Міністерство освіти і науки, молоді та спорту україни

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

 

 

А.П. БОВСУНОВСЬКИЙ

 

МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів напряму

6.051301 Хімічна технологія

денної форми навчання

 

СХВАЛЕНО на засіданні кафедри машинобудування, стандартизації і сертифікації обладнання як конспект лекцій Протокол №14 від 29.05.2012

 

 

КИЇВ НУХТ 2012

 

А.П. Бовсуновський Матеріалознавство: Конспект лекцій з напряму Хімічна технологія для студ. ден. форми навч. – К. НУХТ, 2012. – 54 с.

 

 

Рецензент Є.В. Штефан, д-р техн. наук.

А.П. Бовсуновський, д-р техн. наук

 

© А.П. Бовсуновський, 2012

© НУХТ, 2012

 

 

 

ЛЕКЦІЯ 1. ПРЕДМЕТ КУРСУ І ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ

 

Створення нових конструкційних матеріалів і матеріалів спеціального призначення і розробка технологій їх отримання є об'єктивною необхідністю технічного прогресу. Під конструкційними матеріалами маються на увазі матеріали для виготовлення силових елементів конструкцій, тобто тих, які повинні витримувати значне механічне навантаження (будівельні конструкції, енергетичні установки, транспорт). Спеціальні матеріали повинні мати задані фізичні і/або хімічні властивості (електроніка, магнітні і хімічностійкі матеріали, тощо).

Матеріалознавство – це наука, що займається створенням нових матеріалів і дослідженням їх властивостей.

Предметом курсу “Матеріалознавство” є вивчення номенклатури матеріалів, які застосовуються у хімічному, харчовому, фармацевтичному виробництві; їх основних властивостей; закономірностей впливу експлуатаційних факторів, складу і структури матеріалів на ці властивості; технологій одержання і областей застосування матеріалів.

Основні експлуатаційні фактори, актуальні у хімічному, харчовому, фармацевтичному виробництві: стан зовнішнього середовища (головним чином температура і вологість повітря); механічне навантаження; вплив хімічно агресивного середовища.

Основні вимоги до матеріалів, які використовуються у хімічному, харчовому, фармацевтичному виробництві: висока корозійна стійкість; механічна міцність; задовільні теплові характеристики; вологостійкість.

Матеріали характеризуються трьома типами характеристик: механічні (міцність матеріалу); фізичні; хімічні.

 

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

Хімічна стійкість – здатність матеріалу протистояти дії хімічно агресивного середовища чи речовин.

Розчинність – здатність матеріалу розчинятися в тому чи іншому середовищі.

Адгезія – здатність різнорідних речовин утворювати міцне з’єднання.

Когезія – здатність однієї речовини утворювати міцне з’єднання.

Запитання для самоперевірки:

1. Що є предметом курсу матеріалознавство?

2. Якими основними типами властивостей характеризуються матеріали?

3. Які характеристики визначають механічні властивості матеріалів?

4. Які характеристики визначають фізичні властивості матеріалів?

5. Які характеристики визначають хімічні властивості матеріалів?

 

ЛЕКЦІЯ 2. ВУГЛЕЦЕВІ І ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

 

Сталі знаходять широке застосування у сучасному виробництві через вигідне співвідношення механічних властивостей, відносно низьку вартість отримання, технологічність. Основний недолік вуглецевих сталей – низька корозійна стійкість. Розрізняють вуглецеві і леговані сталі.

 

ВУГЛЕЦЕВІ сталі

Сталь – сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14% вуглецю. Вуглецеві сталі містять невелику кількість домішок Mn (0,25…0,8%), Si (0,05…0,30%), S (до 0,06%), P (до 0,15%), газові включення тощо. Марганець і кремній є корисними домішками, що підвищують міцність сталі. Сірка окрихчує сталь за високих температур (красноламкість), а фосфор – за низьких (холодноламкість).

За призначення вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С£0,6%) і інструментальні (С>0,6%).

Конструкційні сталі звичайної якості призначені для виготовлення деталей методом холодного оброблення різанням і тиском. До цієї групи належать сталі марок Ст0, Ст1, Ст2, …, Ст6. Сталь з більшим номером має більшу міцність (s_в=320…750 МПа), але меншу пластичність (d=22…8%). Якісні конструкційні сталі призначені для виготовлення деталей, які необхідно термічно оброблювати, тому їх хімічний склад регламентується. Ці сталі маркуються числом, що показує вміст вуглецю у сотих частках відсотка: 08, 10, 15, 20, …, 60.

Інструментальні сталі застосовують для виготовлення ріжучого інструменту. Вони мають високу твердість і зносостійкість. Інструментальні сталі поділяють на якісні і високоякісні. Маркуються вони літерою У і числом, що означає вміст вуглецю у десятих частках відсотка. В кінці марки високоякісної сталі додають літеру А, наприклад У7, У7А, У10, У10А, У12, У12А. З інструментальних сталей виготовляють металорізальний інструмент і інструмент для металообробки.

Вміст вуглецю значною мірою впливає на будову і властивості вуглецевих сталей. Міцність і твердість сталі суттєво зростають при збільшенні вмісту вуглецю, але пластичність і ударна вязкість при цьому різко падає (рис. 2.1).

Механічні властивості вуглецевих сталей можна суттєво змінити за допомогою різних видів термічного оброблення. Термічним обробленням називають сукупність операцій нагрівання, витримування при високій температурі і охолодження заготовок або готових виробів з метою зміни їх структури і надання їм потрібних властивостей (міцність, твердість, зносостійкість тощо). Залежно від режимів нагрівання і охолодження термічне оброблення поділяють на відпал, гартування і відпуск.

Відпал – це термічна операція, що полягає у нагріванні сталі до температури, що перевищує температуру фазового перетворення, витримці деякий час при цій температурі з подальшим повільним охолодженням (зазвичай разом з піччю). Мета відпалу – отримати рівноважну і однорідну структуру, зменшити твердість і підвищити пластичність сталі, полегшити її оброблення тиском і різанням.

Гартування – це термічна операція, що полягає у нагріванні сталі до тих самих температур, що і для відпалу, з подальшим швидким охолодженням (зазвичай у воді або маслі). В результаті гартування твердість і міцність сталі зростає у декілька разів. Недоліком гартування є виникнення в металі значних механічних напружень, для зменшення яких загартовані вироби відпускають.

Відпуск – це термічна операція, що полягає у нагріванні сталі до температур, що не перевищує температуру фазового перетворення, витримці деякий час при цій температурі з подальшим повільним охолодженням (зазвичай на повітрі). З підвищенням температури відпуску міцність і твердість сталі зменшується, а в’язкість – збільшується.

Термічне вороніння – процес отримання на поверхні вуглецевої або низьколегованої сталі або чавуну шару оксидів заліза завтовшки 1-10 мкм витримуванням при температурі 300-450°C у повітряній атмосфері. При цьому поверхня деталі покривається тонким шаром масляного лаку. Від товщини цього шару залежить його колір (кольори мінливості), що змінюються при збільшенні товщини плівки від жовтого, вишневого, фіолетового, синього до синьо-чорного. Вороніння використовується як декоративне і антикорозійне покриття.

 

ЛЕГОВАНІ сталі

Легованими називають сталі, до складу яких додають легуючі елементи (Cr, Ni, W, Mo, V, Ti, Co, Mn, Si та ін.), що впливають на механічні і фізико-хімічні властивості сталі. Властивості легованих сталей визначаються складом і вмістом легуючих елементів, а також характером їх взаємодії з залізом і вуглецем. Легуючі елементи можуть розчинятися в залізі (Ni, Co, Al, Si, Mn), або утворювати карбіди (W, Mo, V, Ti та ін.). Карбіди і металеві сполуки підвищують міцність сталі.

Маркування легованих сталей складається з літер і цифр. Перші дві цифри вказують на вміст вуглецю у сотих частках відсотка, літери позначають легуючі елементи, а цифри після літер – на вміст легуючих елементів у відсотках. Якщо цифра після літери відсутня, то вміст цього елемента приблизно 1%. В якості легуючих елементів найчастіше застосовують хром (Х), нікель (Н), марганець (Г), кремній (С), вольфрам (В), молібден (М) і ванадій (Ф), значно рідше — кобальт (К), титан (Т), алюміній (Ю) та інші метали. Наприклад, сталь марки 10Х18Н10Т містить 0,1%С, 18%Cr, 10%Ni, 1%Ti.

За ступенем легуваннясталі поділяють нанизьколеговані (вміст легуючих елементів до 2,5%), середньолеговані (вміст легуючих елементів до 2,5-10%) і високолеговані (вміст легуючих елементів більше 10%). Головна мета легування – підвищення міцності, стійкості проти корозії, теплостійкості, жаростійкості, жароміцності, збільшення прогартовуваності та ін.

Вплив окремих легуючих елементів на властивості сталі. Хром — при кількості більше ніж 13% надає корозійної стійкості, понад 5% — жаростійкості. Нікель — одночасно з міцністю підвищує ударну в'язкість, а також жароміцність (понад 8%). Кремній — в ресорно-пружинних сталях надає пружності, а у високотемпературних сталях — жаростійкості. Вольфрам і молібден — утворюють важкорозчинні карбіди і при значній кількості (понад 5%) надають сталі теплостійкості.

За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні і сталі з спеціальними властивостями.

Конструкційні леговані сталі призначені для виготовлення відповідальних деталей машин і конструкцій. Вони повинні мати високу міцність, в’язкість, а в деяких випадках також твердість і пружність. Приклади таких сталей: низьколеговані маловуглецеві сталі 09Г2, 10Г2С, 15ХСНД. Вони добре зварюються, тому їх використовують у машинобудуванні і будівництві для виготовлення зварних конструкцій, трубопроводів, котлів. Маловуглецеві хромомарганцеві і хромонікелеві сталі 18ХГТ, 20ХГР, 12ХН3А, 15ХГН2ТА використовуються для виготовлення деталей машин, що зазнають знакозмінних і ударних навантажень, а також зношування, наприклад, шестерні, вали, пресувальні матриці тощо.

Інструментальні леговані сталі повинні мати високу твердість і зносостійкість. Ці сталі містять до 1% вуглецю і легуються карбідоутворюючими елементами Cr і W. До таких сталей відносять 9ХСГ, ХВГ, Х12М. З них виготовляють різальні інструменти, матриці пресів. Особливо високою зносостійкістю відзначаються швидкорізальні сталі з високим вмістом вольфраму Р18, Р6М5.

До сталей з спеціальними властивостями належать високолеговані сталі, що мають особливі хімічні або фізичні властивості: магнітні, електричні, високу корозійну стійкість, жаростійкість, жароміцність.

Корозійностійкі сталі мають високу корозійну стійкість у хімічно активних газових і рідких середовищах, що досягається за рахунок вмісту хрому понад 13%. Стійкість проти корозії підвищується при введенні до складу сталі нікелю, алюмінію, кремнію. Ці елементи утворюють безперервну міцну оксидну плівкую. При вмісті хрому понад 12% сталь різко змінює свій електродний потенціал з електронегативного (-0,6В) на електропозитивний (+0,2 В). На поверхні утворюється щільна захисна плівка оксиду Сr₂О₃.

Сталь, що містить 12-14% Сr, стійка проти корозії на повітрі, у морській воді, ряді кислот, лугів і солей. Хромисті сталі корозійностійкі при температурі до 300°С у водопровідній воді, вологій атмосфері, розчинах азотної кислоти і багатьох органічних кислотах. У морській воді хромисті сталі схильні до корозійного розтріскування при значних механічних навантаженнях. Приклади таких сталей: 10Х13, 40Х13, 10Х25, 12Х18Н9, 10Х18Н10Т.

Жаростійкі і жароміцні сталі мають здатність сталі чинити опір газовій корозії при підвищених температурах та зберігати достатню міцність при високих температурах. Жаростійкість забезпечується легуванням сталей хромом, кремнієм та алюмінієм, які утворюють захисні плівки (Fe, Cr)₂О₃, SiO₂, Al₂O₃. До жаростійких сталей відносяться леговані сталі 25Х6С10, 40Х9С2, 15Х25Т, 12Х18Н10Т.

Жароміцність досягається легуванням тугоплавкими хімічними елементами (хром, нікель, молібден). Як правило, жароміцні сталі мають і високу жаростійкість. Це сталі 15Х2МФС, 15Х11МФ, 40Х10С2М, 10Х18Н10Т, 40Х15Н7Г7Ф2МС.

Зносостійка сталь–сталь Гадфільда (110Г13Л) використовується для виготовлення деталей, які працюють в умовах абразивного тертя й високого тиску та ударів (наприклад, траки гусеничних машин, деталі подрібнювачів, хрестовини залізничних і трамвайних колій, черпаки землерийних машин).

Магнітні сталі і сплави поділяють на магнітотверді, які застосовуються для виготовлення постійних магнітів, і магнітом’які, які використовуються для виготовлення магнітопроводів (осердь трансформаторів, реле, електромагнітів). Магнітотверді сталі виготовляють легуванням Cr, W, Co (ЕХ3, ЕХ7В7, ЕХ5К5), а також сплавляючи залізо з Al, Ni, Co (сплави типу альніко – ЮНДК15). До магнітом’яких належать технічно чисте залізо, кремнієві електротехнічні сталі, а також спеціальні сплави: пермалої (сплав заліза с нікелем), альсіфери (сплави заліза з алюмінієм і кремнієм).

Сплави з високим електричним опором призначені для виготовлення електронагрівальних елементів нагрівальних приладів. До таких сплавів відносять ніхроми -–сплави нікеля і хрома (Х20Н80), а також фехралі – сплави заліза з алюмінієм і хромом (Х13Ю4). Вони мають високий електричний опір (приблизно на два порядки більший, ніж у міді) і здатні тривалий час працювати при температурі до 1300°С.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке вуглецеві сталі?

2. Від який чинників і як залежать властивості вуглецевих сталей?

3. Що таке леговані сталі?

4. З якою метою сталі легують?

5. Як леговані сталі поділяють за використанням?

 

Лекція 3. КОРОЗІЯ. МЕТОДИ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ

Корозією (лат. corrodere - роз'їдати, руйнувати) називають руйнування матеріалів в результаті хімічної або електрохімічної дії середовища. Це явище характерно не лише для металів і сплавів, але і для неметалевих матеріалів - пластмас, кераміки, тощо.

Розрізняють хімічну корозію, яка зумовлена дією сухих газів, а також рідин, що не є електролітами (нафта, бензин, фенол), і електрохімічну корозію, яка зумовлена дією рідких електролітів: водних розчинів, що містять іони і є провідниками електрики (солі, кислоти, луги, вологе повітря).

 

ХІМІЧНА КОРОЗІЯ

Найбільш поширеним видом хімічної корозії є газова корозія при високих температурах, що є процесом взаємодії матеріалу з киснем або активними газовими середовищами (галогени, діоксид сірки, сірководень, пари сірки, діоксид вуглецю і т. д.). У виробничих умовах найчастіше стикаються з окисленням металів. У випадках сплавів на основі заліза окислення відбувається з утворенням окалини.

Склад атмосфери також впливає на корозію металів. У містах, де повітря забруднене промисловими газами, корозія проявляється значно сильніше, ніж у сільській місцевості. Для сталевих деталей особливо шкідливими є сірчистий газ SO₂, сірководень H₂S, хлор Сl₂ і хлористий водень НСl. Хлористий водень також небезпечний для алюмінієвих і магнієвих сплавів. Для мідних сплавів характерна підвищена корозія в атмосфері аміаку NH₃.

За ступенем корозійної агресивності розрізняють наступні види атмосфер: суха континентальна, морська чиста, морська індустріальна, індустріальна, індустріальна сильно забруднена.

Здатність металів протистояти хімічній корозії зумовлені:

1) утворенням суцільних оксидних плівок на їх поверхні (для забезпечення суцільності плівок необхідно, щоб об'єм оксиду V_ок був більше об'єму металу V_мет, з якого він утворився: V_ок/V_мет>1, інакше утворюється переривчаста плівка, не здатна ефективно захистити метал від корозії).

2) високою механічною міцністю оксидних плівок;

3) міцним зчепленням оксидної плівки з металом;

4) достатньою товщиною оксидної плівки.

Цим вимогам задовольняє, зокрема, плівка оксиду хрому Сr₂О₃ що зумовлює високу стійкість проти корозії сталей і жаростійких сплавів з високим вмістом хрому.

 

ЕЛЕКТРОХІМІЧНА КОРОЗІЯ

Електрохімічна корозія виникає при контакті двох металів або двох фазових складових одного металу, що розрізняються за електродними потенціалами у електролітному середовищі. Здатність металів або окремих фаз протистояти електрохімічній корозії залежить від значення їх електродного потенціалу. Електродний потенціал – це різниця електричних потенціалів між електродом та електролітом, в контакті з яким він знаходиться (найчастіше всього між металом і розчином електроліту).

Метал або фаза, що мають негативний електродний потенціал (анод) віддають позитивно заряджені іони в розчин і розчиняються. Електрони перетікають в метал або фазу, що мають вищий електродний потенціал (катод). Катод при цьому не руйнується, а електрони з нього ввиходять в зовнішнє середовище. Чим нижче електродний потенціал металу або фази по відношенню до стандартного водневого потенціалу, прийнятого за нульовий рівень, тим легше метал або фаза віддають іони в розчин, і тим нижче їх корозійна стійкість.

Швидкість електрохімічної корозії прямопропорційна різниці потенціалів металевих пар. Наприклад, для пари Сu-Zn різниця потенціалів складає 1,1…1,3В (електродний потенціал міді +0,34…+0,52 В, а цинку -0,76В). Для пари Cu-Al різниця потенціалів складає вже 2,0…2,4В (електродний потенціал алюмінію -1,66В). Отже, корозійне руйнування у другій парі буде інтенсивнішим. У цих парах мідь є катодом, а цинк і алюміній - анодом. Завдяки негативному потенціалу в розчин переходять позитивні іони цинку і алюмінію, тому вони руйнуються (кородують). В той же час мідний катод не зазанає корозії.

Розрізняють наступні основні види електрохімічної корозії: рівномірна, місцева і міжкристалітна.

У випадку однофазного матеріалу, наприклад, чистого металу або однорідного твердого розчину, корозія поширюється рівномірно по всій поверхні деталі - відбувається рівномірна корозія (рис. 3.1, а). Термічна обробка, що веде до гомогенізації структури (відпал), робить сплав стійкішим проти електрохімічної корозії.

В неоднорідних металах виникає місцева корозія, охоплюючи окремі анодні ділянки поверхні з низьким значенням електродного потенціалу (рис. 3.1, б). До місцевої корозії відносяться пітинг або точкова корозія, а також плямиста і виразкова. Області місцевої корозії є концентраторами механічних напружень.

Анодними ділянками можуть бути границі зерен і фаз, тоді як зерна самі по собі є катодами. В цьому випадку розвивається найбільш небезпечний вид корозії - міжкристалітна корозія. Вона майже непомітна з поверхні і поширюється в глиб металу по границях зерен (рис. 3.1, в), призводячи до руйнування металу.

Великий вплив на процес корозії у водних середовищах має розчинений в рідині кисень. При достатньому вмісті кисню на поверхні металу утворюється захисна оксидна плівка, що підвищує електродний потенціал металу. Небезпечні анодні зони утворюються в місцях поганої аерації, де ускладнений доступ кисню з повітря. Сталева плита, яка знаходилася під шаром піску, кородує швидше, ніж плита, яка залишалася під безпосереднім впливом атмосфери. Сталеві цвяхи в старих дерев'яних конструкціях руйнуються набагато швидше, ніж їх голівки, розташовані зовні.

Основними методами захисту від корозії є нанесення захисних покриттів і плівок, зміна електрохімічного потенціалу матеріалу, модифікація корозійного середовища.

 

ЗАХИСНІ ПОКРИТТЯ

Захисні покриття можуть бути металевими і неметалевими. Металеві покриття бувають катодними або анодними.

Катодні покриття - це покриття з металу, електродний потенціал яких більший, ніж у металу, що необхідно захистити від корозії.

Катодні покриття захищають метал тільки завдяки його ізоляції від агресивного середовища, тому повинні бути суцільними. Якщо в катодному покритті утворюється щілина, то в умовах корозії вона стає катодом а відкрита частина металу, що захищається, - анодним елементом. Анодна поверхня при цьому значно менша, ніж катодна. Електрохімічне руйнування металу концентрується на невеликій поверхні. Враховуючи небезпеки, що криються в можливих несуцільнстях катодних покриттів, їх роблять порівняно великої товщини.

Анодні покриття - це покриття з металу, електродний потенціал яких менший, ніж у металу, що необхідно захистити від корозії.

Наприклад, для заліза анодними покриттями є цинк і алюміній. Захисні властивості анодних покриттів полягають не лише в механічній ізоляції металу від корозійного середовища, але і в електрохімічній дії. У разі часткового руйнування покриття метал, що захищається, є катодом і тому не руйнується. Внаслідок цього невеликі несуцільності в анодних покриттях не є небезпечними.

Неметалеві покриття застосовуються у разі хімічної взаємодії металу з агресивним середовищем. Прикладом таких покриттів є полімерні і керамічні покриття і скловидні емалі, стійкі до дії мінеральних і органічних кислот.

 

МЕТАЛЕВІ ПОКРИТТЯ

Цинкові покриття. Цинкування є найпоширенішим способом антикорозійної обробки сталі. Щорічно у світі оцинковується близько 25 млн. т сталі через те, що цинк є відносно дешевим металом.

У оцинкованому листовому залізі сталь є катодом (електродний потенціал заліза -0,04…-0,44В). Цинк, руйнуючись, захищає залізо від корозії. Цим пояснюється довговічність будівельної жерсті, домашніх відер, оцинкованих кузовних листів та ін.

Основними методами нанесення цинкових покриттів на сталь є електролітичний і занурення в розплав. Цинкові покриття характеризуються корозійною стійкістю в атмосферних умовах, в прісній воді і в закритих приміщеннях з помірною вологістю.

Цинкові покриття мають задовільну міцність і твердість, зносо- і водостійкість. Довговічність оцинкованих труб залежить від товщини покриття. Для труб, що серійно випускаються, товщина покриття складає 43-46 мкм.

В однаковому агресивному середовищі швидкість корозії оцинкованих труб у 3-4 рази нижча, ніж у сталевих без покриття. Для підвищення корозійної стійкості оцинкованих листів до складу цинкового покриття вводять мідь (0,08-0,82%) і алюміній (до1%). Для підвищення корозійної стійкості оцинкованого листа його додатково покривають лакофарбовим або кольоровим полімерним покриттям.

З'єднання цинку токсичні і при нагріванні нестійкі в кислотах. Цинкові покриття не застосовують для захисту від корозії деталей, що знаходяться у безпосередньому контакті з харчовими продуктами.

Алюмінієві покриття. Для сталевих деталей з алюмінієвим покриттям характерне поєднання високої міцності і корозійної стійкості. Покриття наносять шляхом гарячого алюмініювання в розплавах (алітування), плакіруванням і напиленням у вакуумі. Найбільш поширеним є перший спосіб.

Корозійна стійкість сталевих деталей з алюмінієвим покриттям зумовлена високими захисними властивостями плівки Аl₂О₃, що утворюється на поверхні, товщиною 0,1 мкм. Цей оксидний шар при ушкодженні швидко утворюється заново, особливо при високотемпературному нагріві.

Алюмінієві покриття стійкі у водних розчинах агресивних харчових середовищ і органічних кислот. Нетоксичність, інертність до багатьох середовищ хороші грунтовочні властивості для подальшого нанесення полімерних і склоемалевих покриттів зумовлюють досить широке застосування алюмінієвих покриттів в різних галузях машинобудування.

Олов'яні покриття. Покриття оловом (-0,14 В) роблять методами занурення в розплав і електролітичним осадженням. При зануренні сталевих і чавунних виробів в розплав на поверхні утворюється тонкий шар з'єднання FeSn₂, над яким утворюється шар олова. Також використовують метод електролітичного лудіння. Листовий прокат, отриманий цим методом, називають білою жерстю. Товщина олов'яних покриттів складає 30-35 мкм.

Олов'яні покриття широко застосовуються в різних галузях техніки, передусім в харчовій і м'ясомолочній промисловості, особливо для захисту від корозії різних сталевих місткостей типу баків, цистерн, фляг. Оловом захищають не лише сталеві, але і мідні місткості.

Покриття на основі хрому. В якості замінника білої жерсті застосовується холоднокатаний тонкий лист з електролітично нанесеним покриттям оксиду хрому.

Електролітично хромовану жерсть використовують замість білої жерсті при виготовленні пакувальної тари для консервів (овочевих молочних, м'ясних, рибних), а також фруктових соків, пива, безалкогольних напоїв, при виробництві кришок для склотари і ковпачків для пляшок, тари, для упаковки сухих харчових продуктів.

 

НЕМЕТАЛЕВІ ПОКРИТТЯ

Емаль – забарвлені в різні кольори оксидами металів легкоплавкі скловидні маси, що наплавляються одним або декількома тонкими шарами на метал. Основними компонентами майже усіх емалей є двоокис кремнію SiO₂, борний ангідрид B₂O₃, окис алюмінію Al₂O₃, окис титану TiO₂, оксиди лужних і лужноземельних металів, свинцю, цинку, деякі фториди та ін.

Емалі поділяють на грунтові і покривні. Грунтові емалі, що містять речовини з хорошою адгезією до металу (головним чином оксиди кобальту і нікелю), служать для нанесення шару, який є проміжним між покривним шаром емалі і металом. Покривні емалі утворюють міцне з’єднання з металом, тому їх наносять без грунтових емалей. Емалюють головним чином вироби з сталі і чавуну, рідше - з міді, алюмію і срібла.

Розрізняють два основні способи емалювання. Багатошарове емалювання, при якому виріб спочатку покривається грунтовкою, а потім – покривними емалями (при цьому він двічі обпалюється), і одношарове пряме емалювання, при якому шар емалі (0,2-0,3 мм) менший наполовину. При емалюванні, вживаному в хімічному і харчовому машинобудуванні, зазвичай наноситься багатошарова емаль.

Емалеве покриття має високу хімічну стійкість, зносостійкість, забезпечує незначне налипання залишків продукту, завдяки чому поверхня легко миється. Покриття має високу адгезію до металу.

При експлуатації емальованої апаратури не допускається різко підвищувати тиск і швидко її нагрівати (охолоджувати), Недоліками емалевих покриттів є чутливість до ударів (емаль відколюється), різкої зміни температури і дії лугів.

Полімерні покриття не лише захищають метали від дії агресивних середовищ, але і підвищують їх зносостійкість, знижують адгезію робочих поверхонь, економлять кольорові метали і інші дефіцитні матеріали.

У різних областях промисловості для захисту внутрішніх поверхонь апаратів, трубопроводів і арматури застосовуються вінілхлоридні, фторопластові, поліолефінові, поліуретанові, фенолформальдегідні, кремнійорганічні, каучукові, епоксидні і інші покриття.

Поліолефінові покриття. Найбільш поширеними поліолефінами є поліетилен, поліпропілен і їх сополімери. Покриття з поліолефінів відрізняються високою хімічною стійкістю до дії багатьох агресивних середовищ.

Поліолефіни використовуються для нанесення покриттів майже усіма відомими методами, включаючи напилення порошкоподібних полімерів, плакірування плівками і листами, футерування (облицювання) литвом під тиском, тощо.

Поліаміди. До поліамідів відносяться капрон і капролон. Покриття з поліамідів мають високі антифрикційні характеристики. За зносостійкістю при сухому і рідинному терті поліаміди перевершують не лише інші класи полімерів, але і багато металів, що застосовуються в антифрикційних цілях.

Поліамідні покриття наносять на поверхню виробів напиленням порошків, литвом під тиском, а також з розчинів. Модифіковані покриття на основі поліамідних шарів застосовують для виготовлення таких деталей як шестерні, підшипники і т. д. Поліамідні смоли використовують для отримання захисних покриттів, а поліамідні порошки - для нанесення тонкого антифрикційного зносостійкого покриття.

Недоліком поліамідних покриттів є схильність до старіння і значне водопоглинання, низька стійкість до окислення, що перешкоджає тривалій експлуатації поліамідних покриттів на повітрі при температурах вище 60-100°С. Підвищення теплостійкості підшипників з поліамідними покриттями досягається введенням порошків металів (алюмінію, свинцю, бронзи та ін.). Зниженню коефіцієнта тертя сприяє добавка фторопласту-4, дисульфіду молібдену, графіту.

Полівінілхлорид (ПВХ) завдяки низькій вартості сировини, високій хімічній стійкості, хорошим фізико-механічним і задовільним електричним властивостям є найпоширенішим матеріалом, що застосовується для створення захисно-декоративних, хімічно стійких і електроізоляційних покриттів.

Матеріалом для покриттів в основному служить пластифікований полівінілхлорид, рідше використовується непластифікований ПВХ, типовим представником якого є вініпласт. Пластифікований полівінілхлорид зазвичай наносять на поверхню оброблюваних деталей у вигляді порошку або плівки. Листовий і плівковий вініпласт застосовуються в хімічній промисловості для футерування металевої апаратури і трубопроводів, що експлуатуються в агресивних середовищах.

Полівінілхлорид є основним компонентом для виготовлення лакофарбових матеріалів. Полівінілхлоридний пластикат застосовують як облицювальний матеріал для захисту апаратури від корозії. Для гідроізоляції використовують полівінілхлоридну плівку.

Фторопластові покриття стійкі до агресивних середовищ і підвищеної температури. На покриття з фторопласту не діють окислювальні середовища, включаючи і царську горілку, киплячі луги, розчини солей. Фторопластові покриття цілком стійкі по відношенню до жирів, олій, вологи, кислот і т. д. Покриття з фторопластов застосовують для захисту різних технологічних місткостей.

Епоксидні смоли. На основі епоксидних смол виготовляють лакофарбові матеріали, що вживаються для захисних покриттів. Покриття на основі епоксидних смол з такими наповнювачами, як вугілля, графіт, кремнезем, кварцеве борошно, подрібнений мармур у харчовій промисловості використовувати не можна по санітарних нормах.

Полімерні покриття на основі вінілових, каучукових і епоксидних смол застосовуються для захисту сепараторів у яких технологічні процеси протікають під надмірним тиском.

Гумові покриття. В якості матеріалів для покриттів застосовуються гуми на основі натурального і синтетичних каучуків. Для футерування виробів простої форми використовують листові матеріали з сирої гуми з подальшою вулканізацією. Високу еластичність і хороші адгезійні властивості мають покриття з гум на основі натурального каучуку, які використовуються для захисту від мінеральних кислот і лугів.

М'які гуми в основному застосовуються для покриття різних апаратів, деталей цистерн, труб. Вони є складними полімерними композиціями на основі еластомірів лінійної або розгалуженої будови (каучуків) у вигляді латексів або клеїв. При підвищених температурах використовується теплостійка гума на основі рідких силоксанових каучуків, які мають високу теплостійкість (до 250°С) і є нетоксичними.

Завдяки високому опору зношуванню гуми застосовують у апаратах, працюючих з рідинами, що містять абразивні речовини. Іноді застосовують тверді гуми – ебоніти, які в порівнянні з гумами мають вищу хімічну стійкість.

Лакофарбові покриття складаються з плівкоутворюючих речовини (лаків), пігментів, наповнювачів, пластифікаторів, отверджувачів, розчинники та ін. Вони наносяться на поверхню тонкими шарами, що утворюють після висихання і затвердіння тверду, щільну і міцно зчеплену з поверхнею плівку. 

Плівкоутворення при формуванні лакофарбового покриття відбувається наступними способами: випаровуванням розчинників (наприклад, для полівінілхлоридних покриттів); взаємодією з отверджуючими агентами (для епоксидних покриттів); поліконденсацією (для фенольних покриттів); розплавленням і напиленням (для поліетилену та ін.).

Зносостійкі покриття. Полімерні покриття є ефективним засобом для підвищення зносостійкості. Частіше за інші полімери в якості зносостійких покриттів використовують поліуретани, політетрафторетилен, поліаміди, епоксидні композиції. Покриття на основі ненаповнених поліуретанових еластомірів за стійкістю до абразивної ерозії перевершують ряд марок нержавіючих сталей.

Одним з способів підвищення зносостійкості покриттів є модифікування полімерних композицій неорганічними і мінеральними наповнювачами, наприклад, дисульфідом молібдену, тальком, аморфним бором, корундом, оксидом цинку, карбідом кремнію та ін. Зменшенню зносу покриттів сприяє наповнення полімерних композицій скловолокном, графітом, цементом, азбестом, маршалітом (молотий кварц), що підвищують міцність, теплостійкість і інші характеристики полімерів.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке корозія і які її види розрізняють?

2. Які основні причини хімічної корозії?

3. Які основні види і причини електрохімічної корозії?

4. Чим зумовлена корозійна стійкість кольорових металів?

5. Що таке анодні і катодні покриття?

6. Які покриття застосовують для захисту металів від корозії?

 

ЛЕКЦІЯ 4. ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ

 

Полімерні матеріали є найбільш розповсюдженими і вживаними матеріалами у сучасному світі. Це зумовлено сукупністю властивостей, які мають такі матеріали, а саме відносно високою хімічною стійкістю, задовільними механічними властивостями, низькою густиною і гігроскопічністю, хорошими діелектричними властивостями, технологічністю і невисокою вартістю виготовлення виробів, відносно невисокою вартістю отримання.

Полімери – це високомолекулярні хімічні сполуки, що складаються з мономерів і утворюються в результаті реакції полімеризації. Мономери – низькомолекулярні хімічні сполуки, молекули яких здатні реагувати між собою і з молекулами інших речовин з утворенням полімера.

Полімеризація  - це реакція поєднання низькомолекулярних сполук у високомолекулярні з утворенням довгих ланцюгів. Ступінь полімеризації оцінюється кількістю мономерів у молекулі полімеру. У більшості полімерів їх кількість становить від 10² до 10⁴ одиниць. Кополімериза́ція – полімеризація суміші двох чи більше мономерів.

За молекулярною масою М (молекулярна маса дорівнює сумі мас усіх атомів, що входять в дану молекулу) розрізняють: полімери (М>5000 – велика молекулярна маса); олігомери (М=500-5000); низькомолекулярні з'єднання (М<500).

При полімеризації відбувається закономірна зміна властивостей речовини: молекулярна маса збільшується, зростає температура плавлення і кипіння, підвищується в'язкість (в процесі полімеризації речовина може переходити з газоподібного або рідкого стану в стан густої рідини і далі – в стан твердого тіла), зменшується розчинність, і т.д. Однак процес полімеризації в деяких випадках є оборотним, тобто відбувається деполімеризація – процес розкладанням ланцюгових макромолекул до низькомолекулярних складових і початкових мономерів при нагріванні.

За походженням полімери поділяють на природні і синтетичні. Природні полімери мають природнє походження – це натуральний каучук, целюлоза, шовк і т.п. Синтетичні полімери отримують хімічним синтезом з низькомолекулярних з'єднаннь – це поліетилен, полівінілхлорид, тетрафторетилен і т.п. Синтетичні полімери є найбільш поширеними і їх номенклатура є надзвичайно широкою. Процес створення нових синтетичних полімерів триває безперервно.

За складом полімери