Антикоррозионные покрытия

Антикоррозионными покрытиями - (греч. анти - приставка со значением противодействия) называются ме­таллические и неметаллические по­крытия, защищающие поверхность металлических изделий и сооруже­ний от разрушающего действия коррозии металлов. Различают антикоррозионные покрытия одно- и многослойные (комбинированные); металлические и неметаллические. К наиболее широко применяемым металлическим антикоррозионным покрытиям от­носятся покрытия из алюминия, хрома, меди, железа, никеля, свин­ца, олова, цинка, титана, редких и благородных металлов, сплавов медь - цинк, медь - олово, свинец - олово, цинк - алюминий, железо - хром, железо - никель ­хром. Металлические антикоррозионные покрытия получа­ют следующими способами:

- плакированием с образованием биметаллических материалов, например, сталь - алюминий, углеродистая сталь - нержавеющая сталь;

- погру­жением основного металла в расплав­ленный металл покрытия (при лу­жении, свинцевании, цинковании и др.);

- электролитическим способом( гальванопокрытия);

- кон­тактным способом без применения электрического тока - вытеснением метал­лов из растворов их солей (например, нанесение олова на латунь и сталь, золота на серебро);

- химическим способом (никелирование восстановлением никелевых солей с помощью гипофос­фита);

- осаждением порошка металла покрытия электрофорезом (электрофоретические покрытия) или в электростатическом поле (осаждение алюминия и др.);

- распылением жидкого металла покрытия сжатым воздухом или инертным газом (газопламенные покрытия, плазменные покрытия);

- конденсацией ме­талла покрытия из паровой фазы в вакууме (вакуумные покрытия);

- диффузией защитного металла в по­верхностный слой металла основы при нагреве в парах металла покры­тия или его летучих соединений, а также в среде порошкообразных сое­динений (диффузионные покрытия).

При создании многослойного покрытия на стальных изде­лиях можно последовательно нано­сить хром и никель с дальнейшей термообработкой для получения диффузионных поверхностных слоев сплава железо - хром – никель. Чтобы повысить коррозионную стойкость и адгезию металла покрытия к металлу основы, вначале наносят медь и никель, а затем хром. Защита стали от коррозии более эффектив­на, если сочетать цинковые покры­тия (рисунок 18.1 ) с алюминиевыми, оловянные или хромовые покрытия на жести – с последовательно наносимыми пас­сивными хроматными покрытиями. Защитные свойства антикоррозионных покрытий зависят от их пористости и взаимодействия металла основы, металла покрытия и коррозионной среды. В зависимости от значения потенциалов металлов основы и покрытия, с учетом их анодной или катодной поляризации и коррозионной среды, выбирают анодный или катодный способ за­щиты поверхности.

К неметаллическим антикоррозионным покрытиям относятся стек­ло, стеклоэмали, фосфорные соеди­нения, окислы алюминия, магния, титана, оксидные пленки, образую­щиеся при воронении стали, пати­нировании меди, анодировании алю­миния, оксидные пассивные пленки на железе, хроме и др. металлах.

Эти покрытия создают различными способами. Стеклоэмали наносят на поверхность стальных, чугунных, алюминиевых и др. изделий после­довательно в два-три слоя с обжи­гом каждого из них при температуре 800-­900 °С (эмалирование). Оксид­ные пассивные пленки наносят хи­мическими или электрохимическими способами (пассивирование) как дополнительную или основную защиту поверхности стали, алюминия, ти­тана и др.

Основные требования

Антикоррозионные покрытия должны быть рав­номерными, сплошными, плотными, с высокой адгезией к металлу осно­вы, со значительной коррозионной стойкостью и при необходимости с повышенными прочностью, твер­достью, износостойкостью, жаро­стойкостью, кислотостойкостъю, щелочестойкостъю. Свойства же метал­ла основы должны удовлетворять требованиям стандартов. Чтобы связь покрытий с металлом основы была достаточно прочной, поверх­ность его очищают от жира и грязи, подвергают механической обработке (напр., полированию, шлифованию), химической и электрохимической обработке, нагреву в вакууме или в среде инертных ли­бо восстановительных газов, бом­бардировке электронными и ионны­ми потоками.

Рисунок 1.1 18.1- Микроструктура антикоррозионного цинкового покрытия на стали, × 250.	Рисунок 1.2 18.2 - Микроструктура жаростойкого покрытия (А) на никелевом сплаве марки ЖС6К (Б), полученного алитированием при температуре 950 °С за 4 ч. × 300.

Предварительная под­готовка способствует возникновению химических и межатомных сил взаимодей­ствия между металлами основы и покрытия.

Прочность сцепления иногда повышается при дополнитель­ной термообработке изделия с антикоррозионными покрытиями, когда получает развитие переход­ной диффузионный слой в виде твердых растворов или интерметал­лических соединений (рисунок 18.1). Эти сое­динения, как правило, более хруп­ки, чем их составляющие, поэтому толщину таких промежуточных сло­ев сводят к возможному минимуму. Однако иногда для повышения кор­розионной стойкости, если не тре­буется высокая пластичность, все покрытие соответствующей термо­обработкой переводят в интерметал­лическую фазу (например, после горя­чего цинкования).

Антикоррозионные покрытия наносят на стационарных агрегатах или на ли­ниях покрытия непрерывного дейст­вия, где последовательно подготав­ливают покрываемую поверхность, создают на ней покрытия и обраба­тывают их, а при необходимости осу­ществляют термическую и механическую об­работку (горячие процессы цинко­вания и алюминирования стальных полос). Применение антикоррозионных покрытий существенно увеличивает срок эксплуата­ции машин, изделий и сооружений, дает возможность экономить мил­лионы тонн дорогостоящих материа­лов.

Жаростойкие покрытия

Жаростойкими покрытиями называются покрытия, отличающиеся жаростой­костью и защищающие поверхность изде­лий от высокотемпературной кор­розии в среде активных газов, а так­же предохраняющие изделия от обедне­ния легирующими элементами (про­исходящего вследствие их диффузии к поверхности и окисления) и от насыщения их газами (рисунок 2). 3ащит­ное действие покрытий обусловли­вается образованием на поверхности изделий плотной окисной пленки, отличающейся хорошим сцеплени­ем с покрытием. Жаростойкие покрытия наносят на изделия из стали, сплавов на основе железа, никеля, кобальта, титана, из цветных и тугоплавких металлов, из графита и др. материалов.

Раз­личают жаростойкие покрытия металлические, неме­таллические и комбинированные. Основой большинства металлических покрытий являются сплавы или ин­терметаллические соединения кремния, титана, алю­миния, хрома, кобальта, иттрия и др. Возможно также применение покры­тий из благородных металлов - золота, платины, иридия. К неме­таллическим покрытиям относятся следующие:

- стеклоэмали - стеклосилицидные, стеклокарбидосилицидные, бороси­лицидные и др.;

- покрытия керамического типа – Al₂O₃, Сr₂О₃­ - Al₂O₃, ZrO₂ и др. (в основном для одноразового действия);

- комбини­рованные покрытия - силицидные с эмалевыми, интерметаллические с оксидными и т. п.

Перспективны мно­гослойные покрытия, в которых че­редуются в определенной последо­вательности слои покрытий разного типа.

Качество жаростойкого покрытия зависит от предварительной подготовки по­верхности: чистоты ее обработки, скругленности кромок, размеров отверстий, выбора вида резьбы и т. п. Выбор материала и толщины жаростойкого покрытия (от долей микрометра до не­скольких миллиметров) обусловли­вается назначением покрытия, рабо­чей температурой, составом среды, размером и конфигурацией изделия. Жаростойкие покрытия наносят гальваническим и диффу­зионным способами, осаждением в вакууме, напылением, детонацией, плакированием или эмалированием. Гальванический способ заключается в электроосаждении металла из водных растворов и расплавов солей (по­крытия хромовые, хромоникелевые, хромоалюминиевые, платиновые и др.).

Иногда изделия с нанесенными покрытиями подвергают диффузионному отжигу. Диффузионным способом поверхность изделий насыщают при высокой температуре в порошковых смесях, металлических расплавах, расплавах солей, в газовых и паро­вых средах с различной степенью разрежения. К этому способу от­носится также шликерный: из сус­пензий порошков различного соста­ва, смешанных с растворителями и связующими веществами, на изделие наносят слой покрытия, после чего осуществляют отжиг, в процессе ко­торого происходят диффузия эле­ментов из этого слоя в основу и спе­кание покрытия.

В условиях ваку­ума покрытия осаждают из паров ме­таллов, оксидов и др. соединений, образующихся вследствие испаре­ния соответствующих веществ в электроннолучевых, ионных и элект­ронно-ионных установках. Напыле­ние покрытий осуществляют с по­мощью кислородно-ацетиленовых и плазменных горелок. Таким спо­собом наносят покрытия любого со­става, подвергая затем изделия, если это необходимо, диффузионному от­жигу. Для нанесения покрытий де­тонационным способом используют энергию взрыва. Чтобы создать жаростойкие покрытия чаще всего применяют хром, алюминий, кремний, никель, гафний, бор. Для обеспечения надежной защиты изделий покрытия и оксидные пленки на них должны иметь высокие механические свойства (прочность, пластичность), достаточную тол­щину, высокую прочность сцепле­ния между слоями покрытий и ма­териалом изделия, близкие по вели­чине коэффициенты термического расширения (во избежание растре­скивания и отслаивания).

Важным свойством жаростойких покрытий при защите открыто излучающей поверхности изделий, нагреваемых до температуры 1500-2000 °С, является теплоотдача, определяемая коэффициентом излучения (коэффициентом черноты). При высоком коэффициен­те излучения покрытия поверхность изделия нагревается на несколько десятков и даже сотен градусов меньше. Чтобы уменьшить скорость изменения фазового состава покры­тия и металла-основы, между осно­вой и покрытием наносят жаростой­кие барьерные слои, препятствую­щие диффузии кислорода в материал основы и легирующих элементов из основы на поверхность изделия.

Жаростойкие покрытия применяют для защиты деталей в приборо- и машиностроении, авиа- и ракетостроении и других областях техники. Изделия и обычных сплавов с такими покрытиями экономически более выгодны, чем из жаростойких сплавов. Сплавы на основе тугоплавких металлов, имеющие высокие прочностные свойства при температурах 1000-2500 °С, вообще не могут применяться на воздухе или в другой окислительной среде без защитных жаростойких покрытий.

Потеющие покрытия

Потеющие покрытия - покры­тия, рабочая поверхность которых охлаждается вследствие выпотевания их компонентов или компонентов ос­новы, на которую они нанесены. Ис­пользуются с 50-х гг. 20 в. Потеющие покрытия, яв­ляющиеся разновидностью защитных покрытий, повышают эрозионную стойкость и жаропрочность потею­щих материалов или осуществляют их активную тепловую защиту. Потеющие покрытия подраз­деляют на транспирационно охлаж­даемые и самоохлаждающиеся.

К транспирационно охлаждаемым от­носятся покрытия со значительной (20 – 50 %) открытой пористостью (проницаемостью), нанесенные на по­ристую основу, через которую на­встречу тепловому потоку подается жидкий или газообразный хладагент, охлаждающий материал вследствие поглощения тепла, испарения или диссоциации. Температуру поверхности по­крытия регулируют изменением рас­хода хладагента. Большую роль в снижении теплового потока в мате­риале играет так называемый эффект вдува, уменьшающий коэффициент теплопередачи в результате изменения температур­ного и скоростного профилей. Од­нако определяющей характеристикой таких покрытий является их про­ницаемость. Технология напыления потеющих покрытий отличается от обычной необхо­димостью получения покрытий, обла­дающих заданной равномерной или изменяющейся в соответствии с тре­бованиями проницаемостью. Такие покрытия создают, выбирая опреде­ленные режимы нанесения либо вводя в исходную смесь удаляемые впослед­ствии (растворением, выплавлением, выжиганием и т. д.) порообразовате­ли.

К самоохлаждающимся относятся потеющие покрытия, представляющие собой каркас, заполненный высокоэнтальпийным наполнителем. Эффект теплопоглоще­ния обусловливается плавлением, ис­парением, сублимацией или диссо­циацией наполнителя. Если напол­нитель не взаимодействует с мате­риалом каркаса и не разлагается в процессе нанесения покрытия, потеющие покрытия наносят термическими методами (га­зопламенным, плазменным, электро­металлизационным и др.) в виде ком­позиций (вольфрам – медь). Если же создание по­крытий термическими методами не­возможно, вначале наносят пористый каркас, пропитываемый впоследствии высокоэнтальпийным наполнителем.

Значительная пористость, уменьшая полезную площадь сцепления, сни­жает адгезионные характеристики потеющего покрытия. Вследствие этого подбирают наполнители, не образую­щие химически агрессивных веществ в про­цессе разложения, поскольку их действие на область контакта может привести к отслоению покрытия. Чтобы повысить прочность сцепле­ния, нанесенное пористое покрытие до пропитки иногда подвергают тер­мообработке в нейтральной или восстановительной среде.

Контрольные вопросы

1 Что называется защитным покрытием?

2 Чем определяются свойства защитных покрытий?

3 Как можно уменьшить внутренние напряжения в материале после нанесения защитного покрытия?

4 Какими способами получают антикоррозионные покрытия?

5 От каких факторов зависит качество жаростойкого покрытия?