ТИПЫ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ОТ КОРРОЗИИ

Для защиты металлических конструкций, машин, оборудования и деталей от коррозии применяют различные материалы – металлические, неметаллические, лакокрасочные. Коррозионная стойкость защитных покрытий зависит от многих факторов: воздействие конкретной среды, технология нанесения, размер и форма деталей, толщина и свойства покрытия. Все эти параметры нужно учитывать при конструировании.

В этой статье рассмотрим подробнее все типы защитных покрытий от коррозии.

ВИДЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

При выборе металлических покрытий плюс ко всему нужно учитывать его стоимость, твердость и декоративные свойства. На стоимость влияет технология нанесения. Например, на погружение детали в расплав металла требуется меньше затрат, чем на электроосаждение. А оно, в свою очередь, требует меньше затрат, чем распыление и плакирование.

По стоимости металлические защитные покрытия от коррозии делятся на 3 группы:

• дешевые – цинк, железо, свинец;

• средние – никель, олово, кадмий, алюминий;

• дорогие – серебро, палладий, золото, родий.

Твердость покрытия имеет значение, когда поверхность подвергается износу. Самые твердые хромовые и никелевые. Медные, цинковые и серебряные имеют меньшую твердость. А самые мягкие – оловянные, свинцовые, золотые и индиевые.

Также нужно учитывать цвет, яркость и внешний вид покрытия. Медь, цинк, кадмий, никель, серебро и золото дают хороший блеск. А алюминий, свинец и олово образуют тусклые покрытия. Однако, если использовать технологию валкового плакирования, можно получить зеркальный алюминиевый блеск.

Для деталей, которые работают при высоких температурах, предпочтительно использовать покрытие алюминием, никелем и хромом.

Металлические покрытия наносят на углеродистую сталь.

Их делят на 2 группы: анодные с отрицательным потенциалом – хром, цинк, алюминий, марганец, и катодные с положительным потенциалом – платина, золото, серебро, медь, олово, никель, кадмий. Анодные покрытия разрушаются под воздействием внешней среды, а катодные механически преграждают доступ агрессивной среды к поверхности основного металла.

Рисунок 1 Коррозионное разрушение при использовании катодных (а) и анодных (б) защитных покрытий.

Прежде, чем выбрать метод защиты изделия, конструктор должен учесть свойства металлических покрытий.

Цинковые покрытия.

Цинк наносят на поверхность деталей погружением в горячий расплав, гальваническим методом и путем напыления, вакуумным осаждением и красками, наполненными цинком. Защитные свойства такого покрытия зависят от его толщины и агрессивности среды.

Цинковые покрытия хорошо защищают от коррозии, если металлические детали и конструкции используются в чистой атмосфере. Их стойкость снижают примеси сернистого газа и сероводорода, которые характерны для промышленных центров и животноводческих помещений.

Цинковые покрытия отлично защищают от разрушающего действия бензина и водопроводной воды. Специалисты не рекомендуют выбирать этот тип защиты от коррозии, если изделие будет контактировать с морской водой, органическими и неорганическими кислотами и сильными щелочами. Увеличить стойкость цинкового покрытия можно гальваническим осаждением с добавлением никеля в сплав цинка.

Алюминиевые покрытия.

Наносят на металлические поверхности методом погружения в горячий расплав, металлизации, плакировки и путем вакуумного осаждения. Алюминиевые покрытия хорошо противостоят коррозии в загрязненной промышленной атмосфере. В среднем разрушения происходят через 6 лет. Особенно хорошо этот тип покрытия показал себя в среде, загрязненной соединениями серы.

Алюминиевые покрытия эффективно защищают детали при воздействии высоких температур, в чистой мягкой воде, почве и кислой среде. В щелочных средах и морской воде такой тип покрытия не допускается.

Алюминиевые покрытия часто подвергается щелевой порче. Его не рекомендуют использовать в контакте с медью и ее сплавами, а также в атмосфере, в которой содержатся взрывчатые смеси.

Кадмиевые покрытия.

Наносят на детали из черных и цветных металлов электролитическим методом и осаждением из паров. Такие покрытия защищают от коррозии в условиях эксплуатации в морской воде или растворе хлористых солей. Они устойчивы в кислых и нейтральных средах (исключение – минеральные кислоты). Не растворяются в щелочах. Хорошо защищают от коррозии и коррозионного растрескивания детали из высокопрочных и пружинных сталей. Покрытие из кадмия наносят на болты, гайки и другие детали с резьбой.

Кадмий токсичен, поэтому его нельзя наносить на изделия, которые контактируют с пищевыми продуктами, а также в тех случаях, когда необходима сварка после нанесения покрытия.

Таблица 1. Скорость коррозии кадмиевых и цинковых покрытий

Хромовые покрытия.

В основном применяются для декоративной отделки деталей. Хромированные детали имеют высокую отражательную способность, хорошо противостоят коррозии и не тускнеют.

Покрытия из хрома получают электролитическим методом и методом диффузионного хромирования. Этот вид покрытия используют для деталей машин в сельской и промышленной сфере, в среде сероводорода, в растворах некоторых солей и азотной кислоты. Непригоден для использования в соляной кислоте.

Никелевые покрытия.

Защищают стальные изделия от коррозии только механически при отсутствии в них пор. Такой тип защиты от коррозии применяют для деталей из стали, меди и ее сплавов, для декоративной отделки поверхностей, а также для повышения износостойкости трущихся поверхностей.

Никелевые покрытия широко используют в машиностроении, приборостроении, радиотехнической и автомобильной промышленности, а также для восстановления изношенных деталей машин. При использовании этого вида покрытия нужно учитывать, что со временем оно тускнеет, а также тот факт, что блестящий никель, который содержит серу, быстрее подвергается коррозии, чем матовый и полублестящий.

Никель устойчив к высокой температуре и эффективно защищает металл от коррозии при контакте с пресной и морской водой.

Покрытия из меди и ее сплавов.

Наносят на детали методом осаждения или химического восстановления из растворов. Они надежно защищают металлические поверхности благодаря темной оксидной поверхностной пленке.

Медные покрытия очень чувствительны к аммиаку. Даже его небольшое количество в окружающей среде вызывает интенсивную коррозию.

Сплав меди с цинком используют как декоративное покрытие, а также для улучшения адгезии резины к другим металлам. В основном медь используют в качестве промежуточного слоя для никельхромового покрытия на стали.

Свинцовые покрытия.

Свинец имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере, речной и морской воде, почве и кислотах. Даже при наличии в атмосфере сероводорода, сернистого и углекислого газа свинцовые покрытия не подвергаются разрушению. Но его стойкость уменьшается, если в окружающей среде находятся ионы хлора.

Оловянные покрытия.

Отлично защищают от коррозии в любой среде, кроме кислотной и сильнощелочной. Олово широко применяют для защиты изделий, которые контактируют с пищевыми продуктами, а также для покрытия домашнего и промышленного кухонного оборудования, нагревателей воды.

Если атмосфера, в которой эксплуатируется оборудование загрязнена окисями серы, эффективнее в оловянное покрытие добавлять свинец. Но при условии, что к покрытиям не предъявляются высокие требования по токсичности. Например, это могут быть емкости для хранения топлива.

Покрытия благородными металлами.

К благородным металлам относятся золото, серебро, палладий, родий, осмий, рутений и платина.

Золото устойчиво к разрушению во всех средах, кроме смеси соляной и азотной кислот. К тому же, оно не тускнеет. Золото и серебро, кроме привычного применения в ювелирном искусстве, используют в электротехнической и электронной промышленности.

Родий защищает серебро от потускнения. Также его используют для отделки металлических рефлекторов и электрических контактов.

Из-за высокой стоимости драгоценные металлы ограничены в промышленных производствах.

Таблица 2. Области применения металлических покрытий.

ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

При выборе лакокрасочных материалов нужно учитывать не только условия эксплуатации конкретного изделия в определенных условиях, но и требования технической эстетики к отделке.

Таблица 3. Типы защитных покрытий от коррозии. Лакокрасочные материалы.

Таблица 4. Группы лакокрасочных материалов по назначению.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Алкидные.

Делятся на 2 вида – глифталевые и пентафталевые. Прочные покрытия с хорошей адгезией и декоративным видом.

Глифталевые в основном применяют в качестве грунтовок внутри помещения, а пентафталевые используют для защиты поверхностей, которые эксплуатируются в атмосфере умеренного климата.
Алкидные лакокрасочные материалы наносят кистью, валиками, распылением, наливом и т. д.

Алкидностирольные.

Образуют блестящие пленки и хорошо сцепляются с металлическими поверхностями. Прочные и твердые покрытия. Устойчивы к периодическому воздействию бензина, мыльных водных растворов, щелочи и минеральных масел.

Меламино- и мочевиноалкидные.

Хорошо защищают от коррозии. Эластичные, с отличными декоративными свойствами. С металлами сцепляются не так хорошо, как алкидные, поэтому их наносят на предварительно загрунтованные поверхности. Мочевиноалкидные покрытия менее стойкие, чем меламиноалкидные.

Фенольные.

Водо- и атмосферостойкие, прочные, с хорошей адгезией и механической прочностью. Фенольные эмали эффективно сопротивляются коррозии, устойчивы в тропическом климате. Некоторые из них имеют хорошую стойкость к кислотам, бензину и маслам.

Водоразбавляемые.

Получают на основе водорастворимых синтезированных смол: акриловых, алкидных, эпоксидных, феноло- и меламиноформальдегидных.

Эпоксидные и эпоксиэфирные.

Образуют пленки, которые сохраняют стойкость в воде, щелочах, слабых кислотах, минеральных маслах и различных видах топлива. Такие покрытия имеют хорошую адгезию и обладают электроизоляционными свойствами.

Недостаток этих покрытий – склонность к пожелтению и мелению при солнечном облучении.

Полиуретановые.

Покрытия с высокими декоративными качествами, твердые. Отлично противостоят абразивам, пресной и морской воде, минеральным кислотам, бензину, керосину, атмосфере, загрязнениям промышленными газами и пылью и атмосферным осадкам.

Недостаток – токсичны и разрушаются под действием света.

Кремнийорганические.

Образуют покрытия, устойчивые к низким и высоким температурам. Они имеют хорошие электроизоляционные свойства во влажной среде. Покрытиям не страшны минеральные масла, бензин, вода, растворы солей, слабые кислоты и щелочи. Однако, сцепление с металлом у них не такое сильное, как у алкидных и эпоксидных покрытий.

Перхлорвиниловые.

Обладают высокой атмосферостойкостью и хорошими защитными свойствами. Недостатки – чувствительны к свету, не выдерживают температуру выше 100 0С, а также слабо сцепляются с не загрунтованными металлическими поверхностями.

Материалы на основе сополимеров винилхлорида. Обладают хорошей эластичностью и высоко прочностью. К недостаткам относится низкая атмосферо- и светостойкость. Прежде, чем наносить этот тип защитных покрытий от коррозии, поверхности грунтуют акриловыми, алкидными и феноломасляными грунтовками.

Полиакриловые и алкидноакриловые.

Покрытия устойчивы к воздействию света и атмосферы. Обладают механической стойкостью и блеском. Им не страшны вода, бензин и смазочные масла.

Применяют для покраски автобусов, троллейбусов, сельскохозяйственных и животноводческих машин. Поверхности предварительно грунтуют алкидными, фосфатирующими и феноломасляными материалами.

Нитроцеллюлозные.

Твердые и блестящие. Устойчивы к воздействию бензина и масел. Однако, эти покрытия неэластичны, хорошо горят и разрушаются под действием света и тепла. Для того, чтобы повысить сцепление с металлом, в нитроцеллюлозные покрытия добавляют твердые смолы.

Поливинилацетальные.

Хорошо сцепляются с железоуглеродистыми и цветными сплавами. Выдерживают высокие и низкие температуры, действие бензина, керосина, минеральных масел, горячей воды и пара.

Безмасляные битумные.

Применяют для защиты изделий, которые работают в воде или в условиях повышенной влажности, а также при хранении на складах. Часто в такое покрытие вводят алюминиевую пудру. Это придает изделию серебристый цвет и повышает устойчивость к атмосферному разрушению.

Маслянолаковые.

Дают твердое блестящее покрытие, которое хорошо шлифуется. Однако, этот тип не устойчив к воздействию атмосферы. Их используют для отделки изделий, которые работают внутри помещений.

Грунтовки.

Повышают прочность, долговечность и защитные свойства изделия. Грунтовки для металлических поверхностей делят на 4 группы: ингибиторные, пассивирующие, фосфатирующие и протекторные.

В состав ингибиторных грунтовок входят свинцовый и железный сурики, свинцовый крон, цинковые белила, мумия, сажа. Они замедляют процесс коррозии.

Пассивирующие грунтовки содержат цинковый и стронциевы кроны, хромат калия и другие соли хромовой кислоты. Эти пигменты образуют на поверхности металла пленку, которая повышает его коррозионную стойкость.

В состав фосфатирующих грунтовок входит ортофосфорная кислота, которая служит защитой от атмосферной коррозии.

Протекторные грунтовки содержат порошки цинка, алюминия и магния. Эти пигменты будут разрушаться под воздействием агрессивной среды и защищать поверхности стальных деталей.

Качество покрытия зависит от способа нанесения.

Это может быть окунание, струйная окраска, медленное окунание, метод полива, валковый метод, метод электроосаждения, пневматическое распыление, безвоздушное, электростатическое распыление, кистевой метод.

В зависимости от ситуации и желаемого результата конструктор при разработке деталей может либо внести изменения в строение деталей, либо внести в документацию конкретные ограничения по применению того или иного метода нанесения лакокрасочного материала.

ВЫБОР НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ

К этому типу защитных покрытий от коррозии относятся полимерные материалы, гуммировочные, конверсионные, керамические и эмалевые покрытия.

Полимерные вещества и пластмассы имеют маленькую плотность, высокие механические и гидроизоляционные свойства и химическую теплостойкость, хорошо сцепляются с металлом и обладают высокой степенью звукоизоляции и герметизации.

Данные покрытия производят на основе термопластичных и термореактивных полимеров.

Термопластичные не теряют своих свойств при нагревании, а отличие от термореактивных.

Полимеры защищают металлические поверхности, на которые воздействует агрессивная воздушная среда.

Таблица 6. Оценка агрессивности воздействия воздушной среды.

ОСНОВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Полиэтилен.

Самый распространенный полимер. Имеет высокую стойкость к воздействию воды и агрессивных сред при температуре до 600 С, а также к кислотам, щелочам, окислителям и растворителям. Серная и азотная кислоты разрушают полиэтилен при температуре свыше 600 С. На него практически не влияют масла, жиры, керосин и другие нефтяные углеводороды.

Недостатки полиэтилена – легко воспламеняется, стареет от солнца, при длительных нагрузках деформируется, на нем могут появиться трещины.

Таблица 7. Срок службы полиэтилена в различных средах.

Полиизобутилен.

Устойчив к большинству кислот и щелочей, растворов солей и воде. Не растворяется в спиртах, эфирах и кетонах. Легко растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Повреждается от масел, жиров и солнечных лучей в присутствии кислорода и воздуха.

Большая часть полиизобутилена используется в химической промышленности для защиты оборудования от коррозии.

Полипропилен.

Отличается высокой температурой плавления (до 1700 С), устойчивостью к старению, действию воды, неокислительных кислот, щелочей и растворов солей. Однако азотная кислота разрушает полипропилен при высоких температурах.

Поливинилхлорид.

Стойкий материал. На его основе выпускается 2 вида пластмасс – жесткие (винипласт) и мягкие (пластикат).

Винипласт хорошо переносит действие кислот, щелочей, спиртов, масел, бензина; хорошо формируется и сваривается.

Пластикат стоек к действию воды, щелочей и кислот низких и средних концентраций становится хрупким от минеральных масел и органических растворителей.

Пластикат плохо сцепляется с металлическими поверхностями, поэтому изделия предварительно грунтуют клеями на основе фенольных и эпоксидных смол и термопластичными клеями на основе сополимера винилхлорида и винилацетата.

Фторопласты.

Обладают химической и атмосферной стойкостью, а также не боятся ни высоких, ни низких температур. Их делят на политетрафторэтилен, политрифторэтилен, поливинилфторид и поливинилленфторид.

Политрифторэтилен по химической стойкости превосходит другие синтетические полимеры, благородные металлы, специальные сплавы и керамику. Используется для защиты деталей, которые работают в сильноагрессивных средах. Например, стальные трубы, по которым течет горячая (температура близка к температуре кипения) смесь плавиковой и азотной кислот, выдерживает эксплуатацию в течение 2-х лет.

Политрифторэтилен используют в виде порошков и суспензий для защиты контейнеров, в которых хранится аккумуляторная серная кислота.

Поливинилфторид используется в виде пленки в химической промышленности для защиты внутренних и наружных стен зданий и сооружений.

Поливинилленфторид применяют для облицовки трубопроводов, вентилей, насосов и емкостей, которые работают в сильноагрессивных средах.

Пентапласт.

Устойчив к щелочам, некоторым кислотам и органическим растворителям. Хорошо перерабатывается литьем под давлением и отлично сваривается.

Гуммировочные защитные покрытия.

Устойчивы к действию большинства неорганических соединений, кроме сильных окислителей: азотной, хромовой и концентрированной серной кислот. Гуммировочные покрытия делятся на листовой материал и жидкий каучук.

Таблица 9. Стойкость гуммировочных покрытий в агрессивных средах.

Конверсионные покрытия.

Это покрытия из труднорастворимых в воде солей и окислов, которые получают в результате взаимодействия основного металла с растворами.

Из этой группы широко применяются фосфатные, хроматные и анодированные покрытия.

Керамические покрытия.

Покрытия из высокоплавких металлов, окислов и карбидов, полученные с использованием плазменного напыления. Самые распространенные – из окиси алюминия, двуокиси циркония и карбида вольфрама.

Их используют для того, чтобы повысить жаростойкость и износостойкость деталей из углеродистой стали. К недостаткам керамических покрытий относятся: пористость, плохое сцепление с основой, изменение внутреннего строения при изменении температуры.

Эмалевые покрытия.

Наносятся на стальные и чугунные изделия. Иногда их можно использовать для защиты медных, латунных и алюминиевых поверхностей. Покрытия устойчивы к действию органических и неорганических кислот, кроме плавиковой и горячей концентрированной фосфорной.

Эмалевые покрытия можно использовать при температурах до 600 0С, а специальные сорта эмалей могут кратковременно выдерживать до 1000 0С. Недостаток эмалей в том, что они хрупкие и растрескиваются при резких изменениях температуры.
Используются для защиты аппаратуры в химической, фармакологической и пищевой отраслях промышленности, при изготовлении посуды и санитарной техники.

Все покрытия, которые описаны в этой статье, в комплексе с обработкой металла дробеметным оборудованием создают надежную защиту металлических поверхностей от коррозии и продлевают износостойкость и срок службы оборудования, деталей и конструкций.