9.2.1 Металлические покрытия
По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные.
К катодным относятся покрытия, потенциал которых в данной среде имеет более положительное значение, чем потенциал основного металла. Так, к катодным покрытиям стали (- 0,44 В) относятся покрытия никелем
(-0,25 В), оловом (-0,14 В), медью ( + 0,34 В) и др. На рисунке 32,а показана схема коррозионного разрушения основного металла при повреждении катодного покрытия. В порах возникает коррозионный элемент, в котором защищаемый металл 1 служит анодом и растворяется, а материал покрытия 2 - катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. В обычных условиях катодные покрытия защищают металл механически, изолируя его от окружающей среды. Основное требование к таким покрытиям — беспористость.
Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла, и защищают металл изделия не только механически, но главным образом электрохимически. Примерами анодных покрытий стали являются цинковые (-0,76 В) и алюминиевые (-1,66 В) покрытия. Повреждение анодного покрытия или наличие в нем пор не вызывает коррозии основного металла, но способствует разрушению самого
1
— защищаемый металл; 2 — защитное
покрытие; 3 — электролит
Рисунок 32 — Схема катодного покрытия (а) и анодного покрытия (б)
покрытия, как показано на рисунке 32, 6. В образовавшемся коррозионном элементе покрытие является анодом и растворяется, а основной металл — катодом, на котором восстанавливается водород или кислород. Образующиеся продукты коррозии заполняют места повреждений или поры и тем самым дополнительно замедляют коррозию. Поэтому степень пористости анодных покрытий в отличие от катодных не имеет существенного значения.
При выборе вида покрытия необходимо учитывать, что в ряде случаев потенциал металла меняется в зависимости от изменения условий эксплуатации. Так, например, цинковые покрытия стали являются анодными при комнатной температуре, а с повышением температуры выше 60°С меняют свою полярность по отношению к стали и становятся катодными покрытиями, что является причиной ускоренной язвенной коррозии оцинкованных труб теплообменников. Это необходимо учитывать при выборе защитных металлических покрытий.
К защитным металлическим покрытиям предъявляются следующие основные требования: высокая прочность сцепления с основным металлом; равномерное распределение по всей защищаемой поверхности; катодные покрытия должны быть сплошными. При необходимости покрытия должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.
Основной способ нанесения защитных металлических покрытий — гальванический. Покрытия наносятся также погружением изделий в расплавленный металл, металлизацией распылением, диффузионной металлизацией и плакированием.
Гальванические покрытия. В машиностроении для защиты изделий от коррозии широко применяется гальванический метод осаждения защитных металлических покрытий. Изделия покрываются цинком, кадмием, никелем, хромом, оловом, свинцом, серебром, золотом и другими металлами.
Схема электролиза для нанесения гальванических покрытий приведена на рисунке 33. Деталь под покрытие присоединяется к отрицательному полюсу источника постоянного тока 1 и служит катодом 2. В качестве анода 3 используют пластины из осаждаемого металла (растворимые аноды) или из материала, нерастворимого в электролите, но тогда состав электролита периодически корректируется введением соединений металла покрытия.
В качестве электролита используются соли металлов, наносимые на деталь. Так, при цинковании используют ZnSО4, при кадмировании СdSО4, при никелировании NiSO4 . Обязательный компонент электролита — ион металла, осаждающийся на катоде. В электролит добавляют соли,
1—источник постоянного тока; 2 — покрываемая деталь; 3 — анод;
4 - электролит
Рисунок 33 — Схема нанесения гальванических покрытий
увеличивающие электропроводность раствора (Nа2SО4), вещества для поддержания постоянного значения рН и другие компоненты. Количество осаждаемого металла пропорционально количеству прошедшего через электролит электричества. Поэтому толщину покрытия можно определить на основании закона Фарадея.
Защитные покрытия, в зависимости от условий эксплуатации, наносят толщиною от 10 до 40 мкм.
Распределение тока по поверхности изделия при электролизе не бывает равномерным. Это приводит к различной толщине покрытия на разных участках изделия. Особенно значительный разброс по толщине покрытия наблюдается на изделиях сложного профиля, что является недостатком гальванического покрытия.
Структура гальванического покрытия, его физико-механические и защитные свойства определяются свойствами осаждаемого металла, составом электролита и режимами электролиза.
К достоинствам гальванических покрытий можно отнести высокую экономичность способа (высокий КПД установки и весьма тонкий слой покрытия), возможность получения различных свойств покрытия из одного и того же металла за счет изменения режима электролиза, легкая управляемость процесса, протекание процесса при низкой температуре, хорошее сцепление покрытия с основным металлом.
Нанесение покрытий погружением в расплавленный металл.
Нанесение покрытия погружением в расплавленный металл является самым старым, простым, дешевым и распространенным методом. Для нанесения защитного слоя этим методом используется металл с более низкой, чем покрываемый металл, температурой плавления. К таким металлам относятся цинк, олово, свинец, алюминий.
Цинк применяется для защиты деталей из стали и чугуна от атмосферной коррозии, воды и ряда нейтральных растворов солей. Деталь погружается на 6 - 20 с в расплавленный цинк с перегревом до 450 - 490 °С. Цинком покрывают листы, проволоку, трубы, ведра, банки и другие изделия.
Олово применяют для защиты медных проводов от воздействия серы, получения «белой жести», идущей для изготовления консервных банок, молочной посуды и др.
Свинцом покрывают детали из стали и чугуна, используемые в химической промышленности (мешалки, краны, арматура и др.). Свинец не сцепляется с железом, поэтому его наносят на подслой из олова. Свинцовое покрытие беспористо, устойчиво ко многим электролитам и, что важно, к воздействию слабых растворов серной кислоты, ее солей и сернистых газов.
Алюминий наносят на изделия из железа, стали и чугуна с целью повышения устойчивости к атмосферной и газовой коррозии. Деталь вначале погружается в ванну с флюсом, а затем в перегретый до 800°С алюминий. Высокие защитные свойства алюминиевого покрытия связаны с наличием на поверхности равномерной плотной пленки оксида алюминия Аl2О3. Алюминиевые покрытия отличаются коррозионной стойкостью в промышленной атмосфере, в газах от сгорания топлива, в морской воде. Они являются жаростойкими покрытиями (до 950°С). Стальные детали, покрытые алюминием, можно сваривать с алюминием; это решает проблему сваривания стальных и алюминиевых элементов.
Горячим методом не удается получить равномерные по толщине покрытия. Расход цветных металлов при этом методе велик, так как получаемые покрытия имеют значительную толщину.
Металлизация распылением. Металлизация распылением состоит в нанесении расплавленного металла на защищаемую поверхность сжатым воздухом или инертным газом. Для этого используются специальные пистолеты-металлизаторы, которые подразделяются на газовые и электрические. Газовые металлизаторы работают на ацетилене, который, сгорая в кислороде, расплавляет проволоку или порошок металла покрытия. В электрических пистолетах-металлизаторах проволока для покрытия расплавляется электрической дугой.
Наиболее часто для распыления используют цинк, алюминий, медь, олово, латунь. Нанесенное покрытие имеет чешуйчатую структуру и высокую пористость. Плотность покрытия меньше, чем плотность исходного металла. Механическая прочность покрытия гораздо ниже прочности исходного металла.
Металлизацию распылением применяют для защиты от коррозии емкостей и аппаратуры крупных габаритов. К недостаткам металлизации распылением следует отнести большой расход металла, пористость получаемого покрытия, низкую адгезию покрытия к металлу, загрязнение воздуха токсичными веществами, опасное для зрения световое излучение и значительный шум при работе.
Диффузионная металлизация. Диффузионная металлизация — процесс диффузионного насыщения стали различными металлами при высоких температурах в твердых, жидких или газообразных средах. Диффузионная металлизация стальных изделий хромом называется хромированием, алюминием — алитированием, кремнием — силицированием. При высокой температуре, приближающейся к температуре плавления, подвижность металлических ионов настолько велика, что происходит обмен ионов металлов. В результате диффузии в поверхностном слое стали образуются сплавы оксидов Al2О3 , Cr2O3, SiO2 или двойные сплавы FеСг2O4, Fе2SiO4, обладающие высокой жаростойкостью.
Хромирование проводят при температуре 1000 - 1150°С в смеси порошкообразного хрома и нашатыря или в парах, хлористых солей хрома.
Алитирование осуществляют в смеси, состоящей из алюминиевого порошка, оксида алюминия и нашатыря при температуре 950 - 1000 °С в течение 3 - 4 часов. Алитирование стальных изделий осуществляют в собранном виде, так как образующийся при этом защитный слой хрупок и не допускает механической обработки. Алитированные детали обладают высокой жаростойкостью и применяются для защиты от газовой коррозии котельной аппаратуры, деталей газогенераторов и др.
Силицирование проводят в порошкообразной или газовой средах, содержащих кремний при температуре 1000 - 1200°С. Диффузионное силицирование хорошо защищает углеродистую сталь от газовой коррозии.
При диффузионной металлизации прочность сцепления покрытия с защищаемым металлом 100%, так как покрытием является поверхностный слой материала, который имеет равномерное распределение по толщине.
Плакирование. Плакирование — механотермический метод получения защитного металлического слоя. Например, лист из углеродистой стали покрывается с одной или с двух сторон защитным (плакирующим) слоем из коррозионно-стойкой стали, цветных металлов или их сплавов. Прочность сцепления обусловлена высоким удельным давлением прокатки, а также диффузионными процессами протекающими в ходе прокатки. Толщина плакирующего слоя зависит от толщины защищаемого металла. Для тонких листов она составляет 1,5 - 8%, а для толстых — 1,5 - 4% В качестве плакирующего слоя применяют стали марок 08X13, 12Х18Н10Т и др. В настоящее время выпускают стали, покрытые слоем меди, латуни, титана, серебра.
Применение плакированных металлов дает возможность получить сочетание нужных свойств по механической прочности и коррозионной стойкости, которое нельзя достичь при использовании одного металла. Плакированный материал можно подвергать холодной обработке и сварке. Изготовление жаростойких биметаллов способствует значительной экономии высоколегированной стали.