Защитные покрытия металлов: виды и применение

• Металлические защитные покрытия
• Гальванические покрытия
• Газотермическое напыление
• Погружение металлического элемента в расплав
• Термодиффузное покрытие
• Плакирование
• Неметаллические покрытия
• Лакокрасочные защитные покрытия
• Силикатные эмали
• Полимерные покрытия
• Оксидные защитные пленки
• Резиновые защитные покрытия
• Смазки и пасты

Для дополнительной защиты металлов от негативных воздействий среды и появления коррозии используют защитные покрытия. Производители используют различные технологии защиты металла, все покрытия подразделяют на металлические и неметаллические. Металлические, в свою очередь, делят на катодные и анодные. При нанесении используются технологии газотермического напыления, окунания, гальванизации, плакирования или диффузии. Что касается неметаллических покрытий, то к ним относятся лакокрасочные материалы, полимерные покрытия, силикатные и резиновые материалы, а также оксидные, фосфорные, цинковые напыления.

Рассмотрим подробно виды и технологии металла, а также определим, в каких случаях оптимально использовать то или иное покрытие.

Металлические защитные покрытия

Как уже упоминалось, металлические защитные покрытия подразделяют на катодные и анодные. В первом случае электрохимический потенциал покрытия выше, чем у основного материала, во втором, наоборот, основной металл имеет более высокий потенциал, чем наносимое покрытие.

Катодные покрытия являются более надежной защитой металла. Однако их серьезный недостаток заключается в том, что в случае повреждения слоя снижается уровень защиты. В местах царапин или сколов появляется коррозия.

Что касается анодных покрытий, то в целом они обеспечивают не такую надежную защиту основного материала. Однако даже при повреждении слоя сохраняются защитные свойства покрытия.

По технологии нанесения выделяют следующие виды покрытий:

• гальванизацию;
• газотермическое напыление;
• метод погружения;
• термодиффузионную технологию;
• плакирование.

Рассмотрим подробно особенности каждой технологии.

Гальванические покрытия

Гальванизация – технология нанесения защитного покрытия с помощью электрохимического метода. При помощи гальванизации на металл можно наносить слой цинка, меди, никеля, латуни, олова, серебра и других материалов.

В зависимости от сферы применения деталей и элементов, гальванизация применяется для повышения прочности, устойчивости к коррозии, для нанесения декоративного слоя. Гальванические покрытия обеспечивают:

• защиту от агрессивного воздействия среды;
• предотвращают риски механического повреждения материалов;
• повышают прочность и износостойкость;
• улучшают эстетические характеристики;
• меняют магнитные свойства;
• обеспечивают электроизоляцию.

Гальванизация металлов применяется в различных областях промышленности. Особенно активно в авиастроении, машиностроении, при производстве оборудования и станков, в строительстве, в производстве радиотехнических и электронных приборов.

Газотермическое напыление

Это современный метод защиты поверхности металлов, который заключается в нанесении слоя с помощью технологии переноса расплавленных частиц плазменным или газовым потоком. К преимуществам этой технологии относят высокое качество защитного слоя. Такое покрытие отличается:

• высокой термостойкостью;
• устойчивостью к механическим повреждениям;
• повышенными антикоррозийными свойствами;
• устойчивостью к истиранию.

Также в зависимости от вида напыляемого материала достигают повышения проводимости металла или, наоборот, обеспечивают изоляционные свойства. В качестве напылителя при газотермической технологии используют порошки из металлов, керамики, проволоки или шнуры.

Газотермическое напыление бывает следующих видов:

• Газопламенная обработка металлов. Такая технология является самой простой, не требует высокотехнологического оборудования, что обеспечивает невысокую стоимость защиты металлов. Газоплазменную технологию применяют, если требуется обработать элементы с большой площадью поверхности. Метод также позволяет восстановить геометрию изделий или элементов.
• Высокоскоростное газопламенное напыление. Этот вид технологии применяют для нанесения защитных покрытий из керамики либо металлокерамики.
• Детонационная технология. Метод применяют для восстановления поврежденных поверхностей, а также для нанесения различных видов защитного слоя.
• Плазменная технология. Метод плазменного напыления подходит для нанесения на поверхность металла тугоплавких составов из керамики либо металлокерамики.
• Электродуговое нанесение. Технологию применяют для металлизации поверхности обрабатываемого материала. Таким образом наносят антикоррозийные защитные покрытия.
• Нанесение защитного слоя методом газотермического напыления с оплавлением. Такую технологию используют, если допустимо нарушать геометрию металлического изделия.

Погружение металлического элемента в расплав

С помощью погружения в расплав выполняется цинкование или омеднение металла, нанесение слоя алюминия, олова, свинца. Обработку проводят следующим образом:

• Поверхность металла обрабатывают следующим составом: хлорид аммония (56%), хлорид обрабатываемого металла (42%), глицерин (2%). Применение флюса обеспечит удаление оксидных и солевых пленок, различных загрязнений, а также обеспечит защиту поверхности металла от окисления.
• Обрабатываемый материал погружают в ванну с расплавленным металлом.
• При кристаллизации образуется защитный слой.

Этот метод достаточно простой, однако имеет ряд недостатков. В частности, трудно добиться равномерности защитного слоя. Расплавленный металл не проникает в узкие зазоры. Также стоит отметить большой расход защитного материала.

Термодиффузное покрытие

Термодиффузное покрытие при применении к стали и другим черным металлам является анодным. Технология обеспечивает надежную защиту металла от коррозии и негативных воздействий среды. Также стоит отметить следующие преимущества метода термодиффузного покрытия:

• отличная адгезия защитного слоя;
• высокая устойчивость к нагрузкам;
• высокая устойчивость к деформации;
• возможность обработки деталей и элементов со сложной геометрией;
• равномерность защитного слоя.

Как правило методом термодиффузного покрытия проводят цинкование стальных элементов. Из преимуществ технологии также стоит выделить то, что покрытие отличается долговечностью и не отслаивается со временем.

Плакирование

Плакирование – технология нанесения металлического защитного слоя на детали или заготовки при помощи метода горячей прокатки. Термомеханическая обработка (давление и воздействие высоких температур) позволяет создавать надежное защитное покрытие и укреплять слои обрабатываемой заготовки или детали.

В качестве защитного металла при плакировании используют алюминий, титан, никель, молибден, нержавеющую стал и проч. К преимуществам технологии относят:

• повышение твердости заготовки;
• повышение износостойкости;
• защиту от воздействия влажности, агрессивных веществ и прочих негативных факторов.

Однако метод плакирования имеет и определенные недостатки. К ним относят высокую стоимость плакированных деталей, элементов и заготовок, а также быстрое ржавение плакированного слоя на сварных швах.

Технологию плакирования применяют для защиты деталей и элементов, которые в процессе эксплуатации взаимодействуют с жидкостями, подвергаются механическому воздействию и т.д.

Плакирование активно применяют в ювелирном деле, например, при нанесении слоя золота на серебряные изделия. Плакированные стали также используют в кораблестроении, в химической и пищевой промышленности.

 Методом плакирования можно обрабатывать заготовки и детали как с одной, так и с двух сторон.

Неметаллические покрытия

Различные виды неметаллических покрытий нередко используют для защиты металлов от влаги и негативных воздействий среды. Кроме того, неметаллические защитные покрытия повышают эстетичность готовых изделий. В качестве защитного слоя могут использоваться следующие виды материалов:

• различные виды полимеров;
• керамика и металлокерамика;
• лакокрасочные покрытия и эмали;
• смазки и пасты.

К неметаллическим защитным покрытиям также относят технологию образования на поверхности металла оксидной пленки.

Лакокрасочные защитные покрытия

Для защиты металла от негативных воздействий среды используют лакокрасочные материалы, которые образуют на поверхности влагонепроницаемую пленку. В состав покрытия входят пигмент, наполнитель, пластификатор. Также можно найти покрытия со специальными добавками, позволяющими повысить изоляционные, токопроводящие, термостойкие и прочие характеристики металла.

К преимуществам лакокрасочной защиты относят:

• простоту нанесения;
• невысокую стоимость обработки;
• возможность обрабатывать детали и элементы со сложной геометрией;
• широкий выбор лакокрасочных материалов с различными специальными добавками;
• повышение эстетичности металлических деталей и элементов (можно выбрать лаки и краски различных оттенков).

К недостаткам этого вида защиты металла относят недолговечность покрытия. В зависимости от условий эксплуатации, лаки и краски служат от одного до трех лет, затем следует удалить защитное покрытие и нанести новый слой.

Силикатные эмали

Специальные силикатные эмали предназначены для обработки металла, предназначенного для эксплуатации в неблагоприятных условиях. Силикатное покрытие защитит от высокой влажности или от воздействия агрессивной среды.

Нанесение силикатной эмали производится при помощи пасты или порошка. Технология предусматривает следующие этапы:

• металл тщательно очищается от загрязнений и обезжиривается;
• на поверхность детали наносится грунтовка, этот этап необходим для повышения адгезии металла с основным покрытием;
• первый слой спекается при высоких температурах (от 900 до 920С);
• наносится слой основной эмали, затем деталь нагревают повторно до температуры 840-870С.

Количество слоев силикатной эмали определяют с учетом условий эксплуатации и материала изготовления детали или элемента. Например, чугунные изделия необходимо обрабатывать 2-3 раза. При этом каждый новый слой запекается при температуре 840-860С.

Силикатная эмаль образует на поверхности ровный и гладкий слой, напоминающий стекло. Такая защитная пленка не допускает попадания влаги или агрессивных веществ. К недостаткам этого вида защитной обработки относят хрупкость покрытия и неустойчивость к механическим воздействиям. При ударе пленка может растрескаться.

Полимерные покрытия

Пластиковые или полимерные покрытия становятся современной альтернативой лакокрасочным материалам или оцинковке металлических изделий. Нанесение полимерного слоя обеспечивает:

• надежную защиту от проникновения влаги;
• защиту от контакта с агрессивными веществами;
• повышение эстетичности металлической детали;
• возможность выбрать полимерное покрытие различных расцветок.

Нанесение покрытия производится при помощи технологий окунания в расплав, газотермического метода, нанесения кистью, напыления. После застывания полимеры образуют на поверхности металла ровную и прочную пленку. Используются следующие виды пластиковых покрытий: полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, фторопласты, эпоксидные смолы. Выбор зависит от вида металла, толщины элемента, предназначения детали и прочих факторов. Одним из современных решений является антифрикционное твердосмазочное покрытие. АФП напоминает традиционные краски, однако в состав материала входят высокодисперсионные частицы смазочных веществ. В качестве связующего вещества выступают синтетические или натуральные смолы.   Антифрикционные твердосмазочные покрытия предлагают различные производители, в том числе, российские. АФП применяют в следующих случаях:

• для средне и высоконагруженных деталей в узлах трения и скольжения (для подшипников, направляющих, зубчатых передач и проч.);
• для деталей ДВС;
• для пластиковых и металлических компонентов автомобилей (в том числе, для узлов регулировки механизмов в салоне);
• для крепежей и резьбовых элементов;
• для трубопроводной арматуры.

Антифрикционное твердосмазочное покрытие допустимо использовать для различных пар трения, включая металл-металл, металл-пластик, пластик-пластик и проч.

К преимуществам нанесения антифрикционных твердосмазочных покрытий относят:

• высокая несущая способность;
• сохранение эксплуатационных характеристик в запыленной среде;
• широкий диапазон рабочих температур;
• устойчивость к воздействию агрессивных веществ;
• нанесение тонким равномерным слоем, покрытие практически не оказывает влияние на размеры и геометрию элемента.

С помощью АФП значительно снижается уровень износа детали, связанный с механическим воздействием. Покрытие наносят однократно, этого хватает на весь срок эксплуатации детали. В дальнейшем не требуется постоянно восполнять смазочные материалы.

Оксидные защитные пленки

При взаимодействии кислорода с металлом возникает химическая реакция, в результате которой на поверхности образуется оксидная пленка. В условиях производства оксидирование металла проводят с помощью кислотно-щелочных составов или электролита. Оксидная пленка обеспечивает дополнительную защиту от негативных факторов среды, а также придает изделию более эстетичный декоративный вид.

Резиновые защитные покрытия

Нанесение на металлические поверхности резиновых защитных покрытий называется гуммирование. Эта технология применяется для защиты элементов трубопровода, химических емкостей, резервуаров для хранения реагентов и прочих агрессивных веществ.

Для гуммирования можно использовать как твердые и мягкие сорта резины, так и эбонит. Обработка производится следующим образом:

• поверхность металла тщательно очищается и обезжиривается;
• наносится защитный резиновый или эбонитовый слой;
• скопившийся под покрытием воздух выдавливается с помощью валика;
• для улучшения адгезии проводят вулканизацию детали.

Резиновый или эбонитовый защитный слой обладает диэлектрическими свойства, защищает металл от воздействия агрессивных сред (за исключением окислителей). К недостаткам технологии относят старение и истирание защитного покрытия.

Смазки и пасты

Различные виды смазок и паст применяют для защиты металлических деталей и элементов при длительном хранении или при транспортировке. Защитный материал не допускает проникновения влаги и пыли, препятствует скоплению газообразных веществ на поверхности изделий.

Пасты, смазки и прочие консервационные материалы для металла изготавливают на основе минеральных масел и воскообразных веществ. К преимуществам такого метода защиты металла относят простоту нанесения (материал наносится кистью, что позволяет обработать даже труднодоступные элементы, либо методом распыления). Однако у материалов есть и серьезный недостаток: защитный слой легко разрушить, что может со временем привести к появлению коррозии.

Как мы видим, в производстве используются самые разнообразные виды металлических и неметаллических покрытий металла. Такое разнообразие позволяет выбрать варианты защиты с учетом особенностей дальнейшей эксплуатации деталей: температурный режим, уровень влажности, рабочее давление, контакт с агрессивной средой и т.д.