После этой операции поверхность покрытия становится блестящей, с равномерной черной окраской. Толщина оксидных пленок составляет 0,8–1,5 мкм.
Противокоррозионные свойства поверхностной пленки оксидов невысоки, поэтому область применения этого метода ограничена. Основное назначение его — декоративная отделка. Почти все стрелковое оружие и ряд точных приборов приобретают за счет этого красивый черный цвет. Воронение используют и в том случае, когда необходимо сохранить исходные размеры изделия, так как оксидная пленка составляет всего 1,0–1,5 микрона.
Для защиты от коррозии используют метод пассивирования — обработки металла в растворах хроматов для нитритов. Например, стальные детали, обработанные в 60–90 %-ном растворе нитрита натрия, не ржавеют в течение двух лет.
Анодирование — это процесс образования оксидных пленок на поверхности алюминия. Процесс искусственного образования толстых оксидных пленок может быть проведен химическим и электрохимическим способами.
Пленки, образующиеся при анодной обработке алюминия, обладают достаточной толщиной и рядом ценных свойств. Они защищают металл от коррозии и являются хорошим подслоем под лакокрасочные покрытия. Анодные пленки на алюминии обладают большим сопротивлением к истиранию, имеют высокое омическое сопротивление и хорошо окрашиваются, что позволяет придать изделиям из анодированного алюминия красивый вид.
Гальванические покрытия имеют преимущества по сравнению с другими методами защиты, поскольку они позволяют регулировать толщину слоя, экономно расходовать цветные металлы, наносить покрытия из металлов с высокой температурой плавления (Cr, Ni, Cu, Ag, Pt).
Защитные покрытия бывают анодными и катодными. По отношению к стали цинковое покрытие является анодным, а медное — катодным. Поэтому в начале начинает разрушаться цинк. При этом он защищает от разрушения железо или сталь тем дольше, чем больше толщина покрытия, т.е. является протектором (рис. 113,а). Медь — это катодное покрытие по отношению к железу, так как имеет потенциал более положительный. Поэтому разрушению будет подвергаться железо, и тем в большей степени, чем выше пористость медного покрытия (рис. 113,б).
Для защиты деталей машин, трубопроводов, стальных листов применяют цинковые покрытия. Поскольку цинк является доступным и дешевым металлом, с его помощью защищают от коррозии около 20 % всех стальных деталей и примерно 50 % производимого в мире цинка расходуется на гальванические покрытия.
Рис. 113. Схема действия анодных (а) и катодных (б) по отношению к основному металлу металлических покрытий
Кроме цинка для таких покрытий используют кадмий, олово, свинец, никель, хром.
Никель обладает стойкостью на воздухе, в растворах щелочей и некоторых кислотах. Никель в паре с железом является катодом, так как имеет более электроположительный потенциал, чем железо. Никель может защищать сталь только механическим путем, следовательно, покрытие не должно иметь пор, но должно иметь большую толщину — 20–25 мкм. Существует несколько разновидностей никелевых покрытий.
Никелирование матовое — нанесение на поверхность металлических деталей матового слоя никеля.
Блестящее никелирование используют для защитно-декоративной отделки поверхности. При этом отпадает необходимость полирования покрытия. Блестящий никель можно наносить на детали со сложным профилем, он обладает способностью сглаживать неровности. Для получения блестящих покрытий в состав раствора электролита вводят специальные добавки — блескообразователи.
Никелирование черное — электролитическое нанесение на поверхность металлических изделий слоя никеля черного цвета. Такое покрытие используют как с защитно-декоративной целью, так и для уменьшения коэффициента отражения света. Оно нашло применение в оптической промышленности и в некоторых отраслях машиностроения.
Для защиты аппаратов от газовой коррозии на их поверхность наносят жаропрочные или жаростойкие металлические покрытия с помощью следующих методов: диффузионного, распыления металла, горячего — погружения изделия в расплавленный металл и механотермического (плакирования).
Одним из самых распространенных и надежных способов защиты являются лакокрасочные покрытия. Они дешевы и доступны, имеют простую технологию нанесения на поверхность, легко восстанавливаются в случае повреждения, отличаются разнообразием внешнего вида и цвета.
Защитные действия лакокрасочного покрытия заключаются в создании на поверхности металлического изделия сплошной пленки, которая препятствует агрессивному воздействию окружающей среды и предохраняет металл от разрушения.
Компонентами лакокрасочных материалов служат пленкообразующие вещества, растворители, пластификаторы, пигменты, наполнители, катализаторы (сиккативы).
Лаки — это коллоидные растворы высыхающих масел или смол в органических растворителях. Защитное твердое покрытие образуется вследствие испарения растворителя или полимеризации масла (смолы) при нагревании или под действием катализатора.
Краски представляют собой суспензию минеральных пигментов в пленкообразователе.
Эмали — это раствор лака, в который введены измельченные пигменты.
Пленкообразователи — это природные масла, естественные или искусственные смолы. Масла по своему составу представляют собой сложные эфиры (продукт взаимодействия кислот и спиртов)
Наиболее распространенный масляный пленкообразователь — олифа. Натуральную олифу получают из высыхающих растительных масел, обработанных при теипературе 300 °С с целью частичной полимеризации. На воздухе олифа окисляется и полимеризуется до твердого состояния.
Растворители пленкообразующих веществ придают лакокрасочным покрытиям такую вязкость, при которой они легко наносятся на поверхность. В дальнейшем растворители испаряются. Растворителями могут быть: спирты, ацетон, бензин, скипидар, толуол, ксилол, этилацетат и др.
Пластификаторы (смягчители) — это вещества, повышающие эластичность пленок после высыхания. К ним относятся касторовое масло, каучуки, дибутилфталат, трикрезилфосфат, эфиры адипиновой кислоты.
Количество пластификаторов, вводимых в смесь, составляет 20–75 % массы пленкообразователя.
Сиккативы, или катализаторы, представляют собой магниевые и кобальтовые соли жирных органических кислот. Их вводят в состав композиций для ускорения высыхания масляных пленок.
Успешная противокоррозионная защита лакокрасочными материалами в значительной степени зависит от соблюдения технологии получения покрытий. Основные факторы, влияющие на срок службы покрытия:
- способ подготовки поверхности;
- методы нанесения и отверждения лакокрасочного покрытия;
- толщина комплексного покрытия.
Повышение требований по экологии способствует созданию новых прогрессивных лакокрасочных материалов: с высоким сухим остатком, водоразбавляемые, порошковые.
Материалы с высоким сухим остатком позволяют сократить на 30 % потребление органических растворителей, снизить примерно на 20–30 % расход лакокрасочных материалов, а также увеличить в 1,5–2 раза срок службы покрытия. В нашей стране эти материалы находятся на стадии промышленного внедрения.
В наибольшей степени соответствуют современным экологическим требованиям водоразбавляемые лакокрасочные материалы.
Порошковые краски — новый вид современных лакокрасочных материалов. Их применение позволяет практически исключить опасность загрязнения окружающей среды, снизить пожаро- и взрывобезопасность при работе. В настоящее время ведутся работы, направленные на усовершенствование и удешевление этого вида покрытий.
Новым классом современных лакокрасочных материалов являются модификаторы ржавчины.
За основу электрохимических методов борьбы с коррозией принят принцип непосредственного воздействия на скорость протекания анодных и катодных реакций. Сущность метода состоит в уменьшении скорости электрохимической коррозии металла при поляризации электрода от источника постоянного тока или при контакте с добавочным электродом, являющимся анодом по отношению к корродирующей системе.
Различают катодную и анодную электрохимическую защиту.
Катодную защиту применяют в том случае, когда металл не склонен к пассивации, как правило для подземных сооружений (трубопроводы и кабели различных назначений, фундаменты, буровые оборудования), корпусов судов, морских буровых платформ, резервуаров химической промышленности и др. Часто катодную защиту применяют одновременно с нанесением защитных покрытий. Уменьшение скорости саморастворения металла при его внешней поляризации называют защитным эффектом.
Разновидностью катодной защиты является протекторная защита. В этом случае к защищаемой конструкции присоединяют более электроотрицательный металл — протектор, который, растворяясь в окружающей среде, защищает от разрушения основную конструкцию. После полного растворения протектора или потери контакта с защищаемой конструкцией протектор необходимо заменить.
Протекторную защиту применяют в тех случаях, когда получение энергии извне для организации катодной защиты связано с трудностями, а сооружение специальных электролиний экономически невыгодно.
Цинковые протекторы применяют для защиты оборудования, эксплуатирующегося в морской воде (морских судов, трубопроводов, прибрежных сооружений); алюминиевые — для защиты сооружений, эксплуатирующихся в проточной морской воде, а также для защиты портовых сооружений и конструкций, располагающихся в прибрежном шельфе.
Магниевые протекторы используют в основном для защиты небольших сооружений в слабоэлектропроводных средах, где эффективность действия алюминиевых и цинковых протекторов низка, (грунтах, пресных или слабосоленых водах).
Анодную защиту применяют в электропроводных средах при эксплуатации оборудования, изготовленного из легко пассивирующихся материалов — углеродистых, низколегированных нержавеющих сталей, титана, высоколегированных сплавов на основе железа. Анодная защита перспективна для оборудования, изготовленного из разнородных пассивирующихся материалов, например нержавеющих сталей различного состава, сварных соединений.
Анодная защита пассивирующими ингибиторами-окислителями основана на том, что в процессе их восстановления возникает ток, достаточный для перевода металла в пассивное состояние.
Чтобы использовать анодную защиту, объект должен отвечать следующим требованиям:
- материал аппарата должен пассивироваться в технологической среде;
- конструкция аппарата не должна иметь заклепок, количество щелей и воздушных карманов должно быть минимальным, сварка — качественной;
- катод и электрод сравнения в защищаемом устройстве должны постоянно находиться в растворе.
В химической промышленности для анодной защиты наиболее пригодны аппараты цилиндрической формы, а также теплообменники.
В настоящее время такую защиту применяют для цистерн, сборников, мерников, хранилищ в производстве серной кислоты, минеральных удобрений. Для уменьшения коррозии теплоэнергетического оборудования, работающего в воде при высокой температуре и давлении, используют кислородную защиту.
Ингибиторами называют химические соединения, которые присутствуют в коррозионной системе в достаточной концентрации любого коррозионного реагента.
В химической промышленности широкое применение находят неметаллические материалы. Из них изготавливают как аппараты целиком, так и детали к ним. Кроме того, такие материалы используют как футеровки, обкладки и другие защитные покрытия для изоляции металлического корпуса. Часто такие покрытия бывают многослойными.
По химическому составу неметаллические материалы подразделяются на материалы неорганического и органического происхождения.
К неорганическим материалам относятся горные породы, силикатные материалы, керамика и т. д., к органическим — полимерные материалы, а также материалы на основе каучука, графит и его производные и т.д.