Легкие металлы стали предпочтительным выбором во многих отраслях промышленности. Такие металлы, как алюминий, титан, а теперь и магний, стали жизненно важными в автомобильной, аэрокосмической и многих потребительских отраслях. Сочетание их доступности, исключительного соотношения прочности и веса и универсальности означает, что они являются предпочтительным выбором для инженеров-технологов во всем мире.
Некоторые легкие сплавы обладают превосходной коррозионной стойкостью, даже если они не обработаны, но обработка поверхности неизбежно потребуется для конечного продукта для обеспечения производительности, долговечности и качества. Магний известен своей плохой коррозионной стойкостью, но менее известно то, что некоторые алюминиевые сплавы, содержащие медь или другие переходные металлы, также подвержены коррозии.
Выбор правильного метода защиты от коррозии имеет важное значение для успешного проектирования и производства компонентов. Каждый метод имеет уникальный набор преимуществ и потенциальных проблем. Мы собрали сравнение различных методов лечения, чтобы помочь вам найти наиболее подходящее решение для ваших нужд.
1. Анодирование
Самый популярный метод повышения коррозионной стойкости алюминия — анодирование . Вообще говоря, это включает в себя четырехэтапный процесс достижения защиты.
Первый этап включает погружение материала в ванну с проводящим раствором (обычно кислотную ванну с низким pH) и подключение сплава к аноду электрической цепи. При подаче электрического тока на поверхности металла происходит реакция окисления:
2Al (S) + 6OH - (вод) - 6e - Al 2 O 3(т) + 3H 2 O (л)
Это приводит к утолщению естественного оксида на поверхности металла, создавая защитный внешний слой оксида алюминия. Толщину можно изменить, увеличив время нанесения покрытия, что обеспечивает широкий спектр применения:
- При легком нанесении он может обеспечить хорошую предварительную обработку для краски или последующих покрытий.
- Особые цветовые эффекты могут быть достигнуты при окрашивании.
- При нанесении тонким слоем (обычно <20 мкм) он становится полупрозрачным, что при желании сохраняет металлический внешний вид.
Выбор толщины покрытия играет ключевую роль в определении коррозионной стойкости. В условиях улицы или при интенсивной нагрузке внутри помещения (например, при постоянном контакте с жидкостью) рекомендуется толщина минимум 20 мкм. Если толщина слоев составляет 10 мкм, требуемое более высокое напряжение может повредить материал, растрескивая защитный оксидный слой и становясь пористым.
Кроме того, механизм роста и столбчатая микроструктура вызывают растрескивание по всей толщине в углах, что ограничивает защиту кромок, обеспечиваемую слоями анодирования. Для обеспечения более надежной защиты можно использовать уплотнения с горячей водой, но более эффективные уплотнения могут быть достигнуты за счет использования опасных химических растворов, таких как ацетат никеля или дихромат натрия.
В конечном счете, для материалов, которые требуют определенных эстетических качеств, сохраняя при этом высокую устойчивость к коррозии при контакте с жидкостями, анодирование не является лучшим методом повышения коррозионной стойкости.
2. Плазменное электролитическое оксидирование
Плазменное электролитическое оксидирование (ПЭО) предполагает использование плазменных разрядов для преобразования металлической поверхности легких металлов. Он образует клейкий оксидный слой, одновременно твердый и плотный.
Компоненты погружаются в ванну, и электрический ток используется для «выращивания» однородного слоя оксида на поверхности. ПЭО происходит в три этапа :
- Окисление подложки (как происходит в процессе анодирования)
- Совместное осаждение элементов из электролита в покрытие.
- Модификация полученного слоя плазменным разрядом
ПЭО образует твердые, плотные и износостойкие покрытия для легких металлов, таких как алюминий, титан и магний. По сравнению непосредственно с анодированными покрытиями , ПЭО образует покрытия с более высокой твердостью, химической пассивностью и выгодной неравномерной структурой пор, которая обеспечивает высокую устойчивость к деформации и более сильную адгезию.
Помимо превосходных физических и химических характеристик, процесс ПЭО может проводиться экологически чистым методом благодаря доступным для использования безопасным электролитам и нетоксичным побочным продуктам процесса окисления. Электролиты не содержат кислот, аммиака, тяжелых металлов и хрома, а используемые щелочные растворы низкой концентрации малоопасны и легко утилизируются.
Это приводит к созданию гораздо более экологичного решения, чем альтернативы, а также к ряду других преимуществ.
3. Хромирование
Усиление правительственного экологического и нормативного контроля над производственными процессами привело к постепенному сокращению хромирования как метода защиты от коррозии, хотя это один из наиболее эффективных методов.
Химические процессы при хромировании различаются, но многие из них включают применение растворов хромовой кислоты, натрия, хромата или дихромата калия для очистки металлической поверхности вместе с другими добавками. Использование таких добавок вызывает окислительно-восстановительные реакции с поверхностью, оставляя на металлической подложке пассивную пленку, содержащую оксид хрома (IV) и гидратированные соединения. Это обеспечивает высокую коррозионную стойкость и хорошо сохраняет последующие покрытия.
Высокая защита от коррозии обусловлена способностью соединений хрома (VI) восстанавливать защитную оксидную пленку на поврежденном участке покрытия под воздействием кислорода воздуха. Это называется самоисцелением. Похожий механизм используется при создании нержавеющей стали: добавленный в сплав хром естественным образом образует на поверхности очень тонкий пассивный слой оксида хрома, предотвращающий окисление железа. Он быстро восстанавливается, если поверхность повреждена и подповерхностный хром подвергается воздействию атмосферы. Хромат также можно использовать в качестве добавки к краскам или в качестве герметика при анодировании, повышая их защиту от коррозии.
Однако теперь известно, что соединения шестивалентного хрома, используемые при хромированиее, обладают разрушительными и канцерогенными свойствами . Побочные продукты хромирования очень опасны, и поэтому неудивительно, что в отношении материалов, использующих этот процесс, проводится жесткая политика.
Сегодня его использование запрещено во многих отраслях, и его использование строго регулируется. Он по-прежнему широко используется во многих отраслях, не склонной к риску, но ситуация требует все большего изменения. К сожалению, он остается лучшим методом химической пассивации алюминия из-за его свойств самовосстановления. Интенсивные исследования начались в 1980-х годах с целью найти альтернативы самовосстановлению, не содержащие хрома, но они еще не достигли общего уровня защиты. Инженеры ищут альтернативы, такие как анодирование и др., для улучшения характеристик в суровых условиях.
4. Краски
Решения для покрытия поверхностей, такие как краски, грунтовки и другие полимерные системы, кажутся безграничными как по наличию, так и по разнообразию. Самым привлекательным преимуществом работы с красками является то, что их можно раскрашивать, отделывать или наносить по-разному.
Полимерные верхние покрытия также доступны в таком разнообразии и по способам нанесения. Могут быть использованы альтернативные химические составы и добавки, которые обеспечивают такие свойства, как блеск, повышенная твердость, смазывающая способность, определенные текстуры, температурная стабильность и химическая стойкость, и это лишь некоторые из них.
Краски представляют собой относительно недорогой метод повышения коррозионной стойкости. Однако задействованные процессы крайне неэффективны; во время нанесения до 50% покрытия может испаряться, а отверждение в печи приводит к образованию вредных побочных продуктов, которые являются опасными и дорогими для утилизации в больших объемах.
Обладая превосходной химической и особенно коррозионной стойкостью, как и другие полимерные углеводороды, краски мягкие (их твердость оценивается по сравнению с грифелем карандаша), что означает, что их легко царапать и истирать.
5. Порошковые покрытия
Порошковые покрытия, как и краски, представляют собой еще один относительно недорогой вариант. Хотя преимуществ порошковых покрытий больше чем у красок, за счет более толстых защитных слоев можно наносить более эффективно и быстрее.
Покрытия толстые, что приводит к образованию объемных слоев (обычно более 80 мкм), которые существенно повышают коррозионную стойкость материала. Платой за эту дополнительную защиту является добавленная толщина, что как правило требует дополнительно механической обработки.
Заключение
В этой статье мы попытались предоставить краткий обзор покрытий из легких материалов для улучшения коррозионной стойкости легких сплавов. На самом деле существуют сотни различных методов и процессов от разных поставщиков, каждый из которых имеет небольшие различия в способах достижения результатов.
Выбор правильного покрытия жизненно важен, но непрост. Примите целостный подход к процессу нанесения покрытия, начиная с ранних стадий проектирования компонентов. Геометрия компонентов, обеспечение подходящего дренажа, исключение несовместимых комбинаций материалов и выбор сплавов — все это имеет решающее значение.
Для достижения наилучших результатов выберите предварительную обработку, обеспечивающую хорошую адгезию к основанию и любым последующим обработкам. Верхние покрытия следует выбирать с учетом их совместимости с предварительной обработкой и требуемых конечных/функциональных/эстетических свойств.
