Методы изоляции металла от окружающей среды

Изоляцию защищаемого металла от окружающей среды производят, используя различные покрытия (рис. 10), которые либо наносятся на поверхность металла (металлические и неметаллические), либо образуются при химической обработке поверхности (химические покрытия).

Металлические покрытия слоем более химически стойкого металла являются одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии.

Способы нанесения металлических покрытий. В зависимости от способа получения металлического покрытия различают: 1) гальванические покрытия, 2) горячие покрытия, 3) металлизацию, 4) контактные покрытия.

Получение гальванических покрытий происходит в процессе электролиза. Покрытия получаются наиболее равномерными, что улучшает стойкость против коррозии. Используя гальванические покрытия, можно улучшить декоративные качества изделия.

Издавна известны горячее лужение и цинкование стали. Например, при горячем цинковании стальное изделие погружают в ванну с расплавленным цинком. После охлаждения цинк кристаллизуется на поверхности стального изделия красивыми узорами.

Рис. 10. Защитные покрытия

Метод металлизации используют с целью экономии металла. Распыление расплавленного металла на защищаемую поверхность производят с помощью струи сжатого воздуха из распыляющего устройства. Этот метод позволяет защищать от коррозии крупногабаритные изделия.

Контактные покрытия получаются в ходе химических реакций в растворе солей на поверхности защищаемого металла,
например:

Fe + CuSО₄ = FeSО₄ + Cu.

Железо, как более активный металл, восстанавливает ионы меди из раствора. Однако использование этого метода не гарантирует надежной защиты, так как покрытия получаются неплотные, неравномерные.

Анодные и катодные покрытия. Это деление основано на том, как ведут себя металлические покрытия при электрохимической коррозии.

К катодным относятся покрытия, выполненные из тех металлов, электродные потенциалы которых имеют более положительное значение, чем у защищаемого металла, например, медь, никель, серебро. При повреждении покрытия возникает гальванопара, в которой основной материал является анодом и растворяется, а материал покрытия — катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Поэтому катодные покрытия, обеспечивающие хорошую защиту при газовой коррозии, ненадежны в электропроводящих средах, так как повреждение покрытия приводит к усиленной коррозии.

Например, лужение железных изделий заключается в нанесении слоя малоактивного, и потому устойчивого к коррозии олова. При повреждении покрытия образуется гальванопара:

(–) Fe │HCl│Sn (+).

Стандартный электродный потенциал железа Е ⁰ Fe²⁺/Fe= – 0,44 B, олова Е ⁰ Sn²⁺/Sn = – 0,136 B. Роль анода в данной коррозионной галь­ванопаре играет железо как более электроотрицательный (более активный) металл, а роль катода — олово. В процессе работы гальванопары железо окисляется, а на олове (на катоде) в кислой среде происходит восстановление ионов водорода из раствора:

Анод: Fe – 2 ē = Fe²⁺ (окисление);

Катод: 2H⁺ + 2 ē = H₂ (восстановление).

Суммарное уравнение: Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ +H₂.

Продукт коррозии: FeCl₂.

Чтобы удостовериться в протекании коррозии лужёного железа по указанной схеме, в раствор добавляют гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆]. Это характерный реактив для обнаружения ионов Fe²⁺, с которыми гексацианоферрат-ион образует окрашенное в темно-синий цвет комплексное соединение (тривиальное название турнбулева синь):

3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]³⁺ = Fe₃[Fe(CN)₆]₂ .

В случае нарушения покрытия в месте повреждения появляется темно-синее окрашивание, свидетельствующее, что в растворе в результате коррозии появляются ионы Fe²⁺, а значит, коррозии подвергается железо, а не олово.

Анодные покрытия изготавливаются из металлов, Е ⁰ которых имеют более положительное значение, чем у защищаемого металла, например, цинк на железе. В этом случае основной металл является катодом и не корродирует до тех пор, пока не окислится весь цинк. Таким образом, слой цинка работает сначала как изолирующее покрытие, а при повреждении еще и как протектор.

Стандартный электродный потенциал железа Е ⁰ Fe²⁺/Fe= – 0,44 B, олова Е ⁰ Zn²⁺/Zn = – 0,76 B. Роль анода выполняет цинк, как более электроотрицательный металл, роль катода — железо.

В кислой среде образуется гальванопара:

(–) Zn │HCl│ Fe (+).

Анод: Zn – 2 ē = Zn²⁺ (окисление);

катод: 2H⁺ + 2 ē = H₂ (восстановление).

Суммарное уравнение: Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ +H₂.

Продукт коррозии: ZnCl₂.

Неметаллические покрытия могут быть по своей природе как 1) неорганическими, так и 2) органическими. Защитное действие этих покрытий сводится, в основном, к изоляции металла от окружающей среды. В качестве неорганических покрытий применяют неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома, фосфора, кислотоупорные материалы (цемент, бетон, плитки) и др. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, пластмассами, полимерными пленками, резиной.

Химические покрытия получают в ходе процессов фосфатирования и оксидирования (для второго процесса часто используют термин пассивирование) защищаемой поверхности металла.

Перед окрашиванием железных предметов их подвергают фосфатированию — обработке кислыми растворами солей фосфорной кислоты, например дигидрофосфатов железа (II) и марганца (II). В результате окисления железа на его поверхности появляется прочно с ним связанная пористая пленка фосфата железа (III), являющаяся хорошим грунтом для масляных красок.

Оксидирование металлов заключается в создании на поверхности плотных пленок их оксидов, что осуществляется 1) химическим или 2) электрохимическим путем.

В случае химической обработки очищенную от продуктов коррозии и обезжиренную деталь погружают на определенное время в раствор окислителя, который вызывает пассивацию металла за счет образования на поверхности металла слоя продуктов окисления (пассивной плёнки) Так, железо пассивируется серной кислотой, если её концентрация превышает 75%. Также, используя способ химического оксидирования, проводят воронение стали, для чего стальной предмет выдерживают в растворе (г/л): 50 NaNO₃, 200 NaNO₂, NaOH в течение 90 мин. Затем изделие подвергается термической обработке при температуре 140°С.

В случае электрохимической обработки металл помещают в окислительный раствор и для интенсификации его окисления подключают к положительному полюсу (аноду) источника тока. Так, например, получают оксидированный (также используют термин анодированный) алюминий.