Реферат на тему «Разнообразие неметаллических покрытий для защиты металлов от коррозии»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Методы защиты металлов от коррозии

1.1 Неметаллические покрытия

1.1.1 Лакокрасочные покрытия

1.1.2 Оксидные и фосфатные защитные пленки

1.1.3 Эмалевые покрытия

1.1.4 Покрытия смолами, полимерами и резиной

2 Антикоррозийная защита железнодорожного транспорта

2.1 Технология нанесения антикоррозийных составов

2.2 Защита от коррозии: материалы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Многообразие процессов электрохимической коррозии и условий ее проявления обусловили широкий диапазон способов защиты от этого явления. Многое зависит от конструкции изделия. Конструктор-проектировщик первым должен предусмотреть защиту от коррозии. Он должен рационально подобрать материалы и так спроектировать конструкцию, чтобы максимально ограничить влияние неизбежных анодных областей и появление таких областей в ходе эксплуатации.

Для защиты оборудования и строительных конструкций от коррозии в отечественной и зарубежной противокоррозионной технике применяется большой ассортимент различных химически стойких материалов – листовые и пленочные полимерные материалы, бипластмассы, стеклопластики, углеграфитовые, керамические и другие неметаллические химически стойкие материалы.

В настоящее время расширяется применение полимерных материалов, благодаря их ценным физико-химическим показателям, меньшему удельному весу и др.

Среди многочисленных полимерных материалов, применяемых за рубежом в противокоррозионной технике, значительное место занимают конструкционные пластмассы, а также стеклопластики, получаемые на основе различных синтетических смол и стекловолокнистых наполнителей.

Методы защиты от коррозии можно объединить в следующие группы:

Нанесение защитных покрытий и пленок.

Изменение электрохимического потенциала защищаемого материала по отношению к среде на границе фаз.

Основным условием противокоррозийной защиты металлов и сплавов является уменьшение скорости коррозии. Уменьшить скорость коррозии можно, используя различные методы защиты металлических конструкций от коррозии

1 Методы защиты металлов от коррозии

Борьба с коррозией с применением защитных покрытий является наиболее распространенным способом. Его эффективность зависит не только от выбора подходящего покрытия, но и от соответствующей обработки поверхности материала. Она должна быть очищена от органических загрязнений, таких как масла и смазки, а также от ржавчины, окалины и т. п. В связи с этим подготовка поверхности состоит в мытье, обезжиривании, механической очистке шлифованием, полированием, очистке щетками или дробеструйной обработке. Чистую поверхность металла получают также химическим или электролитическим травлением в растворах кислот [9].

В качестве защитных применяют металлические и неметаллические покрытия.

1.1 Неметаллические покрытия

Неметаллические покрытия применяются в случае возникновения химической реакции металла в соответствующих средах. К ним, в частности, относят оксидные алюминиевые покрытия, полученные в ходе специального электролитического процесса. Фосфатные покрытия применяются в большинстве случаев с дополнительными защитными средствами, как, например, красками, лаками и т. п. Фосфатирование стали состоит в погружении изделия в разбавленный раствор фосфорной кислоты и кислых фосфатов цинка или магния. В результате реакции образуется нерастворимый фосфат железа, который в ходе процесса плотно покрывает поверхность металла. К этой же группе относят керамические покрытия и стекловидные эмали. Эти покрытия достаточно стойкие к воздействию минеральных и органических кислот. Их недостатком является повышенная хрупкость и низкая стойкость в условиях резких перепадов температуры.

Органические покрытия выполняются с помощью разнообразных лакокрасочных материалов.

Знание механизма коррозии позволило создать методы коррозионной защиты путем наложения на металл такого потенциала, при котором он становится термодинамически устойчивым. К таким методам относятся катодная защита и уменьшение агрессивности среды, окружающей металлоконструкцию.

Катодная зашита состоит в присоединении к защищаемой конструкции анода протектора с более отрицательным электрохимическим потенциалом. Протектор (от слова «protection» – защита) и служит таким анодом, препятствующим разрушению защищаемого сплава; сам протектор при коррозии постепенно разрушается.

Протектором может являться любой металл, имеющий по отношению к данному сплаву более отрицательный потенциал. Однако разница в потенциалах не должна быть слишком большой, чтобы при электрохимическом процессе не происходило быстрого разрушения протектора [5].

Неметаллические покрытия находят применение в качестве защитных покрытий от коррозии. Существенное отличие неметаллических покрытий от металлических состоит в том, что они не электропроводны, и поэтому их разрушение вызывается химическими и механическими факторами, а не электрохимическими процессами. К неметаллическим покрытиям относят эмали, стекло и цемент.

1.1.1 Лакокрасочные покрытия

Применение лакокрасочных покрытий является наиболее распространенным способом защиты от коррозии, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими видами покрытий: относительно простой технологией нанесения, возможностью получения покрытий любого цвета, сравнительно низкой стоимостью. К недостаткам лакокрасочных покрытий следует отнести их низкую термостойкость, невысокую механическую прочность, недостаточную стойкость в водной среде.

Лакокрасочные материалы подразделяются на лаки, краски и эмали. В состав лакокрасочных материалов входят органические пленкообразующие вещества и пигменты (красители).

Лаки – коллоидные растворы высыхающих масел смол, эфиров, целлюлозы в органических растворителях. Лаки подразделяются на масляные, эфироцеллюлозные и спиртовые. Масляные лаки представляют собой пленкообразующую жидкость, состоящую из натуральных или синтетических смол, растворенных в олифах.

 Смолы повышают прочность, твердость и блеск покрытий. После нанесения масляных лаков на поверхность растворители (скипидар, ксилол, уайтспирит, сольвент и др.) улетучиваются, а смоляно-масляная основа высыхает, образуя прочную, блестящую и эластичную пленку, прочносцепленную с поверхностью. В качестве смол используют канифоль в виде ее эфиров, а также синтетические алкидно-глифталевые, пентафталевые, мочевино- и меламиноформальдегидные, эпоксидные смолы.[8]

Эфироцеллюлозные нитролаки представляют собой пленкообразующую жидкость, содержащую нитроклетчатку (целлюлоза, обработанная смесью азотной и серной кислот), растворенную в смеси органических растворителей – ацетона, этилацетата, бензола, толуола. Для повышения адгезионных свойств и блеска нитролаковых покрытий в состав этих лаков вводят глицериновый эфир канифоли, а также ряд синтетических смол. Для получения эластичной, свето- и термостойкой лаковой пленки в состав лака вводят пластификаторы — эфиры фосфорной и фталевой кислот, а также льняное и касторовое масла.

Нитролаки образуют твердую, прочную пленку, стойкую к действию влаги, бензина и ряда химических реагентов.

Спиртовые лаки получают путем растворения в спирте естественных смол — шеллака, сандарака − или искусственных − идитола. Спиртовые лаки быстро высыхают, но образуют непрочную пленку. Краски представляют собой суспензию минеральных пигментов в органических связующих пленкообразователях.

Краски подразделяются на масляные, эмульсионные и эмалевые.

Масляные краски представляют собой суспензии различных пигментов в олифах. В качестве пигментов наиболее широко используются оксиды свинца, цинка, железа, титана, хромата цинка, карбонат свинца, сульфат бария, алюминиевая пудра.

Натуральную олифу приготавливают из высыхающих растительных масел, обработанных при температуре, равной 300°С, с целью частичной полимеризации.

Искусственная олифа — продукт окисления или крекинга нефтяных углеводородов. На воздухе олифа окисляется и полимеризуется до твердого состояния. Этот процесс можно ускорить, добавляя в олифу небольшое количество сиккатива, являющегося катализатором процесса полимеризации. В состав красок иногда включают наполнители (слюда, графит, тальк и др.) для повышения механической прочности пленки [7].

Эмульсионные краски — это однородные системы двух несмешивающихся жидкостей, из которых одна находится в другой в виде мельчайших капель. Для предотвращения расслаивания в эмульсию добавляют стабилизаторы – казеин, желатин, мыло и др.

Эмалевые краски представляют собой суспензию пигментов в лаках. При высыхании они образуют твердую, блестящую, эластичную пленку. Эмали подразделяются на эмали горячей и холодной сушки. Защитное действие лакокрасочного покрытия обусловлено механической изоляцией поверхности металла от внешней среды, ингибирующим действием пигментов и высоким сопротивлением пленки к перемещению ионов.

Механическая изоляция достигается при отсутствии пор в лакокрасочном покрытии. Однако все краски частично проницаемы по отношению к воде и кислороду воздуха. Кроме того, при старении покрытия изоляция обычно ухудшается, появляются микротрещины и поры, что сильно снижает защитные свойства лакокрасочных покрытий.

Для повышения механической изоляции поверхности от внешней среды металлическое изделие вначале покрывают слоем грунта, а затем несколькими слоями краски. В этом случае происходит закупорка пор и микротрещин, и покрытие становится практически непроницаемым.

Защитные свойства лакокрасочных материалов в значительной степени зависят от вида применяемого пигмента. Пигмент не только повышает прочность и придает цвет пленке, но и может служить эффективным ингибитором коррозии. Вода, проникающая к поверхности металла через поры в краске, становится менее агрессивной вследствие растворения в ней пигмента-ингибитора, в качестве которых используют свинцовый сурик, хромат цинка, цинковую или алюминиевую пудру. Кроме того, пигменты ингибиторы уменьшают набухаемость краски в воде, что также повышает защитные свойства лакокрасочных покрытий.

В практике проведения антикоррозионных работ наиболее распространены лакокрасочные покрытия на органической основе благодаря относительно низкой стоимости материалов, их доступности. Основными требованиями к покрытию являются: хорошая адгезия, непроницаемость для агрессивных сред, долговечность, технологичность проведения повторной окраски, экономичность с учётом срока эксплуатации [7].

Грунтовочные составы, наносимые непосредственно на защищаемую поверхность, улучшают адгезию и антикоррозионные свойства покрытия и выбираются в зависимости от материала защищаемой поверхности и вида покрытия.

Покрывные составы (2-7 слоев) — это многокомпонентные составы из плёнкообразователя, растворителя и пигментов. Дополнительно входят наполнители и отвердители.

Пигменты — это окислы или сами металлы (охра, железный сурик, цинковые белила, металлические порошки, алюминиевая пудра, цинковая пыль, сажа, графит, а также органические вещества для цвета). Наполнители (мел, каолин, тальк и др.) добавляются для удешевления лакокрасочного материала и некоторого улучшения его защитных свойств.

Шпатлёвочные составы используются для выравнивания окрашиваемой поверхности и улучшения внешнего вида. Также как и грунтовки, они представляют собой пигментированные лаки или олифы. Покрытие в большинстве случаев состоит из грунтовки (1-2 слоя) и покрывных слоев. Неметаллические защитные покрытия производятся на основе природных или синтетических плёнкообразующих веществ, таких как олифа, битумных составов алкидных, перхлорвиниловых, эпоксидных и других смол, а также на основе неорганических плёнкообразующих веществ, предназначенных, главным образом для защиты от увлажнения. Основной вид лакокрасочного покрытия — лаки. Краски на основе лаков принято называть эмалями, а на основе олифы – масляными [4]

1.1.2 Оксидные и фосфатные защитные пленки

Естественные оксидные пленки образуются на поверхности металлов под влиянием кислорода воздуха. Такие пленки имеют незначительную толщину и поэтому не могут служить надежной защитой от коррозии. Оксидные пленки большой толщины можно получить искусственным путем. Такие пленки могут защищать от коррозии.

Оксидирование может осуществляться паротермическим, химическим и электрохимическим способами. Оксидирование черных металлов нашло широкое применение в промышленности для защиты от атмосферной коррозии. Оксидную пленку на стали можно получить электрохимическим окислением в электролитах, путем химической обработки в кислых или щелочных окислительных растворах, а также нагревом в атмосфере водяного пара. Наибольшее распространение в промышленности получили химические методы щелочного и паротермического оксидирования стали [1].

1.1.3 Эмалевые покрытия

Эмаль представляет собой стекловидную массу, жаростойкую, устойчивую во всех органических и минеральных кислотах, за исключением фтористоводородной кислоты и ее солей. Этот вид покрытия распространен в производстве аппаратов для химической промышленности и изделий домашнего обихода.

Эмаль состоит из стеклообразующих и вспомогательных компонентов.

Стеклообразующими материалами являются диоксид кремния в виде кварцитов или речного песка, борный ангидрид, оксиды свинца, цинка, алюминия. К вспомогательным материалам относятся: окислители (нитраты натрия или калия, оксид марганца), оксиды, способствующие лучшему сцеплению эмали с металлом (оксиды натрия и никеля), глушители (фторид кальция, криолит), красящие вещества, приводящие эмаль в непрозрачное состояние (сульфид кадмия, оксиды кальция, алюминия, хрома и др.).

Высокая химическая стойкость эмалей обусловлена присутствием буры и кремнезема, термостойкость обеспечивается близостью температурных коэффициентов линейного расширения покрытия и металла. В химически агрессивной среде применяют покрытия кислотоупорной эмалью с содержанием диоксида кремния до 60% или щелочеупорной эмалью с содержанием 50−60% диоксида титана [1,6].

1.1.4 Покрытия смолами, полимерами и резиной

Пластмассы, смолы и резины обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, поэтому они нашли применение в химической промышленности.

Для защиты изделий от коррозии используют фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические, полихлорвиниловые смолы, асфальтобитумные и резиновые покрытия.

Лаки на основе фенолформальдегидных смол, называемые бакелитовыми лаками, стойки по отношению к большинству агрессивных сред. Бакелитовые покрытия выдерживают температуру до 100°С. Разрушаются под действием окислителей, некоторых органических соединений и щелочей.

Бакелитовыми лаками в хлорном производстве покрывают железные пароподогреватели, роторы вентиляторов и др. Бакелитовый лак наносят на поверхность в 4−5 слоев, при этом каждый слой сушат при температуре 160−170°С. В результате термической обработки происходит полимеризация лака, т.е. переход в неплавкое и нерастворимое состояние [5,10].

К недостаткам бакелитовых покрытий следует отнести их хрупкость и малую сопротивляемость ударам. Для защиты металлических сооружений от подземной коррозии широко используют битумно-пековые композиции. Они стойки по отношению к воде, растворам солей, кислотам, щелочам и др.

Высокая химическая стойкость битумов связана с присутствием в их составе высокомолекулярных соединений, практически не взаимодействующих с большинством агрессивных сред.

Высокой химической и термической стойкостью обладают кремнийорганические (силиконовые) смолы – органические соединения, в цепях которых кислород частично замещен кремнием. Силиконовая пленка, нанесенная на изделие, делает его поверхность водоотталкивающей, она характеризуется высокими диэлектрическими свойствами.

Для защиты от коррозии в химической и других отраслях промышленности используют листовой футеровочный материал (винипласт, пластикат, фаолит, полиэтилен, резину и др.).

2 Антикоррозийная защита железнодорожного транспорта

Наиболее частой причиной возникновения аварий на объектах железнодорожного хозяйства являются коррозионные повреждения (60-65% случаев). Коррозия происходит не только с элементами конструкций, такими как рельсы, крепления, оборудование, мосты, но и с локомотивами, вагонами, цистернами. Важнейшим мероприятием, связанным с продлением срока службы железнодорожного транспорта, является его антикоррозийная защита.

Железнодорожный транспорт и элементы конструкций могут подвергаться следующим видам коррозии:

Коррозия атмосферная. Встречается всюду: верхнее строение путей, наружная часть вагонов, внутренняя часть емкостей, периодически контактирующая с разными средами и пр.

Коррозия, возникающая при трении. Возникает на соединительных частях железнодорожных составов, крышках люков для выгрузки и пр.

Коррозия при полном погружении. Происходит в котлах цистерн, системах охлаждения и пр. Исключается, как и остальные виды коррозии, использованием защитных покрытий.

2.1 Технология нанесения антикоррозийных составов

Подготовка рабочей поверхности. Удаление пыли грязи, следов старых покрытий. Очистку поверхности необходимо проводить согласно ISO 8501-1 до степени St 3 или Sa 2 – Sa 2.5, далее поверхность нужно обезжиривать растворителем. Ржавчина удаляется с помощью металлических щеток. Обдувка сухим воздухом с целью удаления пыли. От тщательности и правильности проведения этого этапа на 80% зависит долговечность антикоррозийного покрытия [3,10].

Обезжиривание основания растворителем для предотвращения отслойки покрытий. После обезжиривания поверхность должна полностью просохнуть для улучшения адгезии.

Нанесение слоя грунтовки. Грунт обычно наносится в два и более слоя, хорошо пропитывает поверхность металлических конструкций, обладает отличной адгезией.

Нанесение покрытия. Перед использованием антикоррозийный материал требуется перемешать до однородности. Покрытие наносить равномерным слоем. В труднодоступных местах необходимо применение специальных кистей. После того, как покрытие было нанесено, использованные инструменты необходимо тщательно промыть с растворителем.

2.2 Защита от коррозии: материалы

Для долговременной защиты от коррозии мы предлагаем уникальные покрытия собственного производства.

Корпротек PU 04 – однокомпонентное полиуретановое покрытие. В основе алюминиевая пудра и железооксидная слюдка. Применяется для защиты металлических конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах. Может использоваться как в качестве промежуточного, так и в качестве финишного слоя. Материал характеризуется долговечностью, возможностью нанесения даже в экстремальных погодных условиях, повышенными показателями износостойкости и простотой нанесения [2].

Полицинк 03 – высоконаполненная композиция, состоящая из специализированных полимерных связующих, наполненных цинковой пудрой, чешуйчатым цинком и фосфатами цинка, а также специализированных технологических и функциональных добавок. Есть возможность нанесения на ржавые поверхности без предварительной очистки. Характеризуется высокой химической стойкостью, высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, длительным сроком службы – до 30 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Их широкое внедрение в промышленное строительство и транспорт произошло на рубеже XVIII-XIX. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Начало практического использования человеком железа относят к IX веку до нашей эры. Именно в этот период человечество перешло из бронзового века в век железный.

В XXI веке высокие темпы развития промышленности, интенсификация производственных процессов, повышение основных технологических параметров (температура, давление, концентрация реагирующих средств и др.) предъявляют высокие требования к надежной эксплуатации технологического оборудования и строительных конструкций. Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и применению в связи с этим высококачественных химически стойких материалов.

Необходимость осуществления мероприятий по защите от коррозии диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10% ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих металлических конструкций, т.к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло- и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества. К потерям, которые терпит народное хозяйство от коррозии, должны быть отнесены также громадные затраты на всякого рода защитные антикоррозионные мероприятия, ущерб от ухудшения качества выпускаемой продукции, выход из строя оборудования, аварий в производстве и так далее.

Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства.

Коррозия является физико-химическим процессом, защита же от коррозии металлов – проблема химии в чистом виде.

Комплекс мероприятий, направленных на повышение эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта, снижения частоты ремонтного обслуживания, защиту от неблагоприятных факторов окружающей среды и коррозии, обеспечивается применением качественных материалов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ветрова Ольга Борисовна Современные технологии покрытий // Успехи в химии и химической технологии. 2018. №13 (209). С. 111-113
2. Гиннэ С.В. Aтмосферная коррозия металлических изделий: теория вопроса / С.В. Гиннэ, Ш.З. Муминов // Теоретические и практические аспекты научных исследований. -Нефтекамск : Научно-издательский центр «Мир науки», 2019. — С.72-82.
3. Гиннэ С.В. К вопросу о защите машин и оборудования от коррозии в процессе эксплуатации / С.В. Гиннэ // Механики XXI веку: материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. — Братск : Изд-во БрГУ, 2019. C.37-43.
4. Кашин Д.С., Дергачева П.Е., Стехов П.А. Жаростойкие покрытия, наносимые шликерным методом (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. №5 (65). С. 64-75
5. Кулак В.В. К вопросу о защите металлов от коррозии / В.В. Кулак, B.Д. Слабышева, С.В. Гиннэ // Наука и молодежь : проблемы, поиски, решения: труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2016. — Вып. 20. — Ч. IV. Технические науки. — С.19-22.
6. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Ионно-плазменная технология: перспективные процессы, покрытия, оборудование // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 39-54.
7. Нефедов Н.И., Семенова Л.В., Кузнецова В.А., Веренинова Н.П. Лакокрасочные покрытия для защиты металлических и полимерных композиционных материалов от старения, коррозии и биоповреждения. // Авиационные материалы и технологии — 2017 — № 5 — С.393-402.
8. Силаева А.А., Лукъянскова А.И., Макаров А.В., Пелясова Д.А., Квасников М.Ю. Лакокрасочные металлополимерные покрытия, полученные путем совместного осаждения меди, никеля и полимерного связующего на катоде // Успехи в химии и химической технологии-2016-том ххх-№10- С.88-89.
9. Стаханова Яна Александровна Способы борьбы с коррозией -сталей // Наука, образование и культура. 2019. №3 (37). С.27-28
10. Уточкина Дина Сергеевна, Жуков Александр Петрович Работы по коррозии металлов профессора Н.А. Изгарышева // Успехи в химии и химической технологии. 2018. №13 (209). С. 12-13