Металлы и сплавы на их основе подвержены коррозии. Интенсивность разрушений зависит от конкретного материала, условий хранения и эксплуатации. В любом случае коррозия сокращает рабочий ресурс конструкций и изделий, ухудшает их технические характеристики. Проблема решается с помощью антикоррозийной защиты.
Зачем это нужно?
Коррозия негативно влияет на целостность поверхности и структуры железных, чугунных и стальных изделий (за исключением нержавеющей стали). Ржавчина разъедает металл, который после этого нельзя использовать по назначению.
Результаты исследований свидетельствуют, что примерно десятая часть всего добываемого на планете металла разрушается коррозией, из-за чего он утрачивает изначальные свойства. Появление первых пятен ржавчины сразу приводит к снижению прочности и герметичности, пластичности и теплопроводности, а также других важных свойств. Однако современные средства антикоррозийной защиты, о которых пойдет речь далее, позволяют предотвратить неблагоприятное развитие событий.
Разновидности коррозии
Перед тем как начинать комплекс антикоррозийных мероприятий, необходимо разобраться, как и от чего появляется ржавчина. Различают три вида коррозии:
- атмосферная. Металл окисляется по причине контакта с кислородом и водяными парами, содержащимися в воздухе. Процесс ускоряется, если в атмосфере имеются химически активные вещества;
- жидкостная. Ржавчина образуется на металлических поверхностях, находящихся в воде. Если она является морской, то процессы разрушения протекают намного быстрее, поскольку содержащиеся в воде соли сами по себе химически агрессивны;
- почвенная. Такому разрушению подвержены предметы и конструкции, погруженные в грунт. Коррозия происходит под воздействием не только воды, но и химических элементов, находящихся в почве и других слоях земли.
Коррозийное разрушение проявляется и протекает по-разному, в зависимости от структуры металла и окружающих условий. Распространенные варианты:
- появление сплошного слоя ржавчины или ее формирование отдельными очагами (пятнами);
- проникновение коррозии внутрь металла;
- образование характерных трещин;
- окисление одного из элементов, входящих в состав сплава;
- глубинное проникновение по всей структуре;
- комбинированное распространение коррозии, при котором сочетается два и более вариантов.
Появление ржавчины может иметь химическую или электрохимическую природу. В первом случае коррозия возникает в результате взаимодействия металла с агрессивными веществами. Во втором — разрушение начинается под воздействием электрического тока, из-за чего происходит замещение электронов и изменение кристаллической решетки.
Как защитить металл от коррозии?
Есть разные методы антикоррозийной защиты, основными из которых являются:
- легирование металла;
- обработка защитными средствами;
- электрохимические методы;
- корректировка свойств коррозионной среды;
- рациональная конструкция металлоизделий.
Далее подробнее рассмотрим некоторые из них.
Легирование металла
Методика относится к числу наиболее эффективных. На основе черного металла создается сплав, содержащий легирующие добавки в виде молибдена, никеля, хрома и других элементов. Результатом является пассивация металла за счет замедления анодного процесса, что придает устойчивость к коррозии. На поверхности появляется оксидная пленка совершенной структуры. Она защищает от коррозии при условии максимального сходства кристаллической решетки металла и появившегося оксида.
Легирование широко используется для предотвращения разрушения закладных деталей. Технология применяется в отношении железа, цинка, магния, меди, алюминия, а также сплавов на основе этих металлов. Помимо устойчивости к коррозии, они становятся:
- жаростойкими — металл неуязвим даже к газовой коррозии, вероятность которой повышается при высоких температурах;
- жаропрочными — конструкционный материал сохраняет прочность даже при сильном нагреве. Так, сталь часто легируют кремнием, алюминием и хромом, которые первыми окисляются при повышении температуры и за счет этого формируют плотную оксидную пленку, выполняющую защитные функции.
Также легирование замедляет электрохимическую коррозию, особенно если в ходе этого процесса выделяется водород. Одним из самых известных сплавов, устойчивых к коррозии, является нержавеющая сталь.
Нанесение защитных покрытий
Сущность метода заключается в создании дополнительных слоев на металле. Это один из распространенных приемов антикоррозийной защиты, который также придает поверхности особые физико-химические свойства (электрическая проводимость, износостойкость и пр.). Независимо от состава нанесенного покрытия (они бывают металлическими и неметаллическими), оно должно обладать хорошими адгезионными свойствами и стойкостью к воздействию агрессивных сред.
Металлические покрытия отличаются от других методов антикоррозийной защиты тем, что они закрывают поверхность от разрушительных химических реакций только при сохранении своей целостности. Фактически это аналогично тому, как действует оксидная пленка, окрашивание и другие подобные методы.
При повреждении такого слоя (например, если в нем появляются поры или царапины) возникает гальванический элемент. Важно учитывать, что на природу коррозии влияют электрохимические параметры каждого металла. Антикоррозийная защита бывает анодной и катодной. В первом случае у покрытия более отрицательный потенциал по сравнению с защищаемым металлом. При использовании катодной технологии ситуация противоположная.
При повреждении никелевого покрытия происходит окисление железа на анодных участках по причине появления микрокоррозионных гальванических элементов. Следовательно, такая защита эффективна лишь при отсутствии повреждений.
Если повреждено цинковое покрытие, продолжится дальнейшее разрушение антикоррозийного слоя, но при этом железо не пострадает. На анодных фрагментах окисляется цинк, на катодных восстанавливается водород.
В зависимости от компонентов и их процентного содержания в растворах меняются электронные потенциалы металлов. Соответственно, корректировка состава позволяет изменить характер антикоррозийной защиты.
Есть разные способы нанесения металлического покрытия, в числе которых:
- электрохимическая технология (гальваническая защита);
- лужение, горячее цинкование (изделие погружается в расплавленный металл);
- нанесение расплавленного металла мощной струей сжатого воздуха;
- химический метод (используются восстановители — например, гидразин).
В качестве покрытия могут использоваться металлы в чистом виде (никель, серебро, цинк, хром, кадмий, медь, алюминий и пр.), а также сплавы на их основе (латунь, бронза).
Что касается неметаллической защиты от коррозии, то она бывает неорганической и органической. Принцип заключается в изоляции поверхности от внешней среды. Неорганическая защита — это пленки из оксидов металлов, некоторые эмали, соединения фосфора, хрома и пр. К органическим покрытиям относятся полимерные пленки, лакокрасочные материалы, резина, пластмасса.
Неорганические эмали — это силикаты, сделанные на основе соединений кремния. Такие покрытия уязвимы к механическим и тепловым ударам, а также являются хрупкими.
Чаще используются лакокрасочные материалы. Они эффективны, если создаваемое покрытие является сплошным, водо- и газонепроницаемым, эластичным, устойчивым к воздействию химически агрессивных сред. Кроме этого, лакокрасочный материал должен быть твердым, прочным и обладать хорошими адгезионными свойствами.
Химическая антикоррозийная защита
Такая технология предусматривает использование множества способов. Один из самых популярных заключается в том, что поверхность обрабатывается составами, которые вступают в химическую реакцию с металлом. В результате создается прочная и долговечная пленка. Это, например, сульфидирование, фосфатирование, оксидирование и др. Последний их них предусматривает формирование оксидной пленки на металлической поверхности.
Также пользуется популярностью химическая и электрохимическая обработка изделий в растворах на основе щелочи.
Железо и его сплавы обычно обрабатываются щелочным оксидированием в растворе, который содержит NaNO2, NaNO3, NaOH. Процесс протекает при температуре от 135 до 140 °С и называется воронением.
Фосфатирование предусматривает создание фосфатной пленки на поверхности черного или цветного металла. Выполняется погружение в раствор фосфорной кислоты, а также ее кислых солей. Процесс протекает при температуре от 96 до 98 °С.
Фосфатная пленка соединена с металлом на химическом уровне. Она представляет собой сросшиеся кристаллы, между которыми имеются ультрамикроскопические поры. Основные преимущества такой антикоррозийной защиты — высокие показатели адгезии и шероховатость поверхности. Поэтому такое покрытие является хорошей основой для различных пропиток и лакокрасочных материалов. Технология востребована в первую очередь для антикоррозийной защиты изделий, эксплуатируемых внутри помещений, а также предметов, которые планируется окрашивать или покрывать лаком. Недостатком фосфатных пленок является хрупкость, низкий уровень эластичности и прочности.
К числу популярных способов относится анодирование. Поверхность металла закрывается от внешних воздействий с помощью оксидной пленки. Технология особенно популярна для защиты изделий и конструкций из алюминия. На его поверхности всегда имеется оксидная пленка — но предотвратить образование ржавчины она не способна, поэтому на металле с течением времени формируется слой продуктов коррозии.
Чтобы искусственно создать оксидную пленку, применяют электрохимический и химический методы. В первом случае конструкция или предмет из алюминия выполняет функцию анода электролизера. При этом в качестве электролита применяется раствор кислоты — борной, хромовой, щавелевой, ортофосфорной или серной. Катодом является металл, химически нейтральный по отношению к электролиту — например, нержавеющая сталь. Оксид алюминия на аноде создается на счет выделения водорода на катоде.
Антикоррозийная защита металлических деталей и конструкций должна проводиться в соответствии требованиями ГОСТ. От этого зависит качество обработки, а также долговечность изделий. Важно подобрать правильную технологию, а также учесть условия эксплуатации металлических предметов и конструкций, их изначальные свойства и характеристики. Это позволит создать надежную, долговечную защиту и продлить срок службы обработанных изделий.