Легирование для повышения коррозионной стойкости металлов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Защитные покрытия

 

3.1 Неметаллические неорганические покрытия

 

 К этим видам защитных  покрытий относятся эмалирование  и футеровка аппаратов.

Эмалирование применяется в тех случаях, когда через защищаемую от коррозии поверхность металла необходимо передавать значительные количества тепла.

Эмалирование – это многократное наплавление стекловидного материала на поверхность металла при повышенных (760 - 900 °С) температурах до получения сплошного покрытия, толщина которого составляет 0,8 - 1,2 мм.

Сначала наносят слой грунтовой  эмали, предназначенной для прочного соединения покрытия с металлической  поверхностью и компенсации градиента  температурных коэффициентов линейного  расширения металла и наплавленного  слоя из покровной эмали. А затем наносят слой покровной эмали, обеспечивающей коррозионную защиту.

Качество покрытия, нанесенного  на поверхность металла, в основном зависит от качества подготовки поверхности  изделия к нанесению покрытия. Подготовку металла осуществляется в 2 стадии: термическая обработка  и механическая.

Футеровкой называется покрытие поверхности аппаратов, подвергающейся коррозии, химически стойким облицовочным материалом (в большинстве случаев плитками).

В качестве облицовочных материалов применяют метлахские плитки, кислотоупорный кирпич, стеклянные, графитовые, диабазовые плитки, плитки из каменного литья, а также полимерные материалы (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и  т.д.). Наиболее распространена футеровка  диабазовыми плитками и плитками из каменного литья. Эти материалы  обладают хорошей химической стойкостью и выдерживают воздействие кислот и щелочей как на холоду, так  и при нагревании.

3.2 Покрытия из органических материалов

 

В качестве защитных покрытий этого  типа в химической промышленности применяются  гуммирование, покрытие некоторыми пластмассами, а также лакокрасочными материалами.

Гуммирование  — это покрытие поверхности аппарата резиной.

Серийные гуммировочные материалы  изготовляют на основе натурального (изопренового) и синтетических (бутадиенового) каучуков, смешанных с наполнителями (сажей, серой, белилами). 

Сырой каучук липок, непрочен, а при  небольшом понижении температуры  становится хрупким. Чтобы придать  изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации –  вводят в него серу, а затем нагревают. Вулканизованный каучук называется резиной. При вулканизации сера присоединяется к двойным связям макромолекул каучука  и "сшивает" их, образуя дисульфидные мостики

Пластмассы и смолы обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, в том  числе в воде и ряде кислот и  щелочей. Их наносят послойно в жидком состоянии (нагретом или растворенном) пламенным напылением или футеровкой листовым материалом. Чаще других используют фенол-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, асфальтобитумные покрытия.

Лакокрасочные покрытия применяют для защиты от коррозии наружных поверхностей аппаратуры и емкостей и коммуникаций. Защитные действия лакокрасочного покрытия заключаются в создании на поверхности металлического изделия сплошной пленки, которая препятствует агрессивному воздействию окружающей среды и предохраняет металл от разрушения.

Основными достоинствами лакокрасочных  покрытий являются:

1. сравнительная дешевизна;
2. относительная простота нанесения;
3. легкость восстановления разрушенного покрытия;
4. сочетаемость с другими способами защиты, например протекторной защитой, фосфатными и оксидными покрытиями;
5. возможность получения покрытий любого цвета, обладающих наряду с защитными свойствами красивым внешним видом.

К недостаткам лакокрасочных покрытий следует отнести малую термостойкость (предельная температура наиболее термостойких красок               (150 - 200 ºС), сравнительно невысокую механическую прочность, стойкость в водной среде.

Эффективность применения лакокрасочных  покрытий целесообразна при условии  долговечности эксплуатации не более 10 лет и скорости коррозии металла до 0,05 мм/год.

 

3.3 Металлические  покрытия

 

 Основная цель нанесения защитных металлических покрытий — создание на поверхности металлов защитных слоев, которые обладали бы более высокой коррозионной стойкостью, чем основной металл.

Защитные покрытия металлами широко применяют на практике. Распространение получили следующие  способы нанесения покрытий: горячий, металлизация, диффузионный, гальванический и путем плакирования.

 

 3.3.1 Горячий способ

 

Благодаря простоте и большой скорости процесса горячий  способ (или способ погружения в расплавленный металл) покрытия получил широкое распространение. Сущность процесса заключается в том, что покрываемое изделие из металла с высокой точкой плавления на короткое время (несколько секунд) погружают в ванну с расплавленным металлом с более низкой точкой плавления. При этом расплавленный металл взаимодействует с погруженным в него изделием и путем диффузии внедряется в него до некоторого предела, образуя внутренний соединяющий слой. Процесс внедрения расплавленного металла в покрываемое изделие в основном зависит от времени нахождения изделия (или конструкции) в ванне. При длительном ведении процесса на поверхности покрываемого изделия может образоваться ряд слоев, различающихся между собой по составу и физическим свойствам. Толщина отдельных слоев и покрытия в целом зависит от природы расплавленного металла, температуры ванны и времени выдержки изделия в ванне. Толщина покрытия может расти лишь до некоторого предела, выше которого покрытие делается настолько хрупким, что становится непригодным. Толщина покрытий, полученных методом горячего погружения, в общем относительно велика по сравнению с покрытиями, полученными другими способами.

Недостатки горячего метода нанесения защитного металлического покрытия:

а) невозможность получения равномерных по толщине покрытий на изделиях сложной геометрической формы и изделиях с узкими отверстиями;

б) сравнительно большой расход цветных металлов;

в) ограниченность способа, так как он практически 
применим в промышленности только к металлам с низкой точкой плавления.

 

 3.3.2 Металлизация

 

Одним из методов  получения защитных покрытий является напыление металлов, или металлизация. Процесс металлизации распылением заключается в нанесении металлических покрытий на поверхность изделий любой формы путем распыления расплавленного металла струей  сжатого воздуха. Широкое применение в промышленности получила металлизация цинком, кадмием, алюминием, свинцом, оловом, никелем, медью, бронзой, высокоуглеродистой сталью. Покрытия наносят с целью защиты изделий от действия атмосферы, воды и других коррозионных сред, для придания изделиям декоративности, для восстановления изношенной трущейся поверхности, с целью исправления брака при механической обработке, устранения дефектов в литье, а также для придания изделиям различных специфических свойств, необходимых им в процессе эксплуатации, например жаростойкости, электропроводности и т. д.

Металлизацией можно  покрывать большие сложной формы  конструкции в собранном виде. Покрывать металлами можно любые материалы. Металлизацию осуществляют при помощи специальных аппаратов — металлизаторов. В зависимости от источника тепла, необходимого для расплавления металла, разработаны две схемы металлизации распылением: электрическая и газовая. Металл, употребляемый для металлизации, может быть в виде проволоки, ленты, порошка или в расплавленном виде.

 Напыленное  покрытие в отличие от основного  металла характеризуется пористостью, которая делает это покрытие проницаемым. Проницаемость уменьшается с увеличением толщины напыленного слоя. В покрытиях, применяемых для антикоррозионных целей, пористость вредна, так как через поры проникают воздух и влага и металл подвергается коррозии.

 

3.3.3 Диффузионный способ

 

Диффузионное  покрытие представляет собой защитный слой на металле, полученный при нагревании защищаемого изделия в порошке металла покрытия. Процесс можно осуществлять также нагреванием изделий в атмосфере паров летучих соединений металлов.

Процесс диффузионного  насыщения поверхности покрываемого металла ведут при высокой температуре в восстановительной или нейтральной атмосфере.

Толщина диффузионного  покрытия, получаемого в результате насыщения одного металла другим, зависит от температуры процесса и времени выдержки.

Для промышленных нужд с  целью защиты от коррозии представляют интерес следующие диффузионные процессы:

1. алитирование (покрытие алюминием);
2. силицирование (покрытие кремнием);
3. термохромирование (покрытие хромом);
4. цинкование (покрытие цинком).

 

3.3.4 Плакирование

 

Плакирование  — процесс механического покрытия (облицовки) одного металла другим —  проводят главным образом с целью защиты от коррозии и замены цветного металла черным, более дешевым и менее дефицитным.

Сталь, как наиболее дешевый металл, служит металлической базой в плакированном металле.

Плакированный металл изготовляют механико-термическим или электролитическим способом, путем совместной прокатки или горячей прессовки. В первом случае стальная болванка, очищенная от окалины и грязи, пакетируется, обертывается плакирующим металлом и загружается в нагревательную печь, где при температуре 830 - 860 °С плакированный пакет находится  1,5 - 2 ч, после чего он поступает в прокатный стан для прокатки в лист или полосу. Во втором случае электропрокатке подвергают стальную заготовку, залитую плакирующим металлом. Технологический процесс сводится к тому, что очищенную от окалины и грязи стальную металлическую болванку предварительно подогревают и устанавливают в металлическую форму (кокиль). В зазор между установленной болванкой и стенкой кокиля заливают плакирующий металл; получается болванка со стальным сердечником, окруженным сварившимся с ним плакированным металлом. Полученные по такому способу болванки загружают в нагревательную печь, откуда после двухчасового нагрева при температуре до 860 °С они поступают в прокатный стан.

Химическая чистота, а также физическое состояние  слоя плакировки определяют в основном его защитные свойства от коррозии. Различные повреждения и загрязнения плакирующего слоя способствуют проникновению коррозии к основному металлу.

3.3.5 Гальванические покрытия

 

Металлические гальванические покрытия получаются при выделении  металлов из растворов солей и  осаждения их на поверхности защищаемых изделий при воздействии постоянного  электрического тока. Эти покрытия отличаются чистотой осажденных металлов, коррозионной стойкостью и хорошими механическими свойствами. Их применяют в целях защиты от коррозии и для улучшения внешнего вида изделий, повышения поверхностной твердости и износостойкости.

Широкое распространение  в промышленности имеют электролитические  покрытия цинком, кадмием, оловом, свинцом, серебром, медью, золотом, никелем, хромом, а также сплавами — латунью, бронзой и др.

Процесс гальванического  осаждения позволяет регулировать толщину слоя в самых широких пределах — от одного микрона до нескольких миллиметров.  Покрытие обладает высокой чистотой и равномерно распределяется по поверхности металла. Однако этот способ нанесения металлических покрытий имеет недостатки: а) наносить покрытия можно только на изделия небольших габаритов, что связано с небольшими размерами ванн, в которых ведется процесс; б) необходимо строго соблюдать технологический процесс, иначе можно получить изделия, у которых покрытие непрочно сцеплено с основным металлом;        в) довольно большой расход электроэнергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Электрохимическая защита

 

Электрохимическая защита является способом противокоррозионной защиты металлических материалов, основанным на снижении скорости их коррозии путем смещения потенциала до значений, соответствующих крайне низким скоростям растворения. Сущность метода состоит в уменьшении скорости электрохимической коррозии металла при поляризации электрода от источника постоянного тока или при контакте с добавочным электродом, являющимся анодом по отношению к корродирующей системе.

В зависимости  от направления смещения потенциала металла электрохимическая защита подразделяется на катодную и анодную.

 

1. Катодная защита

 

Катодная защита применяется в тех случаях, когда металл не склонен к пассивации. Осуществление катодной защиты возможно различными способами: снижением скорости катодной реакции (например, деаэрацией растворов, в которых протекает коррозионный процесс); поляризацией от внешнего источника тока; созданием контакта с другим материалом, имеющим в рассматриваемых условиях более отрицательный потенциал свободной коррозии (протекторная защита).

Катодную  защиту с использованием поляризации  от внешнего источника тока применяют для защиты оборудования из углеродистых, низко- и высоколегированных и высокохромистых сталей, олова, цинка, медных и медно -  никелевых сплавов, алюминия и его сплавов, свинца, титана и его сплавов. Как правило, это подземные сооружения (трубопроводы и кабели различных назначений, фундаменты, буровое оборудование), оборудование, эксплуатируемое в контакте с морской водой (корпуса судов, металлические части береговых сооружений, морских буровых платформ), внутренние поверхности аппаратов и резервуаров химической промышленности. Часто катодную защиту применяют одновременно с нанесением защитных покрытий. Уменьшение скорости саморастворения металла при его внешней поляризации называют защитным эффектом.