Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почему ежегодные потери от неё в промышленно развитых странах столь велики. Истинные убытки от неё нельзя определить, оценив только прямые потери, к которым относятся стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования, затраты на мероприятия по защите от коррозии. Ещё больший ущерб составляют косвенные потери. Это простои оборудования при замене прокорродировавших деталей и узлов, утечка продуктов, нарушение технологических процессов.
Идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материалов и способом их нанесения. Наиболее производительным и эффективным методом подготовки поверхности перед дальнейшей защитой субстрата является абразивоструйная очистка.
Обычно выделяют три метода защиты от коррозии:
| Метод | Описание метода |
|---|---|
| Конструкционный | Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие и кортеновские стали, цветные металлы. При проектировании конструкции стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки. |
| Активный | Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя. Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла. Другой метод — использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие. |
| Пасивный | В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента. |
Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другими металлами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищает сталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательный потенциал и коррозирует первым. Ионы Zn2+ токсичны. При изготовлении консервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие от оцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно, начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другая возможность защитить металл от коррозии — применение защитного электрода с большим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этого специально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роли катода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод, называют, соответственно, анодом протекторной защиты. Этот метод применяют для защиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенных под землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепят цинковые пластинки.
Если сравнить потенциалы цинка и магния с железом, они имеют более отрицательные потенциалы. Но тем не менее корродируют они медленнее вследствие образования на поверхности защитной оксидной плёнки, которая защищает металл от дальнейшей коррозии. Образование такой плёнки называют пассивацией металла. У алюминия её усиливают анодным окислением (анодирование). При добавлении небольшого количества хрома в сталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющей стали — более 12 процентов.
Самые распространённые способы поверхностной защиты стали:
- Антикоррозийное лакокрасочное покрытие
- Горячая гальванизация погружением
- Гальванопластика
- Гальванизация напылением
- Хромирование
- Напыление алюминия
- Нанесение резинового покрытия
- Нанесение полимерных покрытий на стальные листы (койлкоутинг)
Цинковые покрытия
Цинковые покрытия могут наноситься с помощью:
- Горячей гальванизации погружением
- Гальванопластики
- Гальванизации напылением
- Нанесением красок с высоким содержанием цинка
Цинкование — это процесс нанесения цинка или его сплава на металлическое изделие для придания его поверхности определённых физико–химических свойств, в первую очередь высокого сопротивления коррозии. Цинкование — наиболее распространённый и экономичный процесс металлизации, применяемый для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. На эти цели расходуется примерно 40 % мировой добычи цинка. Стойкость цинкового покрытия к атмосферной коррозии линейно зависит от его толщины. Цинкованию подвергаются стальные листы, лента, проволока, крепёжные детали, детали машин и приборов, трубопроводы и другие металлоконструкции. Декоративного назначения цинковое покрытие обычно не имеет, некоторое улучшение товарного вида приобретает после пассивирования оцинкованных изделий в хроматных, или фосфатных растворах, придающих покрытиям радужную окраску. Наиболее широко используется оцинкованная полоса, изготовляемая на автоматизированных линиях горячего цинкования, то есть методом погружения в расплавленный цинк. Методы распыления и металлизации позволяют покрывать изделия любого размера (например, мачты электропередач, резервуары, мостовые металлоконструкции, дорожные ограждения). Электролитическое цинкование ведётся в основном из кислых и щёлочно-цианистых электролитов, специальные добавки позволяют получать блестящие покрытия.
-
Горячая гальванизация
Самым распространённым методом защиты стальных строительных деталей является горячая гальванизация. Этот простой процесс представляет собой покрытие поверхности стали устойчивым к коррозии металла цинком или цинк-алюминиевым сплавом. Цинк и сплавы цинка защищают сталь двумя способами. Во-первых, как и краска, они обеспечивают барьерную защиту. Во-вторых, они обеспечивают гальваническую защиту, то есть под действием факторов коррозии цинк разрушается, сохраняя сталь. Толщина покрытия может варьироваться в пределах от 25 до 200 мкм.
-
Холодное цинкование
Система холодного цинкования предназначена для усиления антикоррозионных свойств комплексного многослойного покрытия. Система обеспечивает полную катодную (или гальваническую) защиту железных поверхностей от коррозии в различных агрессивных средах. Система холодной оцинковки бывает одно-, двух- или трехупаковочной и включает:
- связующее — известны составы на хлоркаучуковой, этилсиликатной, полистирольной, эпоксидной, уретановой, алкидной (модифицированной) основе
- антикоррозионный наполнитель — цинковый порошок («цинковая пыль»), с содержанием более 95 % металлического цинка, имеющего размер частиц менее 10 мкм и минимальную степень окисления
- отвердитель (в двух- и трех- упаковочных системах)
Одноупаковочные системы холодного цинкования поставляются готовыми к применению и требуют лишь тщательного перемешивания состава перед нанесением. Двух- и трехупаковочные системы могут поставляться в нескольких упаковках и требуют дополнительных операций по приготовлению состава перед нанесением (смешивание связующего, наполнителя, отвердителя). После приготовления (двух- и трёхупаковочные системы), нанесения состава на защищаемую поверхность металла кистью, валиком, методом пневматического или безвоздушного распыления и высыхания на поверхности металла образуется цинконаполненное противокоррозионное покрытие — полимерно-цинковая плёнка, сохраняющая все свойства полимерного покрытия, которое использовалось в качестве связующего, и одновременно обладающая всеми защитными достоинствами обычного цинкового покрытия.
Преимущества системы холодной оцинковки по сравнению со способом горячей гальванизации:
- Простота и меньшая трудоёмкость технологии нанесения защитного цинкового покрытия. Для нанесения покрытия не требуется специальное оборудование.
- Возможность антикоррозионной защиты металлоконструкций любых размеров, как в заводских так и в полевых условиях.
- Возможность исправления непосредственно на месте абразивных повреждений покрытия и дефектов, возникающих при сварке металлоконструкций.
- Экологически чистый процесс нанесения покрытия.
- Создание на поверхности железа гибкого слоя цинка не образующего микротрещин при изгибании металлоизделия.
Система холодного цинкования применяется во всех видах промышленности и в быту, где требуется надёжная и долговечная защита железных поверхностей от коррозии. Помимо использования в качестве грунтовочного слоя в комплексном многослойном покрытии система холодной оцинковки может применяться как самостоятельное антикоррозийное покрытие металлических поверхностей.
-
Термодиффузионное цинковое покрытие
Применяют для эксплуатации металлоизделий в агрессивных средах, где необходима более стойкая антикоррозионная защита поверхности металлоизделий. Термодиффузионное цинковое покрытие является анодным по отношению к чёрным металлам и электрохимически защищает сталь от коррозии. Оно обладает прочным сцеплением (адгезией) с основным металлом за счёт взаимной диффузии железа и цинка в поверхностных интерметаллитных фазах, поэтому не происходит отслаивания и скалывания покрытий при ударах, механических нагрузках и деформациях обработанных изделий.
Диффузионное цинкование, осуществляемое из паровой или газовой фазы при высоких температурах (375–850 °C), или с использованием разрежения (вакуума), при температуре от 250 °C, применяется для покрытия крепёжных изделий, труб, деталей арматуры и других конструкций. Значительно повышает стойкость стальных, чугунных изделий в средах, содержащих сероводород (в том числе против сероводородного коррозионного растрескивания), промышленной атмосфере, морской воде и др. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры, времени, способа цинкования и может составлять 0,01–1,5 мм. Современный процесс диффузионного цинкования позволяет образовывать покрытие на резьбовых поверхностях крепёжных изделий, без затруднения их последующего свинчивания. Микротвёрдость слоя покрытия (Hμ) составляет 4000–5000 МПа. Диффузионное цинковое покрытие также значительно повышает жаростойкость стальных и чугунных изделий, при температуре до 700 °C. Возможно получение легированных диффузионных цинковых покрытий, применяемое для повышения их служебных характеристик.
-
Неорганические цинковые покрытия
По сути это жидкие лакокрасочные ( акриловые или полиуретановые) покрытия, способные вступать в реакцию с металлической поверхностью и предохранять её от ржавления. Никакая другая краска не обладает такими свойствами. Неорганические цинковые покрытия очень экономичны. Сначала цинковые частицы действуют гальванически, защищая сталь. Формируется слой малорастворимого цинкового гидроксида. Он распространяется по поверхности металла и заполняет поры, образовавшиеся во время реакции цинка. Далее гидроксид цинка вступает в реакцию с диоксидом углерода атмосферы и образует карбонат цинка. Это химическое соединение абсолютно нерастворимо. Оно создаёт непроницаемый барьер на пути влаги и коррозии. Следовательно, при использовании неорганических наполненных цинком покрытий вы получаете два слоя защиты по цене одного покрытия.
Такая антикоррозионная краска может быть успешно использована для защиты индустриальных, морских и прибрежных объектов. Также применяется для защиты электростанций, химических и нефтеперерабатывающих заводов, мостов и трубопроводов, как подземных, так и находящихся на поверхности. Защита металлов от коррозии при помощи наполненных цинком покрытий может применяться на поверхностях, температура которых достигает 450 С.
Сравнение цинковых покрытий:
| Толщина покрытия | |
|---|---|
| Горячее цинкование погружением | Обычно 50-100 мкм (до 250 мкм) толщиной. Непрерывное цинкование стального листа: 10-30 мкм. |
| Гальванопластика | Обычно от 5 до 15 мкм. Стоимость толстых покрытий велика. |
| Цинкование напылением | Различная толщина покрытия, обычно от 80 до 150 мкм (редко превышает 250 мкм). |
| Краски с высоким содержанием цинка | От 10 до 60 мкм на один слой. |
| Адгезия цинка к стали | |
| Горячее цинкование погружением | Металлургическое наплавление. |
| Гальванопластика | Межатомные связи / механическая адгезия. |
| Цинкование напылением | Механическая адгезия. Хорошего качества при условии правильной дробеструйной обработки. |
| Краски с высоким содержанием цинка | Зависит от связующего и качества дробеструйной обработки. |
| Структура покрытия | |
| Горячее цинкование погружением | Цинкование отдельных деталей: цинко-железный слой плюс внешний слой цинка. Непрерывное цинкование: очень тонкий железо-алюминиево-цинковый слой и слой чистого цинка (99 %). |
| Гальванопластика | Чистый цинк. |
| Цинкование напылением | Покрытие образовано напылением чистого цинка. Покрытие несколько окисленное и пористое. |
| Краски с высоким содержанием цинка | В лучших материалах содержание цинка в краске достигает 90%. |
| Равномерность и непрерывность | |
| Горячее цинкование погружением | Равномерность и непрерывность покрытия оцениваются как хорошие. Избыточные дорожки цинка при серийном изготовлении. |
| Гальванопластика | Покрытие равномерное. Степень равномерности зависит от эффективности работы ванны. |
| Цинкование напылением | Зависит от навыков исполнителя. Покрытие пористое, однако, поры быстро заполняются солями цинка, что в результате делает покрытие плотным. |
| Краски с высоким содержанием цинка | Равномерность и непрерывность покрытия оцениваются как хорошие. При наличии пор, они быстро заполняются продуктами реакций. |
| Предварительная обработка | |
| Горячее цинкование погружением | Цинкование отдельных деталей: обезжиривание и травление кислотой. |
| Гальванопластика | Обезжиривание и травление кислотой. |
| Цинкование напылением | Дробеструйная обработка (степень очистки не менее Sa3). |
| Краски с высоким содержанием цинка | Дробеструйная обработка (степень очистки от Sa2 до Sa3). |
| Коррозионная стойкость | |
| Горячее цинкование погружением | Хорошая |
| Гальванопластика | Ограниченная (в зависимости от толщины покрытия) |
| Цинкование напылением | Хорошая |
| Краски с высоким содержанием цинка | Ограниченная |
| Стандарты | |
| Горячее цинкование погружением | EN ISO 1461, EN ISO 14713, ISO 3575 (сталь с покрытием) |
| Гальванопластика | ISO 2081 |
| Коррозионная стойкость | |
| Горячее цинкование погружением | Размер объекта зависит от размеров ванны для цинкования. Для обработки длинных объектов может применяться погружение с переворачиванием. Объекты должны быть спроектированы таким образом, чтобы было возможно горячее цинкование погружением. |
| Гальванопластика | Размеры ограничены ёмкостью. Обычно применяется для мелких деталей простой формы. Подходит для листа и проволоки, в процессе не выделяется тепло. |
| Цинкование напылением | Размеры и форма не ограничены. Экономично в случае объектов, масса которых велика по сравнению с площадью поверхности. Неэкономично в случае для неразборных каркасных конструкций. Применение ограничено доступностью поверхностей. Лучший метод получения толстых покрытий. |
| Краски с высоким содержанием цинка | Подходит для тех же применений, что и все краски. Проблематично нанесение в узких местах. |
Скорость атмосферной коррозии цинка примерно в 10 раз меньше, чем у стали, и составляет:
- В открытой атмосфере сельской местности: < 1 мкм/год
- В открытой атмосфере города: ≈ 2 мкм/год
- В промышленной атмосфере: от 2 до 10 мкм/год
- В морской атмосфере: ≈ 2 мкм/год
Газотермическое напыление
С помощью газотермического напыления на поверхности металла создаётся слой из другого металла или сплава, обладающий более высокой стойкостью к коррозии (изолирующий) или наоборот менее стойкий (протекторный). Такой слой позволяет остановить коррозию защищаемого металла. Суть метода такова: газовой струёй на поверхность изделия на огромной скорости наносят частицы металлической смеси, в результате чего образуется защитный слой толщиной от десятков до сотен микрон. Газотермическое напыление также применяется для продления жизни изношенных узлов оборудования: от восстановления рулевой рейки в автосервисе до нефтедобывающих компаний.
Антикоррозионная краска
Краска представляет собой барьерное покрытие, которое при правильном использовании, обеспечивает достаточную защиту стали от коррозии. Однако антикоррозионная краска не всегда выполняет свою защитную функцию в полной мере. Даже под идеально нанесённой краской при продолжительном контакте с водой появляется коррозия.
В любом случае, антикоррозионную краску необходимо наносить на чистую подготовленную поверхность. Подготовка поверхности и защита стали от коррозии с помощью антикоррозийных лакокрасочных покрытий описаны в ISO 8501-1, ISO 8501-2, ISO 8502, ISO 8503-1, ISO 8504, ISO 11124, ISO 11126.
Защитные лакокрасочные покрытия не изменяют принципиально электрохимическую природу процессов, происходящих на поверхности корродирующих металлов, а лишь уменьшают их скорости. Покрытия играют роль диффузионного барьера, эффективно тормозящего доступ агрессивных агентов внешней среды к поверхности металла, а в большинстве случаев изменяют также потенциал металла.
Защитные лакокрасочные покрытия — многослойные системы, состоящие из грунтовок, непосредственно соприкасающихся с металлом, и верхних кроющих слоёв. Грунтовки должны надёжно сцепляться с металлом и обладать хорошими антикоррозионными свойствами. Они содержат плёнкообразующие вещества и пигменты. Плёнкообразующими служат алкидные смолы, эпоксидные смолы, растительные масла, пигментами — железный и свинцовый сурик (для грунтовок по чёрным металлам) и цинковый крон (для грунтовок по цветным металлам). Кроме того, применяют так называемые протекторные грунты, которые состоят из связующего (около 5%) и цинковой пыли (до 95%) и, подобно цинковому покрытию, защищают металл электрохимически. Заводская грунтовка наносится на стальную поверхность сразу после пескоструйной обработки, для временной защиты от коррозии в процессе производства, транспортировки, монтажа и хранения. Краска обычно наносится поверх заводской грунтовки, на которую обычно наносится также новый слой грунтовки. Как правило, заводская грунтовка не является частью конечной лакокрасочной системы, поэтому в некоторых случаях её необходимо смывать. Детали, поставляемые в заводской грунтовке, можно скреплять сваркой.
Верхние кроющие слои защитных лакокрасочных покрытий должны быть малопроницаемы для влаги, паров, газов, ионов электролитов, не должны набухать и растрескиваться в рабочей среде. Наиболее распространённые плёнкообразующие для кроющих слоёв — алкидные смолы и их композиции с меламино-формальдегидными смолами и мочевино-формальдегидными смолами. Хорошей химической стойкостью обладают покрытия на основе феноло-альдегидных смол, эпоксидных смол, поливинилхлорида. Верхние слои термостойких защитных лакокрасочных покрытий получают на основе кремнийорганических полимеров. Введение пигментов повышает термостойкость защитных лакокрасочных покрытий и замедляет их старение.
Перед нанесением защитных лакокрасочных покрытий поверхность металлов специально подготавливают: удаляют окалину, окислы, жировые вещества и влагу. Иногда поверхность подвергают пескоструйной обработке, фосфатируют или анодируют. Защитные лакокрасочные покрытия наносят на окрашиваемые поверхности пневматическим распылением, электрораспылением и другими методами. Сушить покрытия можно при комнатной или повышенной температуре в зависимости от свойств плёнкообразующего и габаритов изделия или сооружения.
Электрохимическая защита
Этот тип защиты металлов от коррозии, основана на зависимости скорости коррозии от электродного потенциала металла. Металл или сплав должен эксплуатироваться в той области потенциалов, где скорость его анодного растворения меньше некоторого конструктивно допустимого предела, который определяют, исходя из срока службы оборудования или допустимого уровня загрязнения технол. среды продуктами коррозии. Кроме того, должна быть мала вероятность локальных коррозионных повреждений.
К собственно электрохимической защите относят катодную защиту, при которой потенциал металла специально сдвигают из области активного растворения в более отрицательную область относительно потенциала коррозии, и анодную защиту, при которой электродный потенциал сдвигают в положительную область до таких значений, когда на поверхности металла образуются пассивирующие слои.