Корозія залишається однією з ключових проблем будівельної, машинобудівної та інших галузей, оскільки значною мірою визначає довговічність та надійність сталевих конструкцій. Сталь - базовий промисловий конструкційний матеріал, який під час взаємодії з довкіллям зазнає хімічних і електрохімічних впливів. Це призводить до поступового руйнування структури та втрати експлуатаційних параметрів. При цьому використання неіржавіючих металів та сплавів як антикорозійний захист в багатьох застосуваннях часто не є ефективним, оскільки призводить до суттєвого здорожчання проєкту.
Тому для подовження терміну служби виробів, виконаних з більш доступних вуглецевих та низьколегованих сталей, використовують захисне покриття органічного та неорганічного походження. Всі методи захисту мають свої переваги, обмеження та типові сфери застосування. Про корозію та причини її виникнення ми вже розповідали в статті нашого блогу. А сьогодні розглянемо ключові види покриттів, які дозволяють захистити метал від корозії, процеси їхнього нанесення та функціональні особливості в різних умовах експлуатації.
Способи захисту та види покриттів
Головним завданням захисного покриття є створення так званого бар’єрного або протекторного шару – поверхневого суцільного непроникного матеріалу, який фактично оберігає метал основи від хімічного впливу навколишнього середовища, відповідно знижуючи швидкість корозії та підвищуючи термін служби конструкції. Механізми збереження сталі можуть бути різні – від повної ізоляції за допомогою шарів, інертних до агресивного довкілля, до так званого «жертовного захисту», коли зовнішній, більш активний метал (наприклад, цинк або алюміній) кородує першим, що дозволяє суттєво відтермінувати руйнування серцевини.
Антикорозійне покриття може бути одношаровим або багатошаровим, захисний шар може наноситися або формуватися за допомогою спеціальних технологічних операцій (наприклад, шляхом термічного впливу). Згідно з європейськими стандартами багатошарові покриття також називають «системами антикорозійного захисту». Найбільш розповсюдженими різновидами захисних покриттів, що підвищують стійкість до корозії, є:
- Неорганічні покриття на основі металевих або неметалевих матеріалів, які формуються на поверхні виробу (наприклад, дифузією або електрохімічними перетвореннями);
- Органічні покриття – пластмаси, полімери, бітуми та інші речовини у твердому та рідкому вигляді (включаючи пасти, порошки та суспензії). Ці матеріали складаються зі сполучних речовин та інших компонентів - пігментів й барвників, наповнювачів, розчинників тощо;
- Системи «метал плюс фарба» - поєднання металевих та органічних шарів, кожний з яких виконує власну бар’єрну функцію. Зазвичай ефективність застосування таких систем набагато вища за сумарну стійкість металевого та органічного покриття, якби вони використовувалися окремо.
При виборі необхідного захисного покриття для конкретної металоконструкції або деталі оцінюють корозійну дію (вид корозійного середовища та ступінь його впливу) та типовий характер розвитку корозії (ерозія, корозійна втома, корозія під напруженням та ін.). Також до уваги беруть й інші експлуатаційні умови: температуру середовища, статичні та динамічні навантаження, механічні показники інших елементів системи, в якій буде працювати захищений виріб. В залежності від параметрів використання обирається один з трьох рівнів захисту:
- Тимчасовий захист – формування захисного шару на певний період (наприклад, на час транспортування та зберігання металопродукції до моменту виготовлення з неї готового конструкційного елементу);
- Відновлюваний захист – покриття, яке оновлюють регулярно по закінченню певного часового інтервалу експлуатації;
- Довготривалий захист – бар’єрний шар, який повинен витримувати весь час експлуатації об’єкту.
В більшості випадків рекомендації та вимоги щодо засобів, які повинні забезпечити захист металу від корозії, є невід’ємною частиною проєктної документації та будівельних норм. Без їхнього дотримання неможливе введення в експлуатацію відповідальних споруд та об’єктів інфраструктури, промислових агрегатів та техніки, що працюють в умовах агресивного впливу.
Сталь зазвичай захищають настільки, щоб вона витримувала очікуваний корозійний вплив протягом розрахункового терміну служби. Окрім захисту, бар’єрні шари можуть виконувати декоративні функції, а в деяких випадках - забезпечувати експлуатацію, коли покрівельний шар є критичним елементом працюючої системи (наприклад, сприяє тертю поверхонь за певним механізмом).
Підготовка сталевої поверхні перед нанесенням захисного покриття
До етапу нанесення антикорозійних шарів виріб повинен бути належним чином підготовлений. Така підготовка служить для зміни геометрії та шорсткості, очищення та активації поверхні металу.
Підготовка поверхні може виконуватися механічним способом (дробоструминне очищення, шліфування тощо), термічним (полум’яне очищення, світлий відпал), термохімічним впливом або електрохімічними методами (знежирення, травлення, гальванічні процеси). На вибір методу підготовки впливає запланований спосіб захисту та вид покриття, що буде наноситися. В таблиці нижче представлений стислий огляд ключових технологій, які застосовуються з цією метою.
Підготовка поверхні згідно DIN 50902
| Метод | Сутність технології |
|---|---|
| Механічні способи | |
| Очищення щітками | Поверхню очищують дротяною щіткою або щітками з натуральною чи пластиковою щетиною |
| Дробоструминне очищення | Абразив подається до металевої основи за допомогою стисненого повітря (пневматичне очищення), рідин під високим тиском (гідравлічне очищення) або відцентрової сили (механічне очищення) |
| Шліфування | Основу шліфують за допомогою наждачного паперу, алмазних паст, шліфувальних кругів різної зернистості та інших матеріалів |
| Шабрування | Високоточне вирівнювання поверхні шляхом знімання тонкого шару металу за допомогою спеціального інструменту - шабера |
| Очищення за допомогою вібраційних голчастих пістолетів | Очищення крайок та кутів за допомогою вузькоспеціалізованого приладу |
| Термічні способи | |
| Світлий відпал | Високотемпературна обробка в середовищі відновлювальних газів для видалення тонких шарів оксиду з металевої поверхні |
| Очищення вогнем | Над поверхнею пропускають високотемпературне оксиацетиленове полум'я, щоб видалити окалину та іржу |
| Електрохімічні та хімічні способи | |
| Знежирення | Очистка цим методом може використовуватися в поєднанні з ручним очищенням, ультразвуковим очищенням або електроочищенням. Для знежирення застосовують різні типи водо- або маслорозчинних матеріалів (кислотні, нейтральні, лужні та органічні очисники), а також розчинники, емульсії та миючі засоби, що містять поверхнево-активні речовини |
| Кислотне очищення | Іржа або окалина видаляються з металевої поверхні за допомогою розчину кислоти. Органічні забруднювачі неможливо видалити за допомогою цього процесу |
| Травлення | Різновид кислотного очищення, який здійснюється шляхом занурення металевої основи в розведену кислоту для активації поверхні |
Органічні покриття
Пластикові покриття, що наносяться на сталь, поєднують функцію захисту від корозії з високою довговічністю та декоративним виглядом. Поверхню перед нанесенням такого покриття попередньо обробляють (очищують), а за необхідності — ґрунтують цинковими та іншими розчинами чи наносять клейові плівки. Пластики можуть постачатися у вигляді порошків, паст і рідин, плівки або листового матеріалу. Порошки, пасти та рідини зазвичай наносять методами псевдозрідженого шару, напиленням, рулонним нанесенням покриття (coil coating) і, у випадку порошків, електростатичними технологіями. Плівкове покриття з одного або обох боків смуги переважно виконується методом рулонного нанесення - безперервним приклеюванням пластикового шару.
Бітум наноситься на сталеву продукцію (перш за все труби) в гарячому стані, зазвичай із додаванням наповнювачів. Зовнішні покриття з бітуму також можуть містити додаткові скловолоконні мати або тканини. Для внутрішнього захисту розплавлену масу заливають у попередньо нагріту трубу без додавання наповнювачів, після чого її обертають до повного охолодження та затвердіння шару.
Гумові покриття на основі натуральної або синтетичної гуми наносяться як футерування резервуарів, трубопроводів, реакторів. Після нанесення гума вулканізується при 130–140°С, утворюючи високоеластичний бар’єр, стійкий до кислот, лугів і абразивного зносу.
Органічні лакофарбові системи забезпечують універсальний захист. Вони складаються з пігментів, сполучника та розчинника. Можуть бути на водній або органічній основі. Покриття можуть наноситися пензлем, розпиленням або зануренням.
Неорганічні покриття
Неорганічні фарби можуть містити металеві пігменти, наповнювачі, розчинники, а також етилсилікатні та лужно-силікатні зв'язуючі речовини.
Керамічні або склокерамічні покриття (їх ще називають порцеляновими емалевими покриттями) утворюються шляхом приготування спеціальної суспензії та нанесення її на основу за допомогою термічного напилення, занурення або обливання. Для належної адгезії покриття та металева основа насичуються оксидом металу.
Покриття на основі цементних розчинів містять цемент та заповнювачі (такі як пісок). Наносяться на металеву основу та висихають після хімічної взаємодії з водою.
Неметалеві покриття, що утворюються внаслідок конденсації, формуються або в результаті нанесення на металеву основу неметалевого покривного матеріалу, що випаровується (фізичне осадження з парової фази або PVD), або в результаті каталітичної реакції основи з газоподібною формою покривного матеріалу (хімічне осадження з парової фази або CVD).
Неметалеві дифузійні покриття отримують шляхом насичення поверхневого шару сталевої основи певними хімічними елементами. Найпоширенішими методами отримання таких дифузійних шарів є борування (відпал сталевої основи у порошковому, гранульованому або пастоподібному матеріалі, який вміщує бор), азотування (відпал сталі в азотовмісній атмосфері) та силіконування (обробка виробу в сольовій ванні або газовій атмосфері, що вміщують кремній).
Металеві захисні покриття наносять різними методами – від гарячого занурення до газотермічного напилення. Залежно від металу та техніки нанесення з’єднання зі сталевою поверхнею може мати хімічний, фізичний або механічний характер - від утворення сплаву до адгезії та механічного затискання.
Наприклад, цинкове покриття, яке є найпоширенішим видом металевого антикорозійного захисту сталевого прокату та конструкцій, може наноситися на поверхню принципово різними способами. Найбільш розповсюджені промислові технології – занурення в розплав (гаряче цинкування) та електролітичне нанесення (гальванічне цинкування)
Вибір ефективного металевого інгібітору корозії вимагає знання хімічних взаємозв’язків, які існують у системі "сталь - метал покриття - агресивне середовище". Метали покриттів можуть бути «більш благородними» або «менш благородними», ніж сталь. У першому випадку метал покриття (нікель, мідь тощо) захищає сталь просто шляхом утворення ізолюючого шару. Щойно поверхня зовнішнього покриття пошкоджується, виникають дискретні ділянки або пори, у присутності вологи або іншого корозійного агенту «менш благородний» матеріал – сталь - кородує. У другому випадку «менш благородні» метали утворюють протекторні покриття, оскільки вони схильні до іржавіння більше, ніж сталева основа, і «беруть на себе» корозійні процеси. Найпоширенішими у застосуванні в якості останніх є цинк, алюміній, а також кадмій, магній та деякі інші метали й їхні сплави.
Металеві покриття сталевої продукції згідно EN 10346/ ДСТУ EN 10346
| Вид покриття | Склад, експлуатаційні та антикорозійні властивості |
|---|---|
| Цинкове (Z) | Розплав містить не менше 99% цинку Найпоширеніше та найдешевше захисне металеве покриття |
| Цинк-залізо (ZF) | Розплав містить не менше 99% цинку, 8-12% заліза утворюється в покритті при подальшому відпалі Міцніше покриття порівняно з цинковим, краще зчеплення (адгезія) з основою |
| Цинк-алюміній (ZA) | Розплав містить цинк та 5% алюмінію Кращі деформованість та корозійна стійкість |
| Алюміній-цинк (AZ) | Розплав містить 55% алюмінію, 1,6% кремнію (інше - цинк) Найкращий захист від корозії в порівнянні з іншими покриттями |
| Алюміній-кремній (AS) | Розплав містить алюміній та 8-11% кремнію Висока стійкість до окислення за температур до 650 °C, стійкість до хімічної корозії |
Конверсійні покриття
Оксидні конверсійні покриття утворюються шляхом окислення сталевої основи хімічним, термічним або електротермічним способом. До ключових методів отримання таких оксидних шарів відносять:
- Чорне покриття (лужне чорніння) сталі шляхом занурення її в розчин лужної солі;
- Воронування (blueing) – окислення сталі в гарячому повітрі або в сольовій ванні, при якому на поверхні утворюється тонка блакитна плівка оксиду;
- Фосфатування сталевої основи зануренням у водний кислий розчин фосфату;
- Хромування металу шляхом обробки кислим або лужним розчином шестивалентного хрому (наразі також застосовуються більш екологічні сполуки на базі тривалентного хрому);
- Анодування металів та сплавів шляхом занурення їх у розчини електролітів. Такі покриття можуть мати колір самі по собі або їм може бути надане забарвлення додатково.
Як бачимо, різновидів покриттів дуже багато. Їх можна використовувати як самостійні рішення або поєднувати в складну систему спротиву корозії. Зокрема Метінвест-СМЦ на постійній основі реалізує сталевий прокат з цинковим покриттям – найпоширеніший вид продукції з антикорозійним захистом, який використовують в промисловому та цивільному будівництві, а також при виготовленні корпусів техніки та деталей, що мають контакт з агресивним середовищем. Необхідний рівень бар’єрних засобів треба обирати, виходячи з умов експлуатації, типу агресивного середовища, механічних навантажень, способів подальшої обробки виробу, екологічних та економічних вимог. Сучасні технології дозволяють ефективно комбінувати органічні, неорганічні, металеві та конверсійні покриття, забезпечуючи оптимальний баланс між довговічністю, вартістю та функціональністю.
