Защита от коррозии и окраска металических поверхностей
1. Что такое коррозия?
Защита от коррозии является одной из актуальных проблем, стоящих перед наукой и техникой. Она приводит к огромным потерям черных и цветных металлов во всех отраслях промышленности.
Коррозия (от латинского corrodere – разъедать, разрушать) – это разрушение твердых тел, главным образом металлических, при взаимодействии с внешней средой. Коррозионный процесс протекает самопроизвольно, т.к. металлы термодинамически неустойчивы. В результате коррозии металлы переходят в устойчивые соединения, оксиды или соли, в виде которых они находятся в природе.
Коррозию классифицируют по разным признакам: типу, условиям протекания, характеру коррозионных разрушений.
1.1. Виды коррозии
По типу происходящих процессов различают химическую и электрохимическую коррозию.
химическая коррозия возникает при воздействии на металл сухих газов (О2, СО2, SO2, HCL и др.), перегретого водяного пара и жидких неэлектролитов. Наиболее часто химической коррозии подвергаются металлургическое оборудование, сопла реактивных двигателей, детали газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, оболочки ракет и космических кораблей, т.е. изделия, работающие при высоких температуре и давлении.
Электрохимическая коррозия – это наиболее распространенный вид коррозии, и она возникает при взаимодействии металлов с окружающей их электролитически проводящей средой. При этом одновременно идут два параллельных процесса: окислительный (растворение металла) и восстановительный (выделение металла из раствора).
По условиям протекания процесса различают газовую, атмосферную, жидкостную, почвенную, биологическую коррозию.
Наибольший вред приносит атмосферная коррозия, т.к. примерно 80% металлических конструкций (строительные сооружения, машины, транспортные средства) эксплуатируются на открытом воздухе.
По характеру коррозионных разрушений различают сплошную и локальную коррозию. Локальная коррозия (местная) охватывает отдельные участки поверхности металла и может быть выражена в виде отдельных пятен, язв (питтингов) или точек.
При точечной коррозии разрушение металла происходит в отдельных местах. Опасность точечной коррозии заключается в ее быстром развитии и поражении металла на глубину.
Межкристаллитная коррозия характеризуется разрушением металла по границам зерен и особенно опасна тем, что внешний вид металла не меняется, но он очень быстро теряет прочность и легко разрушается. Чаще всего этот вид коррозии проявляется в сварных соединениях.
Коррозия, как любой физико-химический процесс, подвержена влиянию многих факторов – и внешних, и внутренних. К ним относятся: природа металла, его структура, состояние поверхности, температура, давление, скорость движения коррозионной среды, кислотность среды и др.
2. Способы защиты от коррозии. Окраска как способ противокоррозионной защиты
Коррозионному разрушению подвергаются практически все металлы и их сплавы. Наибольшей долговечностью в атмосферных условиях и водных средах обладают благородные металлы: золото, серебро, платиновые металлы и их сплавы, а также металлы, на поверхности которых образуется защитная пленка, предохраняющая от дальнейшего окисления – алюминий, никель, титан. Наиболее уязвимым, в коррозионном плане, является железо и его сплав с углеродом – сталь.
Повысить коррозионную стойкость стали можно при введении в ее состав элементов, которые повышают ее термодинамическую устойчивость. Этот процесс называется легирование. Например, легирование железа с помощью никеля, хрома, титана и других металлов. Высоколегированные сплавы – это виды стали с высокой концентрацией инородных металлов. Если они содержат в своем составе более 12% хрома, то они устойчивы к образованию ржавчины. Но, высоколегированные стали, редко окрашиваются.
Улучшить противокоррозионные свойства металлов можно с помощью методов, которые основаны на снижении агрессивности коррозионной среды.
Например, декарбонизация, деаэрация водных сред (удаление растворенных газов), уменьшение засоленности, изменение кислотности.
Надежную защиту от коррозии обеспечивают металлические покрытия, которые обычно наносят методом электроосаждения в гальванических ваннах. Например, оцинкованное железо. Цинк, в данном случае, обеспечивает катодную защиту стали, т.е. при воздействии агрессивной среды или при появлении на покрытии дефекта цинк начинает окисляться, предотвращая коррозию стали и «залечивая» повреждение.
неметаллические покрытия – оксидные, фосфатные, хроматные и др. обычно применяются в комбинации с лакокрасочными покрытиями в качестве подслоя для улучшения адгезии.
Однако ведущее место в борьбе с коррозией металлов занимают лакокрасочные покрытия.
Обычно для защиты металлов от коррозии используется система покрытий, т.е. сочетание нескольких слоев лакокрасочных материалов, нанесенных последовательно: грунтовка, промежуточный слой, финишный слой. Но, прежде чем приступать к окрашиванию, поверхность металла необходимо подготовить.
3. Способы подготовки поверхности металла перед окраской
Подготовка поверхности металла перед окраской подразумевает ее очистку от загрязнений с целью повышения адгезии лакокрасочных материалов и увеличения срока эксплуатации покрытия. На поверхности металла могут оставаться металлическая стружка, масла, жиры, окалина, ржавчина, сварные брызги, остатки краски, старые покрытия, которые должны быть удалены.
Новый горячекатаный металл (профили и др.) содержит на поверхности окислы железа, холоднокатаный – не содержит, но на его поверхности много масла.
Согласно стандарту ISO 8501-1 для неокрашенной стали предусматривается четыре степени ржавления А, В, С, D:
А – Стальная поверхность, полностью покрытая плотно прилегающей пленкой (послепрокатной окалиной), в общем, без ржавчины.
В – Стальная поверхность с начинающейся ржавчиной, пленка начинает отлупляться.
С– Стальная поверхность, пленка которой, проржавев, уже отпала или может быть соскоблена, и где невооруженным глазом заметна небольшая коррозия.
D – Стальная поверхность, пленка которой, проржавев, уже отпала, и на которой невооруженным глазом заметна впалая коррозия.
Тщательно подготовленная поверхность является залогом успешной окраски на 70%. При недостаточной предварительной подготовке покрытие может отслоиться уже в течение первого года эксплуатации.
Для подготовки поверхности применяют механические, химические и термические методы. Но сначала поверхность обезжиривают различными моющими средствами.
3.1. Промывка
Традиционная щелочная промывка производится водным содовым раствором. На некоторые химстойкие материалы содовый раствор действует не столь эффективно, поэтому были разработаны более эффективные средства с содержанием поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Молекулы ПАВ ориентируются таким образом, что они ослабляют сцепление грязи с подложкой, отрывают ее от поверхности и предотвращают повторное прилипание. Максимальный эффект ПАВ приобретают в щелочном растворе, поэтому в моющие средства добавляют щелочные составляющие: силикаты, фосфаты, гидроксид кальция.
3.2. Факторы, влияющие на промывку
В процессе обезжиривания необходимо учитывать не только качество применяемого моющего средства, но также и такие факторы, как время воздействия раствора, температура, механическое воздействие. Все вместе они позволяют повысить эффективность очистки.
Например, чем больше время воздействия раствора, тем лучше окончательный результат.
Влияние температуры на результат очистки очень существенно. Экспериментально доказано, что повышение температуры на 100С ускоряет промывку в два раза.
Механическое воздействие делает удаление грязи с поверхности более интенсивным. Стоячая грязная вода не очищает поверхность, если моющее средство или очищаемый предмет находятся без движения. Следует отметить, что нет такого уникального очищающего средства, которое снимет любую грязь с окрашиваемой поверхности.
В случае, если одного обезжиривания недостаточно, применяют дополнительные методы очистки.
3.3. Химические методы подготовки поверхности. Очистка органическими растворителями
Обезжиривание органическими растворителями, в отличие от щелочного, основано на растворении масляных и жировых загрязнений. Обезжиривать растворителями можно практически любые металлы. Этим способом удается достичь хорошей степени очистки поверхности за короткое время.
Применяют растворители, обладающие высокой растворяющей способностью по отношению к загрязнениям, стойкостью к разложению, низким поверхностным натяжением и умеренной летучестью. Широкое распространение получили алифатические и хлорированные углеводороды, такие как, метиленхлорид, тетрахлорметан, дихлорэтан, уайт-спирит и др. Органические растворители эффективно удаляют с поверхности масляные и жировые загрязнения при комнатной температуре, но не обеспечивают должной очистки от твердых минеральных загрязнений, таких как абразивы, остатки металлической стружки, песок. Органические растворители токсичны, и применять их можно только с соблюдением соответствующих правил техники безопасности.
Травление
Окалину, ржавчину и другие оксиды чаще всего удаляют с поверхности металлов травлением в растворах кислот или щелочей.
Для травления черных металлов широко используют серную и соляную кислоты. Фосфорная кислота применяется реже из-за ее меньшей активности и более высокой стоимости.
Травильные растворы, насколько это возможно, должны не только удалять оксидные пленки, но и не растворять сам металл. Поэтому в состав травильных растворов вводят специальные добавки, которые препятствуют растворению металлов – ингибиторы травления, например, уротропин. Кроме того, ингибиторы предотвращают выделение водорода, который выделяется при растворении металла и приводит к наводораживанию стали, что делает ее хрупкой. Травление цветных металлов, например, алюминия проводят в щелочных растворах. При этом удаляются оксидные пленки с поверхности, и создается активированный слой, повышающий адгезию покрытий.
Удаление старых покрытий
Химическое снятие старой краски подразумевает применение таких материалов, которые при нанесении на поверхность размягчают краску или лак таким образом, что их можно снимать механическим способом.
Средство для снятия старой краски наносят на поверхность кистью, щеткой или распылением.
Средству дают действовать на поверхности, пока в покрытии не появятся пузырьки или морщины.
Время действия зависит от применяемого средства и типа самой краски. Размягченную краску удаляют скоблением, стальной щеткой, шпателем, и затем промывают поверхность водой.
3.4. Механические методы подготовки поверхности
При механической очистке применяют различные корщетки, шлифовальные шкурки или станки, струйные установки очистки при помощи струи абразива.
Согласно международному стандарту ISO 8501-1 степень очистки определяется визуально и обозначается цифрой. Обычно необходимая степень очистки поверхности под окраску составляет 2 балла.
St 2 – тщательное скобление и очистка стальной щеткой – механической стальной щеткой – механической шлифовкой и проч. Путем этой обработки неплотно держащиеся ржавчина и посторонние частицы должны быть удалены. Затем поверхность чистится пылесосом или чистым воздухом под давлением или же чистой щеткой.
St 3 – весьма тщательное скобление и очистка стальной щеткой – механической стальной щеткой – механической шлифовкой и проч. Поверхность обрабатывается так же, как и при степени St 2, но значительно тщательнее. После очистки от пыли поверхность должна иметь явный металлический блеск.
Механический метод очистки с помощью щеток или шлифовки наиболее простой, однако очень трудоемок, неудобен при очистке труднодоступных мест, а также деталей сложной конфигурации.
Наиболее эффективным методом является абразивная струйная очистка. При струйной очистке в качестве абразива используют песок – пескоструйная очистка, или дробь – дробеструйная очистка.
Степени подготовки поверхности при струйной очистке
Sa 1 – легкая струйная очистка. При осмотре невооруженным глазом на поверхности не должно быть масла, жира, грязи, слабодержащейся окалины, ржавчины, краски или посторонних включений.
Sa 2 – тщательная струйная очистка. При осмотре невооруженным глазом на поверхности не должно быть масла жира, грязи, ржавчины, краски или посторонних включений. Допускается незначительное количество окалины. Оставшиеся на поверхности загрязнения должны хорошо держаться на ней.
Sa 2 1/2 – весьма тщательная струйная очистка. При осмотре невооруженным глазом поверхность должна быть свободна от видимых масел, смазки и грязи, а также от прокатной окалины, ржавчины, слоев краски и чужеродных веществ. Только остаточные следы загрязнений могут оставаться в виде легких пятен и полос.
Sa 3 – струйная очистка до чистого металла. При осмотре невооруженным глазом на поверхности не должно быть масла, жира, грязи, окалины, ржавчины, краски или посторонних включений. Поверхность должна иметь однородный цвет металла.
В заводских условиях (в цеху) при применении дробеметного или пескоструйного способа очистки одновременно с удалением грязи удаляют окалину.
Очистку поверхностей на открытых монтажных площадках не рекомендуется проводить в неблагоприятных погодных условиях, к которым относят:
высокую влажность воздуха (более 75%), туман, моросящие осадки, дождь, резкие перепады температуры, при которых на поверхности могут появляться конденсат, иней.
Согласно РД ГМ-01-02 («Руководящий документ по защите от коррозии механического оборудования и специальных стальных конструкций гидротехнических сооружений»), длительность перерыва между очисткой поверхности и нанесением грунтовочного слоя не должна превышать: в цехах —
закрытых помещениях — 6 часов, на открытых площадках и под навесами при нормальной влажности воздуха (до 75%) — 3 часа, а при повышенной влажности воздуха (выше 75%) — 0,5 часов.
3.5. Термическая очистка
Термическая очистка основана на нагреве поверхности металла (обычно открытым пламенем) до температуры, при которой старые покрытия и органические загрязнения сгорают или теряют механическую прочность. Очистку производят с помощью горелок с использованием ацетилена или пропана с кислородом. Газопламенную очистку производят при толщине металла не менее 6 мм. После термической очистки, как правило, требуется дополнительная механическая или химическая очистка, т.к. в процессе образуется окалина, которая ухудшает адгезию лакокрасочных материалов.
4. Система антикоррозийного покрытия
Как уже говорилось, для защиты металла от коррозии применяется система покрытий, которая состоит не из одного, а из нескольких слоев – грунта, промежуточного слоя и финишного покрытия. Каждый слой выполняет свою функцию, поэтому защитные свойства системы усиливаются за счет суммирования защитных свойств отдельных слоев.
Грунтовка – это первый слой системы окраски. Она должна иметь хорошую адгезию к металлу и вышележащим слоям покрытия, и высокие противокоррозионные свойства. Ее задачей является предотвращение коррозии.
Промежуточный слой должен иметь хорошую адгезию к загрунтованной поверхности и к финишному слою. Он определяет толщину покрытия.
В качестве промежуточного слоя применяется либо грунтовка, либо финишная краска.
Финишное покрытие должно обеспечивать защиту от воздействия окружающей среды, уменьшая проникновение кислорода, воды и химикатов в низлежащие слои, определять цвет покрытия и блеск.
Грунтовки в противокоррозионной защите играют основную роль. По составу они отличаются от эмалей повышенным содержанием пигментов и тем, что пигменты в них применяются преимущественно противокоррозионные.
Примером противокоррозионных пигментов могут служить свинецсодержащие пигменты, фосфаты и гидрофосфаты цинка, хрома, алюминия, порошки металлов, хроматы цинка, бария, железная слюдка, метаборат бария и многие другие. Не все они являются полноценными с экологической точки зрения. Свинец- и хроматсодержащие пигменты обладают высокими антикоррозионными свойствами, но очень токсичны и ядовиты. Поэтому в настоящее время используются более перспективные противокоррозионные пигменты, которые по свойствам не уступают хроматам и не являются токсичными.
Защитные свойства противокоррозионных пигментов основаны на их способности тормозить коррозионный процесс на границе «металл-покрытие», за счет выделения пигментами ионов, образующих пассивирующие слои на поверхности металлов, и повышения рН на границе «пленка-подложка».
Иногда защитное действие достигается за счет «барьерного эффекта» – создания механических препятствий проникновению влаги к поверхности металла.
Адгезионная прочность грунтовочных слоев обратно пропорциональна их толщине, поэтому грунтовки наносят тонким слоем, хотя при большей толщине они имели бы гораздо лучшие защитные свойства.
5. Антикоррозионные грунтовки и покрывные материалы
FerOx-Stopper - противокоррозионная грунтовка для черных металлов – алкидная грунтовка для защиты новых и старых поверхностей, а также для ремонта поверхностей, окрашенных ранее алкидной краской. Содержит антикоррозионные пигменты. Не содержит свинца и хроматов. Применяется в качестве грунтовки в алкидных системах окраски на поверхностях изделий из черных металлов.
Рекомендуется для окраски металлоконструкций, транспорта (автобусов, трамваев, грузовых автомобилей, ж/д вагонов и др.), станков, стальных емкостей, сварных каркасов и перекрытий, металлических дверей, радиаторов отопления и других поверхностей. В сухих помещениях можно использовать как однослойную матовую финишную краску. Допускается нанесение грунтовки на прочно держащуюся, не рыхлую, не отслаивающуюся ржавчину, зачищенную стальной щеткой до степени очистки St 2, St 3. Цвета: светло-серый и красно-коричневый.
WINNER primer – антикоррозионная грунтовка предназначена для защиты стальных, оцинкованных, алюминиевых поверхностей снаружи и внутри помещений. Не содержит токсичных свинцово-хроматных компонентов, а содержит специальные антикоррозионные пигменты нового поколения.
WINNER primer применяется для грунтования различных типов стальных конструкций, металлических крыш, автотранспортных средств, железнодорожных составов, лодок, радиаторов отопления и других поверхностей перед окраской алкидными и полиуретановыми материалами. Обеспечивает долговременную защиту от коррозии, улучшает адгезию и снижает расход
покрывных материалов. В сухих помещениях возможно использование в качестве однослойного матового финишного покрытия. Цвета: серый и красно-коричневый.
В качестве покрывных красок на FerOx-Stopper и WINNER primer для наружных работ можно наносить: WINNER шелковисто-матовый, WINNER глянцевый,
Победитель; для внутренних работ: MODERN или латексные краски. Описание материалов WINNER шелковисто-матовый, WINNER глянцевый,
Победитель и MODERN приведено в главе «Окраска мебели и предметов интерьера».
6. Защита и окраска металлических крыш
Крыша в первую очередь принимает на себя негативное воздействие атмосферных осадков, промышленных выбросов, резких перепадов температур, солнечного излучения, которые приводят к ее разрушению. Правильно и своевременно выполненная окраска металлической кровли замедляет коррозию металла и значительно продлевает срок службы кровли.
Самый распространенный кровельный материал – это оцинкованная сталь. Цинковый слой, толщиной 20 мкм, создает катодную защиту в случаях местных повреждений, и сама сталь не подвергается ржавлению. Но на поверхности оцинковки может появиться «белая ржавчина» – белое порошкообразное вещество, которая является плохой основой для окраски. Для борьбы с белой ржавчиной производители листа применяют специальные масла, которые препятствуют ее образованию, и которые должны быть удалены перед окраской.
Подготовку поверхности начинают с механического удаления старой отслаивающейся краски при помощи обычного стального шпателя. Ржавчина удаляется до металла ручными или металлическими щетками.
Затем все металлические поверхности тщательно очищают средством на основе аммиака и тщательно промывают водой под давлением. Сразу после этого зачищенные места обрабатываются противокоррозионной грунтовкой WINNER primer или краской WINNER шелковисто-матовый с противокоррозионными пигментами. Покрывную окраску можно произвести краской WINNER шелковисто-матовый или WINNER глянцевый. Обычные алкидные краски не применяются прямо по оцинкованной поверхности, т.к. алкидное связующее разрушается под щелочным воздействием оцинкованной подложки.
WINNER шелковисто-матовый содержит специальные противокоррозионные пигменты, которые предотвращают разрушение цинкового слоя и разрушение алкидного связующего под воздействием щелочности подложки, а также предотвращают образование плесени и водорослей.
WINNER шелковисто-матовый наносят кистью, валиком или распылением. Но необходимо помнить, что при нанесении покрытия валиком или распылением, вероятность возникновения воздушных пузырьков существенно выше, чем при тщательном нанесении краски кистью или щеткой.
Образующиеся поры позволяют влаге, кислороду из воздуха и другим агрессивным реагентам проникать через лакокрасочную пленку, что приводит к коррозии и разрушению металла. Проблемой нанесения краски валиком является еще и неравномерность толщины образующейся пленки, и оцинкованная поверхность будет подвергаться ржавлению по местам с тонкими слоями краски. Поэтому кисть – это наилучший инструмент для окраски крыш. При нанесении краски валиком свежий невысохший слой краски выравнивается кистью или малярной щеткой.
Обычно достаточно одного слоя краски, если цвет грунтовки совпадает с цветом краски. Двухслойной системой достигается покрытие со значительно большей толщиной, которое защищает подложку гораздо надежнее, чем однослойное покрытие.
Для окраски алюминия используются те же самые материалы, что и для оцинкованных поверхностей.
Окрашивание деталей из черного металла принципиально не отличается от окраски оцинкованных поверхностей. Особое внимание следует уделить обработке поверхности противокоррозионной грунтовкой FerOxStopper. Кроме того, если при окраске оцинкованных поверхностей достаточно нанести один слой финишного материала, то стальные загрунтованные поверхности требуют обязательного покрытия двумя слоями финишной краски.
7. Условия при окраске
На качественный окончательный результат окраски влияет не только правильная подготовка поверхности и правильный выбор того или иного материала, но и погодные условия. Правильный выбор благоприятных погодных условий – залог успешной работы. Не стоит приступать к окраске в случае опасения образования росы или начала дождя. Во время окраски относительная влажность воздуха должна быть не выше 80%. При использовании лакокрасочных материалов на растворителях минимальная температура должна быть не ниже +5оС, а при использовании водоразбавляемых – не ниже +10оС. При повышении влажности воздуха с одновременным понижением температуры высыхание замедляется, что может привести к образованию дефектов лакокрасочной пленки. Идеальные условия для окраски – теплая, сухая, облачная погода.