Антикоррозийная защита металла и крепежей

Коррозия — это неумолимая смерть металла. Блекло-желтые и даже откровенно красные пятна ржавчины остаются на месте оседания мельчайших капель влаги. Предательская рыжина проявляет себя в уголках, на линии стыка разных деталей, в трещинах сварных швов. Этот процесс может быть медленным и растянутым на несколько лет, но иногда его скорости позавидует гоночный болид. Так вы рискуете вынуть из кармана абсолютно ржавые ключи, если забудете их всего на несколько часов в промокшей под дождем куртке.

Защите металлов от коррозии посвящены бесчисленные научные труды. Эта тема занимала умы лучших инженеров, и универсального решения так и не было найдено. Каждая технология лишь оттягивает момент, когда окисление коснется поверхности и распространится по ней. Даже нержавейка, вопреки собственному названию, подвержена ржавчине, только для нее нужна куда более агрессивная среда, чем обычная вода.

Чтобы защитить от коррозии несущие металлоконструкции, детали какого-либо механизма и резьбовой крепеж, используют совершенно разные подходы. Если вы хотите уверенно ориентироваться в этом вопросе, достаточно разобраться в основных профилактических мерах по борьбе с ржавчиной, а уже после — просто наращивать информационную базу.

Суть защиты металла от коррозии

Общий спектр технологий, призванных уберечь и сократить скорость коррозионного разрушения различных промышленных сплавов, можно условно разделить на несколько категорий:

• барьерная защита (обеспечение непроницаемого граничного слоя, который исключает проникновение окисляющей среды непосредственно к самому материалу);
• электрохимическая защита (осаждение металлических покрытий, которые обладают свойствами, заставляющими коррозию в первую очередь «съедать» их, не затрагивая основное тело изделия);
• придание поверхностям свойств повышенной стойкости (насыщение верхних слоев на небольшую глубину каким-либо новым химическим элементом, косвенно усиливающим сопротивление металла коррозии).

К барьерным мерам защиты следует отнести в первую очередь банальное окрашивание. Грунтовка, эмаль или лак образуют сплошную пленку, сквозь которую не проходит вода и насыщенный влагой воздух. Чтобы обеспечить полное покрытие по всей площади, без обнажений стыков, углов и кромок, используют покраску из различного рода распылителей, формируя несколько слоев по мере застывания.

Недостатком такого рода технологий будет лишь изнашиваемость лакокрасочных покрытий и недолговечность — средний срок гарантированной защиты составляет всего 2-3 года. В агрессивных условиях и при круглогодичной эксплуатации под открытым небом может хватить и одного года, чтобы из-под слоя краски показались ржавые разводы. Кроме того, эмали и лаки восприимчивы к перепадам температур, что сокращает их ресурс. Они могут сохнуть и растрескиваться.

Барьерная защита проявляет себя еще и в формировании тонких прозрачных пленок на поверхности металла в результате химической реакции. Это результат оксидирования или фосфатирования стали, анодирования алюминия. Толщина подобной пленки составляет всего несколько микрон (тысячные доли миллиметра). Они подвержены механическим разрушениям при царапании или фрикционном контакте, поэтому при серьезной угрозе окисления не применяются.

Электрохимические покрытия — более прогрессивный и надежный метод защиты от коррозии. Он основан на разности потенциалов различных металлов, но при этом присутствуют и черты барьерных покрытий.

На поверхность изделия осаждают покрытие из металла, отличного от металла тела-основы, с иным электрическим потенциалом. Образуется гальваническая пара, в которой металл покрытия выступает анодом и при контакте с влагой разрушается вместо основного металла. Пока на поверхности детали присутствуют пускай даже остатки покрытия — коррозия не будет распространяться по самой детали, а станет «доедать» верхний слой.

Самый яркий и распространенный пример электрохимической защиты для стали — это оцинкование. Также применяют никелирование, хромирование, меднение, кадмирование, оловянирование и нанесение многослойных покрытий вроде медь-никель.

Если поставлена задача придать поверхностным слоям металла повышенную стойкость к коррозии, но при этом нанесение дополнительных покрытий нежелательно, то обращаются к методам химико-термической обработки (ХТО). Это будут:

• азотирование;
• нитроцементация (карбонитрирование);
• силицирование;
• алитирование;
• диффузионное хромирование;
• борирование и др.

ХТО привлекательно тем, что его можно применять для различных промышленных сплавов, получая на выходе целый комплекс свойств: повышенную коррозионную стойкость, твердость, износостойкость. Но нужно учесть, что далеко не все материалы одинаково реагирует на насыщение их определенными веществами. Так наилучшие результаты по азотированию чаще всего показывают легированные среднеуглеродистые стали, содержащие алюминий.

Цинкование как основной метод защиты от коррозии

Абсолютным лидером среди профилактики окисления стали и чугуна будет покрытие цинком. В этом случае одновременно реализуют два ключевых принципа защиты — формируют сплошное и непроницаемое барьерное покрытие, которое к тому же обладает более электроотрицательным потенциалом, чем железосодержащие сплавы.

Цинк стал едва ли не самым востребованным вторичным материалом в машиностроительной и металлургической отраслях. Это самое распространенное и универсальное решение для конструкций, контактирующих с водой и открытым воздухом.

Оцинковка позволяет в существенной мере сократить скорость распространения коррозии. Испытания показали, что простая сталь в проточной горячей воде за 300 часов поражается на глубину 241,6 мкм (0,24 мм). Наличие цинкового покрытия уменьшает эту величину до 15 мкм. А значит — в 16 раз увеличивается ресурс изделия, его стойкость к воздействию внешней окисляющей среды.

Гальваническое цинкование

Методы гальваники подразумевают осаждение в условиях, когда изделие выступает катодом, а заготовка покрытия — анодом. К ним подают электрический ток, а весь процесс происходит внутри ванны, заполненной специальным электролитом. Под действием тока частицы анода отделяются от своей базы и переносятся на поверхность катода, прочно на ней оседая.

Какими преимуществами обладает гальваническое цинкование металла:

• равномерное распределение по всей площади заготовки, пускай даже она самой сложной формы;
• толщина осажденного слоя постоянна;
• формируемые покрытия — сплошные, стабильной и однородной структуры, высокой химической чистоты;
• за счет оперирования режимами можно варьировать гладкость покрытия, его блеск, оттенок и узор кристаллизации цинка.

В качестве электролита используют аммиакатные, цианистые, сульфатные и пирофосфатные составы, подогретые до температуры +15...+30˚С. Скорость осаждения цинка на поверхности составит от 0,15 до 0,75 мкм в минуту, причем наращивание массы происходит одновременно по всему объему.

Для управления процессом используют перемешивание воздухом и непрерывную фильтрацию электролита. Также вводят блескообразователи, если поставлена цель достигнуть выраженных декоративных свойств. С помощью этого метода цинкования на стали можно осаждать защитные слои толщиной от 6 до 42 мкм.

Горячее цинкование

Главным потребителем цинковых покрытий можно назвать область черной металлургии: объем оцинкованного стального проката, ежегодно поставляемого на рынок, превышает все возможные прогнозы и только растет год от года. Этот материал чрезвычайно востребован в строительной сфере именно благодаря своей коррозионной стойкости.

Процесс горячего цинкования подразумевает погружение заготовки в ванну с жидким расплавом цинка. Деталь выдерживают там несколько секунд, потом извлекают и просушивают на воздухе. Металл, задержавшийся на поверхности, кристаллизуется и образует сплошной барьерный слой. Нужной толщины достигают увеличением количества погружений.

В чем недостатки горячего цинкования:

• образование наплывов и обнажение основного металла из-за стекания расплава;
• невозможность равномерного распределения покрытия по всей площади заготовки, особенно — если это изделие сложной объемной формы;
• неоднородность полученного внешнего слоя по структуре и толщине;
• сравнительно низкая адгезия (сила схватывания) покрытия к поверхности;
• риск поводки тонкостенных конструкций (процесс происходит при температуре +430...+460˚С, и тонкая сталь может искривляться).

Ключевые требования к горячеоцинкованным покрытиям приведены в ГОСТ 9.307-2021. Толщина цинкования — от 35 до 100 мкм (от 0,035 до 0,1 мм). Точное значение зависит от сечения заготовки, при этом совсем тонкий металл (до 0,5 мм) цинковать не рекомендуется вообще — возможно охрупчивание.

Металлурги используют горячее оцинкование для защиты:

• листов и полос;
• кругляка, квадрата, шестигранника;
• труб (в особенности — водогазопроводных);
• проволоки.

Показательным будет тот факт, что оцинкованию по горячему способу подвергают преимущественно низкоуглеродистые стали, хотя эта технология подходит для любых черных сплавов. Причина проста — такие стали самые дешевые, но и самые подверженные коррозии, а цинковый слой существенно улучшает их стойкость.

Прочность сцепления полученного цинкового слоя с материалом основы проверяют:

• крацеванием (интенсивным царапанием) металлическими щетками;
• нагревом до +190˚С;
• ударом поворотным молотком;
• загибов вокруг круглой оправки;
• навивкой по спирали.

В процессе контроля покрытие не должно отшелушиваться, растрескиваться, вспучиваться пузырями или отслаиваться с поверхности.

Холодное цинкование

Не так давно в моду вошла покраска специальными составами на основе цинка. Этот метод антикоррозионной защиты металла назвали холодным цинкованием (по аналогии с холодной сваркой) и применяют преимущественно для сварных стальных металлоконструкций, в тех случаях, когда окрашивания простой эмалью недостаточно, а применение оцинкованного стального проката экономически невыгодно.

Составы для холодного цинкования содержат 92-96% цинка в вязком виде. Их можно нанести на поверхность кистью или валиком, но наилучших результатов достигают с применением краскопульта. В том числе в продаже есть баллончики со встроенным распылителем.

Перед холодным цинкованием поверхность нуждается в тщательной подготовке: очистке щетками, пескоструйной обработке, промывке и просушивании. Краску наносят в несколько слоев с промежуточной сушкой в течение 40 минут. Особого внимания заслуживают уголки, зазоры, перепады поверхностей — здесь цинк оседает неравномерно, и обнажение основы может стать стартовым концентратором развития коррозии.

Где можно встретить холодное цинкование металла:

• в автомобильном сервисе (при ремонте кузова);
• в строительной отрасли;
• в судостроении;
• при сборке технологических емкостей и резервуаров для воды;
• при прокладке магистральных и технологических трубопроводов.

Следует понимать, что для холодного цинкования актуальны все те же недостатки, что и для холодной сварки — плохая адгезия к поверхности, низкая механическая прочность и износостойкость, подверженность перепадам температур.

Термодиффузионное цинкование

Ключевые требования к реализации этой технологии были разработаны ЦНИИПСК им. Мельникова и отражены в СТО 0059-2008. Подобный способ защиты от коррозии подразумевает насыщение поверхностных слоев металла частицами цинка путем взаимной диффузии. Процесс интенсифицируют за счет повышенных температур, обеспечивая нагрев в пределах от +350 до +500˚С.

При термодиффузионном цинковании заготовки загружают в емкость, заполненную порошковой смесью из инертной среды (песка) и цинка. Также дополнительно вводят стабилизирующие присадки и активаторы. Чтобы исключить вторичное окисление металла при нагреве, добавляют поглотители кислорода или создают вакуум.

Термодиффузионное цинкование позволяет получить коррозионностойкие слои толщиной от 6 до 50 мкм. Поскольку непосредственное наращивание габарита практически отсутствует, этот метод подходит для защиты изделий сложной формы.

Технология получила меньшее распространение, чем гальваническое или горячее цинкование, но и у нее есть своя область применения. С помощью термодиффузии защищают от коррозии различные детали машин, цепи, резьбовой крепеж и элементы натяжения электропередач. Термодиффузионное цинкование в равной степени применимо для сталей, чугунов, меди и медных сплавов.

Пассивирование цинковых покрытий

Пассивирование или пассивация или хроматирование — вспомогательный процесс, позволяющий улучшить финальные свойства уже полученного цинкового покрытия. Сущность этой технологии заключена в восстановлении ионов шестивалентного хрома на поверхности цинка, причем это реализуют в растворах хромовой кислоты и ее солей.

В результате пассивации образуется прозрачная пленка толщиной 0,5 мкм (0,0005 мм). Она несколько повышает стойкость оцинкованного металла к коррозионно-активным средам и придает изделию узнаваемый желтый или желто-зеленый оттенок.

Недостатком хроматированных цинковых покрытий следует назвать лишь низкую стойкость самого приобретенного эффекта при повышении температур. Уже при нагреве до +60˚С пленка разрушается. Но даже с учетом этой особенности большинство строителей предпочитает работать исключительно с «желтыми» болтами и гайками.

Оксидирование

Оксидирование сталей — термин, известный лишь специалистам, связанным с обработкой металлов. Зато о воронении хотя бы раз в жизни слышали все, а по своей сути — это лишь один из вариантов оксидирования. Сам по себе этот процесс обозначает получение на поверхности металла тонких оксидных пленок, закрывающих материал от контакта с окружающей средой.

Оксидирование реализуют несколькими путями:

• химические методы (щелочной и кислотный);
• электрохимический метод (в растворе едкого натра).

Образующаяся пленка представляет собой оксид железа. Ее толщина — от 1 до 6 мкм. Пленка может придавать изделию насыщенно-черный, черно-коричневый или черный оттенок с синевой (цвета воронова крыла, откуда и пошло «народное» название технологии). В каждом случае в значительной степени снижается светоотражательная способность поверхности, и для некоторых изделий машиностроения это и является целью обработки.

Оксидирование используют как один из основных методов защиты неответственных деталей и крепежа от коррозии в процессе эксплуатации. Самый распространенный и наглядный пример среди метизов — саморезы по дереву. Они всегда неизменно черного цвета.

Для разных сплавов оксидирование проводят при различных режимах:

• низкоуглеродистые стали — при нагреве +145...+155˚С, 40...60 минут выдержки;
• среднеуглеродистые стали — при нагреве +135...+145˚С и выдержке 30...50 минут;
• высокоуглеродистые стали (инструментальные, пружинные) и чугуны — при нагреве +135...+145˚С и выдержке 10-30 минут;
• легированные стали — при нагреве +145...+155˚С и выдержке 60...90 минут.

Можно получить оксидные пленки в том числе на меди и медных сплавах, на хроме, на магниевых и на титановых сплавах. В последнем случае оксидирование позволяет улучшить стойкость титана в растворах серной, соляной и фосфорных кислот, а также существенно увеличить его сопротивление фрикционному изнашиванию.

Чтобы дополнительно усилить коррозионную стойкость стальных деталей после оксидирования, их погружают на 2-3 минуты в горячий 2-3%-ный мыльный раствор, а затем на 5-10 минут — в трансформаторное масло, разогретое до +105...+120˚С.

Цинк-ламельные покрытия

Одной из самых молодых технологий защиты металлов от коррозии следует назвать нанесение цинк-ламельных покрытий. Этот способ был запатентован в США в прошлом веке.

Цинк-ламель подразумевает осаждение на поверхности изделий защитного слоя, состоящего на 80% из цинковых и на 10% из алюминиевых чешуек — мельчайших частиц хлопьеобразной формы. Их скрепляют между собой на специальной связующей основе, для чего используют различные смолы:

• акриловые;
• уретановые;
• эпоксидные;
• кремнийорганические.

Состав наносят на основу так, чтобы хлопья-чешуйки ложились параллельно и с частичным перекрытием соседних элементов. При этом используют несколько способов транспортировки сырья к поверхности:

• напыление;
• погружение в центрифуге;
• погружение в жидкую среду с вытягиванием.

Цинк сам по себе — серьезный аргумент против коррозии, но введение в покрытие еще и алюминия позволило повысить суммарную стойкость в 3 раза. Лабораторные испытания показывают, что детали, защищенные цинк-ламельным покрытием, выдерживают более 2000 часов в камере соляного тумана до появления первых признаков поражения ржавчиной.

Технологию нанесения цинк-ламельных покрытий на стальные изделия широко применяют в автомобильной промышленности (к примеру, на колесных болтах грузовых автомобилей), в авиации, в нефтегазодобывающей отрасли и железнодорожном машиностроении. Но, если сравнить метод с гальваническим или горячим оцинкованием, а также с химическим оксидированием, то цинк-ламель окажется настоящей «экзотикой», к тому же — еще и весьма дорогой.

Заключение

Ржавчина давно уже стала синонимом неприятностей, ведь она означает ослабление металла и его медленное разрушение. Проектируя и изготавливая несущие металлоконструкции, разрабатывая чертежи на какую-то новую технику, инженеры всегда закладывают меры профилактики коррозии.

Изучая все доступные способы защиты, стоит уделить максимум внимания основному методу — покрытию стальных изделий цинком и оксидированию (воронению) промышленных сплавов. Разобравшись в механике и вариантах реализации этих технологий, можно с куда большей уверенностью ориентироваться и в других областях, менее универсальных и более специфичных.

Стальной резьбовой крепеж, как ни один другой компонент любой технической системы, подвержен коррозии. В первую очередь — за счет сложного профиля витков, а также ввиду своих сравнительно малых размеров. Насквозь проржавевший болт однажды может стать причиной крупномасштабной аварии, и этого сценария всеми силами стараются избежать, выбирая вороненые, оцинкованные, никелированные или кадмированные метизы.