9.2.2. Защита оксидными плёнками (оксидирование)

Оксидирование заключается в создании на поверхности металлического изделия слоя оксидов, обладающих значительно большей коррозионной стойкостью, чем основной металл. Оксидное покрытие предназначено для защиты изделий из чёрных и цветных металлов от атмосферной коррозии и может быть получено в окислительных средах химическим или электрохимическим способом. Наибольшее распространение получила технология химического оксидирования, заключающаяся в выдерживании обрабатываемых деталей от 10 до 90 мин в горячем растворе химически активных веществ (растворы щелочей, селитры, расплавы нитрата натрия) при температуре от 20-30 до 135-145^оС. Получается блестящее покрытие определённого цвета, которое несколько повышает чистоту поверхности детали; обработкой водяным паром покрытие можно сделать матовым.

Название, цвет и другие свойства получаемого покрытия зависят от химического состава окислительной ванны и особенностей технологии. Процесс получения на стальных деталях защитной плёнки от сине-чёрного до светло-коричневого цвета называется воронением, глубокого чёрного цвета – фосфатированием. Получение защитных плёнок с использованием растворов серной кислоты и хромпика на деталях из сплавов алюминия называется анодированием, на стальных - пассивированием, а с применением щавелевой кислоты в присутствии солей титана, циркона или тория - эматалированием. При помощи минеральных и органических красителей анодные покрытия могут быть окрашены в разные цвета - под золото, в красный, зелёный, синий, голубой, желтый цвет.

Оксидные покрытия (за исключением эматалирования) имеют невысокую твёрдость и износостойкость, не обеспечивают надёжной защиты от коррозии в коорозионно-активных средах, но являются прекрасным грунтом под лакокрасочные покрытия. Именно поэтому довольно часто применяются в сочетании с лаками и эмалями разных составов и цветов при изготовлении различных изделий технического и бытового назначения (инструмент, садово-огородный инвентарь, светильники и др.), за исключением бытовой посуды. Эматалирование при толщине покрытия 10-12 мкм обладает хорошими защитными свойствами в пищевых средах и стойкостью к истиранию. Обычно эта плёнка имеет серовато-молочный цвет, но органическими красителями она может быть окрашена в любой цвет. По причине отсутствия токсичности эматалирование применяется при изготовлении столовой посуды, холодильников бытового и торгового назначения, другого технического и торгового оборудования.

9.2.3. Неметаллические защитные покрытия

Неметаллические покрытия могут быть неорганического и органического происхождения. Эти покрытия защищают металлические изделия от коррозии за счёт изоляции их от внешней среды и предотвращения образования и действия гальванических пар на поверхности металла. При производстве посуды пищевого назначения (бытовой и для предприятий общественного питания), ванн, моек и умывальников, шкафов кухонного и медицинского назначения, газовых и электрических плит, изделий дверной и оконной фурнитуры (номеров, крючков-вешалок и др.), а также для изготовления ряда изделий промышленного назначения (баков, патрубков, труб и устройств химического назначения) в качестве неорганического покрытия широко применяется силикатное эмалирование. В качестве покрытий органического происхождения при изготовлении широкого ассортимента изделий промышленного и бытового назначения (машины, оборудование, приборы, установки, светильники, стиральные машины, пылесосы, холодильники и многое другое) используются лаки, краски, эмали; для защиты наружной и особенно внутренней поверхности труб различного назначения применяются плёночные полимерные материалы; для временной защиты используются смазки.

При силикатном эмалировании на поверхности изделия образуется блестящее стеклообразное твёрдое покрытие белого или других цветов с высокими декоративными свойствами, надёжно защищающее изделие от коррозионного поражения при нормальных и повышенных температурах (например, при приготовлении пищи) в растворах солей, кислот, щелочей. Покрытие силикатной эмалью легко чистится, моется и очень долго сохраняет красивый, привлекательный вид.

Силикатные эмали получают сплавлением горных пород (кварцевый песок, глина, мел, полевой шпат) с плавнями (бура, сода, поташ). Непрозрачность, белизна и декоративные свойства эмалей обеспечиваются добавками глушителей, в качестве которых применяются двуокиси олова и титана, циркон, фторсодержащие вещества (криолит, плавиковый шпат). Для придания требуемого цвета в эмаль добавляют красители и пигменты: Cr₂O₃ придаёт эмали зелёный цвет, Fe₂O₃ - коричневый, соединения кобальта - синий, смесь Cr₂O₃ и Co₂O₃ -бирюзовый, смесь S, CdCO₃, Se - красный и т.д. Добавками пигментов кроме окрашивания достигается и вторая цель - повышение механических свойств покрытий. Для улучшения сцепляемости со стальной поверхностью в состав эмалей вводят оксиды сцепления (закись никеля или кобальта). Эмали, предназначенные для нанесения на чугунные изделия, применяются без оксидов сцепления, так как они хорошо закрепляются на изделиях за счёт шероховатости поверхности.

Составные компоненты эмали подбираются в соответствии с рецептом, измельчаются, перемешиваются и плавятся в тигельных вращающихся печах при температуре 1000-1400^оС. Расплавленную смесь выливают в холодную воду, где она распадается на мелкие кусочки - гранулы. После остывания эту массу (фритту) размалывают на шаровых мельницах вместе с водой и глиной до сметанообразного состояния (шликер). Глушители и пигменты добавляются во время приготовления шликера. Шликер отстаивается в течение 1-6 суток (процесс старения) для улучшения кроющих свойств.

Технология нанесения силикатной эмали включает обезжиривание заготовки, нанесение грунта (чаще всего чёрного цвета), закрепление его на поверхности изделия обжигом (температура 860-950^оС, выдержка 3-4 мин), нанесение покровной эмали (окунанием, разбрызгиванием, из пульверизатора) с последующим обжигом при температуре 800-820^оС.

Декорируют изделия нанесением украшений живописью, декалькоманией, через трафарет, фотоспособом и шелкографией с использованием термопластичных красок, закрепляемых на поверхности изделий дополнительным обжигом при температуре 530-560^оС.

Существенным недостатком силикатных эмалей является их хрупкость при механических воздействиях. Происходит скалывание, разрушение слоя эмали, изделие утрачивает товарный вид, а затем начинается коррозионное разрушение металла. Многие изделия бытового назначения, покрытые силикатной эмалью (мойки, кастрюли, чайники для кипячения воды, миски, тарелки, бидоны и др.), как правило, выводятся из эксплуатации и отправляются на свалку именно по причине местного скола эмали и локального коррозионного поражения металла. По этой причине продолжительность эксплуатации изделий эмалированной посуды (кастрюля, кружка, миска, дуршлаг и др.) обычно не превышает 5 лет.

Лакокрасочные покрытия являются одним из широко распространённых способов отделки, придания красивого внешнего вида и механической защиты металлических изделий от коррозии. До 65% всех выпускаемых промышленностью изделий промышленного и бытового назначения имеют лакокрасочные покрытия, в ряде случаев - поверх какого-нибудь другого (оксидного, фосфатного, цинкового или др.). Для отделки изделий применяются лаки, масляные и эмалевые краски органического и красители синтетического происхождения. Для нанесения покрытий чаще всего применяется метод пульверизации (по причине высокой производительности и экономного расходования красителя), в последние годы получил распространение прогрессивный способ нанесения красочного покрытия в электростатическом поле (например при окраске кузовов легковых автомобилей). Красочное покрытие может быть блестящим, матовым и типа "муар", обеспечивающим отсутствие бликов отражения от окрашенной поверхности (например так окрашивают кино- и фотоаппаратуру, измерительные приборы, радиоустановки). Одной из часто применяемых разновидностей красочных покрытий является молотковая эмаль, создающая точечно-пятнистую поверхность серебристого, темно-серого, зелёного или светло-коричневого цвета, достаточно хорошо сопротивляющуюся механическим ударам.

Технологически процесс нанесения лакокрасочного покрытия включает подготовку поверхности изделия (шлифовки, полировки, снятия заусенцев, выравнивания неровностей наполнителем, удаления загрязнений и обезжиривание), нанесение грунтовки (для лучшей адгезии красителя) и нанесение покровных слоёв красителя или лака (обычно 2-3 слоя). Каждый слой красочного покрытия сушат на воздухе в течение 24-48 ч или значительно быстрее в сушильных камерах при нагревании до температуры 90-140^оС (в частности, при такой температуре происходит спекание молотковой эмали).

Преимуществами лакокрасочных покрытий являются удобство и простота нанесения, невысокая стоимость, возможность периодического восстановления и получения покрытия с нужными свойствами и желаемого цвета. Основными недостатками являются низкая термическая стойкость, малая механическая прочность и твёрдость, весьма ограниченная сопротивляемость воздействиям активных сред и воды, выгорание и износ покрытия. Основные дефекты лакокрасочных покрытий (пропуски поверхности, отслаивание, осыпание красителя, пористость, натёки, морщины, липкость) связаны с низким качеством подготовки поверхности, нарушением технологии нанесения покрытий и режимов сушки; одной из причин низкого качества поверхности, окрашенной водоэмульсионными красителями, может быть замерзание красителя в процессе хранения.

Покрытие плёночными полимерными материалами является перспективным методом защиты металлоизделий, в частности – труб нефтяного сортамента, от коррозии. В качестве материала для защитных плёнок используются капрон, нейлон, полипропилен, полиэтилен, плёнки на основе синтетического каучука и эпоксидных смол. Их наносят послойно на подготовленную (или покрытую другим покрытием) поверхность в жидком (за счёт нагрева или растворения) состоянии, пламенным напылением или прикрепляют готовую плёнку к поверхности изделия при помощи клея; процесс закрепления покрытия ускоряют подачей горячего воздуха. Полученные покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошими электроизоляционными показателями. Применяются полимерные покрытия для изделий, используемых в химических производствах (баки, ёмкости), для нефтяной и топливной арматуры, в авиации, для наружной и внутренней изоляции труб, используемых для перекачки химически активных жидкостей и для прокладки электрических кабелей. Существенными недостатками полимерных покрытий являются их невысокая термическая стойкость, низкая механическая прочность и трудность (иногда - невозможность) ремонта повреждённого участка; полная замена покрытия в производственных условиях связана со значительными затратами и длительной остановкой технологического цикла.

Покрытия смазками широко используются для кратковременной защиты металлоизделий от коррозии при перевозке и хранении. В качестве защитных смазок используются не содержащие влаги и кислот нефтяные масла, вазелин, воск, ланолин, способные образовывать невысыхающие плёнки. К минеральным маслам иногда добавляют загустители (церезин, парафин). Смазки, как правило, не взаимодействуют с защищаемым металлом, не образуют агрессивных по отношению к металлу продуктов, достаточно стабильны при хранении. Сплошной слой смазки препятствует проникновению воды и кислорода воздуха к металлу, исключает протекание коррозионных процессов. Наносится смазка в разогретом состоянии на поверхность очищенного и сухого изделия кистью, окунанием или из пульверизатора. В ряде случаев в смазку добавляют ингибиторы, замедляющие или даже исключающие коррозионное поражение изделия во влажной среде. Существенными недостатками смазочных покрытий следует считать их низкую стойкость к механическим и тепловым воздействиям, необходимость дополнительных трудовых и материальных затрат для удаления защитного слоя в момент начала эксплуатации изделия.

Рассмотренные выше покрытия по отдельности и в различных сочетаниях широко применяются в общем машиностроении для защиты от коррозии и придания красивого внешнего вида различным деталям, механизмам, агрегатам, приборам, машинам, предметам бытового назначения. Специальные покрытия (пасты, мастики) и другие методы защиты, применяемые для защиты от коррозии трубопроводов нефтяного назначения, проложенных в земле на большие расстояния, изучаются в специальной дисциплине.