Защита металлов от электрохимической коррозии

Коррозионно-стойкие сплавы.При эксплуатации ме­таллических конструкций в жестких условиях (например, при работе в агрессивных растворах, при повышенных температурах и давлениях), в условиях, когда недопусти­мо загрязнение продуктами коррозии рабочих сред (на­пример, в пищевой промышленности), наиболее эффекти­вен метод повышения коррозионной устойчивости непо­средственно самого конструкционного материала за счет его легирования другими металлами. Все это вызвало большое возрастание производства специально легиро­ванных сталей и различных других сплавов.

Коррозионно-стойкие сплавы классифицируют по трем признакам: по составу, по характеру устойчивости и структуре. По составу различают сплавы на основе же­леза, медные, никелевые сплавы, легкие сплавы на основе алюминия, магния и титана, сплавы благородных и редких металлов и некоторые другие. Основными легирую­щими компонентами химически стойких сплавов на же­лезной основе являются хром, кремний, никель. Так, на­пример, нержавеющая сталь для пружин, шарикоподшип­ников, режущего и измерительного инструмента изгото­вляется на основе хрома 4X13 (ЭЖ-4); для оборудования химических заводов, соприкасающегося с горячей азотной кислотой и нитрозными газами, — хромоникелевая сталь Х17Н2 (ЭИ268). Основной конструкционный материал для химической промышленности, а также для деталей машин и приборов других производств, работающих в сильно агрессивных условиях, хромоникелевая сталь IX18H9T и некоторые другие стали.

Обработка внешней среды.Сущность этого метода за­ключается в удалении некоторых реагентов, присутствующихв окружающей среде и вызывающих корро­зию, или же в добавлении специальных веществ, замед­ляющих коррозионные процессы. Такие вещества назы­ваются замедлителями (ингибиторами). Так как электро­химическая коррозия является результатом двух взаимно связанных процессов — анодного и катодного, то доба­вленные вещества могут замедлить процесс коррозии, действуя на анодные или катодные реакции, а также одновременно на обе. В качестве замедлителей, напри­мер, используют нитрит натрия (анодный замедлитель), сульфит натрия (катодный замедлитель), дихромат и хро­мат калия (смешанный замедлитель). Нитрит натрия при­меняют как для кратковременной межоперационной за­щиты стальных деталей, так и для более длительной защиты при хранении и транспортировке. Его исполь­зуют в качестве замедлителей коррозии стали в охлаждающе-смазывающих жидкостях, в воде паровозных котлов. Хроматы и дихроматы применяют для защиты от коррозии в воде или растворах солей. Они замедляют коррозию практически всех важных металлов (Fe, A1, Си, Zn).

Кислотные замедлители коррозии чаще всего приме­няют при удалении с поверхности стали окалины или ржавчины в растворах кислот. Назначение кислотных за­медлителей коррозии заключается в том, чтобы предох­ранить основной металл от растворения, значительно снизить водородную хрупкость, а также расход кислоты при травлении. При травлении в серной кислоте приме­няют присадку ЧМ, катапин. В растворы НС1 при тра­влении добавляют ПБ-5.

В последнее время широкое распространение получи­ли так называемые летучие или парофазные ингибиторы, позволяющие защищать от коррозии стальные детали, а также детали из других металлов. Такими соединения­ми являются летучие вещества, большей частью органи­ческие аминосоединения. Ими, например, пропитывают оберточную бумагу, в которую заворачивают стальные иглы, измерительный инструмент и т. п., а также исполь­зуют для защиты деталей при транспортировке и хране­нии. В СССР в качестве ингибиторов для черных метал­лов применяются карбонат и бензоат моноэтаноламина. В растворах с высокой электропроводностью (напри­мер, в морской воде) применяется электрохимическая защита от коррозии. Этот способ защиты осуществляет­ся присоединением к конструкции металла, имеющего более отрицательный потенциал (протектора), или с по­мощью тока, приложенного извне. Например, для за­щиты стали в контакте с металлической конструкцией укрепляют цинковую пластинку. Для защиты прило­женным извне током необходимо иметь источник по­стоянного тока и дополнительный электрод, который служит анодом. Защищаемое изделие присоединяется к минусу источника тока и поляризуется катодно, а до­полнительный электрод, присоединенный к плюсу, поля­ризуется анодно. Защита протекторами и внешним током применяется для предохранения от коррозии корпусов судов, подземных металлических сооружений — трубо­проводов, газопроводов, резервуаров и т. п.

Наибольшее распространение в промышленности для защиты от коррозии, а также для придания декора­тивных и специальных свойств изделиям получили по­крытия: металлические, неметаллические (органического и неорганического происхождения), а также покрытия, полученные в результате химической и электрохимиче­ской обработки металлов.

Металлические покрытия(кроме защиты от коррозии и придания изделиям декоративных свойств) наносятся на поверхность для повышения ее износостойкости (хро­мирование), повышения электропроводности и снижения переходного сопротивления (серебрение), придания спе­циальных магнитных свойств (сплав железо — никель и др.) и т. п.

Все металлические покрытия по их полярности отно­сительно защищаемого металла подразделяются на ка­тодные, электродный потенциал которых в данных условиях положительнее потенциала защищаемого металла (Аи, Ag, Си, Ni и другие на углеродистой стали), и анодные, электродный потенциал которых в данных ус­ловиях отрицательнее потенциала защищаемого металла (Zn и в ряде случаев Cd на обычной стали). Катодные по­крытия в обычных условиях защищают основной металл механически, изолируя его от внешней среды. При нару­шении их сплошности коррозия из-за образующихся ак­тивных гальванических пар может резко усилиться. Анодные покрытия в обычных условиях защищают ме­талл не только механически, но и путем электрохимиче­ской защиты, так как при нарушении их сплошности (по­ры, трещины и т. п.) обнажившийся металл будет играть роль катода и не будет растворяться.

Металлические покрытия наносят следующими спосо­бами: а) погружением в расплавленный металл; б) меха­нически (плакированием); в) электроосаждением (гальва­нические покрытия); г) химическим восстановлением; д) осаждением в вакууме; е) с помощью напыления; ж) термодиффузией.

Погружение в расплавленный металл — это старей­ший и наиболее простой способ нанесения на лен­ту, проволоку, листы и т. п. цинка, олова, свинца, алю­миния. При этом способе покрываемую поверхность очищают от загрязнений, пропускают через слой флюса для удаления влаги и следов оксидов и погружают на ко­роткое время в расплавленный металл, по извлечении из которого на покрываемой поверхности удерживается тонкий слой металлопокрытия. Этот способ приводит к значительному расходу цветных металлов и затрудняет регулирование толщины осаждаемого покрытия. Поэто­му в настоящее время он вытесняется другими более эф­фективными способами, в частности электроосаждением. Механотермический метод (плакирование) применяют для изготовления биметаллических листов и ленты. Так плакируют сталь медью или латунью, дюралюминий — чистым алюминием, углеродистую сталь — нержавеющей сталью.

Метод электроосаждения, или гальванический метод, изобретен в 1837 г. русским академиком Б. С. Якоби. В настоящее время он является самым распростра­ненным методом получения металлических покрытий. Покрываемые детали после тщательной подготовки, за­ключающейся в необходимых случаях в шлифовке и по­лировке поверхности (например, при нанесении защитно-декоративных покрытий) и в удалении различных загряз­нений, погружают на специальных подвесках в электро­лит, содержащий ионы наносимого металла и другие компоненты, и подключают к катодной штанге электро­лизера. Анодами в электролизере обычно служат пла­стины из осаждаемого металла. В ряде случаев, напри­мер при хромировании, применяют нерастворимые аноды. С помощью этого метода осаждают различные металлы (Zn, Cd — для защиты от коррозии, Sn — для улучшения паяемости, Сг — для повышения износостой­кости, Ag — для повышения электропроводности, Аи — для предохранения электроконтактов от окисления и в декоративных целях, трехслойное защитно-декоратив­ное покрытие Си — Ni — Сг и др.). Осаждаются также и различные сплавы: Ni — Fe, Ni — Fe — Co, Ni — Fe — Mo — для придания магнитных свойств, Sn — Bi — для улучшения паяемости, Аи — Си — для декоративных це­лей и т. п. В качестве электролитов применяют самые разнообразные составы: кислые, щелочные (цианистые и нецианистые) и др.

В последнее время широкое применение в промыш­ленности нашли электролиты для меднения, никелирова­ния и нанесения других покрытий, содержащие спе­циальные блескообразующие и выравнивающие добавки, позволяющие в процессе электролиза получать блестя­щие покрытия, не требующие полировки и обладающие повышенной чистотой обработки поверхности, а также комбинированные многослойные покрытия, обладающие повышенной коррозионной стойкостью (биникель, триникель, никель «СИЛ» с последующим хромированием). Метод электроосаждения металлов имеет целый ряд преимуществ перед другими методами: легкая управляе­мость процессом (регулирование толщины и свойств по­крытий путем изменения состава электролиза и режима электролиза, а также применения ультразвука, магнитных полей и пр.); высокая чистота и относительная равномер­ность покрытия; высокая адгезия покрытий с покры­ваемым металлом и др.

В настоящее время широкое распространение получил метод химического восстановления некоторых металлов (меди и никеля) без тока с применением специальных восстановителей. Химическое меднение применяют чаще всего при осаждении меди на диэлектрики, например при изготовлении печатного монтажа, химическое никелиро­вание — для осаждения никеля на профилированные детали. Термообработка значительно повышает твердость химически осажденного никеля, которая значительно пре­вышает твердость обычного никеля, осажденного элек­тролитическим путем.

Защитные пленки на металлах могут быть получены в результате химической или электрохимической обра­ботки их поверхности в специальных растворах. В каче­стве примера можно привести оксидирование и фосфати-рование стали и оксидирование алюминия. Оксидирова­ние обычно применяется для защиты стальных изделий от коррозии в легких эксплуатационных условиях. Фос-фатирование стали применяется, главным образом, для создания хорошего подслоя для последующего нанесения лакокрасочных покрытий. При этом повышается их адге­зия и коррозионная стойкость. Процесс фосфатирования можно вести в 3%-ном растворе препарата «Мажеф» при температуре 98 °С в течение 30 — 60 мин. Оксидирование алюминия и его сплавов осуществляется чаще всего элек­тролитическим путем в результате анодной обработки в растворах серной кислоты (20 %-ной). Оксидные пленки на алюминии обладают специфической микропори­стостью, в результате чего легко окрашиваются в раз­личные цвета в растворах анилиновых красителей.

Оксидные пленки, полученные в специальных электро­литах и при особых режимах (пониженная температура, повышенное напряжение), используются для повышения износостойкости деталей из алюминия и его сплавов и придания им изоляционных свойств. В последнее время получают значительное распространение компози­ционные покрытия (гетерогенные), выделяемые из элек­тролитов суспензий и содержащие неметаллические включения. Они превосходят обычные покрытия по твер­дости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. п. Неметаллические покрытия.Этот вид покрытий вклю­чает в себя органические и неорганические покрытия. Простейшими видами органических покрытий являются смазки (различные минеральные масла, вазелин, рас­творы парафинов, битумов и др.), применяющиеся для временной защиты металлов от коррозии в виде высоко­вязких композиций — консистентных смазок.

Лакокрасочные покрытия — наиболее распростра­ненный способ защиты металлов от коррозии в атмосфе­ре и некоторых других коррозионных условиях (окраска речных и морских судов, водонапорных баков и др.). Краски представляют собой суспензии минеральных веществ: красителей (оксиды свинца, цинка, железа, сажи, алюминиевого порошка и др.) в пленкообразователе (олифе, масляно-смоляной смеси) с добавками наполни­телей, придающих пленке повышенную прочность (слю­да, графит, тальк и др.), и сиккативов (органических солей свинца, кобальта или марганца), ускоряющих образова­ние твердой масляной пленки в результате окисления при воздушной сушке.

Лаки являются коллоидными растворами высыхаю­щих масел, смол или эфиров целлюлозы в летучих орга­нических растворителях (бензине, бензоле, ацетоне, этилацетате, скипидаре и др.). Лакокрасочные покрытия наносятся на очищенную поверхность изделий кистью, напылением, погружением в окрасочную массу, электро­осаждением. Наиболее экономичным является напыление в электростатическом поле высокого напряжения и элек­троосаждения. Лакокрасочные покрытия наносят обычно в несколько слоев по предварительно нанесенным спе­циальным грунтам.

К органическим покрытиям относятся также покры­тия смолами, которые наносят жидкими в нагретом и растворенном состоянии. Так наносят, например, эпок­сидные и кремнийорганические смолы, обеспечивающие защиту в агрессивных условиях эксплуатации, фенолформальдегидные, асфальтобитумные смолы и др. Покрытие смолами осуществляется также с помощью газопламен­ного напыления (полиэтилен, фторопласт), а также с по­мощью футеровки листовым материалом (фаолит, вини­пласт и др.). Гуммирование осуществляется футеровкой аппаратуры резиной и эбонитом, обладающими высокой стойкостью в ряде агрессивных сред.

К неорганическим покрытиям относятся: цементные и бетонные покрытия, применяемые в ряде случаев для защиты от коррозии металлических конструкций (трубо­проводов, резервуаров); силикатные эмали, довольно ши­роко применяемые в быту, кислотоупорные плитки, при­меняемые для футеровки различных емкостей и аппара­тов, главным образом, в химической промышленности.