Неметаллические защитные покрытия от коррозии

Неметаллические покрытия металлов делают для образования на поверхности деталей и изделий защитных от коррозии пленок и для художественной отделки. К неметаллическим покрытиям относятся: оксидирование, фосфатирование, эмалирование, азотирование, гуммирование и окрашивание.

Оксидирование стали применяется для защитного покрытия приборов, инструмента, оружия и различных деталей в станкостроении. При оксидировании толщина оксидного слоя получается до 2 мм.

Защитные свойства оксидной пленки во влажной атмосфере и воде невелики, поэтому оксидированные детали при хранении рекомендуется смазывать.

В производственной практике применяют термический, химический и электрохимический способы оксидирования.

Термический способ оксидирования (воронение и синение) заключается в нагреве в печах (крупногабаритных) деталей, предварительно смазанных тонким слоем лака. При воронении мелких проволочных деталей их смазывают слоем 15—25%-ного раствора асфальтового или масляного лака в бензине, и на железных сетках загружаются в печь, где нагревают до 350—450° С, и выдерживают при этой температуре в течение 12—20 мин. до получения гладкой черной окраски их поверхности.

Синение полированных деталей часовых стрелок, волосков, лент, пружин производят погружением их в расплав смеси, состоящей из натриевой и калиевой селитры, или нитрата натрия и нитрата калия при температуре 310—350° С; затем их промывают в горячем 1—2%-ном мыльном растворе. При добавке к селитряной ванне до 25% едкого натра окраска поверхностей деталей принимает также черный цвет.

Химическое оксидирование производят погружением подготовленных деталей в кипящий раствор, состоящий из каустической соды, азотнокислого и азотистокислого натрия, с последующей их промывкой в холодной воде.

Оксидирование магниевых сплавов. Магниевые сплавы в большинстве электролитов имеют высокий электроотрицательный электродный потенциал. В результате контакт их со всеми металлами усиливает коррозию магния и его сплавов. Поэтому для их электрохимической защиты металлические покрытия не пригодны. Основными способами защиты магниевых сплавов от коррозии являются химическое или электрохимическое оксидирование с последующими лакокрасочными покрытиями.

Технологический процесс химического оксидирования магниевых сплавов состоит из следующих операций: 1) обезжиривание в водном растворе тринатрийфосфата, жидкого стекла и едкого натра; 2) промывка в воде; 3) обработка в растворе CrO3; 4) промывка в воде; 5) Оксидирование литых деталей в водном растворе хромпика (K3Cr2O7) в смеси с азотной кислотой и хлористым аммонием при температуре 70—80° С; 6) оксидирование изделий из прокатного материала, а иногда и литых деталей, в водном растворе фтористоводородной кислоты с последующей промывкой и повторной обработкой кипячением в течение 45 мин. в растворе натриевого хромпика (Na2Cr2O7) в смеси с сернокислым аммонием (NH4)2SO4 и аммиаком (NH4OH); 7) промывка в воде; 8) сушка деталей; 9) нанесение на их поверхность цинко-хроматного грунта.

Электрохимическое оксидирование применяют для деталей с ограниченными допусками по размерам, но из-за большой стоимости и сложности этот метод имеет меньшее распространение, чем химическое оксидирование. Качество защитной пленки, полученной обоими процессами, получается одинаковым.

Оксидирование алюминия и его сплавов применяется для защиты от коррозии, электроизоляции, для повышения сопротивления поверхностному истиранию и для декоративных целей.

Технологический процесс оксидирования алюминия и его сплавов состоит из следующих операций: 1) обезжиривание в растворе тринатрийфосфата, едкого натра и жидкого стекла при температуре 60—70% С; 2) промывка в теплой воде при 50—60° С; 3) промывка в теплой и холодной воде; 4) травление в растворе едкого натра при температуре 50—60° С; 5) промывка в теплой и холодной воде; 6) осветление в азотной 30%-ной кислоте; 7) промывка в холодной воде; 8) оксидирование анодное или химическое; 9) промывка в холодной воде; 10) окрашивание красителями или обработка в хромате; 11) промывка в теплой воде; 12) сушка в сушильных шкафах при температуре 60—70° С.

Фосфатированием металла называется процесс образования на его поверхности защитной пленки из фосфата металла. Фосфатирование применяется для защиты от коррозии деталей из чугуна, стали или для создания грунта под лакокрасочные покрытия. Металл после фосфатирования, покрытий асфальтовыми и битумными лаками становится коррозионностойкйм в атмосфере влажного воздуха. Фосфатный слой имеет кристаллическое строение, повышенную твердость, но порист и хрупок. Фосфатирование подразделяется на химическое «нормальное», химическое «ускоренное» (бондеризация) и электрохимическое.

Химически нормальное фосфатирование применяется главным образом для обработки изделий из стали, которые в дальнейшем подвергаются покрытию асфальтовыми или битумными лаками. Фосфатирование подготовленных деталей осуществляется в 3%-ном растворе дигидроортофосфатов марганца и железа (соль мажеф). Соль мажеф содержит 46—52% фосфорного ангидрида, не менее 14% марганца и 3% железа. Детали в ванне с раствором выдерживают 35—50 мин. при поддержании температуры раствора 96—98° С.

Фосфатирование химически ускоренное или так называемую бондеризацию осуществляют главным образом для таких изделий, которые в дальнейшем подвергаются многослойному лакокрасочному покрытию. В данном случае фосфатная пленка выполняет роль грунта для лакокрасочного покрытия. Бондеризация осуществляется в растворе смеси фосфатов марганца и железа с добавкой ускорителя, например, азотнокислого калия. Продолжительность процесса фосфатирования 5—15 мин.

Электрохимическое фосфатирование деталей (гидролизация) производят в растворе, содержащем 0,2—0,4% дигофата цинка, переменным током о частотой 60 пер/сек при напряжении 20 в и температуре раствора 60—70° С. Продолжительность процесса длится 4—5 мин., защитные свойства, образующиеся на деталях пленки, достаточно высокие.

Азотированием называют процесс насыщения поверхности стальных деталей азотом в атмосфере аммиака. Азотированный слой коррозионно устойчив против действия атмосферы, воды, насыщенной пароводяной среды, влажного кислорода, а также щелочных растворов. Он в ряде случаев заменяет металлические покрытия, например никелевые. Кроме этого, азотированный слой обладает высокой твердостью и обеспечивает повышенное сопротивление износу деталей.

Несвязанный азот твердой сталью почти не поглощается, но при температуре распада аммиака, которая находится в пределах 500—550° С, поверхностные слои интенсивно насыщаются атомарным азотом с образованием нитридов или твердых растворов.

Азотированию обычно подвергают детали из специальных сталей с содержанием алюминия, хрома, молибдена и других легирующих элементов; в таких сталях образуется диффузионный слой с высокой износостойкостью. В нелегированных углеродистых сталях диффузионный слой получается хрупким и непригодным для использования в условиях трения.

Перед процессом азотирования сталь термически обрабатывают (закалка, отпуск и нормализации) с тем, чтобы она не имела структурно-свободного феррита, оказывающего влияние на повышение хрупкости диффузионного слоя.

Технологический процесс азотирования состоит из подготовки деталей до азотирования, процесса азотирования и обработки деталей после азотирования. Подготовка деталей состоит в удалении окалины и загрязнений очисткой или травления и промывки. Азотирование ведут в шахтных или муфельных электропечах под давлением аммиака от 50 до 100 мм вод. ст., при температуре 500—650° С, продолжительность от 4 до 12 час.

По окончании азотирования, детали вместе с печью медленно охлаждают в атмосфере аммиачного газа, после чего выгружают из печи в воду. Азотированные детали после травления приобретают блестящую поверхность, трудно отличимую от никелированной.

Эмалирование применяют при изготовлении аппаратуры для процессов, связанных с производством органических, фармацевтических продуктов, для процессов нитрации, хлорирования, в пищевой промышленности, в производстве взрывчатых веществ и для бытовых приборов (ванны, раковины, мойки, посуда и т. п.).

Эмалевое покрытие по стали и чугуну состоит из грунтового и покровного слоев. При эмалировании цветных металлов грунтовой слой не наносят. Грунтовой слой, нанесенный на детали из стали и чугуна, обеспечивает хорошее сцепление эмали с металлической поверхностью и защищает от вредного действия среды в процессе службы изделия. Покровный слой защищает грунтовое покрытие и воспринимает на себя воздействие внешней среды.

Состав грунтовой эмали подбирается таким, чтобы температура его плавления была выше на 50—100° C температуры плавления покровного слоя для того, чтобы обеспечить хорошее сцепление слоев между собой. В данном случае покровный слой может быть расплавленным, а грунтовой — в размягченном состоянии.

Грунтовые и покровные эмали по составу являются многокомпонентными, в них входят различные окислы (SiO2, B2O3, Na2O, K2O, PbO, ZnO, Al2O3 и другие), бура, фториды, каолин, шпаты и т. д.

В зависимости от содержания в эмалях компонентов их используют для нанесения грунта и покровного слоя на изделия из стали, чугуна, цветных и благородных металлов.

Технологический процесс изготовления эмали состоит из следующих основных операций: навеска и измельчение сырья (составляющих эмали), перемешивание составляющих, плавление в печах при температуре 1000—1500° С и выше, гранулирование эмали переливанием расплавленной эмали в бак с водой, размол эмали в порошок в шаровых мельницах. Эмалирование изделий производится мокрым и сухим способами. При мокром способе из порошкообразной эмали, глины и воды получают шликер, представляющий собой суспензию определенной консистенции. Нанесение шликера на изделие производят погружением, обливом или распылением. После этого производят сушку и обжиг в муфельных или электрических печах.

Сухим пудровым способом при помощи механических сит наносят эмали на нагретое изделие, имеющее грунтовое покрытие. После чего изделие повторно обжигают в печах.

Покрытие кислотоупорными плитками и замазками применяют для футеровки аппаратуры, используемой в производстве минеральных кислот, синтетического каучука, анилиновых красителей и в других процессах, связанных с применением соляной кислоты. Футеровка защищает аппаратуру от агрессивного действия жидких и газообразных сред при высоких давлениях и температурах. Она состоит из кислотоупорных плиток сцементированных кислотоупорными вяжущими материалами. Для футеровки применяются метлахские, стеклянные, фарфоровые, керамиковые диабазовые и другие плитки квадратной или шестигранной формы или специального фасона различных размеров. В качестве вяжущего материала применяют замазки, изготовленные на основе силиката натрия, с введением инертного наполнителя, фтористых соединений или кислотоупорного цемента.

Футеровку аппаратуры производят в основном следующим образом: на очищенную поверхность аппарата наносят слой замазки, на который выкладывают слой плиток. На выложенные плитки наносят второй слой замазки и второй слой плиток. После высыхания замазки швы между плитками обрабатывают 40%-ной серной кислотой.

Гуммированием называется процесс покрытия металлических изделий мягкой резиной или эбонитом (твердой резиной). Резина стойка в кислотах (50%-ной серной, 75%-ной фосфорной, соляной, уксусной, лимонной и плавиковой кислотах любой концентрации), в едком натре и едком кали при температурах до 65° С. Ho она растворяется в бензине, толуоле, ксилоле и бензоле.

Гуммирование изделий производят наклейкой резины, методом электрофореза, покрытием резиновым клеем.

Гуммирование наклейкой резины состоит в нанесении на очищенную поверхность изделия резинового клея, сушки нанесенного клея, наклейки листовой резины, вулканизации в специальных котлах нагреванием до 140—170° С при давлении пара до 3 ат. Прочность сцепления резины с металлом зависит от состава резиновой смеси и подготовки поверхности металла. Например, латунированные поверхности металла обеспечивают прочность крепления резины от 40 до 70 к г/см2.

Покрытие изделия резиной методом электрофореза состоит в том, что при пропускании постоянного тока через латекс, коллоидные частицы каучука, имеющие отрицательный заряд, направляются к аноду, покрывающему изделие, и разряжаясь, коагулируют, покрывая изделие плотным слоем резины.

Этот метод покрытия применяют для покрытия изделий и аппаратов, имеющих отверстия малых размеров, а также для изделий сложной конфигурации.

Покрытие металла резиновым клеем производят преимущественно для защиты изделий и аппаратов от действия окружающей среды. Для этой цели применяют термопрен, являющийся продуктом обработки каучука органическими сульфокислотами. Клей наносится обмазкой или обрызгиванием.

Лакокрасочные покрытия (окраска) металла представляют собой процесс нанесения и закрепления на поверхности изделий сплошной пленки, состоящей из органического пленкообразующего вещества, смешанного с неорганическими или органическими красителями — пигментами.

Окраска является самым распространенным и во многих случаях единственным методом защиты деталей и изделий от коррозии. Помимо защиты металла от коррозии лакокрасочные покрытия также применяются для внешней отделки деталей и изделий. На долю окраски падает — 65% всех видов защитных покрытий.

Технологический процесс нанесения красочных покрытий состоит из следующих основных операций: 1) подготовка изделий под окраску (очистка от ржавчины, жиров и загрязнений); 2) грунтовка (нанесения непосредственно на поверхность изделия слоя краски, обеспечивающего антикоррозионные свойства всего покрытия); 3) шпаклевка — нанесение лакокрасочного слоя на грунт, для выравнивания поверхности изделия (заполнение углублений, царапин, пор); 4) окраска — для придания изделию требуемого цвета и внешнего вида, а также для защиты грунта от механических повреждений и разрушающего влияния внешней среды; 5) покрытие лаком слоя краски для придания поверхности гладкого и блестящего вида.

Специальные виды неметаллических покрытий применяются для изделий и аппаратуры, работающей в химически активной среде. Неметаллические защитные покрытия наносят на поверхность изделий или аппаратов в виде паст, обмазок или в виде листов и плит.

В виде неметаллических покрытий в химическом машиностроении используются следующие материалы:

а) асфальтобитумные композиции в виде мастик, каменноугольного пека, руберокса с добавкой наполнителей — асбестового волокна, кислотоупорного цемента и др. Мастика наносится на предварительно нагретую поверхность в расплавленном состоянии толщиной слоя 3—5 мм. Такие покрытия устойчивы в растворах солей (сульфидов и хлоридов), в минеральных кислотах слабой и средней концентрации, в едких щелочах 20%-ной концентрации и в воде;

б) фенол-альдегидные композиции применяются в виде паст или листового материала. Они устойчивы в большинстве органических растворителей и минеральных кислот за исключением азотной, хромовой и серной кислоты высокой концентрации;

в) виниловые смолы и фактис, представляющие собой продукт вулканизации растительных масел с хлористой серой, смешанной с наполнителями (окисью магния и бария).