Классификация методов защиты от коррозии воздействием на металл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Коррозия – это физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла
и часто происходит ухудшение функциональных характеристик металла. Объекты воздействия коррозии - металлы, сплавы,
металлопокрытия, металлоконструкции машин, оборудование и сооружения.

Продлить сроки их эксплуатации до их морального износа - основная цель решения многовековой проблемы коррозии металлов. Трудность предотвращения коррозии в том, что разрушение металлов под влиянием факторов среды – естественный, термодинамически выгодный процесс, направленный на сохранение равновесия в природе.

Защита от коррозии представляет комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и ингибирование
коррозионных процессов, сохранение и поддержание работоспособности узлов и агрегатов машин, оборудования
и сооружений в требуемый период эксплуатации. Методы защиты металлоконструкций от коррозии основаны на целенаправленном воздействии, приводящем
к полному или частичному снижению активности факторов, способствующих развитию коррозионных процессов. Методы защиты от коррозии можно условно разделить на методы воздействия на металл и методы воздействия на среду, а также комбинированные методы. Классификация методов защиты от коррозии воздействием на металл представлена на рис. 1.

Рис.1. Классификация методов  защиты от коррозии воздействием на металл.

В данной работе мы рассмотрим некоторые из представленных выше методов защиты.

Назначение покрытий

Роль покрытия, как средства зашиты от коррозии, большей частью сводится к изоляции металла от внешней среды для того, чтобы препятствовать деятельности микроэлементов на поверхности металла. Это достигается сплошностью и беспористостью покрытий [1].

Рис.2. Классификация способов нанесения металлических покрытий

Обработка поверхности

Перед нанесением покрытия, изделия необходимо подвергнуть  обработке поверхности для того, чтобы устранить различные загрязнения. Это делается с целью улучшения  процесса сцепления покрытия с изделием.

Обычно поверхность изделий  содержит различного рода загрязнения: окислы металла, минеральные масла, жиры, шлак, пыль и т. п. На поверхности железных изделий, прошедших термическую обработку; как правило, образуется слой окалины. При наличии указанных загрязнений поверхность изделий может или не воспринять покрытия вовсе, или прочность сцепления покрытия с основным металлом становится неудовлетворительной [2].

 

Горячий способ покрытия металлов

Горячий способ покрытия железа и стали является самым старым и благодаря своей простоте наиболее распространенным в промышленности. Способ широко применяется для покрытия металлами, имеющими сравнительно низкую температуру плавления: цинком (419°), оловом (232°), свинцом (327°).

Железо и некоторые  металлы (Zn, Al, Sn) обладают в расплавленном состоянии свойством взаимно растворяться. Свинец не взаимодействует с железом, поэтому расплавленный металл собирается на поверхности изделия в капли.

Таким образом, основными  условиями, определяющими возможность покрытия горячим способом, являются:

а) способность расплавленного металла смачивать и равномерно покрывать поверхность защищенного изделия;

б) взаимное сплавление основного  металла и покрытия.

Надежное сцепление с  поверхностью изделий любого покрытия, нанесенного горячим способом, возможно лишь в том случае, если поверхность изделий, соприкасающихся с расплавленным металлом, свободна от окислов. Окислы удаляются при помощи флюсов, либо в результате смачивания ими изделия перед погружением в расплавленный металл, либо в результате прохождения изделия через слой флюса, помещенного на поверхности расплавленного металла. Флюсом так же удаляются загрязнения, оставшиеся на поверхности изделия после травления.

Структура покрытия, полученного  на железе при погружении его в  расплавленный металл, характеризуется  наличием ряда слоев, различающихся между собой по составу и физическим свойствам.

К недостаткам способа  относится неравномерность толщины покрытия на поверхности изделия, а также невозможность применения этого способа для покрытия резьбовых изделий или изделий, имеющих узкие отверстия [1].

Цинкование

Цинковое покрытие на железе является электрохимической защитой основного металла от коррозии в атмосфере, воде и в некоторых нейтральных растворах солей. Покрытию цинком подвергаются трубы, резервуары, детали машин, стальные листы, проволока и т. п. В сухом воздухе цинк почти не изменяется. Цинковые покрытия стойки в атмосфере, загрязненной углекислотой, а также стойки против действия ряда органических сред: бензина, масла и т. п. В кислотах и щелочах эти покрытия неустойчивы.

Нанесение цинкового покрытия горячим способом происходит следующим образом. После химической подготовки к покрытию изделия обрабатывают в расплавленном флюсе с целью удаления с поверхности детали влаги, а

также не отмытых солей железа. Затем изделие погружается в расплавленный цинк, причем происходит диффузия цинка в железо и растворение железа в расплавленном цинке. На поверхности покрываемого изделия образуется слой железоцинкового сплава. Увеличение этого слоя может происходить лишь до известного предела, выше которого при малейшем движении изделия наружные слои железоцинкового сплава в виде твердого цинка (гартцинка) спадают с поверхности изделия на дно ванны (рис. 3.).

Рис. 3. Схема структуры цинкового покрытия, полученного горячим способом: 1 — железо; 2 — слой железоцинкового сплава, богатый железом; 3 - слой железоцинкового сплава, богатый цинком; 4 — цинк.

 

При выгрузке изделия из расплавленного цинка поверх образовавшегося на изделии слоя железоцинкового сплава откладывается слой чистого цинка. Его состав аналогичен составу расплава в ванне [1].

 

Покрытие оловом

В обычных атмосферных  условиях и воде олово защищает железо от коррозии лишь в случае отсутствия в покрытии пор и оголенных  участков. По электрохимическим свойствам олово во многих растворах благороднее железа и поэтому является катодным покрытием. В ряде органических сред олово образует комплексные соединения, и установлено, что оловянное покрытие на железе в этом случае является электрохимической защитой.

Железо растворяется в  олове с образованием кристаллов твердого раствора. Оловянное покрытие на железе, полученное горячим способом, имеет структуру, аналогичную структуре цинкового покрытия и состоит из различных по составу слоев, а именно: сплава железо-олово, непосредственно примыкающего к железу, и наружного слоя—олова [1].

Покрытие свинцом  и сплавами свинец-олово

Сравнительно низкая температура  плавления свинца (327°) позволяет  получать свинцовые покрытия горячим  способом. Свинец отличается большой  стойкостью против воздействия серной кислоты и растворов ее солей. Образующаяся в этих средах пленка сернокислого свинца служит защитой  для металла от дальнейшего его разрушения, химически стоек также против воздействия отравляющих веществ. Свинец в ряде напряжений стоит ниже железа и потому свинцовые покрытия электрохимически не защищают железо от коррозии. При значительной толщине (порядка нескольких десятых миллиметра) возможно, получить беспористое покрытие и достигнуть надежной защиты железных изделий от коррозии во многих электролитах.

Свинец не «смачивает»  поверхность как стальных, так  и медных изделий, и обычно покрытие собирается в виде капель. Чтобы получить удовлетворительные покрытия свинцом горячим способом, необходимо на поверхность изделия каким-либо путем предварительно нанести промежуточное покрытие другим металлом, хорошо сплавляющимся как с основным металлом, так и со свинцом. Таким условиям при покрытии железа удовлетворяет олово, сурьма, ртуть и др. металлы. Эти связующие элементы могут или вводиться непосредственно в ванну для свинцевания или быть предварительно осаждены на поверхность изделия любым из возможных способов. Наиболее широко свинцевание применяется в химической промышленности с целью замены свинца освинцованным железом при изготовлении аппаратуры [1].

 

Диффузионное  покрытие металлами

Окисление металлов при нагревании их приносит промышленности большие убытки. Вследствие того, что стойкость обычных железных сплавов против газовой коррозии крайне невелика, изделия, предназначаемые для работы в условиях высоких температур, изготовляют из специальных жаростойких сплавов или, если возможно, наносят специальные покрытия, повышающие устойчивость обычных железных сплавав к газовой коррозии.

Способ диффузионного  покрытия металлами или сплавами заключается в совместном продолжительном  нагревании обрабатываемых изделий, и металла покрытия в порошке при температуре, близкой к температуре плавления порошка. Кроме того, диффузионный способ покрытия возможно осуществить путем нагревания изделий в атмосфере, содержащей пары летучих соединений металлов или пары металлов. В результате нанесения покрытия диффузионным способом на поверхности изделия образуются сплавы железа с покрывающим металлом [2].

Шерардизация

Шерардизацией называется способ нанесения защитного слоя цинка на железные изделия диффузионным путем. Процесс состоит в нагревании металлических изделий с цинковой пылью в течение продолжительного времени при температуре, близкой к температуре плавления цинка (способ предложен Шерардом в Англии в 1900 г.).

При шерардизации образуется покрытие, состоящее из нескольких слоев железоцинкового сплава (рис.4).

Рис. 4. Схема структуры  шерардизированного покрытия:

1-железо, 2-слой железоцинкового  сплава, богатого железом, 3-слой  железоцинкового сплава, богатого  цинком, 4-цинковый слой.

 

Алитирование

Алитированием, или калоризацией, называется процесс образования  в поверхностных слоях изделия  из железа, стали, чугуна или меди диффузионным путем сплава с алюминием. Этот процесс производится для получения на металле жаростойкого слоя.

Алюминий диффундирует в  поверхность железа при высокой  температуре и образует с железом сплав, содержащий интерметаллическое соединение FeAl₃. Толщина диффузионного слоя сплава зависит от температуры нагрева и продолжительности процесса алитирования (рис.5). В настоящее время известны следующие способы алитирования: калоризация, метод Майера, европейский метод, плакирование алюминием.

Рис.5. Зависимость толщины  алитированного слоя от продолжительности и температуры процесса.

 

Термохромироваиие

Процесс поверхностного насыщения  стали хромом путем диффузии его в железо при высоких температурах называется термохромированием. Процесс носит также название «хромизация», «диффузионное хромирование».

Известно, что добавка  хрома к стали способствует повышению ее жаростойкости, твердости, а также сопротивления износу.

Поверхностное насыщение  хромом простой углеродистой стали придает ей эти свойства, так как хром легко образует с железом твердый раствор, что является весьма благоприятным условием процесса термохромирования.

Продолжительность выдержки при 900 °С, час.

Жаростойкость стали, хромированной  диффузионным путем, приведена на диаграмме (рис. 6).

Рис. 6. Жаростойкость хромированной стали

 

Силицироваиие

Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием путем диффузии его в железо при высоких температурах. Силицирование применяется для повышения химической и коррозионной стойкости простой углеродистой стали, чугуна; а также для повышения сопротивления окислению.

Защищенные силицированием изделия из углеродистой стали приобретают свойства, присущие железокремнистым сплавам, а потому силицированию подвергаются в основном стальные кислотопроводы, детали насосов для перекачки кислот, различная арматура аппаратов, применяемых в нефтяной, бумажной, химической промышленности. Известно, что железокремнистые сплавы хрупки, не поддаются механической обработке, и изделия из них могут быть получены лишь литьем. Изготовление изделий из малоуглеродистой стали ковкой, штамповкой и т. п. с последующим силицированием упрощает эту задачу. Силицирование может быть осуществлено в порошкообразных железокремнистых смесях (твердое силицирование) и в газовой среде (газовое силицирование) [2].

 

Металлизация 

Металлизацией называется процесс нанесения металлических покрытий на поверхность изделий путем распыления расплавленного металла. Металлизация применяется для получения покрытий металлами, плавящимися в кислородно-ацетиленовом пламени или электрической дуге. Практически широкое применение в промышленности нашли покрытия цинком, кадмием, свинцом, алюминием, оловом, никелем, медью, бронзой, а также высокоуглеродистой сталью.

Выбор металла покрытия определяется в основном условиями службы изделий: цинк - для предохранения железа и стали от атмосферной коррозии; кадмий - для предохранения металлической поверхности, подверженной действию морской атмосферы; алюминий - в нефтяной промышленности; олово - в молочной, пищевой и винной промышленности; сталь нержавеющая - при производстве насосов в нефтяной промышленности и пр.

Металлизация по сравнению  с другими способами нанесения  металлических покрытий имеет ряд  преимуществ:

1. Возможность покрытия крупных конструкций и изделий в собранном, законченном виде.
2. Возможность покрытия любых материалов (бумаги, дерева,   целлулоида, цемента).
3. Широкие возможности применения покрытия алюминием.
4. Сравнительно невысокая стоимость распыления, а также простота процесса, не требующая особо высокой квалификации работающего.
5. Возможность регулирования количества наносимого на изделия металла.

Однако метод металлизации имеет и ряд существенных недостатков: значительная пористость покрытий в тонких слоях, а также недостаточная прочность сцепления покрытия с поверхностью изделия, и поэтому сравнительно низкие защитные свойства покрытия и большие потери металла при распылении.

Процесс металлизации основан на явлении прилипания распыляемых частиц металла к поверхности изделия, а потому прочность сцепления покрытия с основным металлом зависит от величины распыляемых частиц металла (~50 мкм), а также от степени деформации их при соприкосновении с поверхностью изделия. Кроме того, на прочность сцепления оказывают важное влияние такие факторы, как температура изделия, физическое состояние поверхности изделия, а также скорость полета распыляемых частиц металла [1].

 

Плакирование 

Плакирование представляет процесс механического (протяжка, прокатка и т.п.) покрытия одного металла другим и осуществляется преимущественно для замены цветного металла черным, как более дешевым и менее дефицитным. Способ плакирования получил широкое применение при производстве биметаллов. Плакирование металла производится или для защиты внутреннего слоя (сердцевины) от коррозии или для придания поверхности плакируемого металла других свойств. Большей частью сердцевиной плакированного биметалла служит мягкая сталь. Кроме того, способ плакирования получил широкое распространение для защиты от коррозии легких сплавов на основе алюминия [1].

 

Гальванические  покрытия

Если через раствор  соли осаждаемого металла проходит постоянный электрический ток от внешнего источника, то на поверхности  изделий, служащих катодами, происходит разряд катионов раствора и осаждение металла. Анодами могут быть или нерастворимые в применяемом электролите материалы или растворимые металлы.

Гальванический способ является наиболее экономичным и совершенным, позволяющим наносить более равномерные по толщине и более высокой химической чистоты покрытия любым металлом, чем при других перечисленных способах. В промышленности нашли широкое применение гальванопокрытия цинком, кадмием, оловом, свинцом, никелем, медью, хромом, серебром, золотом, а также сплавами медь- цинк, медь-олово и др. [2].

 

Защита от коррозии при сварке

Особенности коррозионных разрушений сварных соединений

Виды и особенность  коррозионных разрушений, сопротивляемость коррозии сварных соединений и конструкций  определяются свойствами основного  и сварочного материалов, напряженным  состоянием элементов
конструкции, агрессивностью коррозионной среды и
условиями взаимодействия сварных соединений со средой. Механизм коррозионных разрушений сварных соединений определяется приложением энергии в месте
соединения: тепловой энергии при сварке термического
класса; давления и тепловой энергии при сварке термомеханического класса; механической энергии и давления при сварке
механического класса. При этом происходят: необратимые физико-химические изменения
металла в зоне соединения вследствие процессов плавления и кристаллизации; полиморфные превращения; распад пересыщенных твердых растворов; старение, рекристаллизация; усложнение напряженного состояния
в связи с возникновением собственных напряжений и деформаций. Поэтому в сварном соединении образуются следующие характерные виды неоднородности:
структурно-химические макро- и микронеоднородности
зон (основной металл, литой металл шва, переходные зоны
термического и термомеханического влияния); неоднородности напряженного
состояния - собственного (остаточные сварочные напряжения и пластические деформации) и от внешней нагрузки;
геометрические неоднородности, обусловленные наличием технологических концентраторов (граница
шва и основного металла, дефекты формы шва - подрезы, непровары) и конструктивные концентраторы,
определяемые типом сварного соединения [3].

Методы защиты сварных соединений от коррозии

Применяют общие и специальные  методы повышения коррозионной
стойкости металлических конструкций, учитывающие
особенности сварных соединений и технологию производства сварных конструкций (табл. 1). Общие методы включают: выбор и разработку новых
свариваемых коррозионностойких конструкционных
материалов, отвечающих требованиям технологической
и эксплуатационной прочности; рациональное конструирование, технологию изготовления и эксплуатацию сварного изделия; применение защитных покрытий - металлических (путем химической и электрохимической обработки поверхности), неметаллических органических
и неорганических; применение методов торможения коррозии - обработка среды, ингибирование, электрохимическая защита [3].

Таблица 1. Специальные способы повышения стойкости сварных соединений и конструкций.

Стадия изготовления	Способ повышения коррозионной стойкости металла сварных соединений путем регулирования химического состава и структуры	Способ снижения напряженного состояния в сварных соединениях
До сварки	Выбор оптимального состава и улучшение свойств основного металла перед сваркой. Регулирование химического состава и структуры шва: подбор рациональных присадочных материалов, проволок, покрытий, флюсов, защитных газов и др.; рациональная конструкция шва	Рациональное конструирование сварных соединений и узлов: правильный расчет; исключение конструктивных концентраторов напряжений; избежание наложения швов в высоконапряженных зонах конструкции; уменьшение жесткости схемы и размеров зон остаточных напряжений. Уменьшение общей и местной напряженности: сварка без технологических концентраторов напряжений; рациональная последовательность наложения швов
При сварке	Регулирование термодеформационного цикла сварки и условий кристаллизации: применение рационального метода, способа и режима сварки по погонной энергии и степени концентрации источника тепла; применение тепловых способов регулирования: дополнительный, предварительный, сопутствующий, последующий подогрев или охлаждение при сварке; специальные методы: применение присадочных материалов с развитой поверхностью, ультразвуковая обработка, электромагнитное перемешивание
После сварки	Улучшение свойств и снятие остаточных сварочных напряжений и деформаций термической, механической, термомеханической, ультразвуковой и другими видами обработки. Создание сжимающих напряжений на поверхности

Защита сварных  соединений от локальных видов коррозии

Локальные (местные, избирательные) виды коррозии
характерны для сварных соединений высоколегированных
сталей и сплавов цветных металлов в средах, где металл
находится в пассивном или пассивно-активном состояниях. Наиболее опасный ее вид — межкристаллитная
коррозия. Межкристаллитная коррозия, связанная со
структурными изменениями в сталях, при нагреве до критических температур характерна: для аустенитных сталей
450... 900 °С, для высокохромистых ферритных свыше
900 °С. Разрушение в сварных соединениях аустенитных
сталей развивается в трех характерных зонах: в зоне
термического влияния, нагреваемой при сварке до
500 ... 900 °С; в сварном шве и вблизи линии сплавления
в узкой околошовной зоне, нагреваемой до температур
свыше 1200 ... 1250 °С (ножевая коррозия).

Учитывая механизм разрушения, применяют следующие металлургические и технологические способы повышения стойкости сварных соединений коррозионно-стойких сталей, сущность которых заключается в предотвращении образования карбидов и (или) их последующего растворения:
уменьшение содержания углерода в стали ниже предела
его растворимости в аустените (≤0,02 %);стабилизация стали более активными, чем хром, карбидообразователями — титаном и ниобием ; применение высоких скоростей охлаждения металла
в области критических температур при сварке, предотвращающих образование карбидов, за счет уменьшения
погонной энергии, тока, повышения скорости сварки, уменьшения диаметра сварочной проволоки, дополнительного охлаждения; введение гомогенизирующей обработки сварных
соединений, обеспечивающей растворение образовавшихся карбидов (закалка при 1050... 1100°С с обязательным быстрым охлаждением или стабилизирующий
отжиг в течение 2 ... 4 ч при 850 ... 900 °С, обеспечивающий диффузионное выравнивание концентрации
хрома в объеме и по границам зерен) [4].

Защита сварных  соединений от коррозии под напряжением

Сварные конструкции работают в условиях сложного
напряженного состояния в связи с наличием собственных
сварочных, сборочно-монтажных  и
эксплуатационных упругопластических деформаций и напряжений. Деформации и напряжения
могут иметь различные значения, знаки, концентрации,
градиенты и т. д., поэтому практически все коррозионные
разрушения сварных конструкций происходят в напряженном состоянии. Основные факторы, определяющие повышенную
склонность сварных соединений к коррозии под напряжением, следующие:
структурно-химические изменения свойств металла
под действием сварки;
остаточные сварочные напряжения;
технологические и конструктивные концентраторы
напряжений; пластические деформации в сварных соединениях. Методы снижения напряжений и деформаций, возникающих при сварке, могут быть сведены к трем основным
группам: 1) уменьшение объема металла, участвующего в пластической деформации при сварке, и значения пластической деформации, возникающей на стадии нагрева металла;

2) создание пластических деформаций противоположного знака в тех зонах сварного соединения, которые
оказались вовлеченными в пластическую деформацию
на стадии нагрева; 3) использование принципа компенсации возникших
пластических деформаций, например, симметричное расположение швов, свободная усадка металла при сварке,
создание пластических деформаций в других зонах, чтобы
получить равномерную усадку всего сварного элемента
и т. р. Можно применять следующие приемы снижения
напряжений и склонности сварного соединения к коррозионному растрескиванию. Предварительный и последующий подогрев металла. Подогрев снижает скорость охлаждения и этим влияет на
характер структурных превращений, изменяя благоприятно значения остаточных напряжений и свойства металла в материалах, испытывающих структурные превращения. Сущность методов местного пластического деформирования сварного соединения после сварки для снятия
остаточных напряжений и их перераспределения заключается в пластической осадке металла в зоне приложения
нагрузки, что приводит к релаксации остаточных сварочных напряжений или вызывает напряжение сжатия.
Существует несколько способов местного деформирования: 1) проковка и поверхностный наклеп металла.
Проковку можно применять для создания напряжений
сжатия, изменения формы (заглаживания) сварного шва,
изменения механических свойств и структуры металла.
Проковку можно производить по горячему металлу сразу
после сварки или после его остывания. В качестве ударного инструмента при высокоскоростном деформировании применяют
пневматические молоты с ускорителями специальной
конструкции;

2) прокатка зоны сварных соединений или обкатка
поверхностей роликами уменьшает растягивающие напряжения, а при значительных давлениях может создать
напряжения сжатия до значения, близкого к пределу
текучести металла; 3) обработка сварных соединений взрывом - позволяет
снижать остаточные напряжения растяжения и создавать
напряжения сжатия. При локальном ударном взаимодействии с элементом напряженного металла упругопластической волны, возникающей при детонации накладных удлиненных зарядов взрывчатого вещества (шнур, полоса),
размещенных в районе сварного шва, происходит высокоскоростное пластическое деформирование металла,
что вызывает эффект снижения остаточных напряжений
в сварном соединении в целом; 4) применяются приемы уменьшения максимальных остаточных
напряжений путем приложения внутреннего давления
в оболочковых конструкциях (аппараты, трубопроводы)
и путем вибрации сварных изделий; 5) отпуск сварных соединений и конструкций применяют как для снижения остаточных напряжений, так и
для улучшения структуры и свойств металла. Для предотвращения коррозионного растрескивания сварных соединений применяют общий и местный отпуск [4].

 

Заключение 

В заключение хочется отметить, что это далеко не полный список методов защиты от коррозии металлов. Их большое множество. В этой работе были перечислены наиболее применяемые  методы из тех, что относятся к  группе воздействия на металл. Каждый из перечисленных методов, а также  методов в целом имеет как  преимущества, так и недостатки. И выбор конкретного метода обуславливается  соображениями экономичности, целесообразности применения способа защиты, условиями  работы защищаемого изделия и  т.д.

Также хотелось бы отметить, что данная работа носит, скорее, ознакомительный  характер, поэтому каждый из методов  был рассмотрен «поверхностно», не углубляясь в детали.

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1) Бахвалов, Г.Т. Защита металлов от коррозии / Г.Т. Бахвалов. –    М.:Металлургия, 1964. – 290 с.

2) Герасименко, А.А. Защита от коррозии, старения и биоповреждений             машин, оборудования и сооружений.: Справочник в 2-х т. / А.А. Герасименко. – М.:Машиностроение, 1987.

Т.1. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений – 688с.

3)  Винокуров, В.А. Сварка  в машиностроении.: Справочник в 3-х т. / В.А.   Винокуров. – М.:Машиностроение, 1979. – 567 с.

4) Стеклов О.И. Прочность  сварных конструкций в агрессивных  средах / О.И. Стеклов. – М.:Машиностроение, 1976. – 200 с.