Традиционные методы защиты металлов от коррозии все реже удовлетворяют техническим требованиям, которые предъявляются к эксплуатационным свойствам ответственных конструкций и материалов. Несущие балки в каркасах домов, трубопроводные линии и облицовочные покрытия из металла не могут обходиться лишь механической защитой от ржавчины, если речь идет о долговременном использовании изделия. Более эффективным подходом к защите от коррозии является электрохимический метод и, в частности, пассивация. Это один из способов применения активных растворов, образующих на поверхности заготовки защитно-изоляционную пленку.
Общие сведения о технологии
Вам будет интересно:Как устроена подводная лодка: описание, характеристики и принцип работы
Под пассивацией следует понимать процесс формирования тонкой пленки на металлической поверхности, структура которой характеризуется повышенным сопротивлением. Причем функции у этого покрытия могут быть разными – например, в электролитах аккумулятора оно не только продлевает срок службы электродов, но и снижает интенсивность саморазряда. С точки зрения антикоррозийной защиты пассивация – это способ повышения устойчивости материала перед агрессивной средой, провоцирующей развитие ржавчины. Сам же механизм образования защитно-изоляционного покрытия может быть разным. Принципиально различаются электрохимические и химические методы, но в обоих случаях конечным итогом станет переход внешней структуры обрабатываемого изделия в химически неактивное состояние.
Принцип электрохимической антикоррозийной защиты
Вам будет интересно:Что тяжелее: трамвай или танк? Что тяжелее: трамвай или танк Т-34?
Ключевым фактором электрохимической пассивации является воздействие внешнего тока на целевую поверхность. В момент прохождения катодного тока через корродирующую металлическую структуру его потенциал изменяется в отрицательную сторону, что меняет и характер процесса ионизации молекул заготовки. В условиях анодного воздействия со стороны внешнего поляризатора (характерно для кислотных сред) может потребоваться увеличение тока. Это необходимо для подавления поляризатора и последующего достижения полной антикоррозийной защиты. Однако при усиленной пассивации поверхности за счет внешнего тока увеличивается выделение водорода, что приводит к наводороживанию металла. В результате начинается процесс растворения водорода в металлической структуре с последующим ухудшением физических свойств заготовки.
Катодный способ защиты
Вам будет интересно:Свойства и состав силикатного кирпича
Это вид электрохимической антикоррозийной изоляции, при которой используется техника наложения катодного тока. Но и данный способ может быть реализован разными методами. Например, в некоторых случаях на производствах достаточный сдвиг потенциалов обеспечивается за счет подключения детали к внешнему источнику тока в качестве катода. Анодом же выступает инертный вспомогательный электрод. Таким методом выполняется пассивация швов после сварки, защищаются металлические платформы буровых конструкций и подземные трубопроводы. К преимуществам катодного способа пассивации относят эффективность в подавлении коррозийных процессов разного типа.
Помимо общего поражения ржавчиной предотвращается питтинговая и межкристаллитная коррозия. Практикуются и такие способы катодного электрохимического воздействия, как протекторный и гальванический. Главной особенностью этих подходов можно назвать применение более электроотрицательного металла в качестве поляризатора. Данный элемент в контакте с защищаемым изделием и выполняет функцию анода, разрушаясь в ходе операции. Подобные методы обычно используются при изоляции небольших конструкций, частей зданий и сооружений.
Анодный способ защиты
При анодной изоляции металлических деталей происходит сдвиг потенциала в положительную сторону, что также способствует сопротивлению поверхности перед процессами коррозии. Часть энергии накладываемого анодного тока уходит на ионизацию металлических молекул, а другая часть – на подавление катодной реакции.
Среди негативных факторов такого подхода называют высокую скорость растворения металла, которая несопоставима с темпами снижения коррозийной реакции. С другой стороны, многое будет зависеть и от металла, к которому применяется пассивация. Это могут быть и активно растворяющиеся материалы, и детали с незавершенными электронными слоями, структура которых в пассивном состоянии также способствует торможению и реакции разрушения. Но в любом случае для достижения существенного эффекта антикоррозийной защиты требуется применение анодных токов большой величины.
С этой точки зрения данный способ применять нецелесообразно при кратковременном поддержании изоляции, однако низкие энергетические затраты на поддержание наложенного тока вполне оправдывает анодную пассивацию. К слову, сформированная система защиты в дальнейшем требует силы тока всего на 10-3 A/м2.
Применение химических ингибиторов
Альтернативный технологический подход к повышению стойкости металлов при эксплуатации в агрессивных средах. Ингибиторами обеспечивается химическая пассивация, снижающая интенсивность растворения металлов и в разной степени исключающая вредные последствия от состоявшегося поражения коррозией.
Сам по себе ингибитор – это в некотором смысле аналог накладываемого тока, но с химическим или электрохимическим комбинированным действием. В качестве активаторов защитной пленки выступают органические и неорганические вещества, а чаще – специально подобранные их сложные соединения. Внесение ингибитора в агрессивную среду вызывает изменения в структуре металлической поверхности, влияя и на кинетические электродные реакции.
Эффективность защиты будет зависеть от типа металла, внешних условий и длительности всего процесса. Так, в долгосрочной перспективе пассивация нержавеющей стали потребует больше энергетических ресурсов для противодействия агрессивной среде, чем в случаях с латунью или железом. Но ключевую роль все же будет играть механизм действия самого ингибитора.
Ингибиторы-пассиваторы
Активную защиту от коррозии по принципам образования пассивного сопротивления можно формировать разными ингибиторами. Так, широко применяются адсорбционные соединения в виде анионов, катионов и нейтральных молекул, которые могут оказывать химическое и электростатическое воздействие на металлическую поверхность. Это универсальные средства антикоррозийной защиты, но их эффект понижается в средах, где доминирует кислородная поляризация. Например, для пассивации нержавеющей стали должен использоваться специальный ингибитор с окислительными свойствами. К таким относятся молибдаты, нитриты и хроматы, которые создают оксидную пленку с положительным сдвигом поляризации в достаточной степени для выделения кислородных молекул. На поверхности металла происходит хемосорбирование образующихся атомов кислорода, блокирующего наиболее активные зоны покрытия и создающего добавочный потенциал для замедления реакции растворения металлической структуры.
Использование пассивации в защите полупроводников
Эксплуатация полупроводниковых элементов, находящихся под высоким напряжением, требует особого подхода к антикоррозийной защите. Применительно к таким случаям пассивация металла выражается в круговой изоляции активной области детали. Формируется электрическая защита краев с применением диодов и биполярных транзисторов. Планарная пассивация предполагает создание защитного кольца, а также покрытия кристаллической поверхности стеклом. Другой способ меза-пассивации предусматривает образование канавки с целью повышения предельно допустимого уровня напряжения на поверхности структурного металлического кристалла.
Модификация антикоррозийной пленки
Покрытие, образованное в результате пассивации, допускает самые разные средства дополнительного усиления. Это может быть плакирование, хромирование, окрашивание и создание консервационной пленки. Применяются и способы вспомогательного укрепления антикоррозийной защиты как таковой. Для цинковых покрытий разрабатываются специальные растворы на основе полимерных и хромовых компонентов. Для обычного оцинкованного ведра можно использовать промывочные нереакционноспособные добавки.
Заключение
Коррозия – разрушительный процесс, который может проявляться по-разному, но в каждом случае он способствует ухудшению тех или иных эксплуатационных свойств металла. Исключить возникновение подобных процессов можно разными способами, а также применением благородных металлов, отличающихся изначально пониженной чувствительностью к ржавчине. Однако в силу определенных финансовых и технологических причин использование стандартных средств антикоррозийной защиты или применение металлов с высокой коррозионной стойкостью не всегда возможно.
Оптимальным выходом в таких случаях становится пассивация – это относительно доступный по цене и действенный метод протекции металлов разного типа. По некоторым расчетам, одного электрода с правильно подобранным ингибитором может хватить на защиту от коррозии 8-километровой линии подземного трубопровода. Что касается недостатков, то они выражаются в технической сложности применения электрохимических способов пассивации в принципе.