Коррозия остается одной из ключевых проблем строительной, машиностроительной и других отраслей, поскольку в значительной мере определяет долговечность и надежность стальных конструкций. Сталь - базовый промышленный конструкционный материал, который при взаимодействии с окружающей средой испытывает химические и электрохимические воздействия. Это приводит к постепенному разрушению структуры и потере эксплуатационных параметров. При этом использование нержавеющих металлов и сплавов во многих применениях часто неэффективно, поскольку приводит к существенному удорожанию проекта.
Поэтому для продления срока службы изделий, выполненных из более доступных углеродистых и низколегированных сталей, используют различные защитные органические и неорганические покрытия. Каждый из методов защиты имеет свои преимущества, ограничения и типовые сферы применения. О коррозии и причинах ее возникновения мы уже рассказывали в статье нашего блога. Сегодня рассмотрим ключевые виды покрытий, процессы их нанесения и функциональные особенности, обеспечивающие эффективную защиту стали от коррозии в различных условиях эксплуатации.
Виды защитных покрытий
Главной задачей защитного покрытия является создание так называемого барьерного или протекторного слоя – поверхностного сплошного непроницаемого материала, фактически оберегающего основной металл от химического воздействия окружающей среды. Механизмы сохранения стальной основы могут быть разные – от полной изоляции стали с помощью слоев, инертных к воздействию агрессивной окружающей среды, до так называемой «жертвенной защиты», когда внешний, более активный металл (например, цинк или алюминий) корродирует первым, что позволяет существенно отсрочить разрушение сердцевины.
Такие защитные барьеры могут быть однослойными или многослойными, они могут наноситься или формироваться с помощью специальных технологических операций (например, путем термического воздействия). В соответствии с терминологией европейских стандартов многослойные покрытия также называют «системами антикоррозионной защиты». Наиболее распространенными разновидностями защитных покрытий являются:
Неорганические покрытия на основе металлических или неметаллических материалов, формируемых на поверхности изделия (например, диффузией или электрохимическими превращениями);
Органические покрытия – пластмассы, полимеры, битумы и другие вещества в твердом и жидком виде (включая пасты, порошки и суспензии). Эти материалы состоят из связующих веществ и других компонентов – пигментов и красителей, наполнителей, растворителей и т.д.;
- Системы «метал плюс краска» – сочетание металлических и органических слоев, каждый из которых выполняет собственную барьерную функцию. Обычно эффективность применения таких систем намного выше суммарной стойкости металлического и органического покрытия, если бы они использовались по отдельности.
При выборе необходимого защитного покрытия для конкретной металлоконструкции или детали оценивают коррозионную нагрузку (вид коррозионной среды и степень ее воздействия) и характер развития коррозии (эрозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением и др.). Также принимают во внимание и другие факторы: температуру среды, статические и динамические нагрузки, механические и эксплуатационные показатели других элементов системы, в которой будет работать защищенное изделие. В зависимости от условий использования выбирается один из трех уровней защиты:
- Временная защита – формирование защитного слоя на определенный период (например, для транспортировки и хранения металлопродукции до момента изготовления из нее готового конструкционного элемента);
- Восстанавливаемая защита – покрытие, которое регулярно обновляется по истечении определенного временного интервала эксплуатации;
- Долговременная защита – барьер, который должен выдерживать все время эксплуатации объекта.
В большинстве случаев рекомендации и требования к виду и уровню антикоррозионной защиты являются неотъемлемой частью проектной документации и строительных норм. Без их соблюдения невозможно введение в эксплуатацию ответственных сооружений и объектов инфраструктуры, промышленных агрегатов и техники, работающих в условиях агрессивного воздействия.
Сталь обычно защищают настолько, чтобы она выдерживала ожидаемое коррозионное воздействие в течение расчетного срока службы. Кроме защиты, барьерные слои могут выполнять декоративные функции, а в некоторых случаях – обеспечивать эксплуатацию, когда верхний слой является критическим элементом работающей системы (например, способствует трению поверхностей по определенному механизму).
Подготовка стальной поверхности для нанесения защитного покрытия
Перед нанесением антикоррозионных слоев изделие должно быть подготовлено должным образом. Такая подготовка служит для изменения геометрии и шероховатости, очистки и активации поверхности металла.
Подготовка поверхности может выполняться механическим способом (дробеструйная очистка, шлифовка и т.п.), термическим (пламенная очистка, светлый отжиг), термохимическим воздействием или электрохимическими методами (обезжиривание, травление, гальванические процессы). Выбор метода подготовки зависит от наносимого после этого покрытия. В таблице ниже представлен краткий обзор ключевых технологий, применяемых с этой целью.
Способы подготовки поверхности в соответствии с DIN 50902
| Метод | Суть технологии |
|---|---|
| Механические способы | |
| Очистка щетками | Поверхность очищают проволочной щеткой или щетками с натуральной или пластиковой щетиной |
| Дробеструйная очистка | Абразив подается на поверхность с помощью сжатого воздуха (пневматическая очистка), жидкостей под высоким давлением (гидравлическая очистка) или центробежной силы (механическая очистка) |
| Шлифование | Основу шлифуют с помощью наждачной бумаги, алмазных паст, шлифовальных кругов различной зернистости и других материалов |
| Шабровка/ шабрение | Высокоточное выравнивание поверхности путем снятия тонкого слоя металла с помощью специального инструмента – шабера |
| Очистка с помощью вибрационных игольчатых пистолетов | Очистка кромок и углов с помощью узкоспециализированного прибора |
| Термические способы | |
| Светлый отжиг | Высокотемпературная обработка восстановительными газами для удаления тонких слоев оксида с металлической поверхности |
| Очистка огнем | Над поверхностью пропускают высокотемпературное оксиацетиленовое пламя, чтобы удалить окалину и ржавчину |
| Электрохимические и химические способы | |
| Обезжиривание | Очистка этим методом может использоваться в сочетании с ручной, ультразвуковой или электроочисткой. Для обезжиривания применяют различные типы водо- или маслорастворимых материалов (например, кислотные, нейтральные, щелочные и органические очистители), а также растворители, эмульсии и моющие средства, содержащие поверхностно-активные вещества |
| Кислотное очищение | Ржавчина или окалина удаляются с металлической поверхности с помощью раствора кислоты. Органические загрязнители с помощью этого процесса удалить невозможно |
| Травление | Разновидность кислотной очистки, которая осуществляется путем погружения металлической основы в разбавленную кислоту для активации поверхности |
Органические покрытия
Пластиковые покрытия, наносимые на сталь сочетают функцию защиты от коррозии с высокой долговечностью и декоративным видом. Поверхность перед нанесением такого покрытия предварительно обрабатывают (очищают), а при необходимости - грунтуют цинковыми и другими растворами или наносят клеевые пленки. Пластики могут поставляться в виде порошков, паст и жидкостей, пленки или листового материала. Порошки, пасты и жидкости обычно наносят методами псевдосжиженного слоя, напылением, рулонным нанесением покрытия (coil coating) и, в случае порошков, электростатическими технологиями. Пленочное покрытие с одной или обеих сторон полосы чаще всего выполняется методом рулонного нанесения – непрерывным приклеиванием пластикового слоя.
Битум наносится на стальную продукцию (прежде всего трубы) в горячем состоянии, обычно с добавлением наполнителей. Наружные покрытия из битума также могут содержать дополнительные стекловолоконные маты или ткани. Для внутренней защиты расплавленную массу заливают в предварительно нагретую трубу без добавления наполнителей, после чего ее вращают до полного охлаждения и отверждения слоя.
Резиновые покрытия на основе натуральной или синтетической резины наносят как футеровку резервуаров, трубопроводов, реакторов. После нанесения резина вулканизируется при 130–140°С, образуя высокоэластичный барьер, устойчивый к кислотам, щелочам и абразивному износу.
Органические лакокрасочные системы обеспечивают универсальную защиту. Они состоят из пигментов, связующего и растворителя. Могут быть на водной или органической основе. Покрытия могут наноситься кистью, распылением или погружением.
Неорганические покрытия
Неорганические краски могут содержать металлические пигменты, наполнители, растворители, а также этилсиликатные и щелочно-силикатные связующие.
Керамические или стеклокерамические покрытия (их еще называют фарфоровыми эмалевыми покрытиями) образуются путем приготовления специальной суспензии и нанесения ее на основу с помощью термического напыления, погружения или обливания. Для надлежащей адгезии покрытие и металлическая основа насыщаются оксидом металла.
Покрытия, основанные на цементных растворах, содержат цемент и заполнители (такие как песок). Наносятся на металлическую основу и высыхают после химического взаимодействия с водой.
Конденсационные неметаллические покрытия формируются либо в результате нанесения на металлическую основу испаряемого неметаллического покрывного материала (физическое осаждение из паровой фазы или PVD), либо в результате каталитической реакции основы с газообразной формой покрывного материала (химическое осаждение из паровой фазы или CVD).
Неметаллические диффузионные покрытия получают путем насыщения поверхностного слоя стального изделия определенными химическими элементами. Наиболее распространенными методами получения таких диффузионных слоев являются борирование (отжиг стальной основы в порошковом, гранулированном или пастообразном материале, содержащем бор), азотирование (отжиг стали в азотсодержащей атмосфере) и силиконирование (обработка изделия в солевой ванне или в газовой атмосфере, содержащих кремний).
Металлические защитные покрытия наносят разными методами – от горячего погружения до гальваники. В зависимости от металла и техники нанесения соединение со стальной поверхностью может носить химический, физический или механический характер - от образования сплава до адгезии и механического зажима.
Например, цинковое покрытие, которое является самым распространенным видом металлической антикоррозионной защиты стального проката и конструкций, может наноситься на поверхность принципиально разными способами. Наиболее распространенные промышленные технологии – погружение в расплав (горячее цинкование) и электролитическое нанесение (гальваническое цинкование
Выбор эффективного металлического ингибитора коррозии требует знания химических связей, существующих в системе "сталь – металл покрытия – агрессивная среда". Металлы покрытий могут быть «более благородными» или «менее благородными», чем сталь. В первом случае металл покрытия (никель, медь и т.п.) защищает сталь просто путём образования изолирующего слоя. Как только поверхность наружного покрытия повреждается, возникают дискретные участки или поры, в присутствии влаги или другого коррозионного агента менее благородный материал – сталь - корродирует. Во втором случае менее благородные металлы образуют протекторные покрытия, поскольку они подвержены ржавлению больше, чем стальная основа, и «берут на себя» коррозионные процессы. Наиболее распространенными в качестве таких покрытий являются цинк, алюминий, а также кадмий, магний и некоторые другие металлы и их сплавы.
Виды металлических покрытий стальной продукции в соответствии с EN 10346/ ДСТУ EN 10346
| Вид покрытия | Состав и характеристики |
|---|---|
| Цинковое (Z) | Расплав содержит не менее 99% цинка Самое распространенное и дешевое защитное металлическое покрытие |
| Цинк-железо (ZF) | Расплав содержит не менее 99% цинка, 8-12% железа образуется в покрытии при последующем отжиге Более прочное покрытие по сравнению с цинковым, лучшее сцепление (адгезия) с основанием |
| Цинк-алюминий (ZA) | Расплав содержит цинк и 5% алюминия. Лучшие деформируемость и коррозионная стойкость |
| Алюминий-цинк (AZ) | Расплав содержит 55% алюминия, 1,6% кремния (другое – цинк) Лучшая защита от коррозии по сравнению с другими покрытиями |
| Алюминий-кремний (AS) | Расплав содержит алюминий и 8-11% кремния. Высокая стойкость к окислению при температурах до 650 °C, устойчивость к химической коррозии. |
Конверсионные покрытия
Оксидные конверсионные покрытия образуются путем окисления стальной основы химическим, термическим или электротермическим способом. К ключевым методам получения таких оксидных слоев относят:
- Черное покрытие (щелочное чернение) стали путем погружения ее в раствор щелочной соли;
- Воронение (blueing) – окисление стали в горячем воздухе или в солевой ванне, при котором на поверхности образуется тонкая синяя пленка оксида;
- Фосфатирование стальной основы погружением в водный кислый раствор фосфата;
- Хромирование металла путем обработки кислым или щелочным раствором шестивалентного хрома (в настоящее время также применяются более экологичные соединения на базе трехвалентного хрома);
- Анодирование алюминия и его сплавов, нержавеющей стали, титана, магния и других металлов путем погружения в растворы электролитов. Такие покрытия могут иметь цвет сами по себе или к ним может быть добавлен цвет.
Как видим, разновидностей покрытий очень много. Их можно использовать как самостоятельные решения или совмещать в сложную систему сопротивления коррозии. В частности, Метинвест-СМЦ на постоянной основе реализует стальной прокат с цинковым покрытием – самый распространенный вид продукции с антикоррозионной защитой, используемый в промышленном и гражданском строительстве, а также при изготовлении корпусов техники и деталей, имеющих контакт с агрессивной средой. Необходимый уровень барьерных средств следует выбирать, исходя из условий эксплуатации, типа агрессивной среды, механических нагрузок, способов дальнейшей обработки изделия, экологических и экономических требований. Современные технологии позволяют эффективно комбинировать органические, неорганические, металлические и конверсионные покрытия, обеспечивая оптимальный баланс между долговечностью, стоимостью и функциональностью.
