PROTECȚIA ÎMPOTRIVA COROZIUNII (galvanizarea, metalizarea, difuziunea, cufundarea în metal topit, placarea, oxidarea, fosfatarea) Deși există metale și aliaje care prezintă o bună rezistență la coroziune, acestea sunt de obicei scumpe. De aceea s-au stabilit diferite metode pentru a proteja contra coroziunii metale uzuale, ușor accesibile. Cauzele coroziunii fiind variate și metodele de protecție sunt variate; ele se pot clasifica în câteva categorii mari: • straturi protectoare • inhibitori și pasivizatori • condiționarea mediului coroziv • protecția catodică STRATURILE PROTECTOARE Straturile protectoare - acestea sunt cele mai vechi și mai aplicate metode de protecție. După natura lor, ele pot fi: • metalice • organice • anorganice
• • • • • •
Straturile metalice pot fi obținute prin diferite procedee: galvanizare zincarea termică metalizare difuziune cufundare în metal topit placare etc
Galvanizarea - constă în depunerea unui strat prin electroliză. În general, pentru acoperirea fierului se folosește zincul, cromul plumbul și altele. Electro-galvanizarea este acoperirea metalica cu un strat subțire de zinc, prin cufundare într-o baie cu soluție de zinc care se depune prin electroliza. Galvanizarea electrochimica se folosește la reperele mici care nu necesită o protecție anticorozivă de lungă durată. Galvanizarea este un proces electrochimic prin care se acoperă suprafața unui metal cu un alt metal a cărui ioni sunt disociați în soluția electrolitică. Numele de galvanizare provine de la inventatorul acestei metode, medicul italian Luigi Galvani (1737-1798). Galvanizarea constă dintr-o baie electrolitică prin care circulă curent electric, în baie găsindu-se doi electrozi un catod (ex. o placă de metal care va fi acoperit cu un strat de cupru sau nichel), și polul pozitiv sau anod. Curentul electric determină disocierea, transportul și depunerea ionilor de metal de la anod (cupru) la catod (metal), acest procedeu fiind numit galvanizarea metalului (acoperirea metalului cu un strat uniform de cupru). Intensitatea curentului
influențează într-un raport direct proporțional stratul de cupru depus prin galvanizare. Zincarea termică - se realizeaza prin scufundarea profilelor în baie de zinc pentru a asigura o protectie anticorozivă. În general zincarea termică se aplica la oțelurile moi, aliajelele slabe din oțel, la fontă și la oțelul turnat. Procesul tehnologic de zincare termică cuprinde următoarele operații: pregătirea suprafețelor înainte de zincare (degresare, spălare, decapare, spălare, fluxare, uscare), zincarea propriu-zisă și finisarea. Degresare - a îndepărta petele de grăsime de pe suprafața unor obiecte (metalice) prin diverse procedee chimice Decapare - a curăța de grăsimi și oxizi Fluxare - deformație lentă a unui material supus unor solicitări continue Pentru profilele foarte lungi, care nu intra total în baie, se aplică o imersie dublă pentru a acoperi întreaga suprafață. Durata imersiei variază de la câteva minute pentru piesele subțiri, până la 30 minute pentru profilele grele. În acest ultim caz, în urma imersiei pentru o perioadă mai mare de timp, efectul termic poate duce la deformarea reperelor. Intemperiile şi poluarea atmosferică generează un proces de corodare a oţelului. Cu ajutorul zincării termice prin imersie se realizează o protecţie durabilă şi completă pe toate suprafeţele expuse coroziunii. Chiar şi în cazul celor mai dure condiţii, oţelul rămâne protejat timp de mai multe decenii. În funcţie de felul şi intensitatea potenţialului coroziv al mediului, perioada de protecţie asigurată poate depăşi 50 de ani şi aceasta fără a fi necesare costuri cu remedierea şi întreţinerea acoperirii iniţiale. Prin zincare termică se înţelege îmbrăcarea pieselor din oţel cu un strat metalic de zinc. Procesul se realizează prin imersarea pieselor, a căror suprafaţă a fost în prealabil pregătită în mod corespunzător, într-o baie de zinc topit cu temperatura de 450°C. Se pot distinge două variante de bază ale procedeului: pe de-o parte e vorba de liniile continue pentru zincare termică utilizate în cazul benzilor, tablelor sau sîrmelor, şi pe de alta de liniile discontinue (denumite şi linii de zincare pentru piese) utilizate pentru zincarea structurilor şi componentelor din oţel cu forme şi dimensiuni din cele mai variate. Legătura indisolubilă care se formează între zinc şi oţel în timpul procesului generează o protecţie anticorozivă care se deosebeşte semnificativ de toate celelalte procedee. Nu are loc doar o acoperire a oţelului cu un strat de zinc (ca în cazul vopsirii sau placării) ci se petrece un proces metalurgic de aliere. La interfaţa oţel - baie de zinc au loc fenomene reciproce de difuzie care duc la formarea de straturi de aliaj fier - zinc. Aceasta înseamnă că atomii de zinc migrează în structura de bază a oţelului şi formează aici legături la nivel molecular. Peste aceste straturi de aliaj se depune de obicei un strat final de zinc curat. Această succesiune face ca stratul de protecţie al pieselor zincate termic să devină inegalabil de dur, rezistent la abraziune şi uzură. Grosimea acoperirii depinde de materialul de bază şi parametrii de proces. În funcţie de materialul de bază, grosimea se situează în intervalul 50-150 µm. Straturi de grosimi chiar mai mari se formează în cazul oţelurilor cu conţinuturi mai ridicate de siliciu şi fosfor. Zincarea termică a avut o evoluţie foarte dinamică în ultimii ani. Spectrul inovaţiilor merge de la adoptarea de noi tehnologii moderne şi mai
prietenoase cu mediul înconjurător, până la identificarea de noi domenii de utilizare. O analiză comparativă din perspectivă ecologică realizată la Universitatea Tehnică din Berlin confirmă superioritatea zincării termice la toate capitolele legate de protecţia mediului. Cercetătorii au realizat, utilizând metoda bilanţului ecologic raportat la ciclul de viaţă, o comparaţie între zincarea termică şi acoperirea convenţională prin vopsire. În cazul unei parcări supraterane tipice pentru care se folosesc aproximativ 500 de tone de oţel, utilizarea zincării termice poate conduce la diminuarea emisiilor de CO² cu până la 57 de tone. Metalizarea - constă în aplicarea unui metal protector, în stare topită și pulverizată pe suprafața care trebuie protejată. Ea se face cu flacăra oxiacetilenică în care se topește o sârmă din metalul ce trebuie depus, pulverizarea fiind făcută cu aer comprimat. Metalizarea este procesul de pulverizare a metalului topit, cu ajutorul unui jet de aer comprimat pe suprafata de lucru. Metalizarea se poate face cu arc electric, cu gaze combustibile, cu plasma sau cu HVOF (High Velocity Oxygen Fuel - sistem de depunere a metalelor la viteza supersonica). Procesul de metalizare cu sârmă în flacăra de combustie
Metalizare cu sârmă în flacăra oxi-gaz: schema procesului
Instalația completă de metalizare în flacăra cu sârmă
Este cel mai vechi procedeu de pulverizare termică, a fost inventat în 1910 de elvetianul Schoop. Procesul are la bază pulverizarea unui metal sub formă de sârmă, topit într-o flacără oxiacetilenica. Pulverizarea se face cu un jet de aer comprimat. Spray-ul, format din picaturi fine de metal topit, ajunge pe substratul pregătit (piesa metalică) unde se răcește rapid formând o acoperire. Acest proces realizat în mod corect se numește „proces rece” deoarece temperatura substratului poate fi menținută la valori scăzute (100 – 150 grade C) pe durata procesului de metalizare, evitând modificările structurale sau de formă ale substratului. Procesul se folosește și în prezent pentru acoperiri anticorozive cu zinc, aluminiu, staniu pentru depunere de compoziție pe lagăre de alunecare (cuzineți), pentru depunere de cupru, alama, bronz etc pe fonte cu grafit sau inoxuri austenitice și nu în ultimul rând pentru metalizare cu sârme din aliaje dure pe bază de crom, nichel, molibden etc.
Instalatie Metco 10 E Microstructura acoperirilor din sârmă prin combustie
Microstructura strat de oțel 13 Cr Metalizare în jet de plasmă atmosferică
Reprezentarea schematică a procesului de metalizare în jet de
plasmă Procesul de metalizare cu plasmă are la bază pulverizarea unui material (pulbere ceramică, metalică, etc) topit în jetul de plasmă pe un suport pentru a obține o acoperire. Procedeul a fost inventat în 1920 de H. Gerdien în Germania. Sistemele comerciale au apărut după 1950. Materialul sub formă de pulbere este injectat în jetul de plasmă care are o temperatură foarte ridicată 10.000-15.000 grade C. În jet pulberea este incalzită rapid și accelarată la viteze mari. Pulberea ajunsă la punctul de înmuiere este proiectată pe substrat unde se răcește brusc formând acoperirea.
Metalizare în jet de plasmă cu pulbere nanometrică de ZrO2-8%Y2O3 pe o galerie de evacuare auto
Microstructura depunerii de ZrO2-8Y2O3
Acest procedeu realizat corect este numit „Proces rece” deoarece temperatura materialului substrat poate fi menținută scăzută în timpul procesului evitându-se deformările, schimbările metalurgice, sau distorsiunile în substrat. Pistolul de metalizare în plasmă este compus dintr-un anod de cupru și un catod de wolfram, ambele fiind răcite cu apă. Gazul de plasmă curge în jurul catodului și prin anod care are forma unei diuze. Plasma este inițiată printr-o descărcare sub tensiune mare, ducând la ionizarea locală a gazului de plasmă care devine bun conducător electric pentru un arc de curent continuu ce se formează între catod și anod. La trecerea prin arcul electric gazul se disociază și se ionizează formând plasma. La ieșire din diuză ionii se recombină cedând energia absorbită într-un timp foarte scurt, ceea ce duce la formarea unui jet de plasmă foarte fierbinte. În acest jet este injectată pulberea dintr-un dozator. Pulberea este imediat încălzită până la punctul de înmuiere și accelarată pe distanța de pulverizare 25 -150 mm la viteza de 400 - 600 m/s. Procesul de metalizare în plasmă este folosit cel mai adesea în condiții atmosferice normale având denumirea APS. Se practică și metalizarea în camere vacumate în care s-a întrodus un gaz de protecție la presiune scăzută, procesul numindu-se VPS sau LPPS. Metalizarea în jet de plasmă are avantajul că poate folosi materiale cu punct de topire foarte ridicat cum ar fi refractarele sau ceramicele. Procesele de combustie (AC-HVAF, HVOF) nu pot depune aceste tipuri de materiale. Difuziunea – constă în tratarea suprafeței unui metal cu un metal de protecție, la temperatura înaltă la care are loc operația, la suprafața metalului se formează un strat protector alcătuit dintr-o soluție solidă a celor două metale. Cufundarea în metal topit – se face de obicei pentru acoperirea fierului cu un metal care are punctul de topire mai mic, metale ca plumbul, staniul sau zincul. Placarea - constă în presarea sau laminarea, la cald, a două metale diferite. Metalul care trebuie placat se toarnă într-o formă căptușită cu metalul protector, după care se laminează. Aderența stratului protector la metalul de bază se face datorită forțelor mecanice și datorită difuziunii. STRATURILE ORGANICE Straturile organice formeaza un izolant între metal și mediul corosiv. Ele trebuie să fie adezive, continue și impermeabile. Vopsirea cu pulberi - Particulele încărcate electrostatic sunt pulverizate spre suprafaţa piesei cu ajutorul unui pistol de vopsire. Faptul că piesa ce trebuie acoperită este legată la pămînt generează o forţă de atracţie, astfel încît particolele de vopsea aderă la suprafaţa acesteia. Etapa finală a procesului are însă loc de abia în cuptorul de ardere, unde la o temperatură de aproximativ 180°C are loc topirea particulelor şi formarea unei pelicule omogene de vopsea.
Vopsirea cu pulberi în cîmp electrostatic elimină în totalitate utilizarea diluanţilor, a substanţelor periculoase şi a metalelor grele. Surplusul de particule este captat de un sistem de recuperare care îl reintroduce în circuit astfel încît se poate atinge un grad de utilizare de aproximativ 97%. Doar particulele foarte fine sunt reţinute de filtrele sistemului. În funcţie de caracteristicile pigmenţilor se pot obţine grosimi ale stratului de 40-120 µm, care în asociere cu o grunduire cataforetică realizeaza o protecţie anticorozivă optimă. Arderea şi umectarea adaptate particularităţilor piesei duc la un rezultat ireproşabil în ceea ce priveşte rezistenţa mecanică şi chimică. Prin selectarea corespunzătoare a pulberii se poate influenţa stabilitatea acoperirii faţă de radiaţia ultra-violetă. Vopselele pulverulente sunt clasificate în categorii standardizate. Sistemele consacrate în Europa sunt RAL şi NCS. Fiecărui cod îi corespunde o anumită nuanţă. Se pot realiza însă şi culori personalizate utilizînd amestecuri speciale. Nuanţa coloristică nu este însă singurul criteriu de selecţie, structura şi gradul de luciu al suprafeţei putînd fi de asemenea alese. Structura care poate varia de la netedă pînă la grobă influenţează percepţia tactilă, în timp ce gradul de luciu, de la complet mat pînă la strălucitor, vine să completeze percepţia de ansamblu. Efecte speciale cum ar fi aspectul metalizat, lovitura de ciocan sau pelicule translucide completează posibilităţile de exprimare artistică. Vopsire prin imersie în băi cu depunere catodică - prin cataforeză se înţelege realizarea acoperirii organice a suprafeţelor conductive electric, utilizînd curent continuu. Procesul constă în deplasarea şi depunerea particulelor de vopsea pe suprafaţa metalică ce trebuie acoperită. Pe măsură ce pelicula care se formează creşte în grosime, aceasta începe să se manifeste ca izolator electric. În acest mod grosimea finală a stratului se reglează automat, evitându-se o depunere excesivă. Grosimile uzuale ale straturilor se situează între 15 – 45µm. Înainte de imersia în baia de vopsea este necesară pregătirea corespunzătoare a suprafeţei. Prin sablarea cu alice de oţel se îndepărtează complet ţunderul format în procesul de laminare sau tăiere cu laser, rugina şi impurităţile rezultate în procesul de sudare. După această curăţare primară, piesele parcurg un proces optimizat ce include etape de degresare, curăţare şi acoperire cu un strat de conversie corespunzător. Aceasta asigură o suprafaţă cu aderenţă optimă pentru acoperirea ulteriară şi are de asemenea şi efect anticoroziv. Cataforeza este combinaţia perfectă dintre protecţie anticorozivă, calitate, eficienţă economică şi comportament nepoluant. Procesul este complet automatizat, acoperirea este uniformă, nu se formează stropi sau linii de curgere, iar canturile şi degajările interioare sunt acoperite fără dificultate, deoarece baia de vopsire este foarte fluidă şi pătrunde cu uşurinţă peste tot. Procedeul este utilizat de peste 40 de ani în industria autombilului şi corespunde în continuare nivelului actual al tehnicii. Prin completarea procesului cu o vopsire cu puberi în câmp electrostatic se obţin cele mai înalte valori ale rezistenţei la coroziune. STRATURILE ANORGANICE
Straturile anorganice sunt și ele de diferite tipuri. Astfel, suprafața obiectului metalic se poate supune unor tratamente chimice pentru obținerea unei pelicule ce prezintă o bună rezistență la coroziune. Oxidarea - constă în formarea pe suprafața metalică a unei pelicule din oxidul metalului, sub acțiunea aerului. Adeseori stratul natural de oxid crește când metalul este supus unor tratamente speciale cu oxidanți puternici sau pe cale electrochimică. Fosfatarea – constă în formarea pe suprafețele obiectelor metalice a unei pelicule protectoare formată din fosfatul metalului respectiv. Acesta se realizează prin întroducerea metalului în soluții acide de fosfați de fier, de zinc sau de mangan. INHIBATORI ȘI PASIVIZATORI Inhibatorii sunt substanțe care, adăugate mediului corosiv, micșorează sau chiar anulează viteza de coroziune. Nu există reguli generale asupra naturii inhibatorului. Pasivizatorii acționează asupra metalului modificându-i potențialul față de soluția în care este întrodus. CONDIȚIONAREA MEDIULUI COROSIV Uneori coroziunea metalelor poate fi atenuată dacă se îndepărtează componentele corozive din mediul cu care vine în contact metalul. PROTECȚIA CATODICĂ O nouă metodă de protecție contra coroziunii o reprezintă îndrumarea fluxului de electroni în direcția opusă aceleia în care are loc coroziunea metalului, prin crearea în mod artificial a unui cuplu galvanic special. Protecția catodică cu anozi de sacrificiu este o metoda electro-chimică de protecție împotriva coroziunii ce se aplică construcțiilor metalice în contact cu solul, apa mărilor, sau atmosfera (conducte de oțel pentru transportul fluidelor, racordurile între conductele metalice îngropate şi realizate din metale diferite, stâlpi metalici de susținere, rezervoare metalice îngropate, cazane, coloane de extracție, cabluri etc). Principiul metodei de protecție catodică constă în modificarea potențialului de coroziune al sistemului metalic de protejat spre valori atât de negative în cât coroziunea să nu mai poată avea loc. Protecția catodică cu anozi de sacrificiu se realizează practic prin fixarea pe suprafața metalică de protejat a unor bare, plăci, benzi metalice speciale denumite anozi de sacrificiu, sau anozi solubili, sau anozi activi. Anozii de sacrificiu sunt alcătuiți dintr-un metal sau aliaj cu potențial de coroziune în mediul dat mai negativ decât al metalului de protejat. Exemplu pentu protecția sistemelor pe bază de Fe, se folosesc Zn, Al, Mg și aliajele lor.
Conform figurii de mai sus, la îmbinarea celor două piese (oțel și cupru) de natură diferită, apare o diferență de potențial, deci ele se comportă ca o pilă electrică unde cele două conducte sunt electrozii, iar solul este electrolitul. Dacă în locul milivoltmetrului se introduce un miliampermetru se constată că între cele două conducte există o circulație de curent. Placa din care iese curentul, numită anod se corodează, iar cealaltă numită catod rămâne neschimbată. Experimental se poate demonstra că unele metale se corodează mail mult, iar altele mai puțin. Ordinea de coroziune a unor metale este : Cu, Pb, Fontă, Fe, Zn, Al,Mg. Prin aplicarea metodelor moderne de protecție împotriva coroziunii se economisesc anual mii de tone de materiale metalice, care altfel ar fi distruse. De aceea, dezvoltarea tehnicii moderne pune în fața tehnicienilor și a oamenilor de știință nu numai sarcina de îmbunătățire a calităților materialelor existente, ci și aceea de descoperire a celor mai eficace mijloace de protecție a acestora.
