Защита металлов от коррозии: виды и особенности

Коррозия металлов.Способы защиты от коррозии

Коррозия – самопроизвольный процесс и соответственно протекающий с уменьшением энергии Гиббса системы. Химическая энергия реакции коррозионного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в окружающем пространстве.

Коррозия приводит к большим потерям в результате разрушения трубопроводов, цистерн, металлических частей машин, корпусов судов, морских сооружений и т. п. Безвозвратные потери металлов от коррозии составляют 15 % от ежегодного их выпуска.

Цель борьбы с коррозией – это сохранение ресурсов металлов, мировые запасы которых ограничены. Изучение коррозиии разработка методов защиты металлов от нее представляют теоретический интерес и имеют большое народнохозяйственное значение.

Ржавление железа на воздухе, образование окалины при высокой температуре, растворение металлов в кислотах – типичные примеры коррозии. В результате коррозии многие свойства металлов ухудшаются: уменьшается прочность и пластичность, возрастает трение между движущимися деталями машин, нарушаются размеры деталей. Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая, коррозия – разрушение металлов путем их окисления в сухих газах, в растворах неэлектролитов. Например, образование окалины на железе при высокой температуре. В этом случае образующиеся на металле оксидные плёнки часто препятствуют дальнейшему окислению, предотвращая дальнейшее проникновение к поверхности металла как газов, так и жидкостей.

Электрохимической коррозией называют разрушение металлов под действием возникающих гальванических пар в присутствии воды или другого электролита. В этом случае наряду с химическим процессом – отдача электронов металлами, протекает и электрический процесс – перенос электронов от одного участка к другому.

Этот вид коррозии подразделяют на отдельные виды: атмосферную, почвенную, коррозию под действием «блуждающего» тока и др.

Электрохимическую коррозию вызывают примеси, содержащиеся в металле, или неоднородность его поверхности. В этих случаях при соприкосновении металла с электролитом, которым может быть и влага, адсорбируемая на воздухе, на его поверхности возникает множество микрогальванических элементов.

Анодами являются частицы металла, катодами – примеси и участки металла, имеющие более положительный электродный потенциал. Анод растворяется, а на катоде выделяется водород. В то же время на катоде возможен процесс восстановления кислорода, растворённого в электролите.

Следовательно, характер катодного процесса будет зависеть от некоторых условий:

кислая среда: 2Н+ + 2ē = Н2 (водородная деполяризация),

О2 + 4Н+ + 4ē → 2Н2О

нейтральная среда: O2+2H2O+4e − =4OH− (кислородная деполяризация).

В качестве примера рассмотрим атмосферную коррозию железа в контакте с оловом. Взаимодействие металлов с каплей воды, содержащей кислород, приводит к возникновению микрогальванического элемента, схема которого имеет вид

(-)Fe|Fe2+|| O2, H2O| Sn (+).

Более активный металл (Fе) окисляется, отдавая электроны атомам меди и переходит в раствор в виде ионов (Fe2+). На катоде протекает кислородная деполяризация.

Способы защиты от коррозии. Все методы защиты от коррозии можно условно разделить на две большие группы: неэлектрохимические (легирование металлов, защитные покрытия, изменение свойств коррозионной среды, рациональное конструирование изделий) и электрохимические (метод проектов, катодная защита, анодная защита).

Легирование металлов – это эффективный, хотя и дорогой метод повышения коррозионной стойкости металлов, при котором в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию металла. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, титан, вольфрам и др.

Защитные покрытия – это слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений. Выбор вида покрытия за- висит от условий, в которых используется металл.

Материалами для металлических защитных покрытий могут быть чистые металлы: цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, олово, хром, серебро и их сплавы: бронза, латунь и т. д. По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные (например, на стали Cu, Ni, Ag) и анодные (цинк на стали).

Катодные покрытия могут защищать металл от коррозии лишь при отсутствии пор и повреждений покрытия. В случае анодного покрытия защищаемый металл играет роль катода и поэтому не корродирует. Но потенциалы металлов зависят от состава растворов, поэтому при изменении состава раствора может меняться и характер покрытия.

Так, покрытие стали оловом в растворе H2SO4 – катодное, а в растворе органических кислот – анодное.

Неметаллические защитные покрытия могут быть как неорганическими, так и органическими. Защитное действие таких покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды.

Электрохимический метод защиты основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса.

Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции (корпус судна, подземный трубопровод), находящейся в среде электролита (морская, почвенная вода), металла с более отрицательным значением электродного потенциала – протектора.

Cпособы защиты металла от коррозии: основные методы и их особенности

Одной из серьезных угроз для инструментов и конструкций, выполненных из металла, является коррозия. По этой причине большую актуальность приобретает проблема их защиты от столь неприятного процесса. При этом сегодня известно немало методов, которые позволяют достаточно эффективно решить эту проблему.

Антикоррозионная защита — зачем она нужна

Коррозия представляет собой процесс, сопровождающийся разрушением поверхностных слоев конструкций из стали и чугуна, возникающий в результате электрохимического и химического воздействия. Негативным следствием этого становится серьезная порча металла, его разъедание, что не позволяет использовать его по назначению.

Экспертами было проведено достаточно доказательств тому, что ежегодно порядка 10% от общего объема добычи металла на планете уходит на устранение потерь, связанных с воздействием коррозии, из-за которой происходит расплавление металлов и полная потеря эксплуатационных свойств металлическими изделиями.

При первых признаках воздействия коррозии изделия из чугуна и стали становятся менее герметичными, прочными. В то же время ухудшаются такие качества, как теплопроводность, пластичность, отражательный потенциал и некоторые иные важные характеристики. В дальнейшем конструкции и вовсе нельзя применять по назначению.

Вдобавок к этому именно с коррозией связывают большинство производственных и бытовых аварий, а также и некоторые экологические катастрофы.

Трубопроводы, используемые для транспортировки нефти и газа, имеющие значительные участки, покрытые ржавчиной, могут в любой момент лишиться своей герметичности, что может создать угрозу для здоровья людей и природы в результате прорыва подобных магистралей.

Это дает понимание того, почему так важно предпринимать меры по защите конструкций из металла от коррозии, прибегая к помощи традиционных и новейших средств и методов.

К сожалению, пока не удалось создать такой технологии, которая бы смогла полностью защитить стальные сплавы и металлы от коррозии. При этом имеются возможности для задержания и уменьшения негативных последствий подобных процессов. Эта задача решается посредством использования большого количества антикоррозионных средств и технологий.

Предлагаемые сегодня методы борьбы с коррозией могут быть представлены в виде следующих групп:

• Использование электрохимических методов защиты конструкций;
• Создание защитных покрытий;
• Разработка и производство новейших конструкционных материалов, демонстрирующих высокую стойкость к коррозионным процессам;
• Добавление в коррозионную среду особых соединений, благодаря которым можно замедлить распространение ржавчины;
• Грамотный подход к выбору подходящих деталей и конструкций из металлов для сферы строительства.

Защита изделий из металла от коррозии

Обеспечить способность защитного покрытия выполнять поставленные перед ним задачи можно за счет целого ряда специальных свойств:

• Устойчивость к износу и высокий уровень твердости;
• Повышенные характеристики прочности сцепления с поверхностью обрабатываемого изделия;
• Наличие коэффициента теплового расширения, предусматривающего незначительное отклонение от расширения защищаемой конструкции;
• Высокий уровень защиты от негативного воздействия со стороны вредных факторов внешней среды.

Создавать подобные покрытия следует тем расчетом, чтобы они располагались на всей площади конструкции в виде максимально равномерного и сплошного слоя.

Доступные сегодня защитные покрытия для металла могут быть классифицированы на следующие типы:

• металлические и неметаллические;
• органические и неорганические.

Подобные покрытия получили широкое распространение во многих странах. Поэтому им будет уделено особое внимание.

Борьба с коррозией при помощи органических покрытий

Чаще всего для защиты металлов от коррозии прибегают к такому эффективному методу, как использование лакокрасочных составов. Этот метод на протяжении многих лет демонстрирует высокую эффективность и несложность в плане реализации.

Использование подобных соединений в борьбе против ржавчины предусматривает достаточно преимуществ, среди которых простота и доступная цена не являются единственными:

• Используемые покрытия могут придавать обрабатываемому изделию различный цвет, в результате это позволяет не только надежно защитить изделие от ржавчины, но и обеспечить конструкциям более эстетичный внешний вид;
• Отсутствие сложностей с реставрацией защитного слоя в случае его повреждения.

Увы, однако у лакокрасочных составов имеются и определенные недостатки, к числу которых нужно отнести следующие:

• низкий коэффициент термической стойкости;
• низкая устойчивость в водной среде;
• низкая стойкость к воздействию механического характера.

Это вынуждает, чему не противоречат требования действующих СНиП, прибегать к их помощи в ситуации, когда изделия подвергаются воздействию со стороны коррозии с максимальной скоростью 0,05 мм в год, при этом расчетный срок службы не должен превышать 10 лет.

Ассортимент предлагаемых сегодня на рынке лакокрасочных составов может быть представлен в виде следующих элементов:

• Краски. Под ними подразумеваются суспензии пигментов, характеризующихся минеральной структурой;
• Лаки. Представлены в виде растворов и масел, присутствующих в растворителях органического происхождения. При их использовании эффект достигается лишь по завершении полимеризации смолы или масла или же в момент испарения, вызванного воздействием дополнительных катализаторов или же нагревом;
• Пленкообразователи. Речь идет о природных и искусственных соединениях. Среди них наибольшую известность получила олифа, которую используют в целях защиты конструкций из стали и чугуна;
• Эмали. Имеют вид лаковых растворов, содержащих группу подобранных пигментов в измельченном виде;
• смягчители и разнообразные пластификаторы. Сюда следует отнести адипиновую кислоту, представленную в виде эфира, дибутилфтолат, касторовое масло, трикрезилфосфат, каучук, а также иные элементы, благодаря которым можно повысить эластичность защитного слоя;
• этилацетат, толуол, бензин, спирт, ксилол, ацетон и другие. К помощи перечисленных компонентов прибегают для улучшения адгезии используемых лакокрасочных составов;
• Инертные наполнители. Представлены в виде мельчайших частиц асбеста, талька, мела и каолина. Благодаря их применению пленки приобретают повышенную устойчивость к коррозии, при этом удается добиться уменьшения расхода иных компонентов лакокрасочных покрытий;
• Пигменты и краски;
• Катализаторы, которые в среде специалистов именуются как сиккативы. Их польза заключается в сокращении времени, необходимого для высыхания защитных составов. Наибольшее распространение получили кобальтовые и магниевые соли жирных органических кислот.

При выборе того или иного лакокрасочного состава следует обращать внимание на условия эксплуатации обрабатываемых конструкций из металла.

Применять материалы на основе эпоксидных элементов желательно для тех изделий, которые будут эксплуатироваться в атмосферах, содержащих испарения хлороформа, двухвалентного хлора, а также для обработки изделий, которые планируется использовать в разных типах кислот.

Высокую стойкость к кислотам демонстрируют и лакокрасочные материалы, содержащие полихлорвинил. Вдобавок к этому к ним прибегают в целях обеспечения защиты металла, который будет контактировать с маслами и щелочами. Если же возникает задача в обеспечении защиты конструкций, которые будут взаимодействовать с газами, то обычно выбор останавливают на материалах, содержащих полимеры.

Решая вопрос с предпочтительным вариантом защитного слоя, следует обращать внимания на требования отечественных СНиП, предусмотренных для конкретной отрасли промышленности.

Подобные саннормы содержат перечень таких материалов и способов защиты от коррозии, к которым допускается прибегать, а также те, которые не следует применять. Скажем, если обратиться к СНиПу 3.04.

03-85, то там представлены рекомендации по защите строительных сооружений различного назначения:

• систем трубопроводов, используемых для транспортировки газа и нефти;
• обсадных стальных труб;
• тепломагистралей;
• конструкций, выполненных из стали и железобетона.

Обработка неметаллическими неорганическими покрытиями

Метод электрохимической или химической обработки позволяет создавать на изделиях из металла особые пленки, не допускающие негативное воздействие со стороны коррозии. Обычно для этой цели применяются фосфатные и оксидные пленки, при создании которых учитываются требования СНиП, поскольку подобные соединения отличаются по механизму защиты для различных конструкций.

Фосфатные пленки

Останавливать выбор на фосфатных пленках рекомендуется, если необходимо обеспечить защиту от коррозии изделий из цветных и черных металлов.

Если обратиться к технологии подобного процесса, то он сводится к помещению изделий в раствор цинка, железа или марганца в виде смеси с кислыми фосфорными солями, которые предварительно нагреты до отметки 97 градусов.

Создаваемая пленка представляется отличной основой, чтобы в дальнейшем можно было покрыть ее лакокрасочным составом.

Важным моментом является то, что долговечность фосфатного слоя находится на довольно низком уровне. Также он обладает и другими недостатками — низкой эластичностью и прочностью. К фосфатированию прибегают в целях обеспечения защиты деталей, эксплуатация которых проходит в условиях высоких температур или соленой водной среды.

Оксидные пленки

Свою сферу применения имеют и оксидные защитные пленки. Они создаются при воздействии на металлы растворами щелочей посредством использования тока.

Довольно часто для оксидирования применяют такой раствор, как едкий натр. Среди специалистов процесс создания оксидного слоя часто именуется воронением.

Это обусловлено созданием на поверхности мало и высокоуглеродистых сталей пленки, имеющей привлекательный черный цвет.

Способ оксидирования является востребованным в тех случаях, когда возникает задача по сохранению изначальных геометрических размеров. Чаще всего защитное покрытие подобного типа создается на точных приборах и стрелковом вооружении. Обычно пленка имеет толщину не более 1,5 микрона.

Дополнительные способы

Существуют и другие способы защиты от коррозии, которые основываются на использовании неорганических покрытий:

• Пассивирование. Суть его сводится к помещению обрабатываемого изделия из металла в растворы нитратов или хроматов.
• Анодирование. Для этого метода применяют специальные ванны, для приготовления которых используют щавелевую кислоту (5-10%), хромовый ангидрид (3%) и серную кислоту (190 грамм на литр раствора).
• Эмалирование. В основе этого метода лежит использование сочетания компонентов, представленных сплавленным полевым шпатом, цинком, мелом, песком, титаном и иными веществами.

Заключение

У каждого инструмента и конструкции, которая выполнена из стали, имеется ограниченный срок службы. При этом не всегда изделие может демонстрировать его в том виде, который заложен изначально производителем. Этому могут помешать различные негативные факторы, в том числе и коррозия. В целях защиты от неё приходится прибегать к различным методам и средствам.

Учитывая всю важность процедуры по защите от коррозии, необходимо правильно подобрать метод, а для этого важно учитывать не только условия эксплуатации изделий, но и их изначальные свойства. Подобный подход позволит обеспечить надежную защиту от ржавчины, в результате изделие сможет гораздо дольше использоваться по своему прямому назначению.

2 метода защиты от коррозии металлов

Коррозия в переводе с латинского означает «разъедание», это легко объясняет сущность данного понятия. С научной точки зрения коррозия является процессом самопроизвольного разрушения металлов вследствие химических и физико-химических взаимодействий с окружающей средой.

Причиной для начала данного процесса служит отсутствие термодинамической устойчивости того или иного металла при воздействии веществ, которые находятся в контактирующей с ним среде.

Сегодня проблема антикоррозийной защиты различных видов конструкций, продукции и материалов достаточно актуальна для многих стран мира. Особенно страдают промышленно развитые страны, ведь коррозия металлов причиняет весомый ущерб экономике этих государств.

Поэтому данный вопрос занимает довольно большую роль не только в быту, но и в государственных масштабах, ведь его решение должно быть основано на необходимости сохранения природных ресурсов, защиты окружающей среди и, конечно же, рационального использования и хранения различного рода металлических конструкций в производстве.

Коррозия имеет широкое распространение и разнообразие тех условий и сред, в которых она может начаться. Поэтому конкретной классификации различных случаев коррозии пока нет.

В таблице представлена обширная типизация коррозии, существующая на сегодняшний день.

Огромное количество видов коррозии повлекло за собой появление столь же большого количества методов и приемов борьбы с каждым из них. Но вопрос этот не закрыт и продолжаются работы по созданию новых методов, которые будут более действенными.

Все способы защиты от коррозии металла, их плюсы и минусы

Под воздействием внешних факторов (жидкости, газы, агрессивные химические соединения) разрушаются любые материалы. Не являются исключением и металлы. Коррозийные процессы нейтрализовать полностью невозможно, но вот снизить их интенсивность, повысив тем самым эксплуатационный срок металлоконструкций или иных, в состав которых входит «железо», вполне возможно. 

Способы антикоррозийной защиты

Все способы защиты от коррозии можно условно классифицировать как методики, которые применимы или до начала эксплуатации образца (группа 1), или уже после его ввода в строй (группа 2).

Первая

• Повышение сопротивляемости «химическому» воздействию.
• Исключение прямого контакта с агрессивными веществами (изоляция поверхностная).

Вторая

• Снижение степени агрессивности окружающей среды (в зависимости от условий эксплуатации).
• Использование ЭМ полей (к примеру, «наложение» внешних эл/токов, регулирование их плотности и ряд других методик).

Применение того или иного способа защиты определяется индивидуально для каждой конструкции и зависит от нескольких факторов:

• вид металла;
• условия его эксплуатации;
• сложность проведения антикоррозийных мероприятий;
• производственные возможности;
• экономическая целесообразность.

В свою очередь, все методики подразделяются на активные (подразумевающие постоянное «воздействие» на материал), пассивные (которые можно охарактеризовать как многоразового применения) и технологические (использующиеся на этапе изготовления образцов).

Активные

Катодная защита

Целесообразно использовать, если среда, с которой контактирует металл – электропроводящая. На материал подается (систематически или постоянно) большой «минусовой» потенциал, который делает в принципе невозможным его окисление.

Протекторная защита

Заключается в катодной поляризации. Образец связывается контактом с материалом, который более подвержен окислению в данной токопроводящей среде (протектором). По сути, он является своего рода «громоотводом», принимая на себя весь «негатив», который создают агрессивные вещества. Но такой протектор нуждается в периодической замене на новый.

Поляризация анодная

Применяется крайне редко и заключается в поддержании «инертности» материала по отношению к внешним воздействиям.

Пассивные (поверхностная обработка металла)

Создание защитной пленки

Одна из самых распространенных и малозатратных методик борьбы с коррозией. Для создания поверхностного слоя используются вещества, которые должны соответствовать следующим основным требованиям – быть инертными по отношению к агрессивным хим/соединениям, не проводить эл/ток и обладать повышенной адгезией (хорошо скрепляться с основой).

Все используемые вещества в момент обработки металлов находятся в жидком или «аэрозольном» состоянии, от чего зависит и способ их нанесения – окраска или напыление. Для этого применяются лакокрасочные составы, различные мастики и полимеры.

Прокладка металлоконструкций в защитных «желобах»

Это характерно для разного вида трубопроводов и коммуникаций инженерных систем. В данном случае роль изолятора играет воздушная «прослойка» между внутренними стенками канала и поверхностью металла.

Фосфатирование

Металлы подвергаются обработке специальными средствами (окислителями). Они вступают с основой в реакцию, в результате чего на ее поверхности происходит отложение малорастворимых хим/соединений. Довольно эффективный способ защиты от влаги.

Покрытие более устойчивыми материалами

Примерами использования такой методики служат часто встречающиеся в быту изделия с хромировкой (о хромировании читайте здесь), с серебрением, «оцинковкой» и тому подобное.

Как вариант – защита керамикой, стеклом, покрытие бетоном, цементными растворами  (обмазка) и так далее.

Пассивация

Смысл заключается в том, чтобы резко снизить химическую активность металла. Для этого производится обработка его поверхности соответствующими спецреактивами.

Снижение агрессивности среды

• Использование веществ, которые снижают интенсивность коррозийных процессов (ингибиторов).
• Осушка воздуха.
• Его хим/очистка (от вредных примесей) и ряд других методик, которые могут применяться и в быту.
• Гидрофобизация почвы (засыпки, введение в нее спецвеществ) с целью снижения агрессивности грунта.

Обработка ядохимикатами

Используется в случаях, когда есть вероятность развития так называемой «биокоррозии».

Технологические способы защиты

Легирование

Самый известный способ. Смысл в том, чтобы на основе металла создать сплав, инертный по отношению к агрессивным воздействиям. Но реализуется только в промышленных масштабах.

Как следует из приведенной информации, не все методики антикоррозийной защиты можно применять в быту. В этом плане возможности «частника» существенно ограничены.

Способы защиты от коррозии

Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер.

Более всего подвержены коррозии чистые металлы. Сплавы, пластики и прочие материалы в этом отношении характеризуются термином «старение». Вместо термина «коррозия» также часто применяют термин «ржавление».

Виды коррозии

Коррозионный процесс портит жизнь людям многие века, поэтому он изучен достаточно широко. Существуют различные классификации коррозии в зависимости от типа окружающей среды, от условия использования коррозирующих материалов (находятся ли они под напряжением, если контактируют с другой средой, то постоянно или переменно и пр.) и от множества других факторов.

Электрохимическая коррозия

Коррозировать могут два различных металла, соединенных между собой, если на их стык попадет, например, конденсат из воздуха.

У разных металлов различные окислительно-восстановительные потенциалы и  на стыке металлов образуется фактически гальванический элемент.

При этом металл с более низким потенциалом начинает растворяться, в данном случае, коррозировать. Это проявляется на сварочных швах, вокруг заклепок и болтов.

Для защиты от такого вида коррозии применяют, например, оцинковку. В паре металл-цинк коррозировать должен цинк, но при коррозии у цинка образуется оксидная пленка, которая сильно замедляет процесс коррозии.

Химическая коррозия

Если поверхность металла соприкасается с коррозионно-активной средой, и при этом нет электрохимических процессов, то имеет место т.н. химическая коррозия. Например, образование окалины при взаимодействии металлов с кислородом при высоких температурах.

Борьба с коррозией

Несмотря на то, что сгнивающие на дне моря корабли с сундуками не так уж и плохи для экологии, коррозия металлов ежегодно приносит огромные убытки людям. Поэтому неудивительно, что уже давно существуют различные методы защиты от коррозии металлов.

Различают три вида защиты от коррозии:

• Конструкционный
• Активный
• Пассивный

Конструкционный метод включает в себя использование сплавов металлов, резиновых прокладок и др.

Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя.

Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла.

Другой метод — использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие.

Пассивная борьба с коррозией – это применение эмалей, лаков, оцинковки и т.п. Покрытие металлов эмалями и лаками направлено на изоляцию металлов от окружающей среды: воздуха, воды, кислот и пр.

Оцинковка (как и другие виды напыления) кроме физической изоляции от внешней среды, даже в случае повреждения ее слоя, не даст развиваться коррозии металла, т.к. цинк коррозирует охотнее железа (см.

«электрохимическая коррозия» выше по тексту).

Наносить защитные покрытия на металл можно различными способами. Оцинковку можно проводить в горячем цеху, «на холодную», газотермическим напылением. Окраску эмалями можно проводить распылением, валиком или кистью.

Большое внимание надо уделять подготовке поверхности к нанесению защитного покрытия. От того, насколько качественно будет очищена поверхность металла, во многом зависит успех всего комплекса мер по защите от коррозии.

Антикоррозионная защита – как предохранить металл от ржавления?

Антикоррозионная защита требуется любым инструментальным и конструкционным изделиям, изготовленным из металла, так как в той или иной мере все они испытывают на себе негативное коррозионное влияние среды, окружающей нас.

Под коррозией понимают разрушение поверхностных слоев конструкций из стали и чугуна в результате электрохимического и химического воздействия. Она просто-напросто портит металл, разъедает его, делая тем самым непригодным для последующей эксплуатации.

Специалисты доказали, что каждый год примерно 10 процентов от всего добытого металла на Земле тратится на покрытие потерь (обратите внимание – они считаются безвозвратными) от коррозии, ведущей к распылению металла, а также к выходу из строя и порче металлических изделий.

Стальные и чугунные конструкции на первых этапах воздействия коррозии снижают свою герметичность, прочность, электро- и теплопроводность, пластичность, отражательный потенциал и ряд других важных характеристик. Впоследствии конструкции становятся и вовсе непригодными для эксплуатации.

Кроме того, коррозионные явления — причина производственных и бытовых аварий, а иногда и настоящих экологических катастроф.

Из проржавевших и прохудившихся трубопроводов для нефти и газа в любой момент может хлынуть поток опасных для жизни человека и для природы соединений.

Учитывая все вышесказанное, любой может понять то, насколько важна качественная и эффективная защита от коррозии с применением традиционных и новейших средств и методов.

Полностью избежать коррозии, когда речь идет о стальных сплавах и металлах, невозможно. А вот задержать и снизить негативные последствия ржавления вполне реально. Для этих целей нынче существует множество антикоррозионных средств и технологий.

Все современные методы борьбы с коррозией можно разделить на несколько групп:

• применение электрохимических способов защиты изделий;
• использование защитных покрытий;
• проектирование и выпуск инновационных, высокоустойчивых к процессам ржавления конструкционных материалов;
• введение в коррозионную среду соединений, способных уменьшить коррозионную активность;
• рациональное строительство и эксплуатация деталей и сооружений из металлов.

Чтобы защитное покрытие справлялось с задачами, которые возлагаются на него, оно должно обладать целым рядом особых качеств:

• быть износостойким и максимально твердым;
• характеризоваться высоким показателем прочности сцепления с поверхностью обрабатываемого изделия (то есть обладать повышенной адгезией);
• иметь такую величину теплового расширения, которая бы незначительно отличалась от расширения защищаемой конструкции;
• быть максимально недоступным для вредных факторов окружающей среды.

Также покрытие должно наноситься на всю конструкцию как можно более равномерно и сплошным слоем.

Все используемые в наши дни защитные покрытия делят на:

• металлические и неметаллические;
• органические и неорганические.

Такие покрытия, которые мы опишем далее, применяются (и весьма активно) по всему миру. Поэтому о них будет рассказано достаточно подробно.

Самым распространенным и сравнительно несложным вариантом защиты металлов от ржавления, известным уже очень давно, признается использование лакокрасочных составов. Антикоррозионная обработка материалов такими соединениями характеризуется не только простотой и дешевизной, но еще и следующими положительными свойствами:

• возможностью нанесения покрытий разных цветовых оттенков — что и элегантный облик конструкциям придает, и надежно защищает их от ржавчины;
• элементарностью восстановления защитного слоя в случае его повреждения.

К сожалению, лакокрасочные составы имеют совсем небольшой коэффициент термической стойкости, малую стойкость в воде и относительно низкую механическую прочность.

По этой причине в соответствии с существующими СНиП их рекомендовано применять в тех случаях, когда на изделия действует коррозия со скоростью не более 0,05 миллиметров в год, а запланированный срок их эксплуатации не превышает десяти лет.

К составляющим современных лакокрасочных составов относят такие элементы:

• краски: суспензии пигментов с минеральной структурой;
• лаки: растворы (коллоидные) смол и масел в растворителях органического происхождения (защита от коррозии при их применении достигается после полимеризации смолы либо масла или их испарения под влиянием дополнительного катализатора, а также при нагреве);
• искусственные и природные соединения, называемые пленкообразователями (например, олифа – самый, пожалуй, популярный неметаллический «защитник» чугуна и стали);
• эмали: лаковые растворы с комплексом подобранных пигментов в измельченном виде;
• смягчители и разнообразные пластификаторы: адипиновая кислота в виде эфиров, дибутилфтолат, касторовое масло, трикрезилфосфат, каучук, другие элементы, которые увеличивают эластичность защитного слоя;
• этилацетат, толуол, бензин, спирт, ксилол, ацетон и другие (данные компоненты нужны для того, чтобы лакокрасочные составы без проблем наносились на обрабатываемую поверхность);
• инертные наполнители: мельчайшие частицы асбеста, тальк, мел, каолин (они делают антикоррозионные возможности пленок более высокими, а также уменьшают траты других составляющих лакокрасочных покрытий);
• пигменты и краски;
• катализаторы (на языке профессионалов – сиккативы): необходимые для быстрого высыхания защитных составов кобальтовые и магниевые соли жирных органических кислот.

Лакокрасочные соединения выбирают с учетом того, в каких условиях эксплуатируется обрабатываемое изделие. Составы на базе эпоксидных элементов рекомендованы для использования в атмосферах, где постоянно присутствуют испарения хлороформа, двухвалентного хлора, а также для обработки конструкций, находящихся в различных кислотах (азотная, фосфорная, соляная и т. п.).

К кислотам также устойчивы и лакокрасочные составы с полихровинилом. Они, кроме того, применяются для предохранения металла от воздействия масел и щелочей. А вот для защиты конструкций от газов чаще применяются составы на базе полимеров (эпоксидных, фторорганических и иных).

Очень важно при подборе защитного слоя учитывать требования российских СНиП для разных отраслей промышленности. В таких саннормах четко указывается, какие составы и методы защиты от коррозии можно использовать, а от каких лучше отказаться. Например, в СНиП 3.04.03-85 изложены рекомендации по защите различных строительных сооружений:

• магистральных газо- и нефтепроводов;
• обсадных труб из стали;
• тепломагистралей;
• железобетонных и стальных конструкций.

На металлических изделиях вполне можно формировать посредством электрохимической либо химической обработки специальные пленки для защиты их от ржавления. Чаще всего создаются фосфатные и оксидные пленки (опять-таки, обязательно принимаются во внимание положения СНиП, так как механизмы защиты таких соединений разные для различных изделий).

Фосфатные пленки подходят для антикоррозионной защиты цветных и черных металлов. Суть такого процесса заключается в погружении изделий в нагретый до определенной температуры (в районе 97 градусов) раствор цинка, железа или марганца с кислыми фосфорными солями. Получающаяся при этом пленка идеальна для нанесения на нее лакокрасочного состава.

Заметим, что фосфатный слой сам по себе не отличается длительным сроком применения. Он малоэластичный и совсем непрочный. Используется фосфатирование для защиты деталей, которые работают при высоких температурах или в соленой воде (например, в морской).

Также ограниченно используются и оксидные защитные пленки. Получают их при обработке металлов в растворах щелочей под действием тока. Известным раствором для оксидирования является едкий натр (четырехпроцентный). Операцию получения оксидного слоя нередко называют воронением, так как на поверхности мало- и высокоуглеродистых сталей пленка характеризуется красивым черным цветом.

Оксидирование производится в ситуациях, когда начальные геометрические параметры нужно сохранить в неизменном виде. Оксидный слой обычно наносят на точные приборы, стрелковое вооружение. Толщина такой пленки в большинстве случаев не превышает полутора микронов.

Другие способы защиты от коррозии с применением неорганических покрытий:

• Пассивирование. В этом случае изделия подвергаются обработке в растворах нитратов либо хроматов. Детали из стали разных марок пассивируют, как правило, в нитрите натрия, алюминий пассивируется бихроматом калия, а вот медные конструкции погружают в хроматные ванны.
• Анодирование. Способ защиты металла от коррозии, разработанный специально для сплавов на основе алюминия. Он очень надежен и при этом по-настоящему прост. Анодирование производится в ваннах, состоящих из: 5–10 % щавелевой кислоты, 3 % хромового ангидрида и серной кислоты (на один литр раствора ее идет около 190 граммов).
• Эмалирование. Защита металла от коррозии при помощи композиции, состоящей из сплавленного полевого шпата, цинка, мела, песка, титана, глины, фтористых солей, оксидов хрома, поташа, буры и некоторых других компонентов. Подобное покрытие демонстрирует отличную стойкость к коррозии, вызываемой газовыми средами, солями, органическими и минеральными кислотными составами.

Если изделия из металла подвергнуть поляризации, скорость ржавления, обусловленного электрохимическими факторами, можно существенно уменьшить. Электрохимическая антикоррозионная защита бывает двух видов:

Анодная технология подходит для материалов из:

• сплавов (высоколегированных) на базе железа;
• нержавеющих сталей с малым уровнем легирования;
• углеродистых сталей.

Суть методики анодной защиты проста: металлическое изделие, которому требуется придать антикоррозионные свойства, подключается к катодному протектору либо к «плюсу» источника (внешнего) тока.

Данная процедура обеспечивает уменьшение скорости ржавления в несколько тысяч раз.

В качестве катодного протектора могут выступать элементы и соединения с высоким положительным потенциалом (свинец, платина, диоксид свинца, платинированная латунь, тантал, магнетит, углерод и другие).

Анодная антикоррозионная защита будет результативной только в том случае, если аппарат для обработки конструкций отвечает далее указанным запросам:

• на нем нет заклепок;
• сварка всех элементов выполнена максимально качественно;
• пассивирование металла выполняется в технологической среде;
• число зазоров и щелей минимально (или же они отсутствуют).

Описанный вид электрохимической защиты небезопасен из-за риска активного анодного растворения конструкций во время приостановки подачи тока. В связи с этим он осуществляется только тогда, когда имеется специальная система контроля выполнения всех предусмотренных технологической схемой операций.

Более распространенной и менее опасной считается катодная защита, которая годится для металлов, не имеющих склонности к пассивации. Подобный метод предполагает подсоединение конструкции к электродному отрицательному потенциалу или к «минусу» источника тока. Катодная защита используется для следующих видов оборудования:

• емкости и аппараты (их внутренние части), эксплуатируемые на химических предприятиях;
• буровые установки, кабели, трубопроводы и иные подземные сооружения;
• элементы береговых конструкций, которые соприкасаются с соленой водой;
• механизмы, изготовленные из высоклегированных сталей, высокохромистых и медных сплавов.

Анодом в данном случае выступает уголь, чугун, металлолом, графит, сталь.

На производственных предприятиях с коррозией можно с успехом справляться посредством модификации состава агрессивной атмосферы, в которой работают металлические детали и конструкции. Существует два варианта снижения агрессивности среды:

• введение в нее ингибиторов (замедлителей) коррозии;
• удаление из среды тех соединений, которые являются причиной возникновения коррозии.

Ингибиторы, как правило, используются в системах охлаждения, цистернах, ваннах для выполнения травильных операций, различных резервуарах и прочих системах, в коих коррозионная среда имеет примерно постоянный объем. Замедлители подразделяют на:

• органические, неорганические, летучие;
• анодные, катодные, смешанные;
• работающие в щелочной, кислой, нейтральной среде.

Ниже указаны самые известные и часто используемые ингибиторы коррозии, которые отвечают требованиям СНиП для разных производственных объектов:

• бикарбонат кальция;
• бораты и полифосфаты;
• бихроматы и хроматы;
• нитриты;
• органические замедлители (многоосновные спирты, тиолы, амины, аминоспирты, аминокислоты с поликарбоксильными свойствами, летучие составы «ИФХАН-8А», «ВНХ-Л-20», «НДА»).

А вот уменьшить агрессивность коррозионной атмосферы можно такими методами:

• вакуумированием;
• нейтрализацией кислот при помощи едкого натра либо извести (гашеной);
• деаэрацией с целью удаления из кислорода.

Как видим, на сегодняшний день существует немало способов защиты металлических конструкций и изделий. Важно лишь грамотно подобрать оптимальный для каждого конкретного случая вариант, и тогда детали и сооружения из стали и чугуна будут служить очень и очень долго.

Мы хотим очень кратко рассмотреть данные СНиП, описывающие требования к защите от ржавчины строительных (алюминиевых, металлических, стальных, железобетонных и иных) конструкций. В них даются рекомендации по использованию разных методов антикоррозионной защиты.

СНиП 2.03.11 предусматривают защиту поверхностей строительных конструкций следующими способами:

• пропиткой (уплотняющего типа) материалами с повышенной химической стойкостью;
• оклейкой пленочными материалами;
• применением разнообразных лакокрасочных, мастичных, оксидных, металлизированных покрытий.

По сути, данные СНиП позволяют использовать все описанные нами способы защиты металлов от ржавления.

При этом правила оговаривают состав конкретных защитных средств в зависимости от того, в какой среде располагается строительное сооружение.

С этой точки зрения среды могу быть: средне-, слабо- и сильноагрессивными, а также полностью неагрессивными. Также в СНиП принято деление сред на биологически и химически активные, на твердые, жидкие и газообразные.

Методы защиты от коррозии металлов и сплавов (стр. 1 из 12)

Основным условием противокоррозийной защиты металлов и сплавов является уменьшение скорости коррозии. Уменьшить скорость коррозии можно, используя различные методы защиты металлических конструкций от коррозии. Основными из них являются:

1 Защитные покрытия.

2 Обработка коррозионной среды с целью снижения коррозионной активности (в особенности при постоянных объемах коррозионных сред).

3 Электрохимическая защита.

4 Разработка и производство новых конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости.

5 Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким материалам (пластические высокомолекулярные материалы, стекло, керамика и др.).

6 Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей.

1. Защитные покрытия

Защитное покрытие должно быть сплошным, равномерно распределенным по всей поверхности, непроницаемым для окружающей среды, иметь высокую адгезию (прочность сцепления) к металлу, быть твердым и износостойким. Коэффициент теплового расширения должен быть близким к коэффициенту теплового расширения металла защищаемого изделия.

Классификация защитных покрытий представлена на рис. 43

Защитные покрытия

Неметаллические Металлические

покрытия покрытия

НеорганическиеОрганическиеКатодныеАнодные

Рисунок 43 — Схема классификации защитных покрытий

1.1 Металлические покрытия

Нанесение защитных металлических покрытий – один из самых распространенных методов борьбы с коррозией. Эти покрытия не только защищают от коррозии, но и придают их поверхности ряд ценных физико-механических свойств: твердость, износоустойчивость, электропроводность, паяемость, отражательную способность, обеспечивают изделиям декоративную отделку и т.д.

По способу защитного действия металлические покрытия делят на катодные и анодные.

Катодные покрытия имеют более положительный, а анодные — более электроотрицательный электродные потенциалы по сравнению с потенциалом металла, на который они нанесены. Так, например, медь, никель, серебро, золото, осажденные на сталь, являются катодными покрытиями, а цинк и кадмий по отношению к этой же стали – анодными покрытиями.

Необходимо отметить, что вид покрытия зависит не только от природы металлов, но и от состава коррозионной среды. Олово по отношению к железу в растворах неорганических кислот и солей играет роль катодного покрытия, а в ряде органических кислот (пищевых консервах) служит анодом. В обычных условиях катодные покрытия защищают металл изделия механически, изолируя его от окружающей среды.

Основное требование к катодным покрытиям – беспористость. В противном случае при погружении изделия в электролит или при конденсации на его поверхности тонкой пленки влаги обнаженные (в порах или трещинах) участки основного металла становятся анодами, а поверхность покрытия катодом. В местах несплошностей начнется коррозия основного металла, которая может распространяться под покрытие (рис.

44 а).

Рисунок 11 Схема коррозии железа с пористым катодным (а) и анодным (б) покрытием

Анодные покрытия защищают металл изделия не только механически, но главным образом электрохимически.

В образовавшемся гальваническом элементе металл покрытия становится анодом и подвергается коррозии, а обнаженные (в порах) участки основного металла выполняют роль катодов и не разрушаются, пока сохраняется электрический контакт покрытия с защищаемым металлом и через систему проходит достаточный ток (рис.4 б). Поэтому степень пористости анодных покрытий в отличие от катодных не играет существенной роли.

В отдельных случаях электрохимическая защита может иметь место при нанесении катодных покрытий. Это происходит, если металл покрытия по отношению к изделию является эффективным катодом, а основной металл склонен к пассивации.

Возникающая анодная поляризация пассивирует незащищенные (в порах) участки основного металла и затрудняет их разрушение.

Такой вид анодной электрохимической защиты проявляется для медных покрытий на сталях 12Х13 и 12Х18Н9Т в растворах серной кислоты.

Основной метод нанесения защитных металлических покрытий – гальванический. Применяют также термодиффузионный и механотермический методы, металлизацию распылением и погружением в расплав.Разберем каждый из методов более подробно.

1.2 Гальванические покрытия.

Гальванический метод осаждения защитных металлических покрытий получил очень широкое распространение в промышленности.

По сравнению с другими способами нанесения металлопокрытий он имеет ряд серьезных преимуществ: высокую экономичность (защита металла от коррозии достигается весьма тонкими покрытиями), возможность получения покрытий одного и того же металла с различными механическими свойствами, легкую управляемость процесса (регулирование толщины и свойств металлических осадков путем изменения состава электролита и режима электролиза), возможность получения сплавов разнообразного состава без применения высоких температур, хорошее сцепление с основным металлом и др.

Недостаток гальванического метода – неравномерность толщины покрытия на изделиях сложного профиля.

Электрохимическое осаждение металлов проводят в гальванической ванне постоянного тока (рис 45). Покрываемое металлом изделие завешивают на катод. В качестве анодов используют пластины из осаждаемого металла (растворимые аноды) или из материала, нерастворимого в электролите (нерастворимые аноды).

Обязательный компонент электролита – ион металла, осаждающийся на катоде. В состав электролита могут также входить вещества, повышающие его электропроводность, регулирующие протекание анодного процесса, обеспечивающие постоянство рН, поверхностно-активные вещества, повышающие поляризацию катодного процесса, блескообразующие и выравнивающие добавки и др.

Рисунок 5 Гальваническая ванна для электроосаждения металлов:

1 – корпус; 2 – вентиляционный кожух; 3 – змеевик для обогрева; 4 – изоляторы; 5 – анодные штанги; 6 – катодные штанги; 7 – барботер для перемешивания сжатым воздухом

В зависимости от того, в каком виде ион разряжающегося металла находится в растворе, все электролиты делятся на комплексные и простые. Разряд комплексных ионов на катоде происходит при более высоком перенапряжении, чем разряд простых ионов.

Поэтому осадки, полученные из комплексных электролитов, более мелкозернисты и равномерны по толщине. Однако у этих электролитов ниже выход металла по току и более низкие рабочие плотности тока, т.е.

по производительности они уступают простым электролитам, в которых ион металла находится в виде простых гидратированных ионов.

Распределение тока по поверхности изделия в гальванической ванне никогда не бывает равномерным. Это приводит к разной скорости осаждения, а следовательно, и толщине покрытия на отдельных участках катода.

Особенно сильный разброс по толщине наблюдается на изделиях сложного профиля, что отрицательно сказывается на защитных свойствах покрытия.

Равномерность толщины осаждаемого покрытия улучшается с увеличением электропроводности электролита, ростом поляризации с ростом плотности тока, уменьшением выхода металла по току при повышении плотности тока, увеличении расстояния между катодом и анодом.

Способность гальванической ванны давать равномерные по толщине покрытия на рельефной поверхности называется рассеивающей способностью. Наибольшей рассеивающей способностью обладают комплексные электролиты.

Для защиты изделий от коррозии используют гальваническое осаждение многих металлов: цинка, кадмия, никеля, хрома, олова, свинца, золота, серебра и др. Применяют также электролитические сплавы, например Cu – Zn, Cu – Sn, Sn – Bi и многослойные покрытия.

Наиболее эффективно (электрохимически и механически) защищают черные металлы от коррозии анодные покрытия цинком и кадмием.

Цинковые покрытия применяются для защиты от коррозии деталей машин, трубопроводов, стальных листов. Цинк – дешевый и доступный металл. Он защищает основное изделие механическим и электрохимическим способами, так как при наличии пор или оголенных мест происходит разрушение цинка, а стальная основа не корродирует.

Покрытия из цинка занимают доминирующее положение. С помощью цинка защищают от коррозии примерно 20 % всех стальных деталей, и около 50% производимого в мире цинка расходуется на гальванические покрытия.

В последние годы получили развитие работы по созданию защитных гальванических покрытий из сплавов на основе цинка: Zn – Ni (8 – 12% Ni), Zn – Fe, Zn – Co (0,6 – 0,8% Co). При этом удается повысить коррозионную стойкость покрытия в 2-3 раза.