Защитные покрытия. Металлические и неметаллические покрытия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Кафедра химической инженерии

 

 

СРС по дисциплине «Противокоррозионная защита нефтегазового оборудования» на тему:

Защитные покрытия. Металлические  и неметаллические покрытия

 

 

 

 

 

Проверил: Д.х.н. Сигитов В.Б.

Выполнили: студенты 3го года обучения ФЭиНГИ Чурин Х.Т., Касымкулов Д.А.

 

 

 

 

Алматы 2012г.

Содержание

• Защитные покрытия 

• Металлические защитные покрытия

• Неметаллические защитные покрытия

 

• Лакокрасочные защитные покрытия

 

• Полимерные защитные покрытия

 

• Защитное покрытие резинами (гуммирование)

 

• Защитные покрытия силикатными эмалями.

 

• Защитные покрытия из паст и смазок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Покрытие в материаловедении - это нанесённый на объект относительно тонкий поверхностный слой из другого материала. Целью нанесения покрытия является улучшение поверхностных свойств основного материала, обычно называемого материалом подложки. Улучшают, среди прочих, такие свойства, как внешний вид,адгезию, смачиваемость, стойкость к коррозии, износостойкость, стойкость к высоким температурам, электропроводность. Покрытия могут наноситься в жидкой, газообразной или твердой фазах, но в результате они составляют одно целое с основным материалом.

  Защитные покрытия используют в противокоррозионной практике для изоляции металла от агрессивной среды. Чтобы обеспечить хорошую защиту от коррозии покрытие должно быть сплошным, иметь хорошую адгезию с основным металлом (сцепление), быть непроницаемым для агрессивной среды, равномерно распределятся по поверхности, обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью и твердостью (в отдельных случаях).

Защитные  покрытия подразделяют на металлические и неметаллические.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ

Металлические защитные покрытия наносятся на поверхности (металл, стекло, керамика, пластмассы и др.) для защиты их от коррозии, придания твердости, электропроводности, износостойкости и в декоративных целях.

Защита  от коррозии металлическими покрытиями  осуществляется следующими способами:

-  металлизация напылением - распыление на обрабатываемую поверхность  расплавленного металла при помощи воздушной струи;

- горячий способ нанесения защитного  покрытия -  окунание изделия в ванну с расплавленным металлом;

- гальванический (электролитический) - осаждение металла или сплава  из водных растворов их солей  на поверхность изделия, постоянно  пропуская через электролит электрический  ток;

- плакирование (термомеханический) - нанесение на поверхность основного металла - другого, более устойчивого к агрессивной среде, применяя литье, совместную прокатку или деформированное плакирование (прессование, ковка);

- диффузионный - суть способа заключается  в проникновении металлопокрытия  в поверхностный слой основного  металла под воздействием высокой  температуры.

По  способу защиты металлические защитные  покрытия   разделяют на катодные и анодные. Характер такой защиты от коррозии обусловлен тем, что металлопокрытие, по отношению к покрываемому изделию, может быть анодом или катодом (зависит от электрохимической характеристики металла покрытия).

Электрохимическую защиту от коррозии осуществляют только анодные покрытия. На поверхности защищаемого изделия,  при наличии влаги в окружающей среде, образуются замкнутый  гальванический    элемент. Металл с более электроотрицательным электрохимическим потенциалом (покрытие) будет играть роль анода, при этом подложка - катод.

Вследствии работы гальванического элемента металл, являющийся анодом, будет под воздействием окружающей среды постепенно разрушаться, этим самым защищая изделие.

При защите от коррозии с помощью анодных  покрытий важным аспектом можно считать  то, что металлопокрытие будет  защитным  даже при наличии на нем пор и царапин. Хорошим примером анодного покрытия является цинковое покрытие не железе.

Защита  от коррозии катодными покрытиями осуществляется реже, так как катодное покрытие защищает изделие лишь механически. Катодное защитное покрытие имеет более положительный  электродный потенциал.  При этом основной металл изделия является анодом и при подводе к нему влаги начнется интенсивное его растворение. Именно поэтому катодное покрытие должно быть сплошным, без малейших признаков пор и, желательно, равномерное, относительно большой толщины. Примером катодного покрытия служит оловянный или медный сплошный слой на железе.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ

  Неметаллические защитные покрытия применяются для изоляции металлических изделий, их защиты от воздействия внешней среды (влаги), придания красивого вида.

  Неметаллические защитные покрытия принято разделять на лакокрасочные, полимерные, покрытия резинами, смазками, силикатными эмалями, пастами. 
 

  При неметаллических покрытиях, за исключением красок, обычно возникает химическая реакция между металлической поверхностью и неорганической солью. Типичными покрытиями этого рода являются анодированные, фосфатированные и борированные поверхности. Одним из самых первых способов повышения сопротивления металлов износу и коррозии было анодирование, представляющее собой нанесение электролитическим путем на поверхность металла тонкой окиеной пленки. 
Титан реагирует с многими электролитами, образуя цветные пленки, служащие только для декоративных целей. Однако в некоторых электролитах на титане получаются толстые прочные и надежные оксидные покрытия. Наилучшие результаты дает применение 5%-ного раствора едкого натра при 94° С. Обычно для анодирования поверхности нелегированного титана требуется около 20 мин. при плотности тока 5,4 а/дм2. 
Для легированного титана в напряженном поверхностном состоянии продолжительность анодирования и плотность тока увеличивают. Удовлетворительное покрытие титана достигается в электролитах, содержащих смеси солей двуосновного алюминиевокислого натрия и фосфорнокислого натрия или двуосновной перекиси натрия и фосфорнокислого натрия. 
При тяжелых нагрузках в условиях применения смазочного масла или дисульфида молибдена наблюдалось сильное повышение износостойкости деталей с покрытием. Покрытия указанного вида полезны и при операциях холодного волочения металла. Применение соответствующей смазки позволило повысить обжатие проволоки до 70% без промежуточного отжига. 
Кроме того, анодирование улучшает коррозионную стойкость металла против воздействия серной кислоты. Анодированные поверхности корродировали в 40%-ной серной кислоте при комнатной температуре со скоростью 0,025 мм в год, а в 75%-ных растворах эта скорость не превышала 1,12 мм в год. С другой стороны, неанодированные поверхности давали в 40%-ной кислоте скорость свыше 6 мм в год. Анодированные поверхности обладают несколько повышенной коррозионной стойкостью в растворах азотной и соляной кислот. 
В производственных условиях выгодно пользоваться химическим способом нанесения защитных покрытий путем погружения деталей в раствор соответствующего соединения. Хорошие результаты были получены погружением титана в раствор солей фтора. Фосфатированные покрытия наносятся путем погружения в раствор трехосновного фосфорнокислого натрия, фтористого калия и фтористоводородной кислоты. В результате химической реакции на поверхности металла образуется сложное соединение — фторотитанат калия. 
Толщина покрытия и сила его сцепления с поверхностью зависят от продолжительности нахождения детали в растворе, хотя не менее важное значение имеют величина рН и температура ванны. Подобным же образом наносится покрытие из фтористого бората путем погружения в раствор тетраборнокислого натрия, фтористого калия и фтористоводородной кислоты. Смазка и последующая термообработка покрытия сильно повышают его износостойкость. При волочении проволоки было достигнуто обжатие до 90% без промежуточного отжига, но при периодическом возобновлении покрытия. При волочении труб с применением пуансона нанесение такого покрытия позволяло получать 65%-ные обжатия. Нанесением на это покрытие смазки и смолы получают твердую поверхность черного цвета, обеспечивающую сохранение непрерывной смазочной пленки на поверхности титана. Этот вид покрытия повышает износостойкость титана без применения смазки больше, чем покрытия других видов. 
Самое широкое распространение получила окраска деталей. Она не только обеспечивает определенную защиту от коррозии, но и является хорошим декоративным средством, хотя в этих целях можно пользоваться анодированием и химическими методами нанесения покрытия. Краска создает сплошной непроницаемый барьер для агрессивной среды. Она предотвращает воздействие на металл окружающей атмосферы и особенно полезна для предотвращения электрохимической коррозии при соединении разнородных металлов. В отдельных случаях можно добиться некоторого сцепления слоя краски с поверхностью чистого титана, но краска все же лучше пристает к анодированной поверхности титана. 
В тех случаях, когда окрашенная поверхность нагревается, подвергается воздействию агрессивной среды или небольшому абразивному износу, до нанесения краски поверхность следует анодировать.

ЛАКОКРАСОЧНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

Лакокрасочные защитные покрытия широко распространены и применяются наиболее часто. В состав покрытия входят пленкообразующие вещества, наполнители, пигменты, пластификаторы, растворители, катализаторы. Покрытие такого рода не только хорошо защищает изделие в различных атмосферах, но и придают ему приятный внешний вид. Кроме того, варьируя состав и используемые материалы, получают покрытия с специфическими свойствами (токопроводящие, необрастающие, светящиеся, декоративные, с повышенной прочностью, жаростойкостью, кислотостойкостью и т.п.).

Лакокрасочные защитные покрытия в свою очередь  подразделяются на лаки, краски, эмали, грунтовки, олифы и шпаклевки.

ПОЛИМЕРНЫЕ  ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

Полимерные  защитные покрытия наносятся на поверхность  изделия в виде горячей смолы  с целью защиты его от внешней  среды. Покрытие смолой может осуществляться окунанием, газотермическим или вихревым  напылением, а также обычной кистью. После остывания на поверхности образуется защитная сплошная пленка из полимера, толщиной обычно пару миллиметров.

Наиболее  распространенные полимеры, применяющиеся  с целью защиты от коррозии, это: полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, фторопласты, эпоксидные смолы и др.

Полимерные  защитные покрытия могут быть применены  в качестве футеровки химических аппаратов, резервуаров (емкостей).

ЗАЩИТНОЕ  ПОКРЫТИЕ РЕЗИНАМИ (ГУММИРОВАНИЕ).

Защитное  покрытие резинами (гуммирование) осуществляется резиной и эбонитом для защиты от воздействия внешней среды  различных емкостей, трубопроводов, цистерн, химических аппаратов, резервуаров для перевозки и хранения химических веществ. Защитное покрытие может быть сформировано из мягкой  (при воздействии на эксплуатируемое изделие ударных, растягивающих, колебательных и других видов нагрузок) или твердой резины (которые работают при постоянной температуре, не подвергаются нагрузкам). Мягкость резины контролируется добавками серы. Мягкая  содержит от 2 до 4% серы, а твердая - 30 - 50%. Для получения прочного защитного покрытия часто применяют как резину, так и эбонит.

Наносят резину на предварительно очищенную  и обезжиренную поверхность, сначала  обрабатывая ее резиновым клеем, потом валиком выдавливая скопившийся  воздух. Заключительным этапом в гуммировании является вулканизация.

Резиновые защитные покрытия являются хорошими диэлектриками, обладают высокой стойкостью во многих кислотах и щелочах. Разрушающие  действие на резиновые покрытия оказывают  лишь сильные окислители. Резиновые  покрытия, как и все полимерные материалы, обладают негативным свойством - со временем стареть.

ЗАЩИТНЫЕ  ПОКРЫТИЯ СИЛИКАТНЫМИ ЭМАЛЯМИ.

Защитные  покрытия силикатными эмалями применяют  для изделий, работающих при высоких  температурах, давлениях, в очень  агрессивных, химически активных средах. Формирование эмалевого защитного  покрытия возможно двумя способами: сухим (наносят порошок) или мокрым (пасту).

Процесс нанесения эмали ведется в  несколько этапов. Сначала наносят  непосредственно на изделие порошкообразную  грунтовую эмаль, которая улучшает адгезию, а также уменьшает термические  и механические напряжения. Проводят  спекание при температуре  880 - 920^оС. Далее покрывают слоем покровной эмали, потом  спекают при температуре 840 - 860 ^оС.

Если  требуется нанести несколько  слоев силикатной эмали, вышеописанные  операции проводят поочередно еще несколько  раз. Обычно изделия из чугуна покрывают  двумя - тремя слоями силикатной эмали, общей толщиной до 1 миллиметра.

Основным  недостатком эмалевого защитного  покрытия можно назвать низкую прочность  при воздействии ударных нагрузок, т.е. растрескивание, скалывание.

ЗАЩИТНЫЕ  ПОКРЫТИЯ ИЗ ПАСТ И СМАЗОК.

Защитные  покрытия из паст и смазок используют в основном при длительном хранении и перевозке металлоизделий. Пасты  или смазки наносятся на поверхность  защищаемого объекта распылением, кистью или специальным тампоном. После высыхания образуется защитная пленка. Она ограждает изделия  от воздействия влаги, пыли, различных  газообразных веществ.

Смазки  изготовляются на основе минеральных  масел (вазелинового, машинного) с примесью воскообразных веществ (воска, парафина, мыла). Если изделие стальное, то в  смазку дополнительно вводят немного  щелочи. Очень популярна смазка, в состав которой входит 5% парафина и 95% петролатума (смесь парафинов, масел, церезинов).

Из  суспензий минеральных восков (церезина) или парафина и каучука, а также  полиизобутилена в уайт-спирите изготавливают защитные покрытия на основе паст.

Защитные  покрытия из паст и смазок очень  эффективны, но главным их недостатком  можно считать то, что целостность  образовавшейся пленки очень легко  нарушить.