«Диффузионное насыщение металлами и металлоидами»

Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости (до 1000 °С), коррозионной стойкости, твердости и износо­стойкости деталей.

Насыщение (при 1000—1200 °С) проводят в твердых, жидких и газовых средах.

При насыщении в твердой среде детали помещают в ящик со смесью ферросплава (например, ферроалюминия, феррохрома и др.) и хло­ристого аммония NH₄C1. При нагреве, в связи с взаимодействием! ферросплава и хлористого водорода НС1, получающегося при разложении NH4CI, образуется летучее соединение (хлорид) хлора с ме­таллом (металлоидом), например хлорид алюминия А1С1₃, хлорид хрома СгС1₂ и др., которое при контакте с деталью распадается с обра­зованием атомов данного металла (металлоида), проникающих в сталь.

При насыщении в жидкой среде детали нагревают в ванне с расплавленным металлом (например, алюминием и др.).

При насыщении в газовой среде детали нагревают в среде летучих хлоридов различных металлов (металлоидов).

«Коррозия металлов и меры борьбы с ней»

Коррозией металлов и сплавов называют процесс превра­щения их в окисленное состояние, разрушение под влиянием внеш­ней среды. Примером коррозии может служить ржавление железа на воздухе, разъедание подводных частей судов, порча химической аппаратуры от действия различных растворов, а также кислот и щелочей. Коррозия приводит изделия в негодность. Потери от кор­розии сплавов на основе железа велики: каждая пятая тонна из выплавленных черных металлов расходуется на восполнение потерь по изделиям, пришедшим в негодность от коррозии.

«Основы теории коррозии металлов»

По виду коррозионного процесса различают электрохими­ческую, химическую и смешанную коррозию; в зависимости от кор­розионной среды ее относят к природной (под действием атмосферы, морской, речной, озерной воды, почвы) или промышленной (под действием солей, кислот, щелочей). По характеру коррозионного разрушения выделяют равномерную (рис. 13, а), неравномерную (б), избирательную, воздействующую на определенную фазу (в), пят­нами (г), язвенную (д), точечную (е), сквозную (ж), ножевую (з), трещинами (и), межкристаллитную (к), подповерхностную (л) и послойную (м) коррозии.

Рисунок 13 Виды коррозийных разрушений

Электрохимической коррозией называют процесс самопроизволь­ного взаимодействия металла с жидкостью—электролитом, в ходе которого последовательно протекает окисление металла и восста­новление окислительного компонента; окислительный компонент при этом не входит в состав продукта коррозии. По процессу электрохимической коррозии корродирует подавляющее большинство металлических изделий. Электролитами могут быть всевозможные электропроводные жидкости, чаще всего щелочи, водные растворы кислот, солей, газов. При соприкосновении металла с электролитом ионы с поверхности металла переходят в электролит, определяя возникновение между ними электродвижущей силы. В отличие от обычного растворения (например, соли в воде), которое прекращается, когда раствор ста­новится насыщенным, при растворении металла в электролит пере­ходят лишь положительно заряженные ионы, в результате чего электролит, находящийся в контакте с металлом, заряжается поло­жительно, а металл — отрицательно (за счет оставшихся элек­тронов).

Металлы обладают различной способностью переходить в раствор, т. е. различной упругостью растворения. Поэтому, если пластинки (электроды) разных металлов поместить в один электролит, то они будут иметь различные потенциалы, причем, чем больше ионов ме­талла перейдет в раствор, тем больше будет его отрицательный потенциал.

Если соединить проводником электроды различных металлов, находящихся в электролите, то образуются гальванические пары, где анодом является электрод с более низким потенциалом, а като­дом — электрод с более высоким потенциалом. В гальванической паре переход ионов анода в раствор продолжается до полного растворения пластинки анода. Так, если пластинку цинка и пластинку железа поместить в электролит и соединить их проводником, то цинк будет растворяться до полного разрушения пластинки.

Структура металлов и сплавов в большинстве случаев неодно­родна и состоит из двух фаз (например, феррита и цементита). При погружении такого сплава в электролит отдельные фазы (зерна) его будут иметь различные потенциалы, а так как эти зерна соеди­нены друг с другом через массу металла, то сплав будет представ­лять собой множество гальванических микропар. Из сказанного следует, что чистые металлы и однофазные сплавы должны иметь большую кор­розионную стойкость, чем сплавы, состоящие из смеси фаз. Опыт подтверждает это; например, сталь, закаленная на мартенсит, корро­дирует значительно меньше, чем та же сталь после отжига или отпуска (состояние перлита, сорбита, троостита). Однако и однофазные металлы имеют дефекты структуры- дислокации, субзерна, загряз­нения и примеси, обладающие различными значениями электродного потенциала; то же относится и к наклепанным участкам металла. Все это определяет электрохимическую гетерогенность металлов. Поэтому электрохимическая коррозия может наблюдаться также и у однофазных металлов.

Слой электролита при коррозии может быть весьма незначитель­ным: достаточно небольшой конденсации влаги из воздуха на поверх­ности металла, как начинается процесс коррозии, поэтому электро­химическая коррозия наблюдается и в закрытых помещениях.

Наличие сплошной прочной оксидной пленки предохраняет ме­талл и от электрохимической коррозии, так как изолирует его от действия электролита. Этим объясняется тот факт, что некоторые металлы (например, алюминий, хром, титан), имеющие весьма низ­кие электродные потенциалы, обладают большей коррозионной стойкостью, чем, например, железо, имеющее более высокий электродный потенциал, но не образующее при коррозии сплошной прочной оксид­ной пленки. Металлы, на поверхности которых об­разуются прочные, предохра­няющие от коррозии плен­ки, называют пассивирующимися.

Химической коррозией называют процесс самопроизвольного взаи­модействия металла с окислительным компонентом коррозионной среды, не зависящий от электродного потенциала металла. Продук­том коррозии является химическое соединение металла с окисли­тельным компонентом, Химическая коррозия протекает при действии на металл сухих газов, например, продуктов сгорания топлива, воздуха или жидких органических веществ (бензина, мазута, смолы и др.).

В чистом виде химическая коррозия наблюдается, например, при горячей обработке металлов (продуктом является окалина), на деталях топок и котлов, тепловых двигателей, танкеров, газо- и нефтепроводов и пр.

Атмосферная коррозия совмещает особенности химической и

электрохимической коррозии.

Мерой коррозионной стойкости металлов является скорость коррозии в данной среде и данных условиях. Скорость коррозии выражают массой металла в граммах, превращенной в продукты коррозии за единицу времени (1 ч) и отнесенной к единице его по­верхности (1 м²). На скорость коррозии влияют состав металлов, их механическая и термическая обработка, а также среда (воз­дух, вода, растворы кислот), температура, давление и характер нагрузки.

Наиболее опасной является межкристаллитная коррозия. Она распространяется по границам зерен и мало заметна при осмотре, однако изделия становятся негодными, так как нарушается металли­ческая сплошность их и резко снижается прочность.

«Способы предохранения металлов от коррозии»

Все конструкционные и инструментальные металлы и сплавы подвержены коррозии. Сталь и чугун составляют основную массу металлических изделий, поэтому защита их от коррозии тре­бует особого внимания.

Производство коррозионно-стойких сплавов (например, высоко­легированной хромовой и хромоникелевой стали) само по себе уже является способом борьбы с коррозией. Нержавеющая сталь и чу­гун, так же как и коррозионно-стойкие сплавы цветных металлов, — весьма ценный антикоррозионный материал, однако применение таких сплавов не всегда возможно из-за их высокой стоимости или по техническим соображениям.

На практике применяются следующие способы защиты металли­ческих изделий от коррозии: металлические и неметаллические по­крытия, ингибиторы коррозии, электрохимическая защита.

Металлические покрытия широко применяют для защиты от коррозии изделий и деталей машин, приборов, металло­конструкций. Наряду с защитой от коррозии металлические покрытия повышают износостойкость, жаро­прочность.

Различают анодные и катодные металлические покрытия. Анод­ные покрытия производят металлами, электродный потенциал кото­рых в данном электролите ниже потенциала покрываемого (основного) металла, например, покрытие железа цинком. Анодное покрытие защищает основной металл готовых изделий электрохимически. Срок службы анодных покрытий возрастает при увеличении их тол­щины. Катодные покрытия производят металлами, электродный потенциал которых в данном электролите выше потенциала основного металла. Катодные покрытия создают механическую защиту основ­ного металла. Нарушение сплошности покрытия (разъединение, механические повреждения) влечет за собой усиленную электро­химическую коррозию основного металла. Во многих случаях сплош­ность покрытия может сохраняться довольно долго; столь же про­должительной будет и защита основного металла. Примером катод­ного покрытия является никелирование сплавов железа.

Металлические покрытия наносят гальваническим, термодиффу­зионным, горячим способами, а также напылением, плакированием, припеканием.

Галъванические покрытия получают при электрокристаллиза­ции — осаждении на изделии — катоде положительно заряженных ионов металлов из электролитов при пропускании через них по­стоянного тока. В качестве анодов применяют металлы покрытия (хром, никель, медь, цинк, олово, серебро, золото), которые в ходе процесса растворяются в электролите и пополняют его катионами, разряжающимися на катоде. При гальванических покрытиях обеспе­чивается нанесение покрытия из любого металла на заготовки также из любого металла.

Наряду с гальваническими существуют химические покры­тия, осаждаемые на поверхность заготовки без внешней поля­ризации, когда в разогретый электролит загружают холодные за­готовки.

Термодиффузионный способ состоит в поглощении защитного металла поверхностным слоем заготовок и осуществляется при вы­соких температурах. Этим способом производят алитирование (защитный металл — алюминий), хромирование, силицирование (за­щитный элемент — кремний).

Горячий способ применяют для нанесения тонкого слоя легко­плавких металлов: олова (лужение), цинка (цинкование) или свинца (свинцевание). Очищенную заготовку при этом погружают в рас­плавленный защитный металл, который смачивает ее.

Лужение применяют в основном в производстве белой жести и для медной посуды; цинкование — для проволоки, кровельного же­леза, труб; свинцевание — для химической аппаратуры и труб.

Напыление плазменной струей получает все большее распростра­нение. Напыляемый материал расплавляется в потоке газоразрядной плазмы аргона, азота, аммиака или водорода. Материалом покрытия могут являться металлы (Zn, Al, Си, Ti, W, Сг, Мо и др.), оксиды (А1₂0₃, С1_а0₃, Si0₂ и др.), кар­биды (В₄С, TiC, NbC и др.), бориды, силициды, нитриды металлов, которые применяют в виде проволоки и прутков (диаметром 0,5—3 мм) или порошков сферической формы (диаметром 20— 100 мкм).

Напыление используют для изделий из стали, сплавов алюминия, меди, титана и других металлов. Преимуществами плазменного способа являются универсальность, формование покрытий высокой плотности при хорошей сцепляемости с основным металлом, легкость управления процессом.

Плакирование (термомеханическое покрытие) заключается в сов­местной горячей прокатке или волочении основного и защитного металлов. Сцепление между металлами осуществляется в результате диффузии под влиянием совместной деформации горячей заготовки. Защищаемый металл (сталь, сплавы титана) покрывают с одной или с обеих сторон медью, томпаком, коррозионно-стойкой сталью, алюминием.

Припекание (металлирование) — это новый способ нанесения покрытий, образующихся из порошков металлов (железных, медных, титановых, никелевых, хромовых), а также нитридов, боридов, силицидов металлов и пластмасс. Операция припекания состоит в на­несении на подготовленную поверхность заготовки порошкового слоя и нагрева, в процессе которого порошок спекается, образуя сплошной защитный слой, и одновременно припекается к поверхности основного металла.

Помимо защиты от коррозии, припекание (металлирование) используют для восстановления изношенных поверхностных слоев деталей.

Неметаллические покрытия относятся по­крытия лаками, красками, смазкой, эмалями, а также резиной и эбонитом.

Лакокрасочные покрытия имеют самое широкое распространение для защиты металлоконструкций, машин и механизмов в различных агрессивных средах. Входящие в состав лакокрасочных покрытий пленкообразователи обеспечивают получение сплошной, эластичной и беспористой пленки, изолирующей металл от коррозионной среды.

Технологический процесс лакокрасочного покрытия включает в себя подготовку поверхности, приготовление лакокрасочных мате­риалов, нанесение покрытий и сушку. Лакокрасочные материалы наносят кистью, валиками, распылением, окунанием, струйным обливом.

Срок службы противокоррозионных лакокрасочных покрытий от 1 до 5 лет. К недостаткам этих покрытий относится снижение эффектив­ности защиты со временем в результате порообразования и проник­новения агрессивной среды, а также обгорание при высоких тем­пературах.

В качестве смазок применяют минеральные масла и жиры. За­щита смазкой производится при хранении и перевозке металличе­ских изделий. Смазку периодически обновляют.

Покрытие резиной и эбонитом называют гуммированием; его при­меняют для защиты химической аппаратуры (сосуды, трубопроводы, травильные и гальванические ванны, краны, цистерны) от корро­зионного действия кислот, щелочей, растворов солей. Для гумми­рования поверхности заготовок обезжиривают, покрывают резиновым клеем и листами сырой резины или эбонита, затем производят вулка­низацию и отделку.

Ингибиторами коррозии являются неко­торые органические и неорганические соединения, которые вводят в небольших количествах в агрессивную среду, чем обеспечивается предотвращение или уменьшение скорости коррозии вследствие изме­нения механизма и кинетики электродных процессов. Ингибиторы используют для защиты металлоконструкций буровых скважин, трубопроводов, теплообменных аппаратов, химического оборудо­вания.

Химическая защита состоит в искусственном создании на поверхности изделий защитных неметаллических пленок (чаще всего оксидных) за счет окисления поверхностного слоя металла. Наведение оксидных пленок называют оксидированием, а на железе и стали — воронением в связи с сине-черным цветом покрытия. Для воронения сталей наиболее распро­странен способ погружения заготовок в растворы азотно-кислых солей при температуре 140 °С. Оксидирование применяют для алю­миния, магния и их сплавов. Этим способом осуществляют защиту изделий от воздуха и осадков. Для изделий, подверженных действию более агрессивных сред, этот способ неприемлем. Кроме оксидных пленок, на стальных изделиях наводят пленки фосфорно-кислых солей железа и марганца (фосфатирование); эти пленки в сравнении с оксидными являются более прочными.

Электрохимическая защита разделяется на протекторную и ка­тодную.

Протекторную защиту применяют для изделий, соприкасающихся с электролитами. Вблизи поверхности, подлежащей защите, уста­навливают протекторы из металла, имеющего в данном электролите

меньший электродный потенциал, чем потенциал основного металла. При этом образуется гальваническая пара протектор — основной металл, в которой протектор будет анодом, а основной металл — катодом. В таких условиях протектор будет постепенно разрушаться, защищая тем самым основной металл. После полного разрушения протектор заменяют.

Так, например, с помощью цинкового протектора защищают от коррозии подводные части судна (винты и киль).

Катодную защиту применяют для подземных металлических соору­жений (трубопроводов, кабелей и т. д.), которые присоединяются к отрицательному полюсу источника постоянного тока; положи­тельный полюс заземлен.