Методы защиты металлов. Неорганические покрытия. Лакокрасочные и полимерные покрытия

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ВолгГТУ)

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по основам коррозии и защите металлов

 

 

 

Тема: « Методы защиты металлов. Неорганические покрытия. Лакокрасочные и полимерные покрытия.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ХМВК-372 Баев Д.П.

 

Проверил:

доцент Духанин Г.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград2015г.

 
Неорганические покрытия.

 

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха с образованием поверхностных оксидных пленок. Однако эти пленки в силу незначительной толщины не обеспечивают надежной защиты от коррозии. Особенно слабы в этом отношении естественные пленки на железе. 
 Между тем в результате определенной химической или электрохимической обработки можно создать на поверхности металла искусственные пленки, которые обладали бы значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем основной металл, и защищали бы его от разрушения. 
 Существуют различные методы получения таких неметаллических пленок, отличающихся химическим составом. Наиболее распространены оксидные и фосфатные пленки, хотя по защитным свойствам они уступают металлическим покрытиям. Процесс изготовления оксидных покрытий на металле получил название оксидирования, а фосфатных — фосфатирования. 

Оксидирование.

Основное назначение этого процесса — защита черных и цветных металлов от атмосферной коррозии. Современный метод оксидирования — химическая и электрохимическая обработка деталей в щелочных растворах. Электрохимическое оксидирование ведут в растворе 4% едкого натра при 65—120°С и анодной плотности тока от 2,5 до 10 А/дм2. Продолжительность анодной обработки не превышает 60 минут. 
 Качественное покрытие состоит из магнитной окиси железа, получающейся в результате последовательных превращений:

 
Fe → Na2Fe02→ Na2Fe204→ Fe3O4. 

 
 Оксидирование черных металлов носит также название «воронения». Его осуществляют в растворе состава, г/л: NaOH — 600-700; NaNO2— 200-250; NaNO3— 50-100. Температура — 135-145 °С, время 30-90 мин. В процессе происходит растворение железа с образованием соединений Na2FeO2 и Na2Fe204, из которых образуется поверхностная пленка оксида железа: 

 
Na2Fe02+ Na2Fe204+ 2H2O = Fe3O4+ 4NaOH. 

 
 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% 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. Возможно оксидирование и магниевых сплавов — в хромово-кислых электролитах с последующим нанесением лакокрасочных покрытий. 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 подвергают воронению, в результате чего изделия приобретают 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. 
 
Анодирование.

Особенно широко применяется оксидирование алюминия и его сплавов. Это наиболее простой и надежный метод защиты их от коррозионного разрушения. Процесс образования оксидных пленок на поверхности алюминия называют анодированием. 
 В обычных условиях на поверхности алюминия присутствует тонкая пленка оксидов Al2O3 или Al2O3 nН2О, которая не может защитить его от коррозии. Под воздействием окружающей среды алюминий покрывается слоем рыхлых белых продуктов коррозии. 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. Для анодного окисления используют два типа электролитов. 
 В растворах слабых кислот (борная, винная, лимонная) и их солей оксидная пленка не растворяется. В этом случае получают без пористые, плотные, не проводящие электрический ток покрытия толщиной до 1 мкм. Такие пленки используют в качестве электроизоляционных покрытий в производстве конденсаторов. 
 Электролиты второго типа содержат растворы серной, хромовой и щавелевой кислот, в которых происходит частичное растворение оксидной пленки алюминия. В этих электролитах получают пористые пленки толщиной от 1 до 50 мкм. 
 На практике анодирование алюминия и его сплавов проводят в растворах серной кислоты концентрацией 180-200 г/л, хромового ангидрида (3 %) и щавелевой кислоты (3-10%) с плотностью тока 80-200 А/м2, при напряжении до 24В в течение 15-60 мин. Катоды выполняются из свинца или стали марки 12Х18Н9Т. 
 Для повышения защитных свойств изделие после оксидирования обрабатывают паром или горячей водой и далее в горячих растворах хроматов и бихроматов. При обработке паром в порах пленки образуется гидроксид алюминия, а в хромовых растворах - более стойкие соединения типа (АlО)2СrO4. 
 Оксид образуется на поверхности алюминия в результате анодного окисления:

 
2А1 + ЗН2О = А12О3+ 6Н++ 6е. 

 
 Он состоит из двух слоев: плотного барьерного слоя толщиной 0,01-0,1 мкм, расположенного непосредственно на поверхности металла, и внешнего пористого слоя толщиной до 200-400 мкм. 
 Химическое оксидирование алюминия и его сплавов осуществляют в щелочных хромистых растворах состава, г/л: Na2CrO4— 15; NaOH — 2,5 и Na2CO3— 50 при температуре 90-95 °С в течение 5-10 мин. Образуются пленки толщиной 3-4 мкм с невысокими механическими и диэлектрическими свойствами. Процесс простой, быстрый и не требует специального оборудования. 
 
Фосфатирование.

Технология процесса фосфатирования проста. Фосфатирование применяют для черных и цветных металлов, и оно состоит в обработке металлических деталей (например стальных) в горячем растворе фосфорнокислых солей некоторых металлов, главным образом марганца, железа, цинка. При этом на поверхности изделия образуется пористая пленка, состоящая из трудно-растворимых фосфатов этих металлов. Благодаря большой пористости пленка хорошо удерживает масло, краску и служит отличным грунтом под лакокрасочное покрытие. Сама фосфатная пленка не обладает высокими антикоррозионными свойствами и используется в качестве защитной в сочетании с лакокрасочными покрытиями или после пропитки ее маслом. В этом случае она надежно защищает сталь от коррозии. Иногда применяют обработку фосфатированного изделия в 7—9% растворе бихромата натрия, который заполняет поры и пассивирует нефосфатированные участки поверхности металла. 
 Обычно фосфатирование проводят при температуре 96—98° С погружением стальных изделий в раствор, содержащий 20—35 г/л препарата «Мажеф». В его состав входят фосфаты марганца и железа —Мn(Н2РО4)2, МпНРO4, Fe(H2PO4)2. Используют также раствор на основе дигидрофосфата цинка Zn(H2P04)2. Продолжительность фосфатирования 0,5—2 ч. 
 Основан метод на свойствах солей фосфорной кислоты. Фосфорная кислота — Н3РО4— может образовывать три вида солей: 
 
1) однозамещенные - дигидрофосфаты Ме(Н2РО4)2; 
 
2) двухзамещенные- гидрофосфаты МеНРО4;  
 
3) трехзамещенные - фосфаты Ме3(РО4)2 (где Me — двухвалентный металл). 
 
 В воде растворяются только фосфаты аммония и щелочных металлов. Двух- и трехзамещенные фосфаты железа, марганца и цинка малорастворимы. Следовательно, если создать условия для их образования, то они будут оставаться на поверхности металла. 
 При взаимодействии металла с фосфорной кислотой первоначально образуются дигидрофосфаты: 

Me + 2Н3РО4= Ме(Н2РО)2+ Н2. 

 
 При снижении концентрации фосфорной кислоты получают вторичные и третичные соли:

 
Ме(Н2РО4)2Û МеНРО4+ Н3РО4;

3Ме(Н2РО4)2Û Ме3(РО4)2+ 4Н3РО4. 

 
 В образовании фосфатной пленки участвуют продукты взаимодействия фосфорной кислоты с металлом и вещества, входящие в состав раствора для фосфатирования. Предполагается, что образованию фосфатной пленки предшествуют реакции ионизации железа на анодных участках:

Fc Û Fe2++ 2е 

и выделение водорода на катодных участках 

2Н++ 2е Û Н2↑.

 
 Железо, переходящее в раствор, связывает фосфорную кислоту, и равновесие реакций смещается вправо. Выпадающие в осадок ди- и трифосфаты кристаллизуются на поверхности стального изделия, образуя плотную кристаллическую пленку. 
 Фосфатирование заканчивается после того, как вся поверхность покроется сплошной пленкой и выделение водорода прекратится. Фосфатирование используют для изделий, которые эксплуатируют в морской воде, в тропических районах. Недостатком фосфатных пленок являются низкая прочность и эластичность. Они имеют короткий срок эксплуатации. 

Пассивирование 
 Для защиты от коррозии применяют метод пассивирования — обработка металла в растворах хроматов или нитратов. Для пассивирования оцинкованных изделий применяют раствор: 8-10 мл/л H2SO4 и Na2Cr207·2H20 — 200 г/л. Время обработки 5-30 с. От времени обработки зависит окраска пленки. При выдержке 5 с цвет пленки радужный с зеленоватым оттенком, а масса пленки составляет 0,9-1,2 г/м2. При дальнейшем увеличении времени цвет меняется от желтого до коричневого. Для пассивирования алюминия используют раствор бихромата калия (200 г/л) и 2 мл/л НF. 
 Пассивация меди в хроматных растворах дает особенно хорошие результаты при защите изделий, соприкасающихся с парами SO2 и растворами нейтральных солей. Стальные детали можно обрабатывать в 60-90% растворе нитрита натрия. В результате они не ржавеют в течение двух лет. 
Эмали 
 Эмаль представляет собой стекловидную массу, получаемую сплавлением шихты (песок, мел, глина, полевой пшат и др.) и плавней (бура, сода, поташ, фтористые соли и др.). Кроме стеклообразующих веществ, в шихту вводят оксиды хрома, титана, цинка, повышающие жаростойкость, сцепляемость с металлом и придающие эмали нужную окраску. 
 Высокая химическая стойкость эмалей обусловлена присутствием буры и кремнезема; термостойкость обеспечивается близостью температурных коэффициентов линейного расширения покрытия и металла. Наиболее жаростойкие эмали (так называемые керамические) выдерживают температуру 1100ºС, а в отдельных случаях до 1400 ºС. 
 Эмалевые покрытия стойки к минеральным и органическим кислотам, солям, газовым средам, но разрушаются горячими растворами концентрированных щелочей, плавиковой кислоты и рядом фтористых соединений. 
 Эмалевую суспензию наносят на очищенную поверхность изделия погружением в расплав или пульверизацией из специального пистолета, после чего обжигают до спекания в пламенной или муфельной печи при температуре 880— 1050ºС. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Органические покрытия.

 
Лакокрасочные покрытия.

Защита металлов лакокрасочными покрытиями — наиболее старый и один из самых распространенных способов защиты от коррозии. 
Основными достоинствами лакокрасочных покрытий являются: 

• сравнительная дешевизна;

 

• относительная простота нанесения;

 

• легкость восстановления разрушенного покрытия;

 

• сочетаемость с другими способами защиты, например протекторной защитой, фосфатными и оксидными покрытиями;

 

• возможность получения покрытий любого цвета, обладающих наряду с защитными свойствами красивым внешним видом.

 
 При соответствующем подборе материалов и способа нанесения эти покрытия обеспечивают достаточно надежную защиту металлических конструкций от коррозии в атмосфере и ряде коррозионных сред (окраска речных и морских судов, водонапорных баков и др.). 
 К недостаткам лакокрасочных покрытий следует отнести малую термостойкость (предельная температура наиболее термостойких красок 150 - 200ºС), сравнительно невысокую механическую прочность, недостаточную стойкость в водной среде. 
 Ежегодно более 80 % металлоизделий, используемых в народном хозяйстве, подвергают окрашиванию. В 1999 г. производство лакокрасочных материалов достигло 26,7 млн т. Это свидетельствует об огромных масштабах средств, вовлеченных в сферу производства этого вида противокоррозионной защиты. 
 Эффективность применения лакокрасочных покрытий целесообразна при условии долговечности эксплуатации не более 10 лет и скорости коррозии металла до 0,05 мм/год. Если требуется повышение долговечности или скорость коррозии металла составляет 0,5-1,0 мм/год, то следует применять комбинированные покрытия. Например, цинковые плюс лакокрасочное покрытие. Такое покрытие позволяет увеличить срок защиты до 30 лет. 
 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 или смолы при нагревании или под действием катализатора. 
 Краски - представляют собой суспензию минеральных пигментов в пленкообразователе.