Профилактические мероприятия по борьбе с коррозией алюминиевых сплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Профилактические мероприятия по борьбе с коррозией алюминиевых сплавов

16.06.2021

Различные способы предупреждения или предотвращения коррозии, специфические для каждого типа коррозии, уже описаны ранее в данной главе. В этом разделе рассмотрены семь основных методов профилактики коррозии оборудования из алюминиевых сплавов:

1) выбор сплава и состояния;

2) конструкция оборудования;

3) органические покрытия и герметики;

4) ингибиторы;

5) катодная защита;

6) утолщенные поверхностные оксидные пленки (естественные, электрохимические, анодные);

7) видоизменения среды.

Интересная монография по проблеме предупреждения коррозии металлов, в частности алюминия, опубликована Американским обществом инженеров автомобильной промышленности и транспорта (SAE) в 1964 г.

Выбор сплава


Выбор алюминиевого сплава для данного назначения часто основывается на прочности, способности к формообразованию, свариваемости, возможности изготовления необходимого полуфабриката. Однако при этом следует обязательно учитывать коррозионную стойкость материала.

Обычно наилучшей коррозионной стойкостью обладают сплавы системы Al-Mg (5ХХХ), затем следуют алюминий промышленной чистоты (1XXX), сплавы системы Al-Mn (3ХХХ) и Al-Mg-Si (6ХХХ); разница между указанными сериями невелика. Как правило, сплавы этих серий используют без защиты, хотя по эстетическим соображениям их иногда окрашивают (внутреннюю или наружную поверхность строительных конструкций) или анодируют (оконные рамы). Сплавы систем Al-Cu-Mg (2ХХХ), а также средне- и высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (7ХХХ) обычно применяют с защитой в виде плакировки или окраски.

Важность правильности выбора состояния обсуждалась ранее при рассмотрении расслаивающей коррозии сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg-Cu. Для сплавов 5083, 5086 и 5456 наиболее высокое сопротивление межкристаллитной и расслаивающей коррозии обеспечивается в состоянии H116. Наилучшее сопротивление коррозионному растрескиванию сплавов серии 7ХХХ достигается в состояниях Т-7Х, например в состояниях Т73 и Т76 у сплава 7075. Эти состояния — некоторый компромисс, поскольку прочность в этом случае несколько ниже, чем в состоянии Т6. По этой причине были разработаны коррозионностойкие состояния для сплавов 7049, 7050 и 7010.

Плакированные сплавы. Плакированный алюминий представляет собой биметалл, в котором тонкий поверхностный слой одного алюминиевого сплава (толщина этого слоя составляет от 5 до 10 % от общей толщины) металлургически связан с основным сплавом сердцевины, выбираемым из условий необходимой прочности. Плакирующий сплав выбирают таким образом, чтобы его электродный потенциал был не менее чем на 100 мВ более положительным, чем потенциал сердцевины, что создает катодную защиту. Обычно для плакировки сплавов серии 2ХХХ используют сплавы серии 1XXX (алюминий), а сплав 7072 — для сплавов серий 3ХХХ, 5ХХХ, 6ХХХ и 7ХХХ. Плакированные алюминиевые сплавы имеют максимальное сопротивление сквозной питтинговой коррозии, поскольку питтинговые поражения не достигают сердцевины, а также минимальную потерю прочности при длительных выдержках в коррозионноактивных атмосферах. Например, срок службы в агрессивной водной среде без сквозной коррозии для кухонной посуды, изготовленной из листа сплава 3003 с 5 %-ной плакировкой сплавом 7072, в 5-10 раз больше, чем для неплакированного сплава 3003 в такой же воде. Другим примером является плакированный сплав 3004, использованный для кровельного покрытия и стен ангара в Лонг-Биче (порт в Центральной Америке); после 33 лет эксплуатации глубина питтингов не выходила за пределы плакирующего слоя (76 мкм). Плакирование тонкостенных труб (толщина стенки 1,5 мм), используемых в ирригационных и дренажных системах, значительно увеличивает срок их службы в агрессивных водных средах.

Влияние конструкции


Конструкция оборудования играет важную роль в коррозионном поведении даже в средах, где алюминий имеет высокую коррозионную стойкость. Три основные причины непредвиденной коррозии алюминия в результате конструктивной недоработки:

1) неправильный выбор сплава или состояния материала, например рекомендация сплава системы Al-Cu-Mg для эксплуатации в морских условиях;

2) неправильный выбор разнородных металлов, находящихся в контакте с алюминием, что может вызвать гальваническую коррозию;

3) отсутствие неохрупчивающихся эластичных материалов на плотно контактирующих поверхностях во избежание попадания в зазоры влаги, которая может вызвать щелевую коррозию.

Всех трех причин можно избежать при правильном проектировании, принципы которого хорошо известны. Выбор метода сварки и материала присадочной проволоки может влиять на коррозионное поведение. Конструкция оборудования может изменять такие физические параметры среды, как температура, скорость движения, направление потока и кавитация, которые в свою очередь влияют на склонность к коррозии.

Исправление конструктивных недоработок крупных объектов может быть очень дорогостоящим мероприятием. Например, переделка неудачно спроектированных соединений алюминия со сталью в надводной части корабля выводит его из эксплуатации на длительный период. Поэтому конструкторам при проектировании оборудования следует руководствоваться следующими принципами, которые помогут уменьшить опасность коррозии алюминия в эксплуатации:

- избегать контактов разнородных металлов, но если их необходимо использовать, то применять соответствующую защиту;

- избегать щелей и зазоров в конструкции, но если они неизбежны и в этих участках материал имеет небольшую толщину, то для предотвращения попадания влаги применять герметизирующие материалы;

- применять непрерывные сварные швы, так как они лучше, чем сварка отдельных участков или заклепочное соединение;

- предусматривать возможность полного удаления влаги (просушку) и очистки конструкции (рис. 7.26-7.29);

- избегать контактов незащищенных алюминиевых поверхностей с материалами, абсорбирующими влагу, но если они обязательно должны быть использованы, то применять соответствующую защиту; избегать острых кромок в системах трубопроводов; избегать сильного разогрева при точечной сварке; избегать направленных потоков жидкости; избегать острых концентраторов напряжений;

- при размещении оборудования выбирать участки, наименее опасные с точки зрения коррозии;

- в оборудовании, предназначенном для окраски, устранять острые кромки.


Предупреждение гальванокоррозии. В целях уменьшения опасности гальванокоррозии алюминия следует руководствоваться следующими указаниями;

- разнородные металлы, используемые в контакте с алюминием, должны быть расположены как можно ближе к алюминию в гальваническом ряду;

- сплав для крепежа разнородных материалов должен быть катодом по отношению к алюминию (например, в соединении алюминия со сталью болты должны быть стальными, а не алюминиевыми). В этом случае лучше использовать алюминированные болты (горячее алюминирование или напыление алюминия);

обеспечить полную электроизоляцию двух металлов. Это может быть достигнуто путем использования непроводящих изолирующих прокладок, муфт и шайб. Никаких внешних напряжений к этим двум металлам не должно быть приложено;

- если окраске подвергается поверхность контакта, то окрашиваться должен катодный металл, а не алюминий. При окраске алюминия гальванокоррозия может сконцентрироваться в отдельных участках и вызвать образование сквозных отверстий из-за неблагоприятного соотношения площадей катода и анода;

- в трубопроводах из алюминиевых сплавов в местах соединения алюминия с другими металлами устанавливать толстостенные алюминиевые переходники;

- в трубопроводах из алюминиевых сплавов избегать резьбовых соединений с другими металлами. Вместо них использовать фланцевые соединения, при которых снижается опасность щелевой коррозии и которые можно электроизолировать;

- при возможности места соединений разнородных металлов располагать вне коррозионноактивной среды;

- в системе из разнородных металлов с жидкостью, движущейся по замкнутому циклу, например в системе охлаждения автомобиля, использовать ингибиторы;

- если между разнородными металлами должно быть приложено внешнее напряжение, то необходимо эти металлы располагать как можно дальше друг от друга для увеличения сопротивления среды между ними;

- использовать катодную защиту;

- избегать неблагоприятного соотношения площадей катода и анода в среде, являющейся электролитом (не менее 1:5 в морской воде).

Скобяные изделия для алюминиевых конструкций. В алюминиевых конструкциях часто используют различные скобяные изделия, например дверные петли, шпингалеты, задвижки из других металлов. При установке в конструкцию алюминиевых скобяных изделий отдают предпочтение алюминиевым же болтам или винтам, если они могут обеспечить достаточную прочность. Однако обычно указанные изделия изготовляют из стали и латуни с гальваническим покрытием или из коррозионностойкой стали. В большинстве случаев при использовании стальных изделий с покрытиями из алюминия, кадмия, хрома, олова и цинка не возникает сильной гальванической коррозии алюминия до тех пор, пока покрытие не перестает выполнять свою защитную роль, иначе возможна значительная гальваническая коррозия. По этой причине во всех случаях предпочтительно применение скобяных изделий из коррозионностойкой стали (серия AISI 300). Исключение составляют корабельные конструкции, где лучше использовать изделия из алюминированной стали или стали с гальваническим покрытием, подвергая их последующей окраске. Недопустимо использование крепежных латунных деталей с гальваническими покрытиями.

Использование вставок "Helicoil" в болтовых соединениях. Если в плиту или отливку из алюминиевого сплава должны быть установлены болты из другого металла, то в просверленные отверстия необходимо вложить проволочные вставки из коррозионностойкой стали 18-8 (AISI 304), называемые "Helicoil". Эти пружинного типа вставки перед установкой погружают в цинкхроматную грунтовку.

Предотвращение коррозии при осаждении. Ниже перечисленные меры позволяют уменьшить коррозию при осаждении на алюминии:

- исключить использование деталей из тяжелых металлов, которые могут быть источниками агрессивных ионов;

- окрашивать основной металл;

- использовать плакированный алюминий;

- применять ингибиторы;

- производить частую очистку поверхности алюминия для удаления осевших ионов тяжелых металлов.

Удалить ионы тяжелых металлов из потока жидкости, направляемой в алюминиевое оборудование, можно путем пропускания этой жидкости через фильтр, представляющий собой резервуар или колонну, заполненную магниевой или алюминиевой стружкой. Имеются данные об успешной очистке морской воды этим способом, но опубликованная информация отсутствует.

Предотвращение щелевой коррозии. Если в конструкции возможна щелевая коррозия, то щели должны быть заполнены неохрупчивающимся эластомером для предотвращения попадания влаги. Некоторые герметизирующие материалы при старении становятся твердыми и хрупкими, что создает возможность для проникновения влаги. Указанные требования к герметикам обязательны для соединений, используемых во всех видах транспорта — наземном, воздушном и водном. Существуют герметики двух типов:

1) однокомпонентные системы на основе бутилового или силиконового каучука;

2) двухкомпонентные системы на основе полисульфидов и эпоксидов.

Для предупреждения коррозии от испарений (которая представляет собой особый вид щелевой коррозии) следует избегать контакта незащищенного алюминия с материалами, абсорбирующими влагу, например бумагой, тканью, деревом, асбестом и пенопластом.

Профилактические меры против коррозионного растрескивания. Коррозионное растрескивание высокопрочных алюминиевых сплавов, например 2024, 7075 и 7079, часто бывает вызвано остаточными или монтажными (технологическими) растягивающими напряжениями, действующими в высотном направлении. Напряжения, возникающие от эксплуатационных нагрузок, обычно носят периодический характер, и конструкция проектируется таким образом, чтобы главные напряжения действовали в благоприятном направлении (продольном или поперечном).

Для обеспечения минимального риска в отношении коррозионного растрескивания конструктору следует руководствоваться следующими соображениями:

- выбирать сплавы и состояния, имеющие высокое сопротивление коррозионному растрескиванию;

- использовать детали с низким уровнем остаточных напряжений; операции сложного формообразования производить в отожженном состоянии с последующей термической обработкой (закалкой и старением), если необходимо получить определенный уровень прочности;

- операции гибки и правки производить в свежезакаленном состоянии для снижения уровня остаточных напряжений;

- механическую обработку наружных поверхностей производить до термической обработки, поскольку после закалки на поверхности деталей возникают сжимающие напряжения, которые не вызывают коррозионного растрескивания;

- механическую обработку внутренних поверхностей производить после термической обработки для частичного снятия внутренних напряжений;

- избегать возникновения напряжений, тщательно контролируя допуски. He допускать постановки в конструкцию плохо подогнанных или несоосных деталей;

- уменьшать величину растягивающих напряжений в поверхностном слое, используя либо дробеструйную обработку или обкатку поверхности, либо двухступенчатое старение;

- использовать термическую обработку сварных соединений.

Размещение оборудования. При размещении оборудования из алюминиевых сплавов следует по возможности располагать его в местах, наиболее безопасных с точки зрения коррозии.

Органические покрытия. Системы органических покрытий часто применяют на алюминии исключительно с декоративной целью. Haпример, боковые и другие панели кузовов автомобилей окрашивают с целью получения желаемого цвета, а также для предотвращения естественной эрозии, которая неприемлема с эстетической точки зрения, но несущественна для работы конструкции. В определенных случаях органические покрытия можно использовать для защиты от коррозии. В обоих случаях для увеличения срока эксплуатации покрытия важны соответствующая подготовка поверхности и тщательный выбор покрытия.

Большинство органических покрытий обеспечивает защиту от коррозии благодаря образованию физического барьера между поверхностью алюминия и окружающей средой. В состав некоторых покрытий входят ингибиторы (например, хроматная грунтовка). Алюминиевую изолирующую обшивку (рубашку) рефрижераторов окрашивают внутри во избежание щелевой коррозии при накоплении конденсата между алюминием и изоляционным материалом и коррозии от испарений, источником которых может быть пенопласт, используемый в качестве изоляционного материала. Прозрачные органические покрытия применяют тогда, когда желательно сохранить естественный цвет алюминиевой поверхности, но предотвратить эрозию. Временные органические покрытия для защиты поверхности алюминия иногда используют при хранении и транспортировке. Густые органические покрытия, такие как мастики и гудрон, применяют для защиты алюминия при заделке в землю и в бетон.

Эксплуатационные характеристики систем органических покрытий могут быть оптимальными, если в процессе их службы соблюдаются рекомендации фирм - изготовителей покрытий, касающиеся подготовки поверхности, предварительной обработки, подбора системы сочетающихся покрытий, грунтовки и верхнего слоя, правил эксплуатации и ухода. При необходимости максимальной длительной антикоррозионной защиты система органических покрытий должна периодически возобновляться.

Ингибиторы. Применение ингибиторов для предотвращения коррозии алюминия исследовано в работах.

Такие ингибиторы, как хроматы, замедляющие коррозионные процессы на аноде, называются анодными ингибиторами в отличие от полифосфатов, оказывающих аналогичное влияние на катоде (катодные ингибиторы). Если анодные ингибиторы используют в недостаточном количестве, то они могут усилить склонность к питтинговой коррозии. Катодные ингибиторы безопасны в этом отношении. Применяют также смешанные системы ингибиторов — анодные и катодные.

В качестве ингибиторов для защиты алюминия от коррозии рекомендуются фосфаты, силикаты, нитраты, фтористые соединения, бензоаты, растворимые масла и некоторые другие химические вещества (порознь или в смесях). Если в замкнутом объеме присутствует медь, то для предотвращения коррозии и последующего осаждения меди на алюминии используют добавки меркаптобензотиазола натрия.

В умеренно щелочных растворах ингибирующими свойствами обладает силикат натрия. Силикаты с высоким отношением количества силиката к углекислому натрию (сода) широко используют в щелочных обезжиривающих растворах, мылах и антифризах, содержащих амины, карбонаты и фосфаты. Для систем с разнородными металлами, где рабочей средой является вода (например, в системе охлаждения автомобиля), разработаны смеси ингибиторов для предотвращения коррозии всех металлов в системе, включая алюминий.

Катодная защита. При катодной защите прилагаемый извне к системе электрический ток создает новую электрическую пару, исключающую алюминий в роли катода. В качестве расходуемого анода можно использовать цинк и магний (рис. 7.30) или некоторые алюминиевые сплавы (только в морской воде). В системе могут действовать также выпрямитель тока и инертный анод (графит). Полная катодная защита обеспечивается в том случае, когда разность потенциалов между анодом и алюминием равна нулю. Величина наложенного напряжения, необходимая для выполнения указанного условия, зависит от степени поляризации и характеристик электросопротивления системы, подлежащей защите.

Катодная защита может применяться для алюминия при условии такой плотности тока на алюминиевой поверхности, которая не будет создавать сильнощелочную среду; последняя создает предпосылки для перезащиты и возможности разъедания катода. Более удобно осуществлять катодную защиту в системах с наложенным извне током, чем в системах с расходуемым анодом, поскольку в первом случае потенциал поляризации у поверхности алюминия может быть выше (более отрицательным). Системы катодной защиты с цинковым анодом всегда безопасны, системы с магниевым анодом безопасны только при условии правильного расчета. Максимальный безопасный потенциал поляризации составляет -1,20 В (Cu/CuS04).

Плакирование алюминия представляет собой один из способов электрохимической защиты. Национальной Ассоциацией инженеров-коррозионистов (NACE) опубликованы критерии катодной защиты для подземных систем трубопроводов, включая алюминиевые. В работе указывается, что во многих почвах допустим потенциал, равный -1,30 В, не вызывающий значительной коррозии алюминия, находящегося в почве. Системы катодной защиты с наложенным извне током можно использовать на окрашенных судовых корпусах в морской воде в течение 20 лет.

Утолщенные поверхностные оксидные пленки


Электрохимические покрытия. Ряд патентованных способов электрохимической обработки (например, "Алодин", "Иридит", "Бондерит" и др.) применяют для получения поверхностных электрохимических покрытий толщиной до 20 нм на алюминиевых листах и прессованных полуфабрикатах перед их окраской в заводских условиях (толщина естественной оксидной пленки на алюминии до 50 А). Обработку во всех случаях ведут в кислых растворах, содержащих хроматы, фосфаты и другие химикаты. Такие покрытия значительно улучшают адгезию лакокрасочных покрытий.

Пленки, содержащие хроматы, имеют защитные антикоррозионные свойства и применяются для обработки некоторых самолетных и автомобильных деталей. Однако они относительно мягкие и могут быть использованы для защиты от коррозии без лакокрасочных покрытий только в том случае, если поверхность детали не подвержена действию какого-либо абразива в процессе эксплуатации.

Анодные покрытия. Анодирование — обработка поверхности алюминия, очень широко используемая в производстве. Деталь, подлежащую обработке, погружают в электролит и соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока (деталь является анодом). Происходит окисление поверхности, в результате чего образуется утолщенная пористая пленка оксида алюминия. Эту пленку затем наполняют в горячей воде для устранения пористости и придания пленке непроницаемости.

До наполнения в воде пленку можно окрасить, пропитав ее красящим веществом или пигментом. Иногда для получения окрашенных анодных пленок непосредственно в ваннах анодирования используют специальные электролиты. Защитные свойства анодных пленок зависят от их толщины, которая может быть различной — от 8 мкм на полированных литых деталях внутренней отделки автомобиля до 25 мкм или более на алюминиевом фасаде монументального здания. Эти толщины превышают толщину естественной оксидной пленки на поверхности в 1000 и 3000 раз соответственно.

Алюминий, используемый в строительстве, часто анодируют (перила, двери, окна, фасады). Анодированная поверхность меньше загрязняется в атмосфере и гораздо легче очищается. Искусственная анодная пленка имеет такие же химические свойства, что и естественная, и растворяется в концентрированных кислотах и щелочах. В промышленных атмосферах проявляется склонность пленки к питтингам, причем время до возникновения этих поражений зависит от толщины пленки. Для сохранения первоначального внешнего вида анодированных алюминиевых фасадов даже толстые анодные пленки покрывают бесцветными органическими покрытиями. Основная ценность анодной пленки — ее декоративный вид и легкость очистки. Анодирование редко полностью разрешает все коррозионные проблемы, связанные с использованием алюминия.

При установке деталей из анодированного алюминия в строительную конструкцию на эти детали может нечаянно попасть бетон или строительный раствор. В этих участках анодная пленка подтравливается и восстановить ее первоначальный вид трудно или невозможно. Наилучший способ предохранения анодной пленки - нанесение тонких бесцветных органических покрытий, которые защищают ее от воздействия щелочного строительного раствора. Можно также использовать защитные съемные ленты.

Предварительное образование оксидной пленки в воде или паре. Естественную оксидную пленку на поверхности алюминия можно утолщать при выдержке в проточной воде, в горячей мягкой воде или паре. Если такую обработку произвести до начала эксплуатации материала в атмосфере, которая может вызвать образование питтингов, то таким образом можно предотвратить их появление. В одном эксперименте на образце из листа сплава 1200, предварительно выдержанном в течение одного года в пресной воде без образования питтингов (толщина пленки ~ 80 нм), не было обнаружено питтинговых поражений и после 16 дней выдержки в очень агрессивной воде, в то время как на образце без предварительной выдержки за такое же время образовался питтинг глубиной 965 мкм.

Исследование сквозной коррозии, обнаруженной только на одном участке тонкостенного (толщина стенки 1,4 мм) алюминиевого трубопровода ирригационной системы большой протяженности, показало, что трубы на этом участке были изготовлены всего за месяц до установки, в то время как остальная часть трубопровода находилась в эксплуатации свыше года. Разница в поведении связывается с более тонкой оксидной пленкой на новом материале. В связи с этим следует отметить, что в новый алюминиевый трубопровод ирригационной системы в течение первой недели должна непрерывно подаваться вода для увеличения толщины оксидной пленки. Если вода не подается в систему, то оставшаяся в ней должна быть слита, при этом предварительное образование оксидной пленки способствует уменьшению коррозии, если вода не удалена. Предварительное образование оксидной пленки на новой алюминиевой посуде путем кипячения в ней мягкой воды предотвращает образование блестящего темного налета, который возникает, если для первого кипячения используется жесткая вода.

Видоизменение среды. Иногда можно уменьшить коррозионную активность среды путем незначительного ее изменения. Например, поддерживая в контейнере или замкнутом воздушном пространстве температуру выше точки росы, можно предотвратить возникновение коррозии, особенно в бухтах алюминиевых листов или фольги. Регулирование pH коррозионной среды в пределах от 4,0 до 9,0 может быть безвредным для алюминия. В присутствии меди pH раствора должно быть не менее 8,0 во избежание растворения меди и последующего ее осаждения на алюминии.

Деаэрация воды значительно уменьшает ее способность вызывать питтинги на алюминии. Движение воды по алюминиевой поверхности иногда предотвращает появление питтингов. При эксплуатации изделий в некоторых химических веществах, например в феноле и метаноле, добавка очень небольшого количества воды (0,1 %) препятствует сильной коррозии, которая происходит в обезвоженных веществах при повышенной температуре. В других веществах, например в сернистом ангидриде, следы воды способствуют коррозии алюминия.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: