Главная › Новости

Цинкование - эффективная защита металлов от коррозии

Опубликовано: 30.09.2018

Защита металла от коррозии ( "Сделано в России" )

Процесс разрушения металлов (лат. corrosio) и их защита от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем. Во многих областях промышленности технический прогресс тормозится из-за нерешенности, а подчас и нерешаемости целого ряда коррозионных задач. И особенно актуальными они становятся сегодня, когда использование металлов в самых разных отраслях производства достигло исторического пикового показателя.

Промышленно развитые страны, обладая большим металлофондом, резко увеличили применение высокопрочных материалов, особо агрессивных сред, высоких технологических температур и давлений. Одновременно в этих условиях значительно вырос удельный вес потерь, вызываемых такими опасными формами разрушения материалов как растрескивание, межкристаллитная коррозия, питтинг.

Согласно оценкам специалистов различных научных центров, в т. ч.

Всероссийского НИИ коррозии, потери в промышленно развитых странах, вызванные коррозионными разрушениями металлов, ежегодно составляют от 2 до 5% валового национального продукта. В долларовом (США) эквиваленте это исчисляется миллиардными убытками. Потери металла включая массу вышедших из строя конструкций, изделий и оборудования составляют уже около 20% общемирового объема производимой стали.

В 1980-е гг. в системе Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ) для координации работ по борьбе с коррозией в промышленных и производственных условиях была создана единая антикоррозионная служба. Она включала в себя три уровня: государственный, республиканский и отраслевой. Сформированный в стране Межотраслевой научно-технический комплекс «Антикор», объединявший 30 специализированных организаций и предприятий, при участии Госстандарта и Госстата разработал Единую систему защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС), которая насчитывала более 50 стандартов. Такая техническая политика в условиях экономического уклада, сложившегося в СССР, в определенной степени была обречена на успех.

Переход в последние полтора десятилетия к управлению производством на принципах частной собственности с использованием рыночных механизмов автоматически отменил в России централизованный подход к решению проблем разрушения материалов. Был серьезно ослаблен контроль выполнения существующих требований СНиП и других нормативных документов.

Еще четверть века назад специалисты заложили в них неплохую базу для обеспечения долговечности и работоспособности основных производственных фондов, изделий, оборудования и материалов. Однако ослабление контроля привело к значительному износу (в немалой степени из-за недостаточности использования современных антикоррозионных технологий) сооружений, коммуникаций, машин и конструкций, а аварийность, связанная с коррозией, заметно возросла.

Осознание приходит, как известно, с практическим опытом, порождающим поиск, в т. ч. и научно обоснованный. В полной мере это относится и к решению проблемы преодоления старения, усталости и коррозионного разрушения металлов и других материалов. Тем более, что интересных предложений от разработчиков методов, форм и материалов для противокоррозионной и иной защиты конструкций, оборудования и изделий из металлов на промышленном рынке появляется все больше.

Наряду с коррозионно-стойкими композициями собственно оснований (специальные сплавы) предлагаются и оригинальные лакокрасочные составы, ингибиторы коррозии, комплексные системы, продлевающие срок службы металлических изделий. Разрабатываются также рациональные конструкторские решения, предусматривающие самозащиту материалов. Наконец, совершенствуются технологии металлических покрытий, в т. ч. с использованием электрохимических методов и в первую очередь цинкования поверхностей. Подобный способ является сегодня одним из наиболее интенсивно развивающихся и технически передовых направлений в области защиты металлов.

Горячее цинкование

Высококачественные цинковые покрытия, которые получают с использованием технологий горячего цинкования погружением — гальванизации, — благодаря уникальным свойствам цинка и стали надежно защищают металлическую основу от поражения коррозией. В отличие от красочных покрытий цинковое не отслаивается, т. к. вплавляется в поверхность стали. Гальванизация — быстро протекающая операция.

При погружении металла в расплавленный цинк образующаяся из него футеровка покрывает всю внешнюю площадь промышленной металлоконструкции или изделия, а также их внутренние полости.

Хотя само по себе горячее цинкование погружением является простым и эффективным в использовании, собственно металлургический процесс, протекающий во время нанесения покрытия, представляется достаточно сложным. Покрытие образуется за счет реакции между железом и цинком, происходящей в расплавленном цинке при температуре 440–450 °C. В результате процесса оцинковки на контактной границе металлов, так называемой «гальванической пары», формируется электрохимический сплав, являющийся основой покрытия стальных (железных) конструкций, изделий и материалов.

Сплав обладает великолепной прочностью и долговечностью. Его слои увеличивают стойкость материала (прочностную долговечность) до 240 по шкале Викерса (Hv)*, в то время как наружный цинк оказывается более мягким, чем сплав и металл.

Но такой цинк достаточно ковок и в свою очередь выполняет функцию поглощения ударов и других механических воздействий, как бы вторично защищая полученный сплав.

Важным достоинством гальванизации является то, что при разрушении непроницаемого цинкового слоя электрическое напряжение делает процесс корродирования цинкового покрытия преобладающим по отношению к процессу корродирования стального изделия или конструкции. Электрохимическую защиту иногда очень метко называют «жертвенной» защитой.

Согласно основному свойству металлов, которое заключается в том, что один из металлов, находящийся в контакте с другим, поддается коррозии в большей степени, цинк в составе покрытия «жертвует» собой до последнего атома. Как следствие, он позволяет стальной конструкции длительное время в самых сложных условиях сохранять свою структурную целостность. Ни одно другое покрытие, не содержащее цинк, не способно обеспечить основе такой эффективной защиты.

Цинкование дает возможность получать универсальные покрытия, которые превосходно защищают сталь от коррозии во многих средах.

Они сохраняют структуру стальных и железных конструкций при воздействии природных явлений — воздуха, ветра и дождя. Цинковые покрытия не боятся влияния органических материалов (в самом широком диапазоне), могут эксплуатироваться в контакте со строительными композитами, растворами и большинством видов жидкостей.

Подобные возможности обуславливают широкий круг применения цинкования. Его можно использовать практически во всех внутренних вентилируемых помещениях, при контакте с холодной и жесткой водой, в т. ч. при ее нагреве до 60 °C, а также многими типами почв и деревоматериалов. Такое покрытие пригодно, конечно, и при контакте с большей частью металлов при постоянной температуре до 200 °C с кратковременным ее повышением до 275 °C.

При этом цинкование никогда не используется для сталей, эксплуатируемых в кислотных и сильных щелочных растворах.

Срок службы цинковых покрытий зависит от четырех основных факторов: толщины сплава (европейский стандарт покрытия — 85 мкм на стали толщиной не более 6 мм), кислотности атмосферных осадков, наличия летучего кислотного загрязнения и пылепесчаной ветряной эрозии.

Определяют его по создаваемым ныне картам коррозии или на основании местных данных мониторинга окружающей среды.

Цинковые покрытия металлов получают способами горячего погружения. Для этого в современном производстве используют совершенные комплексные технологические линии и установки. Производственные линии не могут быть подчинены определенному стандарту исполнения, поскольку предназначаются для различных технологических цепочек и зависят от конкретных условий эксплуатации. Их применяют, например, на малых промплощадках и в мастерских либо в больших поточных системах металлообрабатывающих комбинатов.

На проходивших в Москве специализированных выставках* были достаточно широко представлены машины и оборудование, применяемые при различных антикоррозионных операциях, в т. ч. в гальваническом производстве.

Так, компания «Промкомплект» из Санкт-Петербурга осуществляет подбор и поставки для гальванических производств автоматических линий цинкования в барабанах, а также линий получения покрытий на подвесках от ведущих производителей специального оборудования.

Линии обеспечивают нанесение как одного вида покрытия, так и осуществление многопроцессных операций. Предназначены они для обработки деталей различных габаритов, формы и массы. Оборудование линий осуществляет все виды работ технологического цикла горячего цинкования — промывку, желтое и бесцветное хроматирование, обезжиривание и травление с последующей каскадной промывкой, ступенчатое цинкование.

Голландская фирма CIC производит весь спектр оборудования «черной» и «белой» зоны цинкования (печи, сушильные камеры, травильные агрегаты закрытого типа, ванны предварительной обработки материалов, транспортировочные системы, фильтровальные установки и системы возврата тепла). На его основе компания оснащает предприятия автоматическими и полуавтоматическими линиями горячего цинкования с центрифугированием для небольших деталей. Предлагаемое решение обеспечивает идеальный на сегодня баланс между количеством, качеством, расположением и скоростью работ для формирования защитных покрытий таких деталей как болты, гайки и другие крепежные конструкции.

ОАО «Тамбовгальванотехника» (ОАО «ТАГАТ») им. С. И. Лифшица внедрило за годы работы (завод основан в 1941 г.) более 8 тыс. гальванических линий, в т. ч. современные кареточные овальные подвесочные линии. Потребителям предприятие предлагает средства малой механизации гальванического производства. Его продукция представлена, в частности, колокольными ванными, барабанными установками, корзинами для нанесения гальванических покрытий. Также выпускаются отдельные рабочие агрегаты цинкования мелких и серийных изделий, регулирования рабочих процессов, фильтровальные установки и другое оборудование.

Предлагая гальваническое оборудование любой сложности, в т. ч. многопроцессные линии и автооператоры с компьютерной системой управления, ОАО «ТАГАТ» проектирует, изготавливает и сдает его заказчику с учетом конкретных условий производства.

Холодное цинкование

Для долговременной (от 10 лет и более) защиты металлоконструкций ЗАО «НПП “Высокодисперсные металлические порошки”» (ЗАО «НПП “ВМП”», г. Екатеринбург) разработало систему покрытий стали на основе холодного цинкования.

Этот метод использует лакокрасочные композиции, содержащие в качестве пигмента высокодисперсный порошок цинка. Рассчитан он на широкое применение для защиты стальных конструкций промышленных предприятий, мостов, дорожных ограждений, опор ЛЭП, антенно-мачтовых сооружений, закладных деталей. Кроме того, его используют и при защите резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, гидротехнических конструкций, портовых сооружений и судов.

Разработанные композиции, а это в настоящее время широкая гамма цинкнаполненных материалов («Цинол», «Цинотан», «Цинотерм» и др.), отличаются содержанием порошка цинка, химической природой пленкообразования и соответственно областями предпочтительного применения. На поверхность изделий их наносят традиционными способами.

После высыхания на основании образуются покрытия с высоким содержанием цинка. Они обеспечивают эффективную протекторную (катодную) защиту стали, по многим показателям сходную с цинковыми покрытиями, получаемыми способами гальванизации.

Системы ВМП разработаны в соответствии с общепринятыми в мировой практике принципами конструирования комплексных покрытий повышенной надежности. Состоят они из слоев с разными механизмами защитного действия и обеспечивают заданные декоративные свойства изделия. Такое сочетание повышает надежность системы в целом.

Используемые в системах ВМП в качестве грунта цинкнаполненные компоненты защищают сталь электрохимически, а покрывные слои действуют по барьерному (изолирующему) принципу, препятствуя проникновению к основанию агрессивной среды. При воздействии подобной среды или появлении на покрытии дефекта цинк грунта окисляется, предотвращая коррозию стали и «залечивая» повреждение.

Технология отличается экологической безопасностью и ремонтопригодностью с применением тех же материалов. При простоте и удобстве нанесения такие системы позволяют обслуживать конструкции крупных габаритов и при равном содержании цинка на единицу площади обладают большим сроком службы. Производители поставляют материалы в финской, удобной для работы, таре (металлические ведра и специальные банки).

Протекторная защита

Промышленная защита от коррозии стальных конструкций, основанная на технологии протекторных покрытий, получила массовое распространение в США, Японии и ряде стран Европы в середине 30-х гг. прошлого столетия. Применяемые в те годы технологии не позволяли получать беспористые покрытия.

Для заполнения пор сверху покрытия пропитывались и окрашивались специальными декоративными составами.

В большинстве случаев уже на ранних этапах развития методов защиты использовались цинковые покрытия, получаемые газопламенным напылением. Этот метод позволял формировать покрытия с наименьшей пористостью и шероховатостью и наилучшим сцеплением со стальной основой по сравнению с электродуговым напылением. В последующие годы технологии протекторной защиты совершенствовались, приобретали современные формы с использованием оригинальных методик.

Новые системы протекторной защиты от коррозии с применением цинковых сплавов ЦП-1 для конструкций, эксплуатируемых в пластовых, дренажных и подтоварных водах, были разработаны ЗАО «АК Радикал» (г. Челябинск) совместно с ФГУП «ЦНИИ конструкционных материалов “Прометей”» (г. Санкт-Петербург).

В отличие от широко применяемых протекторов из магниевых и алюминиевых сплавов цинковые конструкции являются полностью пожаробезопасными. При их анодном растворении не образуются загрязняющие рабочую среду продукты.

Поэтому по действующим стандартам для протекторной защиты грузовых, грузобалластных и топливных танков нефтеналивных судов в последние годы применяются только протекторы из цинкового сплава.

По сравнению с широко распространенными протекторами из алюминиевого сплава марки АПЗ они имеют более высокий рабочий потенциал и являются на сегодня едва ли не самой подходящей защитой от коррозии внутренней поверхности нефтяных резервуаров. В первую очередь это касается днищ и нижних поясов, наиболее подверженных песчано-парафинистым отложениям, которые существенно снижают из-за своей невысокой электропроводности анодную активность алюминиевых протекторов.

ЗАО «АК Радикал» освоило промышленное производство унифицированных протекторов из цинкового сплава ЦП-1 массой от 5 до 84 кг и выпускает изделия любых типоразмеров, в т. ч. по индивидуальным проектам заказчиков. Системы протекторной защиты предупреждают развитие коррозии в течение 10–30 лет.

Подготовка поверхности

Зачастую состояние металла, поставляемого на гальванический участок производства, таково, что применение различных методов удаления загрязнений с поверхности для получения качественного защитного покрытия (это известно любому технологу) просто необходимо. Неэффективное обезжиривание и травление приводит к браку на последних стадиях технологической цепочки, а следовательно, к большим экономическим потерям.

В случае сильного загрязнения металла прибегают к испытанному способу его обработки — химическому обезжириванию. Для этого в автоматических, механизированных и ручных гальванических линиях всех типов (подвесочного, барабанного и колокольного) предусмотрено специальное оборудование — очистные и промывочные одно-, двух- и трехкаскадные ванны, отсосы, специальные трубопроводы и емкости, сушильные камеры. Понятно, что сами по себе эти конструкции предварительную подготовку поверхности металлических изделий не осуществят. Для этого используют эффективные обезжиривающие композиции.

Новые разработки таких композиций предлагает НПП «СЭМ. М» (г. Москва). Специалисты предприятия подготовили оригинальный рецепт состава ЦКН, отличный от препаратов, традиционно применяемых для обезжиривания металла. ЦКН производят на основе солей калия и современных биоразлагаемых поверхностноактивных веществ (ПАВ). Такой состав, обладая высокой эмульгирующей способностью и увеличенным рабочим ресурсом, существенно повышает степень очистки поверхности.

Растворы на базе ЦКН удобны в приготовлении, эксплуатации (при температуре 30–70 °C) и корректировке, поскольку используемая рецептура предусматривает обоснованный баланс смеси всех необходимых для качественного обезжиривания компонентов. Регенерацию растворов (отделение масляно-жировых загрязнителей) можно проводить электрофлотационными, ультрафильтрационными и другими известными методами.

Для предварительного химического обезжиривания сильно загрязненных деталей из черных и цветных металлов, удаления с металлических поверхностей консервационных и индустриальных смазок предприятие рекомендует использовать универсальную композицию «Технолюкс».

Обработка производится методом погружения металла в моечные и галтовочные машины либо на ультразвуковых установках.

Препарат можно использовать для предварительной подготовки поверхностей перед нанесением гальванических покрытий, а также для обезжиривания основания перед покраской и межоперационной очистки деталей в металлообрабатывающих операциях.

Оптимальная концентрация композиции «Технолюкс», время обработки металла и рабочая температура подбираются для конкретного производства и промышленного оборудования с учетом степени загрязненности обрабатываемой поверхности.

Очень важно, что препарат не вызывает коррозии и травления металла.

Обладая универсальным действием, он ни в коей степени не разрушает лакокрасочные покрытия основы, резиновые и неметаллические элементы очищаемых деталей. В большинстве случаев «Технолюкс» успешно заменяет традиционные растворители — агрессивные и вредные вещества, такие как керосин, бензин, уайт-спирит, растворы щелочей и хладоны.

Холодное (при комнатной температуре) химическое обезжиривание черных и цветных металлов перед нанесением гальванических или других защитных покрытий можно успешно проводить с применением препарата серии НА-60, поставляемого ООО «Плазма К» (г. Москва). Этот композиционный состав добавляют в обезжиривающий раствор, состоящий из едкого натра, тринатрийфосфата и силиката натрия. Его добавка в объеме до 100 см3 на 1 дм3 увеличивает работоспособность раствора в 3–4 раза по сравнению с традиционными препаратами.

В случае удаления высоковязких жиров и масел температуру раствора, для эффективности его действия, следует увеличить до температуры плавления загрязняющих веществ.

Специальные добавки Практически ни один современный гальванический процесс не обходится без введения в растворы различных фирменных добавок, представляющих собой, как правило, смеси органических поверхностноактивных веществ. В настоящее время создание новых добавок осуществляется трудоемким эмпирическим путем, поскольку общей теории процессов, происходящих при электроосаждении металлов в присутствии ПАВ, не имеется.

Каждый производитель разрабатывает собственные рецептуры, представляющие собой производственные «ноу-хау». Поэтому достижения в этой области какой-либо одной компании не могут автоматически стать достоянием других. В то же время от химического состава добавок существенно зависят как свойства цинковых, медных, никелевых и других покрытий, так и рабочие характеристики технологических процессов их получения.

На поставках специальных химических композиций, препаратов, составов, блескообразующих и других добавок мирового класса и на профессиональной основе специализируется московская компания «Сонис».

Использование этих материалов в гальваническом или лакокрасочном производстве обеспечивает расширение рабочих параметров процессов нанесения покрытий и обработки поверхностей цинкованием, меднением, никелированием, а также повышение качества подготовки металла (обезжиривания, травления, фосфатирования и т. п.).

Предлагаемый компанией очиститель «Травиек» неограниченно долго поддерживает в рабочем состоянии кислотные растворы. Если вводить его в любой кислотный раствор вместе с кислотой, то при концентрации 10 мл/л он каталитически инициирует выделение железа и других вредных примесей в виде нерастворимых соединений, которые легко удаляются из рабочей ванны с помощью непрерывной фильтрации.

В результате отпадает необходимость в дорогостоящей нейтрализации отработанных растворов — они просто не образуются! Кроме того, снижаются расходы на захоронение задерживаемых фильтровальным устройством шламов, поскольку их общая масса уменьшается на 30–90%.

Что касается кислотного травления, то его ингибирование с дообезжириванием препаратом «Друг Плюс 2Х» препятствует растравливанию основы и накоплению Fe в растворе, увеличивая срок его службы.

Многие специальные добавки существенно улучшают качество и продлевают устойчивость наносимых покрытий. В ассортименте продукции, предлагаемой «Сонис», представлен также ополаскиватель «Щит 2Х».

Простое ополаскивание деталей в его 5-процентном растворе повышает коррозионную стойкость цинкового покрытия в 2–7 раз. Обусловлено это тем, что на цинковом покрытии формируется дополнительная тонкая (всего 0,1–0,2 мкм) инертная силикатная пленка барьерного типа. Она препятствует развитию «белой» коррозии в солевом тумане. В условиях морской атмосферы или влажного тропического воздуха по защитным свойствам такие цинковые покрытия становятся сопоставимы с дорогими кадмиевыми.

Итальянская фирма Soprin S. R. L. предлагает российскому рынку широкий выбор химических материалов и продуктов для горячего цинкования. На подготовительных стадиях нанесения защитных покрытий они совместимы с большинством из применяемых российскими промышленниками химических растворов. Ингибиторы и специальные добавки Soprin, работающие в среде обезжиривающих и травильных растворов, поставляет предприятиям России и стран СНГ фирма «Ковинтрейд» (г. Москва).

В номенклатуре новинок представлены, в частности, такие композиции как Hydronet. В среде обезжиривающего раствора она способствует образованию осадков из масел и смазок, снятых с поверхности очищенных изделий, и исключает их перенос в последующие растворы.

Состав Antivapor предотвращает выпаривание кислот в ваннах травления. Ironsave в среде травильного раствора воздействует непосредственно на окислы и уменьшает воздействие на металл, снижая его охрупчивание в процессе обработки. Присадка для ванны флюсования Filmflux дает возможность получить устойчивое цинковое покрытие для сталей с повышенным содержанием кремния, влияющим на адгезионные свойства наносимого покрытия в процессе цинкования.

Автор: Евгений Каршилов