CC BY
11
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 539.611; 621.793
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-584-591
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НАПЫЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА
М.В. Ушаков, С.Н. Кутепов, Д.С. Клементьев, А.А. Калинин
В работе исследовано влияние технологических режимов нанесения металлизационных покрытий на их физико-механические и коррозионные свойства. Определены оптимальные технологические режимы напыления металлизационных покрытий. Установлено, что на стойкость образцов оказывает влияние не только вид покрытия, но и его толщина, а, следовательно, пористость, уровень остаточных напряжений и адгезионная прочность.
Ключевые слова: электродуговая металлизация, комбинированные покрытия, адгезионная прочность, пористость, коррозионная стойкость.
Решение проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов неразрывно связана с проведением комплекса мероприятий по предотвращению загрязнений водных источников в результате неизбежного сброса в них бытовых и производственных сточных вод. В этом комплексе мероприятий весьма важное значение имеет массовое строительство и совершенствование очистных сооружений канализационных систем, в составе которых основная роль как по масштабам строительства, так и по стоимости и значению отведена сооружениям биологической очистки. Снижение капитальных и эксплуатационных затрат именно по этим сооружениям дает высокий экономический эффект. Реальный путь к снижению указанных затрат - рациональное проектирование и повышение коррозионной стойкости [1, 2].
Разработка конструкции аэротенков биологической очистки проводится в направлении снижения металлоемкости, уменьшения трудоемкости работ по монтажу, пуску и эксплуатации сооружения. Наиболее узким местом применяемых металлических конструкций является их коррозионная стойкость. Повышение коррозионной стойкости металлических конструкций, контактирующих с очистными сточными водами, которые в большинстве случаев являются агрессивными, в значительной степени повысит долговечность рассматриваемых сооружений, а, следовательно, и их экономичность.
В результате контакта сточных агрессивных вод с поверхностью металлоконструкций аэротен-ков биологической очистки, очень остро встает вопрос об их коррозионной стойкости. Существующая технология, применяемая при изготовлении металлических аэротенков и их защите, позволяет гарантировать их срок службы в течение 5 лет.
Выбор новых методов защиты от коррозии оборудования станции полой биохимической очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод должен определяться их технической целесообразностью, экономической эффективностью и безопасностью применения. Для повышения коррозионной стойкости аэротенков возможно использование технологии плазменного напыления защитных покрытий с последующей их пропиткой лакокрасочными материалами [1-5]. В связи с этим необходимо проведение ускоренных лабораторных испытаний материалов, из которых будут изготавливаться металлические конструкции с комбинированными покрытиями в среде, имитирующей условия их эксплуатации.
Данная работа посвящена исследованию физико-механических и коррозионных свойств комбинированных металлизационно-лакокрасочных покрытий, напыляемых на малоуглеродистую сталь марки Ст3, применяемую для изготовления аэротенков.
1. Материалы и методы исследования. Учитывая более жесткие условия эксплуатации металлоконструкций аэротенков, обусловленные воздействием сильноагрессивных сред, и требования к повышению срока службы, были проведены исследования конструкций с нанесенными защитными комбинированными покрытиями.
На металлические конструкции, изготавливаемые из листовой стали Ст3, толщиной 2...3 мм, методом электродуговой металлизации наносили алюминиевое покрытие толщиной 250.300 мкм с последующим покрытием пассивирующей эпоксидной грунтовкой ЭП-00-10, толщиной 150.200 мкм. Для определения совместимости выбранных покрытий друг с другом и с защищаемой сталью, а также для определения коррозионной стойкости были проведены ускоренные лабораторные испытания, а также натурные испытания образцов с комбинированными покрытиями в реальных агрессивных средах очистных сооружений г. Тулы.
Перед электродуговой металлизацией образцы из стали Ст3 подвергали металлографическим исследованиям и механическим испытаниям. Установлено, что микроструктура металла однородна по всему сечению образца и состоит из феррита и перлита (рис. 1), феррит в виде зерен полиэдрической формы, перлит - сорбитообразный. Прочность на растяжение составила 480 МПа.
Исследовали образцы стали Ст3, имитирующие все виды сварных соединений (рис. 2), используемых при изготовлении аэротенков после антикоррозионной обработки: металлизация алюминием, металлизация алюминием + последующее нанесение эпоксидной шпатлевки ЭП-00-10, антикоррозионная обработки пламенем газовоздушного плазмотрона с одновременной подачей на образцы минерального масла, после обработки минеральным маслом и последующим нанесением эпоксидной шпатлевки ЭП-00-10. В качестве коррозионно-активных сред были взяты 0,5 % растворы KOH, H2SO4, HNO3 и HCl. Методика исследования коррозионного процесса в агрессивных средах сводилась к периодическому взвешиванию и визуальным осмотрам образцов, при котором фиксировалось нарушение целостности поверхности покрытия.
в
Рис. 1. Микроструктуры образцов из стали Ст3 (а), поверхностного слоя (б) и защитного покрытия
(в) после горячей обработки минеральным маслом
а б
Рис. 2. Вид сварных соединений образцов с покрытием перед испытаниями в различных коррозионных средах: а - вид сверху; б - вид сбоку
2. Результаты и их обсуждение. Для оценки защитных свойств выбранных покрытий и определения оптимальной толщины защитного слоя были проведены предварительные лабораторные исследования.
Проведение испытаний образцов с различными покрытиями в 5 % растворах H2SO4, HNO3 HCl, и KOH показало, что наибольшую стойкость имеют образцы после антикоррозионной обработки, включающей металлизацию с последующим нанесением эпоксидной шпатлевки ЭП-00-10 после 48 часов выдержки.
Изменение веса образцов на единицу площади в 0,5 % растворах H2SO4, HNO3, HCl и KOH показано на рис. 3. По результатам предварительных коррозионных испытаний установлено, что наименьшую стойкость имеют образцы после антикоррозионной обработки пламенем газовоздушного плазмотрона с одновременной подачей на образцы минерального масла.
Дт/'S, т/и1 -50 о
50
а)
JÜ=_
т=Р-
12 3 4 12 3 4 12 3 4
100
Ara S, г/м2
-400 -
-300 -200 -100 о 100
,SO. HNO,
HCl
2 3 4 KOII
5)
К.ОН
И il
Н2Ь 1 J HNOj
п "I П-, —
1 2 3 4 12 3 4 12 3 4 Щ2 3 4
Дю/S, г/м--50 0
50 100
в)
H>SU, - n HNO, Г1 HCl _ n П KOH,-,
Lj 12 3 4 VU14 12 3 4 1 ■1 2 3 4
Дт/S, г/м2 г)
кон,
о
50 100
1 2
HCl
' ' М—1 П_1
3 4 12 3 4 12 3 4
2 3 4
Рис. 3. Сравнительная коррозионная стойкость образцов из стали Ст3 с защитным покрытием в 0,5%растворах агрессивных чред @ = 20 °С; т = 48 часов): 1 - алюминиевое (наносимое методом электродуговой металлизации); 2 - алюминиевое с последующим нанесением эпоксидной шпатлевки ЭП-00-10; 3 - покрытие, полученное после нанесения отработанного масла на стальную поверхность с последующим прогревом газовой горелкой; 4 - комбинированное покрытие (защитная пленка-минеральное масло с последующим подогревом и покрытие грунтом); а - пластина;
б — сварка под углом; в - сварка встык; г - сварка внахлест
Проведенные предварительные исследования сравнительной коррозионной стойкости образцов из стали Ст3 с А1 покрытиями, толщина (5) которых изменялась от 0,1 до 0,4 мм, показали наилучшую стойкость при 5 = 0,3 мм. Также была проведена оптимизация режимов электродуговой металлизации с различных вариантов сварки для получения высоких значений механических и коррозионных свойств. В качестве материала, подвергающегося нанесению защитного покрытия из А1, использовали листовую сталь Ст3 толщиной 5 мм, который подвергался предварительной обдувке металлическим порошком до шероховатости поверхности Кг = 50 мкм.
По колебаниям напряжения и силы тока, постоянно регистрируемым в процессе металлизации оценивали стабильность горения дуги, а, следовательно, и качество наносимого слоя А1, который оценивался металлографически и с помощью определения адгезионной прочности (клеевой метод).
Зона стабильности дуги находится в области значительного увеличения скорости подачи анодной проволоки (уа) по сравнению со скоростью подачи катодной проволоки (Ук ) . Несмотря на изменения напряжения дуги от 25 до 35 В такая тенденция сохраняется, хотя лучшая стабильность дуги наблюдается при напряжении 25 В. Для получения оптимального комплекса физико-механических характеристик защитных покрытий из А1, наносимого на листовую сталь Ст3, а также их высокой коррозионной стойкости были проведены сравнительные испытания образцов напыленных по режимам: дистанция распыления - 100 мм; постоянная скорость перемещения металлизатора Уя = 6 м/мин; скорость подачи анодной проволоки У ^ = 8 м/мин соответственно при трех режимах напряжения дуги - 25, 30 и
35 В, а также дискретном изменении Ук в интервале от 8 до 12 м/мин.
В процессе исследования адгезионной прочности было установлено, что максимальная прочность, равная 8,3 МПа, достигается при равных скоростях подачи анодной и катодной проволоки, равной 8 м/мин (рис. 4). Определение адгезионной прочности покрытий (толщиной от 100 до 600 мкм) на отрыв по клеевой методике позволило установить, что минимальную прочность имеют покрытия толщиной 500.600 мкм, а максимальную - 200 мкм (рис. 5). Исследование адгезионной прочности на различных этапах коррозионных испытаний подтвердило ее снижение по мере активизации коррозионного процесса и увеличении длительности испытаний [3].
Затем были проведены эксперименты по анализу режимов электродуговой металлизации при максимальной прочности сцепления полученных покрытий, позволившие определить оптимальную силу тока, которая оказалась равной 300 А.
а, Н мм-
1П 25У_30У_35У
8 — - г-1 -
4 - - - - - -
6 8 12 6 8 12 6 8 12 Ук\ м/мин
Рис. 4. Зависимость между скоростью подачи катодной проволоки
и прочностью сцепления алюминиевого покрытия со сталью Ст3 « 70
3 60 I 50
с,
40
30
20
10
200 300 400 ?00 600 I], мкм
Рис. 5. Зависимость адгезионной прочности от толщины напыленного покрытия
Проведенные исследования позволили установить, что оптимизацию режимов металлизации защитных покрытий, в частности А1, необходимо проводить по максимальной адгезионной прочности, являющейся определяющим фактором их долговечности. Что касается эксплуатационных характеристик покрытий были проведены дополнительные металлографические и коррозионные исследования, позволившие установить зависимость между режимами металлизациями и физико-механическими свойствами. Наилучшее качество покрытия (хорошее сцепление, адгезионная прочность и наименьшая пористость, а также коррозионная стойкость) показали образцы с защитными покрытиями, полученные при следующем режиме напыления: и = 25 В; У5 = 6 м/мин; У^ = Ук = 8 м/мин, который был принят оптимальным
при проведении дальнейших исследований.
В процессе испытаний проводили измерение электродного потенциала системы металл (сталь Ст3) - металлизационное алюминиевое покрытие. Проведенные исследования показали, что механизм защитного действия алюминиевого покрытия в первую очередь определяется электрохимическими характеристиками системы сталь-покрытие.
Начальные потенциалы системы сталь-алюминиевое покрытие располагаются между исходными потенциалами стали (-200 мВ) и защитного покрытия (-700 мВ).
Из полученных данных видно, что на стойкость образцов оказывает влияние не только вид покрытия, но и его толщина, а, следовательно, пористость, уровень остаточных напряжений и адгезионная прочность.
Характер полученных кривых позволяет судить о кинетике протекания коррозионных процессов. Активизация процессов растворения наблюдается в начальный период, а при увеличении времени они замедляются. Металлографические исследования и измерение внутреннего образцов на различных этапах испытаний (рис. 6 и 7) показали, что превалирует локальная коррозия, приводящая к растворению микронеровностей на поверхности алюминиевого покрытия, а также перемычек между порами. В результате этого значительно возрастает проницаемость покрытия, что значительно облегчает доступ агрессивной среды к материалу-основе.
Изменение модуля упругости (Е) низкотемпературного фона, а также релаксационного максимума Снука-Кестера (рис. 6 и 7) указывает на нарушение сплошности (увеличение пористости) покрытия, а также свидетельствует об увеличении уровня локальных напряжений, как в самом покрытии, так и
на границе раздела с основой. Росту напряжений также способствует и образование локальных скоплений продуктов коррозии. Указанные процессы в значительной мере могут снижать долговечность за счет ослабления сцепления защитного покрытия с металлом-основой.
СУ'хЮ4 30
25 20 35 10 5 О
|„ *--1 --1—' ■——, Ш
р
10-
5 у
ЕхНГ, МПа 20
15
10
О
100
200
300
400
500
600 Т, °С
Рис. 6. Температурные зависимости внутреннего трения (1-5) и модуля упругости (6-10) с алюминиевым покрытием различной тол-щины: 1, 6 - 200 мкм; 2, 7 - 300 мкм; 3, 8 - 400 мкм;
4, 9 - 500 мкм; 5,10 - 800 мкм
Рис. 7. Влияние длительности коррозионных испытаний на величину внутреннего трения и модуля упругости: 1, 8 - 48 часов; 2, 7 - 274 часа; 3, 6 - 922 часа; 4, 5 -1448 часов
В ходе приводимых металлографических исследований было установлено, что значительный вклад в защитную способность покрытий оказывает число слоев в покрытии, поскольку каждый последующий слой перекрывает часть пор предыдущего. При нанесении покрытий слой образуется из отдельных расплавленных или близких к этому состоянию частиц, которые с высокой скоростью соударяются и наслаиваются на поверхность основы. При движении к основному металлу в высокотемпературной среде частицы находятся в расплавленном состоянии и их поверхности покрываются окисной пленкой. При столкновении с поверхностью основного металла или поверхностью ранее образовавшегося покрытия частицы расплющиваются, образуя тонкий слой, механически сцепленный с поверхностью основного металла или покрытия. В процессе налипания частиц друг на друга среди расплавленных попадаются и не полностью расплавленные покрытия.
Для оценки качества напыленных покрытий были проведены исследования по определению их микротвердости и адгезионной прочности (на отрыв). Для исследования микротвердости были выбраны образцы с толщиной защитного слоя 100, 300 и 600 мкм. График распределения микротвердости в зависимости от толщины покрытия приведен на рис. 8, из которого видно, что микротвердость возрастает с увеличением толщины защитного слоя.
Исследование пористости покрытий показало, что наибольшее количество пор приходится на толщину 600 мкм. Однако их количество не превышало предельно допустимой концентрации (15 %). Размер пор колебался от 5 до 40 мкм.
Для уменьшения пористости, а, следовательно, коррозионной стойкости на следующую партию образцов наносили комбинированное покрытие А1 + грунтовка и подвергали аналогичным испытаниям в идентичных условиях, как и предыдущие партии. Результаты исследований, представленные показывают, что коррозионная стойкость в значительной степени повышается за счет заполнения пор грунтовкой. Так нанесение второго слоя грунта дает положительный эффект.
HV
-f-
О 200 400 600
h, мкм
Рис. 8. Зависимость микротвердости от толщины напыленного покрытия: 1 -100 мкм;
2 - 300 мкм; 3 - 600 мкм
Выводы:
1. Установлено, что металлизация алюминием (5 = 250...300 мкм) обеспечивает более длительную и надежную защиту от коррозии в кислых и щелочных растворах (pH 6,5.8,5) по сравнению с лакокрасочными покрытиями.
2. Выявлено, что дополнительное нанесение на металлизованную Al поверхность грунтовки ЭП-00-10 (5 = 150.200 мкм) позволяет избавиться от пористости металлического покрытия, а также увеличивает электроизоляционные свойства.
3. Показано, что правильный выбор толщины покрытия обеспечивает номинальное сочетание физико-механических характеристик, которые в свою очередь во многом определяют коррозионную стойкость. Это подтвердили последующие замеры характеристик внутреннего и модуля упругости на различных этапах испытаний как в лабораторных условиях в модельных средах, так и после испытаний в среде очистных сооружений.
Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих технологий обработки материалов [4-11].
Список литературы
1. Физико-механические и коррозионные свойства металлических материалов, эксплуатируемых в агрессивных средах: монография / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, М.В. Ушаков, В.В. Извольский. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. 553 с.
2. Зеленко В.К., Сергеев Н.Н., Извольский В.В., Власов В.М. Физико-механические и эксплуатационные свойства защитных покрытий. Тула: Изд-во ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 1999. 213 с.
3. Влияние технологических режимов нанесения защитных покрытий на их физико-механические и коррозионные свойства / Д.В. Малий, Н.Н. Сергеев, М.В. Ушаков, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев // VIII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сб. матер. (Москва. 19-22 ноября 2019 г.). М.: ИМЕТ РАН, 2019. С. 428-429.
4. Комплексный подход к моделированию ресурсосберегающих процессов обработки и фрикционного взаимодействия металлических систем: монография / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Н. Сергеев, А.Д. Бреки, Д.В. Малий, А.А. Калинин, С.В. Сапожников, С.Н. Кутепов, Д.А. Провоторов.; под ред. д-ра техн. наук, проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 232 с.
5. Моделирование процессов ресурсосберегающей обработки слитковых, порошковых, нано-структурных и композиционных материалов: монография / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, О.В. Кузовлева, Е.М. Селедкин, Д.С. Клементьев, А.А. Калинин.; изд. 2-е, исп. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 359 с.
6. Особые состояния металлических систем и ресурсосберегающие технологии процессов обработки давлением композиционных материалов, сплавов цветных металлов, слитковых и порошковых сталей: монография / Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, Н.Н. Сергеев, Р.В. Старков, А.В. Лаврушин, С.Н. Богомолов.; под редакцией профессора А. Е. Гвоздева. 2-е изд., доп. Рязань: РВВДКУ, 2019. 194 с.
7. Влияние процесса оплавления на когезионную прочность порошковых плазменных покрытий / Н.Н. Сергеев, М.В. Ушаков, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 430-441.
8. Металлографические и коррозионные исследования металлических покрытий, напыляемых на сталь 12Х18Н9Т / Н.Н. Сергеев, М.В. Ушаков, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 7. С. 1630.
9. Металлографические и коррозионные исследования металлических покрытий, напыляемых на сталь 30ХГСА / Н.Н. Сергеев, М.В. Ушаков, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 7. С. 35-52.
10. Увеличение износостойкости пористых газотермических покрытий путем химико-термической обработки / С.Г. Чулкин, А.Д. Бреки, А.А. Шатульский, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, Е.В. Агеев // Вестник «Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева». 2020. № 1 (52). С. 71-77.
11. Закономерности формирования структуры частиц порошковых композиций на основе алюминия, получаемых механическим реакционным легированием / В.Н. Гадалов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, И.В. Ворначева, С.Н. Кутепов, Е.А. Ельников, Д.С. Алымов, Д.И. Нестеров // Материаловедение. 2019. № 7. С. 38-42.
Ушаков Михаил Витальевич, д-р техн. наук, профессор, imstulgu@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, доцент, kutepov.sergei@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Клементьев Денис Сергеевич, аспирант, denis.klementev.93@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Калинин Антон Алексеевич, инженер, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL MODES OFSPRAYING PROTECTIVE COATINGS ON THE PHYSICAL-MECHANICAL AND CORROSION PROPERTIES
M.V. Ushakov, S.N. Kutepov, D.S. Klement'yev, A.A. Kalinin
The paper investigates the influence of technological modes of metallization coatings on their physi-co-mechanical and corrosion properties. Optimal technological modes of deposition of metallization coatings have been determined. It was found that the durability of the samples is influenced not only by the type of coating, but also by its thickness, and, consequently, porosity, the level of residual stresses and adhesive strength.
Key words: electric arc metallization, combined coatings, adhesive strength, porosity, corrosion resistance.
Ushakov Mikhail Vital'yevich, doctor of technical science, professor, imstulgu@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepov.sergei@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Klement'yev Denis Sergeevich, postgraduate, denis.klementev.93@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kalinin Anton Alekseevich, engineer, antony-ak@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
