Все виды борьбы с коррозией металла можно разделить на три основных, направленных на изменение одного из факторов:
- Свойств самого металла;
- Свойств окружающей среды;
- Характера взаимодействия металлического изделия и среды на границе контакта.
Первые два можно отнести к химическим, третий – к технологическим методам.
Изменение свойств металла для предотвращения коррозии
Коррозионностойкое легирование - обработка, повышающая коррозионную стойкость металла, способствует гомогенизации структуры металла, снятию внутренних напряжений, предотвращению выпадения карбидов по границам зерен и др. Во многих случаях высокая коррозионная стойкость металлических конструкций достигается правильным выбором материалов — металлов и сплавов, устойчивых в данной коррозионной среде. Создание коррозионностойких сплавов достигается легированием — введением в их состав различных добавок (хрома, никеля, титана, молибдена, меди, кремния, алюминия, бериллия и др.), которые в большинстве случаев уменьшают анодную активность сплава за счет его пассивации в определенных коррозионных средах либо переводят местную коррозию металла в менее опасную сплошную коррозию. Обычно легирование проводят в том случае, когда металл конструкции не позволяет применять другие методы защиты. Повышение коррозионной стойкости металлов с помощью легирования достигается следующими способами:
- Введением легкопассивирующихся компонентов, которые способствуют образованию более совершенных экранирующих слоев на поверхности металла и расширению области пассивации. Так, для образования в атмосфере экранирующих слоев на меди вводят алюминий (алюминиевые бронзы), цинк (латуни), на железе — хром, никель, титан (нержавеющие стали).
- Введением компонентов, уменьшающих катодную активность сплава. Уменьшение катодной активности сплава достигается, когда легирующий элемент повышает перенапряжение катодного процесса (легирование магния марганцем с целью повышения его устойчивости в кислотах).
- Ведением компонентов, уменьшающих анодную активность сплава. Уменьшение анодной активности сплава достигается введением элементов, повышающих термодинамическую устойчивость анодной фазы (легирование меди золотом, никеля медью). Так, например, введение в медь 52,5 атомных процентов золота делает ее коррозионностойкой при коррозии с кислородной деполяризацией. Металлизация (гальванический метод), когда поверхность изделия покрывается более устойчивым к действию кислорода металлом, подаваемом в мелкодисперсном виде в форме ионизированного потока. Фосфатирование или оксалатирование – обработка поверхности металла фосфатными солями марганца и цинка, либо щавелевой кислоты. Термическая обработка - нагрев металла до температуры выше 900◦С. Как правило, она применяется в сочетании с насыщением поверхности заготовки хромом, азотом, алюминием, кремнием. Анодирование - преобразование структуры двойного электрического слоя. На металлическую поверхность воздействуют постоянным электрическим полем с заданными параметрами напряжения, которые подбираются в соответствии со свойствами металла. Это увеличивает его электродный потенциал и повышает устойчивость к коррозии верхнего слоя. Такой способ обычно используют для алюминия.
Изменение свойств окружающей среды
Параметры окружающей металлическое изделие среды можно менять с помощью ее ингибирования, обескислороживания, осушения воздушной смеси и устранения агрессивных веществ – солей, кислот.
Изменение характера взаимодействия металла со средой (антикоррозийная обработка металла)
Грамотное проектирование металлических конструкций, при котором подбирается наиболее устойчивый к действию факторов конкретной среды металл, устраняются зазоры, застойные зоны, соприкосновения разнородных металлов. К необычным способам относится высоковязкая технологическая смазка из окислов железа – закиси-окиси Fe3O4. Температура образования данного вещества составляет +250-500◦С. Образуя на поверхности плотную пленку, он не дает кислороду проникать к металлу, не позволяя развиваться трибохимической коррозии. Данный метод применяется на металлургических предприятиях в процессе скоростной высадки сплавов и металлов труднодеформируемых типов.
Для защиты металлических изделий от атмосферной коррозии достаточно широко применяются антикоррозионные смазки. В качестве таких смазок используются нефтяные масла, вазелин, воск.
Нефтяные смазки относительно дешевы, не взаимодействуют с защищаемым металлом, достаточно стабильны при хранении и применении, их легко наносить, удалять, возобновлять. Применение таких смазок не требует тщательной подготовки поверхности защищаемого изделия.
Слой смазки, нанесенный на металлическую поверхность, препятствует проникновению воды и кислорода воздуха к металлу и тем самым затрудняет протекание коррозионных процессов.
Самый распространенный метод защиты металлов от электрохимической коррозии - нанесение различных защитных металлических и неметаллических покрытий. Механизм действия большинства защитных покрытий - предотвращение контакта защищаемой поверхности металла с агрессивной коррозионной средой.
Защитные покрытия должны быть коррозионно-стойкими в определенных агрессивных средах, иметь прочное сцепление с основным металлом и в большинстве случаев иметь хороший внешний вид.
Неметаллические защитные покрытия.
Лакокрасочные покрытия Основная роль неметаллического покрытия как средства защиты металлов от коррозии сводится к изоляции металлической поверхности от внешней коррозионной среды.
К неметаллическим покрытиям предъявляются следующие требования: беспористость, хорошее сцепление (адгезия) с поверхностью металла, газо- и водонепроницаемость, химиче‑ ская стойкость в условиях эксплуатации и достаточная механическая прочность.
Перед нанесением защитных неметаллических покрытий поверхность защищаемого металла очищают механическим, химическим или электрохимическим способом от ржавчины, окалины, жиров и других загрязнений. Это способствует повышению прочности сцепления наносимого покрытия с поверхностью металла, а также повышению их качества. Для повышения прочности сцепления лакокрасочных покрытий с металлической основой поверхность изделий предварительно подвергают фосфатной обработке. Фосфатирование увеличивает защитные свойства покрытия, улучшает адгезию краски к металлу.
В качестве неметаллических покрытий для защиты металлов от коррозии наибольшее распространение получили лаки, краски, эмали, полимерные композиции.Основными достоинствами лакокрасочных покрытий являются: дешевизна, простота нанесения, легкость восстановления разрушенного покрытия, сочетаемость с другими способами защиты, возможность получения покрытия любого цвета. К недостаткам лакокрасочных покрытий следует отнести малую термостойкость, невысокую механическую прочность, набухаемость.
Основой лакокрасочного покрытия являются органическое пленкообразующее вещество и краситель. Краски представляют собой суспензию минеральных пигментов в органическом связующем. Так, масляные краски состоят из двух основных частей: почти бесцветного жидкого высыхающего масла и взвешенных в нем частичек окрашивающего вещества — пигмента. В качестве пигментов используются цветные оксиды и нерастворимые соли металлов, металлические порошки, а также нерастворимые органические соединения. Наиболее широко используемые пигменты: оксиды свинца, цинка, титана, железа, хроматы цинка, бария, свинца, сульфат бария, карбонат свинца, сажа, тальк, цинковая или алюминиевая пудра. В состав пигмента могут вводиться ингибиторы коррозии металлов, в качестве которых используются сурик (Pb3O4), хромат цинка и др. Связующими являются растительные масла: льняное, конопляное. Наиболее распространенный масляный пленкообразователь — олифа, которую приготавливают из высыхающих растительных масел. На воздухе олифа окисляется и полиме‑ ризуется до твердого состояния. Для ускорения полимеризации в олифу добавляют небольшое количество сиккатива, который является катализатором полимеризации. В последнее время производятся краски, которые содержат в своем составе легко полимеризующиеся синтетические вещества.
Лаки — коллоидные растворы высыхающих масел, смол в летучих органических растворителях. Лаки содержат в своем составе естественные и синтетические смолы (например, нитроцеллюлоза), которые при нанесении лаков на поверхность металла и испарении растворителя образуют сплошную пленку. Подобные пленки более упруги, чем пленки из масляных красок, и поэтому лучше переносят изменение формы металлического предмета. Однако их защитное действие слабее. Используются также лаки, которые образуют защитную пленку только при нагревании. Эти лаки состоят из искусственно синтезированных соединений, чаще всего фонол-формальдегидных смол, которые полимеризуются при нагревании и после охлаждения создают защитное покрытие. Покрытия из таких лаков более плотные, менее пористые, чем покрытия из масляных красок, они достаточно упруги и хорошо противостоят износу.
Все применяемые в настоящее время краски в известной степени проницаемы по отношению к воде и кислороду воздуха. Поэтому для того, чтобы лакокрасочное покрытие смогло обеспечить надежный барьер для диффузии влаги и кислорода к поверхности металла, оно должно быть многослойным. Обычно лакокрасочное покрытие наносят на окрашиваемую поверхность в несколько тонких слоев, причем каждый после‑ дующий слой наносят после того, как предыдущий совершенно высох.
Первый слой лакокрасочного покрытия называется грунтом. Он обеспечивает прочную адгезию с металлической основой и последующими слоями краски, а также антикоррозионную защиту. Последняя достигается введением в состав грунта пигментов замедлителей коррозии и применением пленкообразующих веществ, обладающих высокой водостойкостью и малой газопроницаемостью. После высыхания первого грунтовочного слоя наносят второй слой или же верхние декоративные слои покрытия. Обычно окрашивание ведут в два и более слоев.
Защитные свойства лакокрасочного покрытия зависят от вида применяемого пигмента. Краски, содержащие пигменты — ингибиторы коррозии, оказывают защитное действие даже после повреждения покрытия. Кроме ингибирующего действия пигменты уменьшают набухаемость краски в воде, что также повышает защитный эффект лакокрасочного покрытия.
Полимеризация пленкообразователя в масляных красках при высушивании на воздухе протекает довольно медленно и неполно. Практически полная полимеризация достигается только при горячей сушке. Поэтому применение горячей сушки желательно для всех маслосодержащих грунтов и масляных красок.
Со временем изолирующие свойства лакокрасочных покрытий ухудшаются. Однако даже при недостаточной изоляции металла (набухание пленки, проникновение раствора через пленку) электрохимическая коррозия металла с покрытием менее интенсивна, чем без покрытия.
Достоинство лакокрасочных покрытий — их небольшая стоимость и простота нанесения на изделие. Лакокрасочные покрытия наносят с помощью кисти, погружением в лакокрасочную массу, распылением (пульверизацией), электрофорезом (распыление в электрическом поле) и т. д. Недостаток — сравнительно малая продолжительность защитного действия, особенно при одновременном механическом воздействии или повышенной температуре.
Эмали представляют собой разновидность стекла с низкой температурой плавления (сплавы различных силикатов: полевого шпата, кварца, песка, буры, криолита и т. д.). Высокая химическая стойкость эмалей обусловлена присутствием буры и кремнезема; термостойкость обеспечивается близостью температурных коэффициентов линейного расширения покрытия и металла. Эмалевые покрытия стойки к минеральным и органическим кислотам, солям, газовым средам. Эмалирование применяется для защиты металлических изделий, используемых при высоких температурах, в частности кухонной посуды, химических реакторов и т. п.