книги из ГПНТБ / Цуркан И.Г. Смазочные и защитные материалы учебник

кислорода или водорода, а отдает лишь электроны, перешедшие на нее от железа. С другой стороны, эти лишние для меди электроны она отдает в раствор на реакции (42) и (43) значительно легче, чем если железо отдавало бы их непосредственно. Именно поэтому образование Fe+2 по реакции (41) идет значительно быстрее, чем в отсутствии меди.

Усиление коррозии железа в контакте с медью протекает при очень малых величинах и .площадях катодных участков включений меди и больших площадях анодных участков чистого железа.

В ряде случаев, особенно в атмосферных условиях при нейтраль­ ной среде (pH = 6-^7), когда скорость коррозии сравнительно неве­ лика, она может быть значительно снижена легированием стали медью, т. е. введением в сталь 2—3% меди и других легирующих компонентов.

Полученная низколегированная сталь имеет более высокий элект­ родный потенциал, приближающийся к электродному потенциалу катодного включения (чистой меди), т. е. происходит выравнивание разности потенциалов и, следовательно, снижение скорости коррозии.

В начальной стадии атмосферной коррозии такая низколегирован­ ная сталь образует более плотную защитную пленку продуктов кор­ розии, которая предохраняет от ускорения процесса коррозии и сни­ жает скорость этого процесса.

Резкого повышения коррозионной стойкости стали можно достиг­ нуть при введении в нее 11— 18% легирующих элементов, таких как хром, никель, получая высоколегированные нержавеющие стали. При столь значительном содержании легирующих металлов сталь пере­ ходит в пассивное состояние.

Хром очень легко пассивируется и, находясь в твердом растворе с железом, повышает его стойкость и затрудняет переход железа в ак­ тивное состояние. Этим и объясняются противокоррозионные свойства таких сталей.

Если в железе имеются включения цинка, стоящего левее в ряду напряжений, то окисляться (отдавать электроны) будет в' основном цинк, а не железо.

Выравнивание концентраций свободных электронов у двух контактирующихся металлов, т. е. движение электронов, представляет собой электрический ток, характеризуемый разностью потенциалов.

Если принять, что у водорода потенциал равен нулю, то потенциалы металлов, определяющие их расположение в ряду напряжений, будут иметь значения, показанные на рис. 25. Чем больше разнятся друг от друга по величине потенциалов два соприкасающихся металла, тем сильнее корродирует более активный из них и тем надежнее защищен от коррозии второй, менее активный. Поэтому недопустимо, например, наличие деталей из меди и ее сплавов в конструкции из алюминиевого сплава.

Поверхность металла (стали, чугуна) неоднородна и имеет участки карбидов железа и других включений. Как правило, эти участки электроположительны, а железо электроотрицательно. Поэтому на такой поверхности будут образовываться микрогальванические эле­ менты и протекать электрохимический процесс коррозии.

80

Наличие кислорода является основным фактором протекания кор­ розии. Он должен поступать к поверхности металла и поддерживать реакцию коррозионного процесса. При этом в реакции участвует как атмосферный кислород, так и растворенный в воде. Интенсивность воздействия кислорода повышается, если ему не приходится преодоле­ вать толщу водяного столба, т. е. когда на поверхности металла имеется тонкий слой воды, а тем более тонкая пленка конденсата, росы и т. д.

Коррозия уменьшается при наличии в окружающей среде веществ, образующих на поверхности металла защитные слои. Защитным дей­ ствием обладают по отношению к железу ионы ОН- . Поэтому добавле­ ние к воде едкого натра ослабляет коррозию. Всякое воздействие, спо­ собствующее разрушению защитной пленки или ее разрыхлению, уси­ ливает коррозию (например, ионы хлора или остатки других кислот).

В приморских местностях коррозия металлических сооружений идет энергичнее, чем вдали от моря. Это объясняется присутствием в воде ионов хлора. Брызги морской воды, испаряясь, выделяют в воз­ дух кристаллики растворенных в морской воде солей, а эти кристал­ лики, растворяясь в водяной пленке на металлах, доставляют в нее ионы хлора.

81

в щелочах, например Zn, Al, Pb, Sn (рис. 26, б). Характерной особен­ ностью является то, что их гидроокиси Zn (ОН)2 и А1 (ОН)3 обнаружи­ вают в водных растворах одновременно свойства кислот и оснований (амфотерность);

в) благородные металлы — устойчивые в кислых и щелочных рас­ творах.

На скорость коррозии железа, кроме неоднородности структуры, наличия карбидов и других включений, влияют различные методы обработки поверхности, в том числе механические (шлифование, дро­ беструйная обработка, ковка и т. п.). Из других факторов, увели­ чивающих скорость коррозии, отметим следующие:

а) внутренние напряжения, появляющиеся в металле при дефор­ мации в процессе обработки или эксплуатации;

б) увеличение скорости движения раствора, в котором протекает коррозия;

в) увеличение температуры (с этим связано интенсивное разруше­ ние кипятильников, воздухоподогревателей, труб отопления в ваго­ нах, а также баков водоумягчителей и других объектов вагонного хозяйства);

г) наличие газов (S 02, С 02, H 2S, HCl) в воздушной среде, а также изгари, пыли, продуктов сгорания топлива. Скорость коррозии в ус­ ловиях локомотивных депо протекает в 3 раза интенсивнее,, чем в ус­ ловиях промышленного района, и в 9 раз по сравнению с сельской ме­ стностью. Однако скорость коррозий даже в сельской местности колеб­ лется в достаточно широких пределах в зависимости от климатических зон (рис. 27).

Конструкция вагона с точки зрения коррозии крайне неблаго­ приятна. При сильно развитой поверхности кузова цельнометалличе­ ского вагона площадью 450 м2 и малой толщине металла 1—2 мм даже незначительные коррозионные поражения (на глубину 0,1— 0,3 мм) создают дополнительные концентраторы напряжений, причем чем тоньше металл обшивки, тем больше относительная потеря его прочности. Очагами интенсивных коррозионных поражений являются уголки, коробчатые соединения, обрезы листов, швеллеры, места кон­ денсации и удержания влаги и особенно все сварные швы. Швы то-

82

Рис. 27. Скорость коррозии в сельской местности по СССР (в мк/год на изолиниях)

Рис. 28. Сквозные коррозионные повреждения стены пассажирского вагона

чечиой сварки, имеющие зазоры между листами обшивки, уже за ко­ роткий период эксплуатации вагона в 1—2 года приводят к появлению корррзионных повреждений и последующему сквозному разъеданию кузовов вагонов за период 5— 10 лет (рис. 28, 29).

На подвижном составе доминирующим методом противокорро­ зионной защиты являются защитные покрытия, главным образом лакокрасочные, удельный вес которых составляет свыше 70%.

83

Рис. 29. Диаграмма скорости коррозии детален вагонов:

шкворневых, центровых балок; 23— боковых швеллеров; 24— концевых балок; 25— средних про­

84

2. Общие понятия о составе лакокрасочных материалов

и механизме образования защитных покрытии

Главными составляющими лакокрасочных материалов (красок) являются пленкообразующие вещества, растворители и различные добавки.

Пленкообразующие вещества представляют собой соединения, спо­ собные при нанесении на поверхность тонким слоем высыхать и обра­ зовывать пленку. Ими являются растительные масла, природные и синтетические смолы.

Синтетические смолы изготовляются на основе полимеров. Молеку­ лы полимеров построены из многократно повторяющихся элементарных звеньев. Эти звенья образуются из простых химических соединений со сравнительно небольшим молекулярным весом (мономеров). Про­ цесс соединения мономеров в длинные цепи называется п о л и м е ­ р и з а ц и е й .

Характерной особенностью полимеризации является то, что укруп­ нение молекулы происходит, как правило, за счет ненасыщенности (т. е. по месту двойных связей) исходных мономеров без выделения каких-либо побочных продуктов реакции. Вследствие этого молеку­ лярный вес полимера всегда равен сумме молекулярных весов молекул

зей, но и с присутствием в молекулах реакционноспособных групп. Он протекает обязательно с выделением побочных продуктов реакции, например воды, хлористого водорода и т. д. Поэтому молекулярный вес полимера, полученного процессом поликонденсацин, всегда меньше суммы молекулярных весов исходных продуктов реакции.

Основными реакционноспособными (функциональными) группами

Молекулы ряда веществ могут содержать по две, три или более функциональные группы, например:

R— СН—СН — R

НООС — R — СООН — (двухосновная кислота);

NH2— R — СООН — (аминокислота);

85

Покрытия на основе непревращаемых пленкообразующих веществ быстро высыхают, но при действии растворителей размягчаются или растворяются, поэтому их называют также обратимыми.

Превращаемые пленкообразующие вещества после нанесения на поверхность образуют неплавкие и нерастворимые покрытия в ре­ зультате физических и химических процессов, происходящих в самом пленкообразующем. Поэтому их называют необратимыми.

Механизм пленкообразования непревращаемых покрытий про­ текает по следующим стадиям: а) испарение основной массы раствори­ теля и переход вещества в стеклообразное состояние; б) дальнейшее испарение растворителя с возникновением в пленке напряжений; в) формирование пленки и ее сокращение с переходом макромолекул в устойчивое состояние, зачастую со значительными процессами усадки.

После практического завершения пленкообразования в пленке остается еще значительное количество (до 5— 12%) растворителей и добавок, которые участвуют уже в процессе последующего старения покрытия.

Механизм пленкообразования у превращаемых покрытий является более сложным и проходит, как указывалось выше, с образованием полимеров с разветвленной или сетчатой структурой. Процесс этот называется с ш и в а н и е м м о л е к у л .

Образование разветвленных или сетчатых структур (сшивок) яв­ ляется основой процесса отверждения превращаемых покрытий и тер­ моотверждения смол вообще.

Для фенолальдегидных, мочевиноили меламиноформальдегидных и полиэфирных пленкообразующих материалов образование трехмер­ ного полимера идет путем поликонденсации. У всех этих смол прев­ ращение происходит только в том случае, если для конденсации взяты компоненты в эквивалентном соотношении.

Трехмерная конденсация пленкообразователя протекает последова­ тельно через две или три стадии:

а) получения растворимой смолы, температура плавления которой невысока;

б) постепенного разветвления цепи (растворимость смолы резко уменьшается, температура плавления повышается);

в) перехода значительной части смолы в трехмерный нерастворимый и неплавкий полимер.

Полного превращения смолы в трехмерный полимер добиться прак­ тически невозможно; часть пленкообразователя в пленке остается в стадиях а) и б); оставшиеся в трехмерном полимере (пленке) некон­ денсированные молекулы лишены подвижности, необходимой для дальнейшего течения реакции.

Пленкообразующие вещества другой группы (виниловые, дивинилацетилен, метилметакрилат, каучуки) дают трехмерный полимер путем полимеризации. Этот процесс происходит, если исходные молекулы имеют более одной непредельной связи.

Образование трехмерных полимеров может происходить ‘по неко­ торым другим реакциям, как, например, полиуретановый синтез, т. е.

87

происходит в присутствии кислорода воздуха, который участвует в реакциях. Высохшая пленка при этом увеличивает свой вес за счет поглощения до 20%, а во влажной атмосфере 40—60% кислорода. Для придания лакокрасочным материалам требуемых свойств, повышения их качества, ускорения пленкообразовання и Т; д. применяют различ­ ные добавки (пластификаторы, сиккативы, пигменты и др.).

Гл а в а VII. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ, ЭЛЕМЕНТЫ

ИЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

1.Классификация покрытий

Различают следующие типы лакокрасочных покрытий:

з а щ и т н о е , наносимое на основной металл, дерево или другой материал для защиты изделия или его составных частей от коррозии

идругих разрушений;

за щ и т и о-д е к о р а т и в и о е, наносимое на основной металл

или дерево для защиты изделия или его составных частей от кор­ розии, а также других разрушений и придания нм декоративного вида; с п е ц и а л ь н о е , наносимое на основной металл или дерево для придания изделию или его составным частям определенного свой­ ства (химической стойкости, теплостойкости, маслостойкости и т. д.). Для надежной защиты изделий на них наносят несколько слоев ла­ кокрасочных материалов. Слой покрытий, непосредственно покры­ вающий очищенную металлическую или деревянную поверхность, на­ зывается грунтовкой. На нее наносят слой шпатлевки. Далее следуют выявительный слой, слой, называемый выправкой, и, наконец, пок­

ровные слои лакокрасочного покрытия.

Например, при окраске металлического котла цистерны приме­ няется защитное покрытие из грунтовки и нескольких слоев краски. Защитно-декоративное покрытие металлического кузова пассажирского вагона состоит из одного-двух слоев грунтовки, пяти — семи слоев шпатлевки, выявительного слоя, выправки и нескольких покровных слоев эмали (рис. 30, а).

Для окраски деревянных поверхностей внутри вагонов применяет­ ся покрытие из грунтовки, шпатлевки, окраски, слоя для разделки и двух слоев лака. Для лакировки деревянных дверей, сидений, полок, шкафов и других поверхностей наносится покрытие из слоя морилки одного-двух слоев порозаполнителя и трех-четырех покровных слоев пака (рис. 30, б).

Для специальных покрытий, например цистерн при перевозке вина, наносится многослойное специальное лакокрасочное покрытие

88

9

8

7

/

Рис. 30. Схемы строения защитно-декоративных лакокрасочных покрытии:

из одного-двух слоев грунтовки, двух-трех слоев эмали и трех-четы- рех слоев лака. Для кислотостойких покрытий эта схема усложняется і.утем нанесения 6—8 слоев лака. При ремонте вагона в депо и на ваго­ норемонтном заводе количество слоев покрытия может сокращаться в зависимости от вида ремонта.

2. Грунтовка

Слой грунта и операция грунтовки имеют ряд важных специфиче­ ских особенностей, отличающих их от всех других операций техноло­ гического процесса окраски.

Грунтовочный слой является той частью всего защитного покрытия, которая должна обеспечить, во-первых, безупречное сцепление (ад­ гезию) всего покрытия с окрашиваемой поверхностью металла, дерева или со слоем старой краски и с последующими слоями покрытия и сохранять эту адгезию в течение всего срока службы покрытия и, вовторых, локализовать и пассивировать все очаги коррозии, которые

впервую очередь могут возникнуть на металлической поверхности. По своему составу грунтовка представляет собой суспензию пиг­

ментов или их смесей с наполнителями в олифе, лаке иди другом свя­ зующем веществе с введением добавок или без них.

Хорошая адгезия грунтовки может быть обеспечена, если наноси­ мый непосредственно на металл грунтовочный слой содержит высоко­ полярные вещества, создающие разного типа связи.

При отсутствии на окрашиваемой поверхности плохо смачиваемых участков между ней и покрытием может возникнуть значительная проч­ ность связей за счет сил сцепления. Типичным примером является де­ ревянная поверхность, окрашенная масляной грунтовкой. Масло про­ никает в поры древесины и высыхает в них; в этом случае прочность связи с поверхностью обусловлена силами когезии пленкообразующего. При наличии достаточно сильного межмолекулярного сцепления глу­ бина проникновения грунтовки на прочность связи с древесиной не влияет.

89