Как защититься от коррозии металлов


Защита от коррозии металла: катодная, анодная, покрытия

Металлы используются человеком с доисторических времен, изделия из них широко распространены в нашей жизни. Самым распространенным металлом является железо и его сплавы. К сожалению, они подвержены коррозии, или ржавлению — разрушению в результате окисления. Своевременная защита от коррозии позволяет продлить срок службы металлических изделий и конструкций.

Защита от коррозии

Виды коррозии

Ученые давно борются с коррозией и выделили несколько основных ее типов:

  • Атмосферная. Происходит окисление вследствие контакта с кислородом воздуха и содержащимися в нем водяными парами. Присутствие в воздухе загрязнений в виде химически активных веществ ускоряет ржавление.
  • Жидкостная. Проходит в водной среде, соли, содержащиеся в воде, особенно морской, многократно ускоряют окисление.
  • Почвенная. Этому виду подвержены изделия и конструкции, находящиеся в грунте. Химический состав грунта, грунтовые воды и токи утечки создают особую среду для развития химических процессов.

Исходя из того, в какой среде будет эксплуатироваться изделие, подбираются подходящие методы защиты от коррозии.

Характерные типы поражения ржавчиной

Различают следующие характерные виды поражения коррозией:

  • Поверхность покрыта сплошным ржавым слоем или отдельными кусками.
  • На детали возникли небольшие участки ржавчины, проникающей в толщину детали.
  • В виде глубоких трещин.
  • В сплаве окисляется один из компонентов.
  • Глубинное проникновение по всему объему.
  • Комбинированные.

Виды коррозионных разрушений

По причине возникновения разделяют также:

  • Химическую. Химические реакции с активными веществами.
  • Электрохимическую. При контакте с электролитическими растворами возникает электрический ток, под действием которого замещаются электроны металлов, и происходит разрушение кристаллической структуры с образованием ржавчины.

Коррозия металла и способы защиты от нее

Ученые и инженеры разработали множество способов защиты металлических конструкций от коррозии.

Защита от коррозии  индустриальных и строительных конструкций, различных видов транспорта осуществляется  промышленными способами.

Зачастую они достаточно сложные и дорогостоящие. Для защиты металлических изделий в условиях домовладений применяют бытовые методы, более доступные по цене и не связанные со сложными технологиями.

Промышленные

Промышленные методы защиты металлических изделий подразделяются на ряд направлений:

  • Пассивация. При выплавке стали в ее состав добавляют легирующие присадки, такие, как Cr, Mo, Nb, Ni. Они способствуют образованию на поверхности детали прочной и химически стойкой пленки окислов, препятствующей доступу агрессивных газов и жидкостей к железу.
  • Защитное металлическое покрытие. На поверхность изделия наносят тонкий слой другого металлического элемента — Zn , Al, Co и др. Этот слой защищает железо о т ржавления.
  • Электрозащита. Рядом с защищаемой деталью размещают пластины из другого металлического элемента или сплава, так называемые аноды. Токи в электролите текут через эти пластины, а не через деталь. Так защищают подводные детали морского транспорта и буровых платформ.
  • Ингибиторы. Специальные вещества, замедляющие или вовсе останавливающие химические реакции.
  • Защитное лакокрасочное покрытие.
  • Термообработка.

Порошковая покраска для защиты от коррозии

Способы защиты от коррозии, используемые в индустрии, весьма разнообразны. Выбор конкретного метода борьбы с коррозией зависит от условий эксплуатации защищаемой конструкции.

Бытовые

Бытовые методы защиты металлов от коррозии сводятся, как правило, к нанесению защитных лакокрасочных покрытий. Состав их может быть самый разнообразный, включая:

  • силиконовые смолы;
  • полимерные материалы;
  • ингибиторы;
  • мелкие металлические опилки.

Отдельной группой стоят преобразователи ржавчины — составы, которые наносят на уже затронутые коррозией конструкции. Они восстанавливают железо из окислов и предотвращают повторную коррозию. Преобразователи делятся на следующие виды:

  • Грунты. Наносятся на зачищенную поверхность, обладают высокой адгезией. Содержат в своем составе ингибирующие вещества, позволяют экономить финишную краску.
  • Стабилизаторы. Преобразуют оксиды железа в другие вещества.
  • Преобразователи оксидов железа в соли.
  • Масла и смолы, обволакивающие частички ржавчины и нейтрализующие ее.

Грунт-преобразователь ржавчины

При выборе грунта и краски лучше брать их от одного производителя. Так вы избежите проблем совместимости лакокрасочных материалов.

Защитные краски по металлу

По температурному режиму эксплуатации краски делятся на две большие группы:

  • обычные, используемые при температурах до 80 °С;
  • термостойкие.

По типу связующей основы краски бывают:

  • алкидные;
  • акриловые;
  • эпоксидные.

Лакокрасочные покрытия по металлу имеют следующие достоинства:

  • качественная защита поверхности от коррозии;
  • легкость нанесения;
  • быстрота высыхания;
  • много разных цветов;
  • долгий срок службы.

Большой популярностью пользуются молотковые эмали, не только защищающие метал, но и создающие эстетичный внешний вид. Для обработки металла распространена также краска-серебрянка. В ее состав добавлена алюминиевая пудра. Защита металла происходит за счет образования тонкой пленки окиси алюминия.

Краска-серебрянка

Эпоксидные смеси из двух компонентов отличаются исключительной прочностью покрытия и применяются  для узлов, подверженных высоким нагрузкам.

Защита металла в бытовых условиях

Чтобы надежно защитить металлические изделия от коррозии, следует выполнить следующую последовательность действий:

  • очистить поверхность от ржавчины и старой краски с помощью проволочной щетки или абразивной бумаги;
  • обезжирить поверхность;
  • сразу же нанести слой грунта;
  • после высыхания грунта нанести два слоя основной краски.

При работе следует использовать средства индивидуальной защиты:

  • перчатки;
  • респиратор;
  • очки или прозрачный щиток.

Способы защиты металлов от коррозии постоянно совершенствуются учеными и инженерами.

Методы противостояния коррозионным процессам

Основные методы, применяемые для противодействия коррозии, приведены ниже:

  • повышение способности материалов противостоять окислению за счет изменения его химического состава;
  • изоляция защищаемой поверхности от контакта с активными средами;
  • снижение активности окружающей изделие среды;
  • электрохимические.

Первые две группы способов применяются во время изготовления конструкции, а вторые – во время эксплуатации.

Методы повышения сопротивляемости

В состав сплава добавляют элементы, повышающие его коррозионную устойчивость. Такие стали называют нержавеющими. Они не требуют дополнительных покрытий и отличаются эстетичным внешним видом. В качестве добавок применяют никель, хром, медь, марганец, кобальт в определенных пропорциях.

Нержавеющая сталь AISI 304

Стойкость материалов к ржавлению повышают также, удаляя их состава ускоряющие коррозию компоненты, как, например, кислород и серу — из стальных сплавов, а железо – из магниевых и алюминиевых.

Снижение агрессивности внешней среды и электрохимическая защита

С целью подавления процессов окисления во внешнюю среду добавляют особые составы — ингибиторы. Они замедляют химические реакции в десятки и сотни раз.

Электрохимические способы сводятся к изменению электрохимического потенциала материала путем пропускания электрического тока. В результате коррозионные процессы сильно замедляются или даже вовсе прекращаются.

Пленочная защита

Защитная пленка препятствует доступу молекул активных  веществ к молекулам металла и таким образом предотвращают коррозионные явления.

Пленки образуются из лакокрасочных материалов, пластмассы и смолы.  Лакокрасочные покрытия недороги и удобны в нанесении. Ими покрывают изделие в несколько слоев. Под  краску наносят слой грунта, улучшающего сцепление с поверхностью и позволяющего экономить более дорогую краску. Служат такие покрытия от 5 до 10 лет. В качестве грунта иногда применяют смесь фосфатов марганца и железа.

Защитные покрытия создают также из тонких слоев других металлов: цинка, хрома, никеля. Их наносят гальваническим способом.

Покрытие металлом с более высоким электрохимическим потенциалом, чем у основного материала, называется анодным. Оно продолжает защищать основной материал, отвлекая активные окислители на себя, даже в случае частичного разрушения. Покрытия с более низким потенциалом называют катодными. В случае нарушения такого покрытия оно ускоряет коррозию за счет электрохимических процессов.

Металлическое покрытие также можно наносить также методом распыления в струе плазмы.

Применяется также и совместный прокат нагретых до температуры пластичности листов основного и защищающего металла. Под давлением происходит взаимная диффузия молекул элементов в кристаллические решетки друг друга и образование биметаллического материала. Этот метод называют плакированием.

Понимание коррозии и способы защиты от нее

Ежегодно корродированные машины, здания и оборудование обходятся американской промышленности примерно в 7 миллиардов долларов. Коррозия - дорогостоящая проблема. Но, понимая его коренные причины, можно предпринять эффективные шаги для предотвращения и борьбы с ним.

Существует несколько видов затрат на коррозию, которые необходимо учитывать рабочим завода:

• Прямая потеря или повреждение металлических конструкций из-за коррозии. Примером может служить резервуар для горячей воды, который подвергся коррозии и должен быть утилизирован.

• Затраты на техническое обслуживание, связанные с коррозией. Любая металлическая поверхность, которую необходимо красить каждые несколько лет для предотвращения коррозии, попадает в эту область.

• Косвенные потери в результате коррозии. Эти потери могут возникнуть в результате утечки и пожара. Взрывы, связанные с утечками, отключениями электроэнергии, остановкой оборудования и потерями рабочей силы, также косвенно являются результатом коррозии.

Первый шаг к контролю этих затрат требует понимания того, что такое коррозия и что ее вызывает.

Что такое ржавчина?

При коррозии железа или стали образуется оксид железа, или то, что мы называем ржавчиной. Сталь в основном состоит из железной руды. В естественном состоянии железная руда очень похожа на ржавчину: темно-красная, мелкозернистая, со способностью удерживать влагу.

Железная руда - стабильное вещество, пока не превратится в железо или сталь, естественно более слабые элементы. Когда сталь подвергается воздействию влаги и кислорода, она сразу же начинает возвращаться в свое естественное состояние. Несмотря на то, что были приняты защитные меры, большая часть стали, произведенной в этом столетии, уже превратилась в оксид в своем естественном состоянии.

Для существования коррозии требуются три элемента: защищенный металл, корродированный металл и токопроводящая среда между ними. Когда два разнородных металла соприкасаются, один становится защищаемым металлом, а другой - корродированным. Операторы установки могут осознавать экологические ситуации, способствующие коррозии.

Например:

• Если на стальных трубах используются оцинкованные фитинги, оцинкованные (оцинкованные) фитинги подвергаются коррозии, а сталь остается защищенной.

• Сталь или другие металлы, находящиеся под напряжением, подвергаются коррозии, в то время как ненапряженная сталь защищена от коррозии. Это причина того, что на стали появляются язвы ржавчины.

• Свежесрезанная сталь быстрее подвержена коррозии. Резьба, нарезанная на трубе, всегда сначала ржавеет.

Даже если кусок стали не соприкасается с другим металлом, не находится под напряжением и не только что разрезан, он будет ржаветь под воздействием погодных условий. Это связано с тем, что сталь не совсем однородна по составу - небольшие изменения плотности и состава будут происходить внутри одного куска стали, что приведет к коррозии.

Третий ингредиент, необходимый для коррозии стали, - это электролит. Обычно это жидкое или водосодержащее вещество, которое проводит ток коррозии от защищаемого металла к корродированному металлу. Самым распространенным токопроводящим веществом является вода. Дождь, роса, влажность в воздухе и т. Д. Служат эффективными проводниками электричества. Сталь очень медленно подвергается коррозии в пустынном климате, где влажность низкая, а дожди редки. В условиях повышенной влажности и частых дождей защита стали имеет решающее значение.Операторы установки узнают некоторые из следующих сред, в которых используются электрические токи для ускорения процесса коррозии:

• Добавление соли в воду значительно увеличивает ее токопроводящую способность. Таким образом, сталь, подвергающаяся воздействию морской воды или солевого тумана, будет корродировать быстрее, чем сталь в пресной воде. Атмосферная коррозия сильнее в районах вблизи океанов из-за воздействия соленого воздуха. Концентрированные солевые растворы, например, используемые в пищевой промышленности, вызывают сильную коррозию.

• Промышленный дым и пары содержат кислоты, щелочи и другие химические вещества, которые служат проводниками тока. Следовательно, атмосферная коррозия в промышленных районах более серьезна, чем в сельской местности.

• Почва, глина и земляные материалы также являются хорошими проводниками электричества. Трубопроводы и другая сталь, закопанная в землю, без защиты будут подвержены коррозии. Так же, как почва значительно различается по составу, она также различается по своей электропроводности: одни почвы вызывают более сильную коррозию, чем другие.

Контроль коррозии

Чтобы сделать использование стали и других металлов практичным в строительстве и производстве, необходимо применять некоторые методы защиты от коррозии. В противном случае срок службы стали и других металлов будет ограничен, что снизит эффективность и увеличит стоимость обслуживания. Есть несколько эффективных способов остановить коррозию:

1. Подаваемый ток. Используя подходящее генерирующее ток оборудование и средства управления, можно воспроизвести ток, равный по силе корродирующему току, но текущий в противоположном направлении.Этот тип защиты обычно ограничивается трубопроводами, заглубленными резервуарами и т. Д. И требует тщательного проектирования и компоновки. При неправильном использовании приложенный ток может вызвать коррозию.

2. Жертвенные металлы. Сталь может быть защищена путем размещения рядом с другим металлом. Например, если цинк или магний находятся в непосредственном контакте со сталью, они защищают сталь от коррозии. Здесь цинк и магний служат жертвенными металлами, которые не только защищают область непосредственного контакта, но также защищают за пределами металла во всех направлениях.Защита от ржавчины с помощью жертвенных металлов обычно используется в нескольких формах:

• Цинковые или магниевые блоки часто используются для защиты корпусов судов, внутренних поверхностей резервуаров для воды и других погруженных поверхностей.

• Часто выполняется полное покрытие стали жертвенным металлом. Оцинкованная сталь, например, - это сталь, покрытая цинком. Цинк жертвенный и защитит стальную основу.

• Покрытия с высоким содержанием цинка могут наноситься на стальную поверхность для обеспечения катодной защиты.Покрытия с высоким содержанием цинка содержат от 85% до 95% металлического цинка в подходящем связующем. Частицы цинка, нанесенные при окраске, защищают сталь.

3. Грунтовки. Грунтовки и готовые покрытия защищают металлические поверхности, создавая барьер между сталью и корродирующими элементами. Они также предотвращают попадание влаги на поверхность стали. Пленка покрытия защищает нижележащие металлические подложки тремя способами:

• Покрытия могут замедлять скорость диффузии воды и кислорода из окружающей среды к металлической поверхности.Это замедляет процесс коррозии.

• Пленка краски может замедлить скорость диффузии продуктов коррозии с металлической поверхности через пленку краски. Это также замедляет процесс коррозии.

• Антикоррозийные пигменты, содержащиеся в качественных грунтовках, изменяют свойства поверхности основного металла. В результате металл приобретает высокое электрическое сопротивление. Разные пигменты по-разному осуществляют эту реакцию. Грунтовки поглощают и связывают влагу, поэтому она не вступает в реакцию со сталью.

Как выбрать антикоррозийное покрытие

Рассмотрение следующих критериев позволяет определить наиболее эффективный тип антикоррозионного покрытия, необходимый для конкретного проекта.

Качество покрытия / нанесения - Какой уровень антикоррозийной краски требуется? Насколько важно, чтобы краска была стойкой к выцветанию и / или истиранию? Как часто вы планируете перекрашивать? Есть ли предпочтения по нанесению: кисть / валик или распылитель?

Эстетика - Какие материалы будут покрыты? Насколько важно, чтобы лакокрасочный слой выглядел привлекательно? Важно ли сохранять цвет?

Цена - Обычно более качественная краска увеличивает цену.Учитываются ли заявки на подкрашивание при оценке затрат на техническое обслуживание? Какова стоимость выбранной краски? Как часто нужно будет перекрашивать?

Экологические нормы - Каковы местные экологические нормы для красок и покрытий? Соответствует ли краска этим стандартам? Как процесс покраски повлияет на близлежащее окружение? С июня 2002 года правительство США примет постановления по снижению количества загрязняющих веществ в краске для повышения защиты окружающей среды.Новые пределы содержания летучих органических соединений (ЛОС) упадут до 450 г / л краски. Более жесткие ограничения будут введены в Калифорнии, Аризоне, Нью-Йорке и Нью-Джерси, сведя к минимуму твердые объемы до уровня всего 340 г / литр.

Покрытия

При ремонтной окраске используются три основных типа покрытий. Исходя из требований к качеству, цене, применению и эстетике, операторы установки могут выбрать подходящее покрытие из следующего:

Алкидные эмали - Алкидные эмали предназначены для внутренних и наружных поверхностей в умеренных и тяжелых условиях.Это покрытие обеспечивает надежную коррозионную стойкость на срок до 3-5 лет. Алкидные эмали обеспечивают глянцевый цвет, устойчивы к выцветанию и могут наноситься валиком или распылителем. • Эпоксидные покрытия - Эпоксидные покрытия используются для внутренних и наружных поверхностей в промышленных условиях, где сохранение цвета и блеск не важны. Качество покрытия будет лучше, чем у алкидной эмали, поскольку оно выдерживает суровые промышленные условия. Эпоксидные покрытия лучше всего наносить распылением, но также можно использовать кисти и валики.

Полиуретановые покрытия - Полиуретановое покрытие - это краска наилучшего качества из всех трех вариантов. Он выдерживает самые суровые условия окружающей среды и может прослужить до 10 лет. Он обеспечивает сильное сохранение цвета и блеска, а также устойчив к истиранию. Полиуретановые покрытия наносятся методом распыления.

Заключение

Краски работают, потому что они замедляют коррозию за счет уменьшения скорости протекания тока в процессе электрохимической коррозии. Понимая, что такое коррозия, операторы установок могут предсказать, где может возникнуть ржавчина, и определить факторы окружающей среды на своем предприятии, которые способствуют коррозии.Хорошая новость в том, что, хотя коррозия может быть дорогостоящей, это не обязательно. Краски - это экономичное средство защиты от коррозии. Регулярное техническое обслуживание операторами установки может свести к минимуму появление и последствия коррозии.

.

Методы защиты от коррозии

Скачать PDF

В этом техническом бюллетене будут рассмотрены четыре метода защиты компонентов опор труб из углеродистой стали от коррозии; покраска, цинкование, горячее цинкование и их комбинации. Покраска имеет преимущество, когда важен внешний вид и выбор цвета. Современные системы окраски могут быть подходящей защитой в определенных условиях. Краска обеспечивает «барьерную» защиту металлической поверхности. Способность цинка обеспечивать католическую защиту углеродистой стали в дополнение к барьерной защите является фундаментальным преимуществом.В большинстве случаев снижение стоимости жизненного цикла оправдывает небольшие дополнительные затраты на цинкование. Действительно, покраска и гальванизация вместе могут дать синергетический эффект, который в некоторых случаях может быть оправдан.

Использование цинка и гальваники имеет долгую историю. Первые патенты на горячее цинкование были выданы во Франции и Англии в 1836 и 1837 годах. Эта технология была быстро принята и широко использовалась в конце 1800-х годов. В Соединенных Штатах есть мосты возрастом более 100 лет с гальваническими конструкциями.Кроме того, у нас есть опоры электропередачи и конструкции подстанций, которым более 70 лет. Стеллаж для труб на нефтехимическом заводе недалеко от Хьюстона был исследован после 28 лет службы. Измерения оставшейся толщины цинка дали прогноз еще на 60 лет службы. Целлюлозно-бумажные комбинаты используют оцинкованные материалы в большинстве критических условий эксплуатации. Важно понимать основы, которые делают эту «старую» технологию такой рентабельной для такого широкого спектра приложений.

Электрохимия цинка и углеродистой стали

Коррозия - это электрохимический процесс, который происходит при наличии четырех элементов; анод, который отдает электроны, катод, который принимает электроны, электролит (который обычно представляет собой водный раствор кислот, оснований или солей) и металлический путь тока. Скорость коррозии зависит от электрического потенциала между анодной и катодной областями, pH электролита, температуры, а также воды и кислорода, доступных для химических реакций.

На рисунке 1 (выше) показано, как коррозия повреждает углеродистую сталь. Обратите внимание, что ямочная область справа является анодной и отдает электроны, в то время как катодная область слева (где присутствуют вода и кислород из воздуха) - это место, где появляется ржавчина. Ржавчина не является участком с ямками, на котором углеродистая сталь ослаблена.

Цинк имеет большую тенденцию отдавать электроны, чем углеродистая сталь, поэтому, когда оба присутствуют, цинк становится анодом и защищает углеродистую сталь.На рис. 2 показана коррозия, когда цинк отдает электроны и образует ямки, тогда как углеродистая сталь остается неповрежденной. Из этого мы видим, что цинковое покрытие защищает углеродистую сталь, «жертвуя собой» до тех пор, пока цинк не истощится. Скорость истощения цинка относительно низкая, когда pH электролита составляет от 4 до 13.

Горячее цинкование имеет два преимущества перед цинковым покрытием. Во время цинкования расплавленный цинк реагирует с углеродистой сталью с образованием слоев сплавов цинка и железа.На рис. 3 показана оцинкованная поверхность с 5 слоями, верхний слой состоит из 100% цинка, а нижний слой - из углеродистой стали. Слои сплава между ними имеют повышенную твердость для обеспечения механической (барьерной) защиты, а из-за содержания в них цинка они также являются анодными по сравнению с углеродистой сталью. Твердость этих слоев сплава обеспечивает гораздо большую защиту от царапин, чем может обеспечить краска. Это важно для большинства приложений с опорами труб.

  • Слой Eta 100: Zn 70 Твердость по DPN
  • Дзета слой 94% Zn 6% Fe 179 Твердость по DPN
  • Дельта-слой 90% Zn 10% Fe 224 Твердость по DPN
  • Гамма-слой 75 Zn 25% Fe
  • Углеродистая сталь 159 Твердость по ДПН

Любое покрытие, препятствующее проникновению влаги и кислорода в воздух, поможет защитить углеродистую сталь от коррозии.Правильно окрашенная поверхность будет служить барьером, но при контакте с твердыми предметами она подвержена царапинам. На рисунке 4 показано, как ржавчина может разрастаться и повредить окрашенную поверхность, когда начинается коррозия из-за того, что барьер для краски нарушается царапиной.

Рис. 4

На рис. 5 показана катодная защита, обеспечиваемая при появлении царапин на оцинкованной поверхности.

Рисунок 5 Дуплексные системы

обычно требуют окраски поверх гальваники. Некоторые из наших клиентов выбрали дуплексную систему.Это дороже, но может быть оправдано для определенных агрессивных сред или внешнего вида. Американская ассоциация цинкования предлагает следующее «практическое правило» для оценки срока службы дуплексной системы.

(Срок службы дуплексной системы) = 1,5 * (Срок службы: только HDG) + (Срок службы: только краска)
* Синергетический множитель 1,5 основан на барьерной защите, которую краска обеспечивает для оцинкованной поверхности.

в компании Piping Technology and Products Inc., многие клиенты вернули окрашенные опоры переменной и постоянной пружины, которые больше не могли функционировать из-за коррозии. Затраты необходимо учитывать при определении покрытий для опор труб. Владелец и оператор установки должны учитывать затраты на жизненный цикл. Опоры для труб обычно составляют относительно небольшой процент от общей стоимости установки и эксплуатации электростанции, нефтехимического завода, бумажной фабрики или другого крупного объекта. Небольшие дополнительные расходы на горячее цинкование компонентов опор труб из углеродистой стали всегда являются разумным вложением средств.

Для получения дополнительной информации вы можете обратиться в следующую организацию:

Американская ассоциация цинкования - AGA
12200 E. Illif # 204 Aurora, CO 80014
Телефон - 800-468-7732

Национальная ассоциация инженеров по коррозии - NACE
1440 S. Creek Dr. Houston, Tx 77084
Телефон - 713-492-0535

.

Борьба с коррозией и защита крепежных изделий

  • Товары
        • Nord-Lock
        • Оригинальные шайбы
        • Стиральные машины серии X
        • Шайбы для стальных конструкций
        • Колесные гайки
        • Комбинированные шайбы для болтов
        • Индивидуальные решения
      • Быстрые ссылки

        • Технологии
        • Качество
        • CAD Загрузки
        • Рекомендации по крутящему моменту
        • Загрузки
        • Электронное обучение Nord-Lock
        • Магазин Nord-Lock
        • Суперболт
        • Натяжители
.

Самовосстанавливающиеся оксиды металлов могут защитить от коррозии

Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

Исследователи обнаружили, что твердое оксидное защитное покрытие для металлов может при нанесении достаточно тонкими слоями деформироваться, как если бы оно было жидкостью, заполняя любые трещины и зазоры по мере их образования.

Тонкий слой покрытия должен быть особенно полезен для предотвращения утечки крошечных молекул, которые могут проникать через большинство материалов, таких как газообразный водород, который может использоваться для питания автомобилей на топливных элементах, или радиоактивный тритий (тяжелая форма водорода), который образуется внутри активных зон атомных электростанций.

Большинство металлов, за исключением золота, склонны к окислению при воздействии воздуха и воды. Эта реакция, которая приводит к образованию ржавчины на железе, потускнению серебра и побелению меди или латуни, может со временем ослабить металл и привести к трещинам или разрушению конструкции. Но есть три известных элемента, которые образуют оксид, который на самом деле может служить защитным барьером для предотвращения дальнейшего окисления: оксид алюминия, оксид хрома и диоксид кремния.

Джу Ли, профессор ядерной инженерии и науки в Массачусетском технологическом институте и старший автор статьи, описывающей новое открытие, говорит, что «мы пытались понять, почему оксид алюминия и диоксид кремния являются особыми оксидами, обеспечивающими отличную коррозионную стойкость."Статья опубликована в журнале Nano Letters .

Команда, возглавляемая аспирантом Массачусетского технологического института Ян Яном, использовала узкоспециализированные инструменты для детального наблюдения за поверхностью металлов, покрытых этими «особыми» оксидами, чтобы увидеть, что происходит, когда они подвергаются воздействию кислородной среды и подвергаются стрессу. В то время как большинство просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ) требуют, чтобы образцы исследовались в высоком вакууме, команда использовала модифицированную версию, называемую ПЭМ окружающей среды (E-TEM), которая позволяет исследовать образец в присутствии представляющих интерес газов или жидкостей.Устройство использовалось для изучения процесса, который может привести к типу разрушения, известному как коррозионное растрескивание под напряжением.

Металлы, находящиеся под давлением внутри корпуса реактора и в среде перегретого пара, могут быстро коррозировать, если не защищены. Даже при наличии твердого защитного слоя могут образовываться трещины, которые позволяют кислороду проникать к оголенной поверхности металла, где он затем может проникать в границы раздела между металлическими зернами, составляющими объемный металлический материал, вызывая дальнейшую коррозию, которая может проникать глубже и приводить к структурному разрушению.«Мы хотим, чтобы оксид был жидким и устойчивым к растрескиванию», - говорит Ян.

Исследователи обнаружили, что твердое оксидное защитное покрытие для металлов может при нанесении достаточно тонкими слоями деформироваться, как если бы оно было жидкостью, заполняя любые трещины и зазоры по мере их образования. Предоставлено: Кристин Данилофф / Массачусетский технологический институт.

Оказывается, старый резервный материал покрытия, оксид алюминия, может обладать именно жидким течением даже при комнатной температуре, если его сделать достаточно тонким слоем, примерно от 2 до 3 нанометров (миллиардных долей метра). толстый.

«Традиционно люди думают, что оксид металла будет хрупким и подверженным растрескиванию», - говорит Ян, объясняя, что никто не продемонстрировал обратного, потому что очень трудно наблюдать поведение материала в реальных условиях. Именно здесь в игру вступила специализированная установка E-TEM в Брукхейвенской национальной лаборатории, которая является одним из 10 таких устройств в мире.«Никто никогда не наблюдал, как он деформируется при комнатной температуре», - говорит Ян.

«Впервые мы наблюдаем это при почти атомарном разрешении», - говорит Ли. Этот подход продемонстрировал, что слой оксида алюминия, обычно настолько хрупкий, что может разрушиться при напряжении, когда он сделан очень тонким, почти так же деформируется, как сравнительно тонкий слой металлического алюминия - слой намного тоньше алюминиевой фольги. Когда оксид алюминия наносится на поверхность объемного куска алюминия, жидкий поток «сохраняет алюминий покрытым» своим защитным слоем, сообщает Ли.

Исследователи продемонстрировали внутри E-TEM, что алюминий с его оксидным покрытием можно растянуть более чем вдвое, не вызывая появления трещин, говорит Ли. По его словам, оксид «образует очень однородный конформный слой, который защищает поверхность без границ зерен и трещин», даже под действием растяжения. Технически материал представляет собой своего рода стекло, но оно движется как жидкость и полностью покрывает поверхность, если оно достаточно тонкое.

«Люди не могут представить, что оксид металла может быть пластичным», - говорит Ян, имея в виду способность металла деформироваться, например, вытягиваться в тонкую проволоку.Например, сапфир представляет собой форму точно такого же материала, оксида алюминия, но его объемная кристаллическая форма делает его очень прочным, но хрупким материалом.

Самовосстанавливающееся покрытие может иметь множество потенциальных применений, говорит Ли, отмечая преимущество его гладкой, непрерывной поверхности без трещин или границ зерен, которые могут проникнуть в материал.


Открытие жидких металлов открывает новую волну в химии и электронике
Дополнительная информация: Ян Ян и др.Жидкоподобный самовосстанавливающийся оксид алюминия во время деформации при комнатной температуре, Nano Letters (2018). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b00068 Предоставлено Массачусетский Технологический Институт

Этот рассказ переиздан с разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и обучении MIT.

Ссылка : Самовосстанавливающиеся оксиды металлов могут защитить от коррозии (2018, 4 апреля) получено 30 октября 2020 с https: // физ.org / news / 2018-04-самовосстановление-оксиды металлов-коррозия.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Смотрите также