Классификация методов защиты от коррозии воздействием на металл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Коррозия – это физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла
и часто происходит ухудшение функциональных характеристик металла. Объекты воздействия коррозии - металлы, сплавы,
металлопокрытия, металлоконструкции машин, оборудование и сооружения.

Продлить сроки их эксплуатации до их морального износа - основная цель решения многовековой проблемы коррозии металлов. Трудность предотвращения коррозии в том, что разрушение металлов под влиянием факторов среды – естественный, термодинамически выгодный процесс, направленный на сохранение равновесия в природе.

Защита от коррозии представляет комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и ингибирование
коррозионных процессов, сохранение и поддержание работоспособности узлов и агрегатов машин, оборудования
и сооружений в требуемый период эксплуатации. Методы защиты металлоконструкций от коррозии основаны на целенаправленном воздействии, приводящем
к полному или частичному снижению активности факторов, способствующих развитию коррозионных процессов. Методы защиты от коррозии можно условно разделить на методы воздействия на металл и методы воздействия на среду, а также комбинированные методы. Классификация методов защиты от коррозии воздействием на металл представлена на рис. 1.

Рис.1. Классификация методов  защиты от коррозии воздействием на металл.

В данной работе мы рассмотрим некоторые из представленных выше методов защиты.

Назначение покрытий

Роль покрытия, как средства зашиты от коррозии, большей частью сводится к изоляции металла от внешней среды для того, чтобы препятствовать деятельности микроэлементов на поверхности металла. Это достигается сплошностью и беспористостью покрытий [1].

Рис.2. Классификация способов нанесения металлических покрытий

Обработка поверхности

Перед нанесением покрытия, изделия необходимо подвергнуть  обработке поверхности для того, чтобы устранить различные загрязнения. Это делается с целью улучшения  процесса сцепления покрытия с изделием.

Обычно поверхность изделий  содержит различного рода загрязнения: окислы металла, минеральные масла, жиры, шлак, пыль и т. п. На поверхности железных изделий, прошедших термическую обработку; как правило, образуется слой окалины. При наличии указанных загрязнений поверхность изделий может или не воспринять покрытия вовсе, или прочность сцепления покрытия с основным металлом становится неудовлетворительной [2].

 

Горячий способ покрытия металлов

Горячий способ покрытия железа и стали является самым старым и благодаря своей простоте наиболее распространенным в промышленности. Способ широко применяется для покрытия металлами, имеющими сравнительно низкую температуру плавления: цинком (419°), оловом (232°), свинцом (327°).

Железо и некоторые  металлы (Zn, Al, Sn) обладают в расплавленном состоянии свойством взаимно растворяться. Свинец не взаимодействует с железом, поэтому расплавленный металл собирается на поверхности изделия в капли.

Таким образом, основными  условиями, определяющими возможность покрытия горячим способом, являются:

а) способность расплавленного металла смачивать и равномерно покрывать поверхность защищенного изделия;

б) взаимное сплавление основного  металла и покрытия.

Надежное сцепление с  поверхностью изделий любого покрытия, нанесенного горячим способом, возможно лишь в том случае, если поверхность изделий, соприкасающихся с расплавленным металлом, свободна от окислов. Окислы удаляются при помощи флюсов, либо в результате смачивания ими изделия перед погружением в расплавленный металл, либо в результате прохождения изделия через слой флюса, помещенного на поверхности расплавленного металла. Флюсом так же удаляются загрязнения, оставшиеся на поверхности изделия после травления.

Структура покрытия, полученного  на железе при погружении его в  расплавленный металл, характеризуется  наличием ряда слоев, различающихся между собой по составу и физическим свойствам.

К недостаткам способа  относится неравномерность толщины покрытия на поверхности изделия, а также невозможность применения этого способа для покрытия резьбовых изделий или изделий, имеющих узкие отверстия [1].

Цинкование

Цинковое покрытие на железе является электрохимической защитой основного металла от коррозии в атмосфере, воде и в некоторых нейтральных растворах солей. Покрытию цинком подвергаются трубы, резервуары, детали машин, стальные листы, проволока и т. п. В сухом воздухе цинк почти не изменяется. Цинковые покрытия стойки в атмосфере, загрязненной углекислотой, а также стойки против действия ряда органических сред: бензина, масла и т. п. В кислотах и щелочах эти покрытия неустойчивы.

Нанесение цинкового покрытия горячим способом происходит следующим образом. После химической подготовки к покрытию изделия обрабатывают в расплавленном флюсе с целью удаления с поверхности детали влаги, а

также не отмытых солей железа. Затем изделие погружается в расплавленный цинк, причем происходит диффузия цинка в железо и растворение железа в расплавленном цинке. На поверхности покрываемого изделия образуется слой железоцинкового сплава. Увеличение этого слоя может происходить лишь до известного предела, выше которого при малейшем движении изделия наружные слои железоцинкового сплава в виде твердого цинка (гартцинка) спадают с поверхности изделия на дно ванны (рис. 3.).

Рис. 3. Схема структуры цинкового покрытия, полученного горячим способом: 1 — железо; 2 — слой железоцинкового сплава, богатый железом; 3 - слой железоцинкового сплава, богатый цинком; 4 — цинк.

 

При выгрузке изделия из расплавленного цинка поверх образовавшегося на изделии слоя железоцинкового сплава откладывается слой чистого цинка. Его состав аналогичен составу расплава в ванне [1].

 

Покрытие оловом

В обычных атмосферных  условиях и воде олово защищает железо от коррозии лишь в случае отсутствия в покрытии пор и оголенных  участков. По электрохимическим свойствам олово во многих растворах благороднее железа и поэтому является катодным покрытием. В ряде органических сред олово образует комплексные соединения, и установлено, что оловянное покрытие на железе в этом случае является электрохимической защитой.

Железо растворяется в  олове с образованием кристаллов твердого раствора. Оловянное покрытие на железе, полученное горячим способом, имеет структуру, аналогичную структуре цинкового покрытия и состоит из различных по составу слоев, а именно: сплава железо-олово, непосредственно примыкающего к железу, и наружного слоя—олова [1].

Покрытие свинцом  и сплавами свинец-олово

Сравнительно низкая температура  плавления свинца (327°) позволяет  получать свинцовые покрытия горячим  способом. Свинец отличается большой  стойкостью против воздействия серной кислоты и растворов ее солей. Образующаяся в этих средах пленка сернокислого свинца служит защитой  для металла от дальнейшего его разрушения, химически стоек также против воздействия отравляющих веществ. Свинец в ряде напряжений стоит ниже железа и потому свинцовые покрытия электрохимически не защищают железо от коррозии. При значительной толщине (порядка нескольких десятых миллиметра) возможно, получить беспористое покрытие и достигнуть надежной защиты железных изделий от коррозии во многих электролитах.

Свинец не «смачивает»  поверхность как стальных, так  и медных изделий, и обычно покрытие собирается в виде капель. Чтобы получить удовлетворительные покрытия свинцом горячим способом, необходимо на поверхность изделия каким-либо путем предварительно нанести промежуточное покрытие другим металлом, хорошо сплавляющимся как с основным металлом, так и со свинцом. Таким условиям при покрытии железа удовлетворяет олово, сурьма, ртуть и др. металлы. Эти связующие элементы могут или вводиться непосредственно в ванну для свинцевания или быть предварительно осаждены на поверхность изделия любым из возможных способов. Наиболее широко свинцевание применяется в химической промышленности с целью замены свинца освинцованным железом при изготовлении аппаратуры [1].

 

Диффузионное  покрытие металлами

Окисление металлов при нагревании их приносит промышленности большие убытки. Вследствие того, что стойкость обычных железных сплавов против газовой коррозии крайне невелика, изделия, предназначаемые для работы в условиях высоких температур, изготовляют из специальных жаростойких сплавов или, если возможно, наносят специальные покрытия, повышающие устойчивость обычных железных сплавав к газовой коррозии.

Способ диффузионного  покрытия металлами или сплавами заключается в совместном продолжительном  нагревании обрабатываемых изделий, и металла покрытия в порошке при температуре, близкой к температуре плавления порошка. Кроме того, диффузионный способ покрытия возможно осуществить путем нагревания изделий в атмосфере, содержащей пары летучих соединений металлов или пары металлов. В результате нанесения покрытия диффузионным способом на поверхности изделия образуются сплавы железа с покрывающим металлом [2].

Шерардизация

Шерардизацией называется способ нанесения защитного слоя цинка на железные изделия диффузионным путем. Процесс состоит в нагревании металлических изделий с цинковой пылью в течение продолжительного времени при температуре, близкой к температуре плавления цинка (способ предложен Шерардом в Англии в 1900 г.).

При шерардизации образуется покрытие, состоящее из нескольких слоев железоцинкового сплава (рис.4).

Рис. 4. Схема структуры  шерардизированного покрытия:

1-железо, 2-слой железоцинкового  сплава, богатого железом, 3-слой  железоцинкового сплава, богатого  цинком, 4-цинковый слой.

 

Алитирование

Алитированием, или калоризацией, называется процесс образования  в поверхностных слоях изделия  из железа, стали, чугуна или меди диффузионным путем сплава с алюминием. Этот процесс производится для получения на металле жаростойкого слоя.

Алюминий диффундирует в  поверхность железа при высокой  температуре и образует с железом сплав, содержащий интерметаллическое соединение FeAl₃. Толщина диффузионного слоя сплава зависит от температуры нагрева и продолжительности процесса алитирования (рис.5). В настоящее время известны следующие способы алитирования: калоризация, метод Майера, европейский метод, плакирование алюминием.

Рис.5. Зависимость толщины  алитированного слоя от продолжительности и температуры процесса.

 

Термохромироваиие

Процесс поверхностного насыщения  стали хромом путем диффузии его в железо при высоких температурах называется термохромированием. Процесс носит также название «хромизация», «диффузионное хромирование».

Известно, что добавка  хрома к стали способствует повышению ее жаростойкости, твердости, а также сопротивления износу.

Поверхностное насыщение  хромом простой углеродистой стали придает ей эти свойства, так как хром легко образует с железом твердый раствор, что является весьма благоприятным условием процесса термохромирования.

Продолжительность выдержки при 900 °С, час.

Жаростойкость стали, хромированной  диффузионным путем, приведена на диаграмме (рис. 6).

Рис. 6. Жаростойкость хромированной стали

 

Силицироваиие

Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием путем диффузии его в железо при высоких температурах. Силицирование применяется для повышения химической и коррозионной стойкости простой углеродистой стали, чугуна; а также для повышения сопротивления окислению.

Защищенные силицированием изделия из углеродистой стали приобретают свойства, присущие железокремнистым сплавам, а потому силицированию подвергаются в основном стальные кислотопроводы, детали насосов для перекачки кислот, различная арматура аппаратов, применяемых в нефтяной, бумажной, химической промышленности. Известно, что железокремнистые сплавы хрупки, не поддаются механической обработке, и изделия из них могут быть получены лишь литьем. Изготовление изделий из малоуглеродистой стали ковкой, штамповкой и т. п. с последующим силицированием упрощает эту задачу. Силицирование может быть осуществлено в порошкообразных железокремнистых смесях (твердое силицирование) и в газовой среде (газовое силицирование) [2].

 

Металлизация 

Металлизацией называется процесс нанесения металлических покрытий на поверхность изделий путем распыления расплавленного металла. Металлизация применяется для получения покрытий металлами, плавящимися в кислородно-ацетиленовом пламени или электрической дуге. Практически широкое применение в промышленности нашли покрытия цинком, кадмием, свинцом, алюминием, оловом, никелем, медью, бронзой, а также высокоуглеродистой сталью.

Выбор металла покрытия определяется в основном условиями службы изделий: цинк - для предохранения железа и стали от атмосферной коррозии; кадмий - для предохранения металлической поверхности, подверженной действию морской атмосферы; алюминий - в нефтяной промышленности; олово - в молочной, пищевой и винной промышленности; сталь нержавеющая - при производстве насосов в нефтяной промышленности и пр.

Металлизация по сравнению  с другими способами нанесения  металлических покрытий имеет ряд  преимуществ:

1. Возможность покрытия крупных конструкций и изделий в собранном, законченном виде.
2. Возможность покрытия любых материалов (бумаги, дерева,   целлулоида, цемента).
3. Широкие возможности применения покрытия алюминием.
4. Сравнительно невысокая стоимость распыления, а также простота процесса, не требующая особо высокой квалификации работающего.
5. Возможность регулирования количества наносимого на изделия металла.