СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ОТ КОРРОЗИИ
Серикова М.Г., Посташ Н.Б., Шепелина Т.А., Буканова О.В., Маничкина О.И. (АМТИ, г. Армавир, РФ)
One of the main elements providing the durability of the metal product utilization is using of protecting surfaces, which increase corrosion resistance of metals. Among them zinc surfaces are most commonly used.
Одним из основных элементов, обеспечивающих повышение срока эксплуатации изделий из металлов являются защитные покрытия, использование которых позволяет увеличить стойкость потерь металла от коррозии.
Из металлических покрытий в мировой практике наиболее широко используются цинковые. Основными причинами, обуславливающими выбор цинковых покрытий для защиты изделий из стали и чугуна, являются относительно невысокая стоимость цинка, а также тот факт, что, обладая более электроотрицательным стационарным потенциалом, чем железо (на 0,2-0,3 В) цинк при воздействии агрессивных сред (в виде электролитов) медленно растворяется за счет электрохимических реакций, защищая, тем самым, ферритную подложку. Таким образом, цинковое покрытие выполняет роль протектора «размазанного» по поверхности защищаемого изделия.
Известны шесть видов цинковых покрытий:
1. Гальванические (электрохимическое осаждение цинка из водных растворов его солей).
2. Металлизационные (распыление цинковой проволоки или порошка расплавляемых с помощью электрической дуги или пламени сжатым воздухом).
3. Горячецинковые (горячее цинкование – в расплаве цинка).
4. Диффузионные (химико-термическая обработка в порошковых смесях на основе цинка).
5. Цинконаполненные «холодное цинкование» (краски, лаки, эмали в которых в качестве наполнителя выступает высокодисперсный порошок цинка).
Прежде чем перейти к термодиффузионным покрытиям дадим краткий сравнительный анализ остальных видов покрытий.
При гальваническом методе цинкования осаждаемые покрытия получаются точного размера равномерные, блестящие, декоративного вида. Адгезия гальванических покрытий обеспечивается молекулярными силами при взаимодействии молекул цинка и основного металла. Так как, на силу этого взаимодействия влияет наличие любых пленок (жировых или окисных) на поверхности покрываемых изделий, чего не удается полностью избежать при массовом производстве, толщина гальванических покрытий обычно не превышает 20-30 мкм. Слабая адгезия и пористость цинковых гальванических покрытий приводят к их невысокой долговечности, которая не превышает двух –трех лет. Кроме того, использование в технологии электролитов содержащих кислоты, цианиды и другие химически активные вещества делает этот процесс экологически опасным и заставляет применять дорогостоящие методы глубокой химической очистки. Металлизационные газотермические цинковые покрытия оптимальны для защиты от коррозии крупногабаритных металлоконструкций, которые невозможно поместить в ванну с расплавом цинка или в гальваническую ванну. Расплавленные частицы цинка ударяются о поверхность металла и деформируясь, образуют «чешуйчатое» покрытие. Покрытие при этом образуется пористое и, как правило, требует покрытия порозаполнителем в виде лакокрасочного материала. Такие комбинированные покрытия могут обладать долговременной защитной способностью в различных условиях эксплуатации (атмосферные условия, пресная и морская вода), достигающей 30 и более лет. Горячецинковые покрытия занимают второе место по объему цинковальных производств, а по качеству и долговечности этот тип покрытий является, на сегодняшний момент, одним из лучших. Хотя имеются проблемы экологической безопасности, обусловленные наличием расплава цинка, применением химических методов подготовки поверхности, а необходимость поддержания температуры расплава цинка в интервале 460-4800С приводит к неоправданным энергозатратам. В последнее время широкое распространение получил метод, так называемого, «холодного» цинкования путем окраски металлоизделий грунтами с высоким содержанием высокодисперсного цинкового порошка (содержание цинка в готовом покрытии 89-93%). Метод отличается простотой и высокой технологичностью. К недостаткам метода «холодного» цинкования следует отнести относительно невысокую стойкость к механическим воздействиям и необходимость контроля санитарно-гигиенических условий труда маляров из-за использования органических растворителей.
Метод термодиффузионного цинкования (ТДЦ) известен достаточно давно. Впервые он был применен в Англии в начале ХХ века и получил название «шерардизация» (по фамилии изобретателя Шерарда), и впоследствии несколько подзабыт уступив место другим более высокопроизводительным на тот момент методам. Однако начиная с 90 –х годов интерес к нему вновь возрос.
Сущность метода состоит в образовании на поверхности железа цинкового покрытия за счет перехода атомов цинка при температурах выше 2600С в паровую фазу и проникновения в железную подложку; при этом образуется железоцинковый сплав сложной фазовой структуры. Образование такого покрытия возможно только при высоких температурах 400-4500С и в замкнутом пространстве реторт или муфелей, заполненных цинкуемыми деталями и цинкосодержащей порошковой смесью.
Метод ТДЦ имеет ряд преимуществ перед вышеописанными методами нанесения цинковых покрытий:
• детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому процесс экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений;
• получаемое покрытие ровное беспористое и имеет высокую адгезию к подложке за счет диффузионного слоя;
• защитная способность покрытия в 3-5 раз выше, чем у гальванических покрытий и сравнима с горячецинковыми покрытиями;
• толщина покрытия может варьироваться в широком интервале (обычно от 25 до 110 мкм.) и определяется временем ведения процесса;
• покрытие ровное, точно воспроизводящие форму деталей, в том числе и со сложной конфигурацией (внутренние поверхности, отверстия, полости, резьба, щели и т.п.);
• отходы производства (отработанные цинксодержащие смеси) не требуют захоронения.
К недостаткам процесса следует отнести:
• отсутствие декоративных свойств у диффузионного цинкового покрытия (покрытие темно-серого, серого цветов без блеска);
• относительно небольшая производительность, лимитируемая объемами реторт для цинкования.
• Наличие вредных аэрозолей цинковой пыли.
Данные натурных испытаний и ускоренных коррозионных испытаний позволяют констатировать, что скорость коррозии термодиффузионного покрытия уже на начальной стадии меньше, чем гальванического. Это объясняется меньшей электрохимической активностью поверхности железоцинкового сплава, чем чистого цинка. На более поздних стадиях испытаний характер зависимости не меняется. Это связано с формированием на поверхности цинка, прочно сцепленных нерастворимых продуктов коррозии. В том время, как на поверхности чистого цинка при воздействии агрессивной среды образуется рыхлые плохо сцепленные продукты коррозии, которые легко смываются атмосферными осадками, потоками при контакте с жидкой коррозионной средой, т.е. коррозионный процесс на поверхности гальванического покрытия идет практически без торможения. Толщина получаемых ТДЦ-покрытий определяется, в основном, временем проведения процесса, а также содержанием цинка в цинкующей смеси.
На практике в основном используются два варианта толщин «малые» 15-40 мкм, применяемые, для защиты резьбовых соединений и крепежа и «большие» 40-150 мкм, используемые для долговременной защиты деталей машиностроения.
Таким образом, метод термодиффузионного цинкования, благодаря хорошему сочетанию эксплуатационных, технологических и экологических качеств находит все более широкое применение в различных областях деятельности, многообещающе выглядят перспективы использования метода в практике общего химического и транспортного машиностроения, приборостроения, в строительстве, в частности, при изготовлении закладных деталей.