Электрохимическая коррозия

По характеру  защитного действия против коррозии металлические покрытия подразделяются на катодные и анодные. К катодным покрытиям относятся такие покрытия, при которых покрывающий металл имеет более положительный электродный  потенциал, чем металл защищаемого изделия, например сталь, покрытая оловом или медью. При нарушении целостности катодного покрытия оно перестает защищать изделие от коррозии, более того, присутствие такого металла на поверхности изделия усиливает его коррозию. Анодными покрытиями являются такие покрытия, при которых покрывающий металл имеет в данной среде более отрицательный электродный потенциал, чем защищенный, например, при покрытии стали цинком.

Анодное покрытие будет защищать основной металл при разрушении его целостности, лишь само подвергаясь разрушению. Следовательно, требования герметичности при нанесении анодного покрытия не очень существенно, тогда как катодное покрытие должно быть сплошным и непроницаемым для агрессивной среды.

Гальванический  метод. Гальванические покрытия широко применяют в машиностроении, так как нанесение их на изделия обеспечивает получение прочных покрытий при небольших расходах и потерях металла. Процесс получения гальванического покрытия состоит в выделении и осаждении металла или сплава из водных растворов их солей пропусканием постоянного электрического тока через электролит. Покрываемое изделие в электролизере служит катодом, а анодом – осаждаемого металла (растворимые аноды), графита или металла нерастворимого в электролите (нерастворимые аноды). В качестве электролита применяются соли тех металлов, металл которых наносится на поверхность защищаемого изделия.

Гальванические  покрытия можно наносить на изделие  толщиной от микрон до нескольких миллиметров. Покрытия обладают высокой чистотой и равномерно распределены по всей защищаемой поверхности. Гальванический способ нанесения покрытий имеет ряд преимуществ перед другими способами и, в частности, отличается легкостью регулирования толщины покрытия, малым расходом металла, не требует нагрева электролита, обеспечивает нанесение и металлов, и сплавов, но получаемое по этому способу покрытие пористо.

Цинкование  изделий из чугуна и стали широко используется в практике. Объясняется  это тем, что цинк по отношению  к стали в водных растворах  служит анодом (анодное покрытие), поэтому при электрохимической коррозии он растворяется и предохраняет изделие от разрушения. Цинк устойчив к атмосферной коррозии. Толщина покрытий различна и составляет от 3 до 50 мкм.

Кадмий  наносят практически только гальваническим способом. Применяют его для защиты деталей, аппаратуры из стали от коррозии в морской воде, во влажном воздухе, в растворах некоторых солей и щелочах. Толщина кадмиевого покрытия зависит от условий эксплуатации и составляет 9 – 15 мкм для обычных условий и до 45 мкм для деталей, подвергающихся воздействию морской и горячей воды.

Олово устойчиво к влажному воздуху  и слабым органическим кислотам. По отношению к железу олово является катодным покрытием, поэтому стальные изделия оно защищает от коррозии механически при отсутствии пор. Толщина покрытий колеблется от 1.5 до 20 мкм.

Свинец  относится к химически стойким  элементам. Он устойчив к серной кислоте (до 75%), растворам ее солей, серосодержащим газам, слабой соляной кислоте. Толщина  покрытия составляет от 30 до 200 мкм.

Медь  неустойчива к атмосферной коррозии, так как она легко реагирует  с парами воды, с оксидом углерода (IV) воздуха, с серосодержащими газами и другими средами. Поэтому она не используется для защиты стали от коррозии, но широко применяется для получения многослойных защитно-декоративных покрытий в качестве промежуточной прослойки, например медь – никель – хром. Кроме того, медь применяют для улучшения пайки, увеличения электропроводности изделий. Толщина медных покрытий равна 5 – 30 мкм и более.

Никель  главным образом применяется  в качестве защитно-декоративного  покрытия, но он способен защитить стальные изделия от коррозии при условии  беспористости образующихся пленок. Никелевые покрытия обладают высокой  твердостью и износостойкостью. Они устойчивы против воздействия растворов щелочей, органических кислот, но разрушаются минеральными кислотами и растворами, содержащими аммиак. Толщина покрытий колеблется от 3 до 40 мкм.

Хромированные изделия обладают высокой поверхностной твердостью, износостойкостью, термостойкостью и химической устойчивостью. Они устойчивы в концентрированной азотной кислоте, растворах щелочей, органических кислотах, сероводороде, растворах многих солей. Хромистые покрытия применяются для защитно-декоративных целей, в производстве зеркал, отражателей, прожекторов, для увеличения износостойкости изделий, восстановления у деталей размеров. Толщина покрытий в зависимости от назначения равна 3 – 250 мкм и более.

Серебрение  в основном используется для придания деталям высокой электропроводности, для покрытия изделий, применяемых в пищевой и художественной промышленности и во многих отраслях машиностроения. Серебро наносят на сталь, медь, латунь и другие материалы.

Золото  используется для защиты ценной аппаратуры и приборов от атмосферной коррозии, в ювелирном и часовом производствах. Его наносят на медь и ее сплавы, на никель, на сталь – после меднения – и другие металлы. Гальваническим способом покрывают изделия платиной, индием, германием, галлием и другими металлами. 

 Горячий метод. Свойство металлов обладать в расплавленном состоянии высокой химической активностью легло в основу технологии нанесения на изделие металлического осадка. Высокая реакционная способность расплавленного металла в большинстве случаев приводит к образованию сплава с металлом изделия, который является хорошей основой сцепления для покрываемого металла. Для нанесения металлического покрытия горячим методом заготовку погружают на несколько секунд в анну с расплавленным металлом, который смачивает их поверхность. Для горячего способа нанесения покрытий применяют металл с более низкой температурой плавления, чем покрываемый металл.

 Свинцом покрывают детали из черных металлов, которые затем широко используют в химической промышленности. Свинцовое покрытие беспористо, устойчиво ко многим электролитам и, что важно, к воздействию разбавленных растворов серной кислоты и ее солей, сернистых газов.

Цинк  применяют для защиты изделий, изготовленных  из стали и чугуна, против атмосферной коррозии, воды и ряда нейтральных растворов солей. Наносят цинк на детали, погружая их на 6 – 20 секунд в расплавленный цинк или цинк с добавкой алюминия или олова при 440 – 460 ºС. Олово применяют для защиты медных проводов от воздействия серы, получения белой жести и при местной защите поверхности металла при азотироании.

Алюминий  наносят на изделия из железа, стали, чугуна с целью повышения устойчивости к атмосферной и газовой коррозии. Высокие защитные свойства алюминиевого покрытия связаны с наличием на поверхности равномерной плотной пленки оксида алюминия, образующиеся в результате окисления алюминия под действием кислорода воздуха.

Применяя  горячий метод нанесения покрытий, не удается получать равномерные  по толщине осадки, предохранять от коррозии изделия с узкими отверстиями и резьбой. Расход цветных металлов при использовании горячего способа велик, как получаемые осадки имеют большую толщину. Кроме того, этот метод позволяет наносить только металлические осадки на изделия, имеющие небольшие размеры. 

 Плакирование. Это – процесс защиты от коррозии основного металла или сплава другим металлом (сплавом), устойчивым к агрессивной среды. Соединить два металла между собой можно литьевым, прокатным и недеформированным плакированием. Наибольшее применение находит способ совместной прокатки двух металлов, из которых один (химически стойкий) является защитным. Для плакирования применяются металлы или сплавы, обладающие хорошей свариваемостью. К ним относятся углеродистые, кислотоупорные стали, дюралюминий, сплавы меди. В качестве плакирующего материала используются нержавеющие стали, алюминий, никель, титан, тантал. Толщина плакирующего слоя составляет от 3 до 60% толщины основного металла.

 Метод плакирования металлов лежит в основе получения материала, получившего название металлопласт. Получают его прокаткой или склеиванием металлического листа и одним или двумя листами полимера. Металлопласт готовят из стали, алюминиевых и магниевых сплавов, а в качестве защитного слоя от коррозии используют термопластичные полимеры: полихлорвинил, полиизобутилен, полиэтилен, полипропилен и др. По стоимости металлопласты намного дешевле и долговечнее нержавеющей стали, а по химической стойкости к агрессивным средам превосходят ее.  

Металлизация  распылением. Это процесс нанесения защитных покрытий на поверхность изделий распылением расплавленного металла или другого тугоплавкого материала сжатым воздухом или инертным газом. Металлизацию проводят в аппартах-металлизаторах.

При металлизации покрытие образуется за счет вклинивания, прилипания расплавленных частиц металла или другого материала в поры и неровности поверхности детали. Прочность сцепления его зависит от размера частиц, скорости их полета и величины их деформации при ударе о поверхность. Покрытие имеет чешуйчатую структуру и высокую пористость, которую уменьшают путем увеличения толщины покрытия, шлифованием, полированием и нанесением неметаллических покрытий. Например, пористость цинкового покрытия уменьшается в 10 раз, при увеличении его толщины от 0.2 до 0.4 мм.

 Основные недостатки металлизации, несмотря на ее простоту, - большой расход металла, пористость получаемого покрытия, низкая адгезия покрытия к металлу и трудность регулирования толщины слоя покрытия. 

 2.1.2. Неметаллические покрытия. 

 Неметаллические покрытия подразделяются на лакокрасочные, покрытия полимерными материалами, резиной, силикатными эмалями, смазками, пастами. Они применяются для защиты металлических изделий, аппаратуры и конструкций от коррозии, изоляции деталей электромашин, предохранения изделий от гниения, увлажнения и придания им красивого внешнего вида.

Лакокрасочные покрытия. Наибольшее применение из неметаллических  покрытий находят лакокрасочные  покрытия. Сырьем для получения лакокрасочных  покрытий служат пленкообразующие вещества, наполнители, растворители, пластификаторы, пигменты, катализаторы. Пленкообразующие вещества являются основой покрытия.

Для снижения стоимости покрытия, повышения коррозионной стойкости и термостойкости в  его состав вводят наполнители: тальк, слюду, каолин, асбестовую пыль, шпатовые материалы и др. Повышение твердости, термостойкости, механической прочности, водонепроницаемости, придания определенного цвета введением в состав покрытия пигментов. Процесс нанесения покрытия состоит из нескольких стадий: 1) подготовка поверхности металла к покрытию; 2) нанесение грунта, улучшающего адгезию покрытия с металлом; 3) нанесение промежуточного слоя с целью выравнивания поверхности; 4) нанесение одного или нескольких слоев покрытия на поверхность изделия; 5) полирование покрытия для получения устойчивого блеска.

 Из лакокрасочных материалов готовят олифы, лаки, краски, эмали, грунты, шпаклевки. Лаки – растворы пленкообразующих веществ в легколетучих органических растворителях. При введение в состав олиф пигментов получают масляные краски. Эмалевые краски готовят введением в состав лаков пигментов. Для прочного сцепления изделия с покрытием используют грунты. Грунты придают покрытию антикоррозийные свойства. Устранение рисок, углублений, изъянов достигается с использованием шпаклевки - пасты, состоящей из пигментов, наполнителей, пленкообразующих веществ.

 По назначению лакокрасочные покрытия подразделяются на устойчивые к агрессивным средам (то есть устойчивые к атмосферной коррозии, химическим реагентам, маслам, бензолу), к воздействию нагревания (термостойкие), плесени; токопроводящие, необрастающие, светящиеся; декоративные.

 Покрытие полимерами. Для защиты от воздействия внешней среды детали, изделия, конструкции покрываются смолами – полимерами. Смолу наносят в виде расплава или суспензии кистью, окунанием, напылением. После подогрева и охлаждения на поверхности детали образуется пленка полимера толщиной в несколько миллиметров.  

Гуммирование. Покрытие резиной и эбонитом химических аппаратов, трубопроводов, цистерн, емкостей для перевозки и хранения химических продуктов и т.п. называется гуммированием. В зависимости от условий технологического процесса, характера среды выбирается тип и метод покрытия. Мягкими резинами, содержащими от 2.0 до 4.0% серы, гуммируют аппараты, подвергающиеся сотрясениям, ударам, резким колебаниям температур или содержащие суспензии, а аппаратов, работающих при постоянной температуре, не подвергающихся механическим воздействиям, применяют твердые резины (эбониты), содержащие от 40 до 50% серы. Для получения плотного защитного слоя очень часто совмещают резину и эбонит.  

2.2. Электрохимическая  защита 

Использование коррозионно-стойких материалов, а  также нанесение защитных покрытий не всегда применимы для борьбы с  коррозией. Окраску металлических конструкций следует периодически обновлять, что связано с большими затратами. Иногда это сделать и невозможно, например, на проложенных в земле трубопроводах и кабелях, конструкциях в морской воде.

Используя электрохимическую защиту, можно  предупредить разрушение трубопроводов, корпусов судов, резервуаров и реакционных аппаратов и т.д. При электрохимической защите к металлическим конструкциям присоединяется извне постоянный сильный анод (протектор или источник постоянного тока), который вызывает на поверхности защищаемого металла катодную поляризацию электродов микрогальванических пар, в результате чего анодные участки металла конструкции превращаются в катодные. А это означает, что разрушаться будет не металл конструкции, а присоединенный анод. Электрохимическую защиту подразделяют на катодную и анодную.