О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів
7.3. Захисні антикорозійні покриття
Методи захисту металів від корозії досить різноманітні, проте всі їх можна поділити на такі групи: Будь-якому з перелічених методів захисту обов'язково передує попередня підготовка поверхні металу, яка складається з таких операцій:
7.3.1.Металеві захисні покриття
Металеві захисні покриття поділяють на анодні та катодні. Якщо при виникненні електрохімічної корозії металеве покриття буде слугувати анодом і руйнуватиметься, воно називається анодним. Катодне ж покриття виконує роль тільки механічного захисту, оскільки воно ефективне до того часу, поки не оголиться основний метал, який у цьому випадку виступає анодом, та буде руйнуватись при елекрохімічній корозії. Для захисту залізовуглевих сплавів найкращими анодними покриттями є цинк та кадмій, а найбільш ефективними катодними - нікель, хром, олово. Наносять металеві покриття: гальванічним методом, зануренням деталі у ванну з розплавленим металом, методом плакирування (зварювання при гарячому прокатуванні накладених на сталевий лист з двох сторін тонких пластин захисного металу).
a) металеві покриття;
б) неметалеві покриття;
в) протекторний захист;
г) захист окисними плівками;
в) захист інгібіторами.
а) видалення з поверхні старого покриття, іржі;
б) знежирювання;
в) нанесення захисного покриття.
![]() |
![]() | ![]() |
![]() |
Рис. 7. 13. SYTCO - Установки цинкования |
Останній з методів має назву протекторний захист - це різновид захисту чорного металу нанесенням металевого покриття з більш низьким електродним потенціалом. При цьому в умовах електрохімічної корозії руйнується приєднаний метал (анод), а не стальна деталь.
Цинк та кадмій є електровід'ємними металами, тобто їхні потенціали значно менші потенціалу чорних металів. Тому в парі з ними цинк та кадмій виступають анодом, а внаслідок корозійних процесів на поверхні оцинкованого чи кадмованого металу розчиняється цинк (кадмій), а не основний метал. Отже, цинк та кадмій захищають чорні метали від корозії електрохімічно.
Швидкість руйнування цинкової плівки для більшості корозійних середовищ складає 6,0-20,0 мкм/рік, а кадмієвої у 1,5 менше. Підвищену корозійну стійкість мають блискучі цинкові покриття, що досягається хроматуванням у додаткових розчинах або способом освітлення в розчині азотної кислоти. Розглянемо для прикладу детальніше процес цинкування.
Розрізняють два основних електроліти для електрохімічного цинкування:
Цинк із простих кислих електролітів виділяється електролізом на катоді в результаті розряду простих гідротованих іонів за схемою: Zn2+ + 2e → Zn. Добавки органічних речовин (декстрин, гуміарабік та ін.) підвищують катодну поляризацію й створюють більш дрібнодисперсну структуру покриття. Для збільшення електропровідності електролітів уводиться сульфат натрію.
Суттєву роль у сірчанокислих електролітах відіграє кислотність, оптимальне значення якої рН=4-4,5. При збільшені кислотності зменшується катодний вихід цинку внаслідок інтенсивного виділення водню, а за рахунок корозії анодів анодний струм зростає. При зменшенні кислотності можливе утворення гідроксиду цинку та погіршення якості покриття. Для стабілізації кислотності елетроліту в сірчанокислий електроліт уводять добавки сульфату алюмінію.
Усі солі електрододатних металів (Cu, Pb, Ag, Sn та ін.), а також нітрати та деякі органічні речовини (скипидар, ацетон) є шкідливими добавками, які спричинюють утворення пористих покриттів.
Кислі електроліти є найбільш простими та дешевими. Вони стійкі за складом, не отруйні, допускають використання достатньо високих густин струму, а отже, при цьому досягається висока швидкість нарощування захисного шару.
У промисловості часто застосовуються й інші електроліти: лужно-ціанадні, цинкатні та аміакатні, котрі мають як певні недоліки, так і переваги. Так, використання лужно-ціанідних електролітів доцільне при необхідності одержання дрібнозернистої структури поверхні з достатньо товстим шаром захисного металу. А основні недоліки цього електроліту полягають у значному виділенні водню, що призводить до проникнення його в сталь та надає їй крихкості, а також у тому, що ці електроліти отруйні. Цинкатні електроліти в основному використовують тоді, коли неохідно одержувати блискучі поверхні без додаткової обробки. Для цього цинкатні електроліти насичуються поверхнево-активними речовинами. Для заміни шкідливих ціанідних електролітів були розроблені аміакатні (хлористі) електроліти. Вони прості за складом, стійкі в роботі. Цинк з таких електролітів виділяється за реакцією:
Для одержання світлих поверхонь у такий електроліт уводять столярний клей, тіосечовину, мездровий клей та ін. При введенні блискоутворювальних добавок утворюються покриття з високими декоративними якостями.
7.3.2. Неметалеві покриття
Неметалеві покриття - найбільш простий і дешевий спосіб захисту металевих виробів від корозії, який полягає в нанесенні олійних фарб, емалей, лаків, грунтовок. Найбільш ефективний захист - це нанесення тонкошарових полімерних плівок, а також покриттів із порошкоподібних полімерів. Особливості нанесення неметалевих покриттів та їхні властивості розглянуто в п.6.4.4.
7.3.3. Покриття окисними плівками
Покриття окисними плівками підрозділяють на оксидування, фосфотування та анодування. Оксидування, або воронування, проводять зануренням виробів у нагрітий розчин їдкого натрію або нітрату натрію до утворення на поверхні металу чорної чи коричневої оксидної плівки товщиною 0,5-1,5 мкм. Хімічне оксидування застосовують для пружин, стволів рушниць, різних деталей приладів, які в процесі експлуатації змащуються.
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Рис. 7. 15. . |
Фосфатування - це одержання фосфатних плівок на виробах із чорних, кольорових та легких металів. Фосфатні покриття, які утворюються на поверхні металів внаслідок взаємодії з розчинами ортофосфорної кислоти та її кислих солей. являють собою плівку не розчинних у воді фосфорнокислих сполук.
Фосфатні плівки складаються із дрібних кристалів, які зрослись між собою та хімічно зв'язані з металом. Через значну шорсткість поверхні фосфатні плівки мають специфічні фізико-хімічні властивості. Внаслідок наявності між кристаликами ультрамікроскопічних пор фосфатні плівки мають високі адгезійні властивості, добре адсорбують масла, лаки, мастила, які на них наносяться. Просочені ж цими речовинами плівки мають підвищені захисні властивості. Високі антифрикційні властивості фосфатних плівок, насичених маслянистими речовинами, полегшують протяжку, волочіння та інші операції холодної деформації металу.
Фосфатні плівки одержують відносно просто та легко. При взаємодії ортофосфорної кислоти з металом він розчиняється з утворенням первинного фосфору та виділенням водню:
Первинні фосфати, як завжди, розчинні у воді, причому їхня здатність до елекролізу з виділенням вільної H3PO4 має важливе значення в процесі фосфатування. Зниження кислотності розчину в результаті зазначеної реакціїї призводить до прискорення гідролізу первинних фосфатів з утворенням складнорозчинних вторинних та практично нерозчинних третинних солей:
Підвищення концентрації вільної ортофосфорної кислоти приводить до подальшого проходження процесу.
Плівка фосфатів неоднорідна за складом - у шарі, що прилягає до металу, вміст заліза максимальний, поверхневі ж шари складаються переважно із фосфатів марганцю. При фосфатуванні сталі формується плівка із двох шарів:
Товщина, структура, пористість, колір фосфатної плівки та інші властивості залежать від методу й режиму фосфатування, а також від складу оброблюваної поверхні. Колір плівки може змінюватись від світло-сірого до темно-сірого. Плівки світло-сірого кольору утворюються на низьковуглецевих сталях та кольорових металах. Більш темний колір утворюється при фосфатуванні високовуглецевих сталей і чавунів. Колір плівки може бути зеленуватим, якщо сталь містить хром та нікель. Наявність у металі міді надає плівкам червонуватого відтінку.
Товщина захисного шару залежить від технологічних умов фосфатування. Так, досить тонкі плівки (1-4 мкм) мікрокристалічної структури утворюються при фосфатуванні полірованих стальних поверхонь протягом 30 хвилин. Товсті крупнокристалічні плівки (10-12 мкм) утворюються при фосфатуванні поверхонь, попередньо оброблених мінеральною кислотою або при збільшенні температури фосфатного розчину до 98-100 оС. Можна одержувати плівки товщиною більше 100 мкм, попередньо обробивши сталь у 10-15% розчині HNO3.
У промислових умовах фосфатування чавуну, вуглецевої, мало- та середньолегованої сталі проводять методом занурення оброблюваних поверхонь у розчин МАЖЕФ, який має приблизно такий склад : 18-20% Mn2+; 0,14-0,15% Fe2+; 2,0-2,5% Fe3+; 60-70% PO43-; 1,0% SO42-; 0,01% Ca2+; 1-2% H2O. Найбільш ефективно процес фосфатування в такому розчині відбувається при 90-100 оС. А введення спеціальних домішок (азотнокислі солі цинку, барію та інших сполук) дає змогу значно прискорити цей процес. За наявності цих домішок зменшується процес виділення водню, що має суттєве значення при фосфатуванні пружин, тонкостінних виробів, хоча й захисні властивості таких плівок дещо гірші.
Як окремий вид фосфатування, розрізняють метод холодного фосфатування, котрий розроблений для обробки габаритних деталей із пульверизатора. Для температури повітря 15-25 оС оптимальний склад такої суміші : 30-60 г/л розчину МАЖЕФ; 50-70 г/л Zn(NO3)2; 2-4 г/л NaNO2. На оброблюваній цим розчином поверхні утворюється дрібнокристалічна плівка товщиною 3-8 мкм.
Про початок процесу фосфатування при кожному із вищерозглянутих методів свідчить виділення бульбашок водню, а припинення виділення водню свідчить про завершення цього процесу. Однак, після припинення виділення водню деталь необхідно витримати в розчині ще 5-15 хвилин, оскільки ріст плівки ще триває приблизно такий же час. Збільшувати процес витримки теж не варто, бо при цьому погіршується її якість через осідання на неї нерозчинних фосфатів. Значно погіршується якість плівок при накопиченні у робочому розчині домішок алюмінію, миш'яку, свинцю, сульфідів та хлоридів, які переходять у розчин із оброблюваних деталей.
7.3.4. Захист анодуванням та насененням інгібіторів
Анодування полягає в оксидуванні алюмінію та його сплавів в електролітичній ванні, де анодом є алюмінієва деталь, катодом - пластина свинцю, електролітом - розчин сірчаної кислоти. Внаслідок такої обробки захисна плівка металу зростає до 10-30 мкм.
Для захисту поверхні металу від корозії застосовують також інгібітори - речовини. які уповільнюють або зупиняють корозію в даному середовищі. До інгібіторів належать нітрат натрію, бензонат натрію, двохромокислий калій та інші. Інгібітори наносять на поверхню металу у вигляді порошка або розчину. При транспортуванні та зберіганні виробів у замкнених ємностях (ящиках, контейнерах) інгібітори можна розкладати в мішечках разом з поглиначами вологи (алюмогелями).
до наступної глави...
[ початок сторінки ] [ перехід до змісту ]