No Image

Химическое пассивирование нержавеющих сталей

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
11 марта 2020

Пассивация — это формирование на поверхности металла тонких оксидных или солевых пленок, которые защищают его от внешней коррозии. Такое покрытие препятствует контакту металла с кислородом и агрессивными средами. При пассивировании защитные пленки могут образовываться на металлической поверхности как естественным, так и искусственным путем. В первом случае они состоят из оксидов химических элементов, входящих в состав самого металла, а во втором могут включать в себя оксиды и соли других химических элементов. Например, чистый алюминий естественным способом образует очень стойкую оксидную пленку, поэтому устойчив к большинству видов коррозии. А вот изделия из его сплавов, содержащих химически активные компоненты, уже нуждаются в искусственной коррозионной защите и поэтому подвергаются пассивированию в солевых растворах.

Пассивацию широко применяют для защиты поверхностей изделий из стали, меди, никеля, алюминия и их сплавов. Даже защитные цинковые и кадмиевые покрытия пассивируют солями хрома для повышения их коррозионной и механической стойкости. Пассивирование металла вызывает образование на его поверхности слоя оксидов или солей толщиной в несколько микрон, что практически не влияет на геометрические размеры изделий. С другой стороны, такие пленки могут снижать контактную проводимость основного материала, но, как правило, в меньшей степени, чем слой корродированного металла.

Суть и описание процесса пассивации металла

При пассивировании поверхности металлических изделий обрабатывают растворами химических соединений, обладающих окислительными свойствами. В этой роли чаще всего выступают кислоты, нитриты и растворы солей хрома (реже — молибдена). Нанесение раствора на поверхность металлических заготовок производится методом погружения или вручную, с помощью специального оборудования. Применяемые при пассивировании растворы обычно состоят из основного реагента и нескольких добавок, ускоряющих и стабилизирующих процесс пассивации.

В общем виде процесс пассивирования состоит из следующих этапов:

  1. Механическая очистка поверхностей изделия.
  2. Химическое обезжиривание в растворе едкого натра и кальцинированной соды.
  3. Промывка в проточной горячей, а затем холодной воде.
  4. Пассивирование в течение заданного времени.
  5. Нейтрализация в растворе кальцинированной соды.
  6. Промывка путем многократного погружения в проточную холодную воду.
  7. Сушка в сушильном шкафу или обдувом теплого воздуха.
  8. Контроль качества поверхности после пассивирования производится визуальным или инструментальным способом. При неудовлетворительном результате процесс пассивирования повторяется, начиная с п. 1.

В приведенном примере описан технологический процесс пассивации с использованием стационарного производственного оборудования. Для пассивирования поверхностей изделий на месте их установки применяют ручные приводные инструменты и приспособления (см. фото ниже).

Свойства пассивированного металла и его применение

После пассивации на поверхности металла образуется устойчивый к коррозии слой, который в случае применения хроматов к тому же имеет повышенную механическую прочность. Некоторые металлы и сплавы склонны к естественной пассивации. Это особенно характерно для алюминия и нержавеющей стали с присутствием хрома. Но в случае нарушения структуры и химического состава поверхностного слоя они также могут подвергаться коррозии. При пассивировании нержавеющей стали для создания стойкой поверхностной защиты используется ее собственный хром, который, соединяясь с кислородом, образует плотную оксидную пленку. Все изделия из нержавеющей стали, работающие в агрессивных средах, заранее подвергаются пассивации, что помогает избежать (или отсрочить) их коррозию.

Пассивация железа и его сплавов в виде конструкционных и специальных сталей обычно проводится по покрытию из никеля, цинка или кадмия с использованием солей хрома. Такое пассивирование укрепляет поверхностный слой и позволяет эксплуатировать стальные изделия в течение длительного периода без опасности коррозии, а в случае ее проявления обрабатывать только пораженные участки. Пассивирование меди и ее сплавов (бронзы и латуни) выполняется как в защитных, так и в декоративных целях с применением хроматных растворов. В этом случае на поверхности медного изделия образуется тонкая прозрачная пленка, предохраняющая металл от окисления и сохраняющая его товарный вид.

Пассивирование серебра проводят для этих же целей с применением аналогичных технологий.

Виды пассивирования

По методу нанесения покрытия пассивирование бывает двух видов: химическое и электрохимическое. Кроме того, разновидности этой технологии классифицируют по типу химического элемента, из соединений которого образуется поверхностная пленка (хроматирование, никелирование, молибденирование и другие). Кроме того, выделяют естественную пассивацию — процесс образования защитного слоя у ряда металлов и сплавов под воздействием атмосферного и растворенного в воде кислорода.

Химическое

Химическое пассивирование происходит в результате притяжения отрицательных ионов растворенных в воде солей к поверхности металла, атомы которого имеют положительный потенциал. Для этого металлические изделия, предварительно очищенные и обезжиренные, помещаются в специальную ванну, заполненную соответствующим раствором. Основным компонентом в таком электролите является соль металла, образующего защитную пленку на поверхности изделия. Химическая пассивация также может выполняться по месту установки изделия. В этом случае все процессы, начиная от очистки и заканчивая пассивацией, нейтрализацией и обмывкой, выполняются вручную с помощью специального оборудования.

Читайте также:  Греющий кабель в плиточный клей

Электрохимическое

Электрохимическая пассивация основана на принципах гальванотехники. В этом случае металлические заготовки также помещаются в ванну с электролитом, но осаживание пассивирующего слоя происходит не в пассивном режиме, а под воздействием тока, протекающего через электролитический раствор. При такой пассивации положительный потенциал подается на заготовку, а отрицательный — на корпус ванны. При использовании электрохимического способа защитная пленка образуется быстрее и получается более ровной. Но такая технология дороже химической пассивации, т. к. в ней применяется более сложное оборудование и происходит расход электроэнергии.

Содержание составов для пассивации

В состав растворов для пассивации цветных металлов в качестве основного реагента чаще всего входят хроматы калия и натрия, а также хромовый ангидрид. Для создания кислой среды в такие электролиты добавляют различные кислоты и соли, состав которых влияет на скорость создания и равномерность защитной пленки. Пассивирование меди проводят в растворах, содержащих в небольших количествах серную кислоту. При обработке алюминия в состав электролитов включают фосфорную кислоту, а для пассивации цинка и кадмия используют добавки в виде азотной и серной кислот. Содержание пассивирующих растворов для обработки изделий из стали зависит от их состава и часто включает в себя азотную кислоту и ее соли.

Все соли хрома (особенно шестивалентного) очень токсичны. Поэтому проводить хромовую пассивацию металлических изделий можно только на специализированных производствах, имеющих соответствующие системы очистки и водоотведения, а также специально обученный персонал.

Нигде не пишут, каким образом выполняется пассивирование солями хрома непосредственно в местах установки оборудования. Как в этих случаях удаляют химические реагенты? Или при такой обработке применяют другие составы? Если кто-нибудь располагает информацией по данному вопросу, поделитесь, пожалуйста, в комментариях к нашей статье.

Пассивация металла — процесс, в результате которого на поверхности металла образуется оксидная плёнка, препятствующая образованию коррозии. Название метода покрытия происходит от слова «пассивность». Цель пассивации — снизить химическую активность металла при взаимодействии с другими металлами или агрессивными условиями окружающей среды.

В своём роде, появление плёнки — то же разрушение металла. Но, разрушая верхний слой материала на несколько десятков нанометров, пассивация спасает нижние слои от появления ржавчины.

Таким образом, химическая пассивация — взаимодействие окислителя с обрабатываемой поверхностью.

Этапы химической пассивации

1. Если предварительно не подготовить металлическое изделие, то окислитель вступит в реакцию не со сплавом, а с посторонними элементами. Поэтому, перед пассивацией необходимо зачистить поверхность. Очистку выполняют 2 способами: мытьём или ошкуриванием изделия при помощи наждачной бумаги. Теперь можно приступить к пассивации.

2. Сам процесс представляет нанесение на изделие химического реагента. На сплаве образуется защитная плёнка, состоящая в основном из солей и окислов. Плёнка делает структуру изделия наиболее крепкой и долговечной. Эффективность процедуры зависит от следующих факторов:

  • состав раствора;
  • состав сплава;
  • состояние поверхности обрабатываемой детали.

Лучше всего поддаются химической пассивации высоколегированные стали, особенно хромникелевые. А вот углеродистые стали следует обрабатывать только для кратковременной защиты, так как уровень защитного слоя на них существенно слабее.

3. Очистка при помощи воды. Соли, которые могли остаться на изделии, могут вызвать коррозию. Поэтому промывку следует проводить тщательно.

4. Остатки кислоты необходимо нейтрализовать с помощью 2-3 % раствора аммиака или раствора, состоящего из 25-30 г/л олеиновой кислоты и 2-4 г/л гидроксида натрия. Обработка проводится при 80 — 90 °С на протяжении 2-3 минут.

Какой раствор используется?

Использование различных растворов зависит от свойств сплава. Рассмотрим, какие растворы применяются для пассивирования различного класса черных металлов:

Высоколегированные сплавы, устойчивые к коррозии — азотная и серная кислоты.

  • Сплавы ферритного класса — калий двухромовокислый, азотная кислота.
  • Углеродистые стали — калий двухромовокислый, хромовый ангидрид, фосфорная кислота, гидроксид натрия.
  • Среднелегированные стали — хромовый ангидрид, фосфорная кислота.

Температура и время пассивирования также зависят от класса сплава. Температура составляет диапазон от 18 до 90 °С, а время — от 3 до 60 минут.

Чем выше температура раствора, тем быстрее протекает процесс.

Применение пассивации

  • Пассивация используется для металлических деталей под покраску. Она не только защищает от коррозии, но и обезжиривает изделия. Применяется в сфере машиностроения.
  • Пассивация паровых турбин. Но зачем нужна пассивация нержавеющей стали, ведь она и так не поржавеет? Оказывается, если сплав находится в непрекращающемся контакте с агрессивной средой, то он может разрушиться. В качестве примера выступает сварной шов. Иногда на нём присутствуют частички железа. И тогда подвергается коррозии даже нержавейка.
  • Стоматологическая область. Обрабатываются нижняя часть имплантов — винты, которые вмонтируются в челюсть. Пассивация используется для исключения разрушения импланта в челюстной кости.
  • Химическая пассивация часто проводится с декоративной целью. При кратковременной обработке на поверхности появляется радужная плёнка. Яркие предметы использования — краны, дверные ручки.
  • Пассивация украшений из бижутерии используется во избежание аллергических реакций.
Читайте также:  Строительство навесов для машин

Химическая пассивация заметно продлевает срок службы изделий из металла и заслуживает широкого применения в самых разнообразных областях.

Большинство уверено, что заниматься пассивацией нержавеющей стали – пустая трата времени, ведь поверхность изделий уже инактивирована. Однако в некоторых случаях это крайне необходимо, попробуем переубедить скептиков.

1 Почему нержавейка устойчива к коррозии?

Коррозия стали характеризуется разрушением ее поверхностного слоя под воздействием агрессивных сред, а иногда и при контакте с привычной нам атмосферой. Окисление происходит с каждым вновь открывающимся слоем, пробираясь вглубь. Постепенно деталь разрушается полностью. Чтобы не пытаться спасать такие изделия при появлении очагов коррозии, а то и вовсе не производить замену деталей, был разработан способ защиты – пассивирование. Именно так и появилась всем известная нержавейка.

Сталь содержит в себе множество добавок. Кобальт, никель, ниобий, титан, молибден, марганец – все они помогают добиться различных механических и физических свойств сплава. В составе в существенном количестве присутствует и хром (Cr), именно от него зависит коррозионная стойкость стали.

Хром – одна из главных легирующих добавок, содержание его варьируется от 12 до 20 %. Как раз эта цифра и определяет степень пассивности сплава.

Нержавейка с 12 % хрома будет устойчива только к атмосферным окислителям (в первую очередь кислороду воздуха). При 17 % сплав выдержит значительно более агрессивные среды, например, азотную кислоту. Если требуется еще более устойчивый материал, тогда увеличивают содержание никеля, молибдена, меди и прочих добавок, еще в некоторой степени усиливающих коррозионную пассивность. Высокоагрессивными средами считаются соляная, серная и прочие схожие по свойствам кислоты.

Но содержание легирующих элементов в нужной пропорции не единственное требование к стали, чтобы она могла называться нержавеющей. Поверхность детали должна быть без повреждений, у внешнего слоя желателен однородный химический состав. Ведь устойчивость к коррозии определяется наличием оксидной пленки, в основном CrO. Ее прерывистость или различная толщина из-за неоднородности химического состава сплава сводит на нет защитные качества.

2 Почему коррозия все-таки одолевает нержавеющую сталь?

Несмотря на изложенную картину, нержавейка подвергается коррозии. Ржавчина на ее поверхности приводит в недоумение людей, кто не совсем знаком с химической природой этого явления. Многие начинают сомневаться, нержавейка ли это вовсе? Но даже вполне настоящая пассивированная сталь может подвергаться различного рода коррозии. И причин этому немало.

Первой и вполне очевидной будет недостаток хрома или его неравномерность в структуре сплава. Также контакты с менее устойчивыми разновидностями стали (углеродистой, например) вызовут процесс ржавления. Часто детали подвергаются сварке, и даже если изначально нержавейка была очень высокого качества, после такой обработки она начинает корродировать. Обычно это легко предупредить зачисткой и полировкой поверхности шва, чтобы там не осталось даже следовых количеств сварочных материалов, например, частичек железа (Fe).

Занести нежелательные количества железа в структуру нержавейки можно и другими способами. Если рядом с ней пилят, режут, шлифуют обычную сталь, то пыль с Fe обязательно достигнет ее и запустит процесс коррозии. Но даже все предусмотрев и изолировав ваши детали, вы можете забыть, что когда-то использовали для обычной стали определенный шлифовальный круг и решите им обработать нержавеющую. Это обернется коррозией. Да и любой другой инструмент должен применяться на однотипных материалах, например, только на нержавейке.

После сварки часто нужна очистка шва, делают это металлической щеткой, лучше завести такое приспособление для низколегированных сплавов и нержавейки отдельно. К слову, любые деструктивные поверхностные обработки существенно приближают появление коррозии, так что частить с этим не рекомендуется. Если все-таки пришлось заниматься механической очисткой, то проверьте, осталась ли на детали железная пыль и не появились ли повреждения оксидной пленки. На производстве при наличии лаборатории это можно сделать за пару минут с помощью химреактивов – воды, азотной кислоты и ферроцианида калия. Места с включениями свободного железа станут синие. В другом случае потребуется несколько часов и простая вода из крана. Нужно всего лишь смочить поверхность и дать постоять, проблемные зоны начнут ржаветь.

Читайте также:  Утепление холодильника под окном в хрущевке

Сварочный шов действительно слабое место у нержавеющей стали. Поэтому его обязательно зачищают, отмывают от остатков рабочих материалов (флюса, брызг и т.д.), полируют и пассивируют препаратами на основе кислот. Такие реактивы можно найти в продаже. Обычно основу их составляет азотная кислота, в определенной концентрации она приводит к образованию химически пассивной оксидной пленки.

3 Многоликая коррозия

Количество причин, по которым нержавеющая сталь начинает корродировать, кажется небольшим. Но на химическом уровне происходят куда более разнообразные процессы. Коррозия, оказывается, бывает разной природы. Рассмотрев основные виды, мы будем предупреждены обо всех слабых местах этого сплава. Самый частый и неожиданный способ испортить нержавейку – чистящие средства. Многие хозяйки не предполагают, что хлорсодержащая бытовая химия очень быстро разрушает защитную пленку на посуде из этого сплава. Так что следует иметь на вооружении специальное чистящее средство. Такая коррозия называется общей, потому что происходит по всей поверхности.

Щелевой тип поражения сплава знаком тем, кто работает с конструкциями из этого материала. Если детали плотно соприкасаются, рано или поздно между ними начинается ржавление. Часто поражаются крепежи. Точечная или питтинговая коррозия возникает при механическом повреждении поверхности детали. Причина очевидна, сбитая пленка открывает доступ к незащищенной стали. Гальванические процессы вызывают одноименную коррозию. Для их возникновения нужна токопроводящая среда и разнородные металлы, одним из участников и будет нержавейка. Это очень частая причина порчи деталей в морской воде. Поэтому на конструкторов всегда ложится удвоенная ответственность, нужно исключить контакт нержавеющей стали с другими низколегированными сплавами.

И опять сварка. Большая температура этого процесса запускает межкристаллитную коррозию. Это очень коварная разновидность ржавления, начинается она еще на уровне кристаллической решетки, двигаясь вдоль границ кристаллов. Она может быть и не так заметна со стороны, но внутри точит изделие, со временем приводя к потере прочности. Напоследок скажем об эрозивной коррозии. Это неизбежно происходит в тех случаях, когда деталь из нержавеющей стали находится под воздействием непрерывного потока абразивного раствора. Жидкость просто уносит частички пленки, а новая не успевает образовываться.

4 Зачем, когда и как пассивировать нержавейку?

Как видно, нержавеющая сталь идеально будет служить при отсутствии других материалов и без механических воздействий. Но это возможно разве только в музее. Конструкции всегда находятся в работе, а часто и в крайне агрессивной среде. Вот тогда даже нержавеющей стали нужно дополнительное пассивирование. Например, очень часто такую обработку просят сделать для труб, крепежей, обшивки погружных морских конструкций. Но всегда ли уместно это делать?

Для успокоения совести, конечно, можно производить такие операции всегда, как только возникает подозрение на неспособность нержавейки противостоять будущим воздействиям рабочих сред. Но специалисты убеждены, что такая обработка будет лишней во многих случаях. Во-первых, нужно проанализировать возможные химические процессы, иногда вашим конструкциям ничего не грозит, а дополнительная пассивация только ухудшит состояние сплава.

Во-вторых, нужно иметь возможность контролировать процесс пассивирования нержавеющей стали, чтобы получить равномерное и цельное покрытие. Например, это очень проблематично в случае труб, ведь проверить состояние поверхности внутри почти невозможно. Может оказаться, что где-то участок был обработан недостаточно, и коррозия все равно произойдет. Поэтому пассивирование уместно в тех случаях, когда защитить нужно внешнюю сторону детали.

Сам процесс имеет, конечно, химическую природу. Состав обрабатывающего средства зависит от марки нержавеющей стали, вернее, ориентирован на процентное содержание хрома. Сплавы, где этого элемента 16 % и более, пассивируются раствором азотной кислоты (20–50 %). Выдерживать следует 30–60 минут при 40 °С. Не подходит такое пассивирование для сталей марки AISI 303. Если в нержавейке хрома менее 16 %, то условия и реагенты те же, только время выдержки должно быть не менее 60 минут. Такой режим не подходит для стали AISI 416. Для перечисленных исключений (AISI 303 и 416) и марки 430F лучше использовать указанную азотную кислоту и раствор бихромата натрия (2–6 %), температура при этом не выше 50 °С, а время выдержки 25–40 минут.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector