Разработка, производство и применение коррозионностойких материалов

РАЗРАБОТКА, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие
























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.197
ББК 34.66
     Р17


Авторы:

Кравцов В. В., Зенцов В. Н., Шингаркина О. В., Асташина М. В.


Рецензент:



доктор технических наук, профессор Лаптев Анатолий Борисович



    Р17       Разработка, производство и применение коррозионностойких

     материалов : учебное пособие / [Кравцов В. В. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 148 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1103-5


     Приведены строение и свойства неметаллических конструкционных материалов и противокоррозионных покрытий на их основе, способы нанесения и ремонта покрытий, справочные данные по химической стойкости неметаллических материалов в различных средах.
     Для студентов вузов и техникумов, а также инженерно-технических работников промышленных предприятий и сотрудников научно-исследовательских и проектных институтов различных отраслей промышленности, занимающихся вопросами борьбы с коррозией подземных трубопроводов.


УДК 620.197

ББК 34.66

















ISBN 978-5-9729-1103-5

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ВВЕДЕНИЕ

     Применение деталей или покрытий из неметаллических материалов позволяет в ряде случаев заменить ими дорогостоящие или дефицитные металлические сплавы, а в отдельных случаях - повысить надежность в эксплуатации оборудования.
     К настоящему времени в области технологии антикоррозийной защиты оборудования, трубопроводов и разнообразных конструкций с использованием неметаллических покрытий накоплен значительный опыт, который в литературе отражен пока еще недостаточно. Авторы поставили перед собой задачу изложения существующих и перспективных направлений в области теории и практики применения неметаллических противокоррозионных покрытий.
     Знание строения и закономерностей в изменении свойств неметаллических покрытий помогает специалистам управлять их свойствами, создавать новые системы покрытий, рационально использовать их в разнообразных технических конструкциях.
     В учебном пособии описаны строение и свойства основных видов неметаллических покрытий и основы теории химического сопротивления, способы антикоррозийной защиты оборудования с помощью различных неметаллических покрытий. Особо выделены разделы книги, связанные с описанием способов ремонта изъянов на поверхностях оборудования и покрытий.
     В приложении приведены данные по стойкости неметаллических материалов в различных химических средах и системам лакокрасочных покрытий для различных условий эксплуатации оборудования и трубопроводов.

3

    1. ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
    1.1. Классификация неметаллических материалов

     Одной из основных особенностей в строении неметаллических материалов является преобладание ионной либо ковалентной связи между частицами. Отсутствие свободных электронов в виде «электронного газа», как это имеет место у металлов, в значительной степени определяет отличие их физических, химических и механических свойств от свойств металлов.
     Неметаллические конструкционные материалы могут быть подразделены на 3 класса: керамики, стёкла и полимеры (таблица 1.1).
     Следует отметить, что не только органические, но и многие неорганические материалы (асбест, кварц, кремнезем, слюда и т. д.) имеют полимерное строение, а под стеклами в самом широком смысле слова понимают все аморфные вещества, в том числе аморфные полимеры.
Т а б л и ц а 1.1

Основные классы неметаллических материалов

  Группа        Химическая основа       Атомно-молекулярное  
материалов                                   строение        
1. Керамики   химические соединения     кристаллическое или  
              металлов и неметаллов   аморфно-кристаллическое
 2. Стекла     оксиды в различных            аморфное        
                   сочетаниях           («стеклообразное»)   
3. Полимеры органические соединения,       аморфное или      
            состоящие из макромолекул аморфно-кристаллическое

     Чтобы избежать двусмысленного трактования и переплетений в классификации, при изложении материала в данной книге под термином «стекла» будем понимать неорганические стекла, а под термином «полимеры» - органические полимеры.
     Свойства неметаллических материалов, используемых в технике, весьма разнообразны и варьируют в широких пределах (таблица 1.2).

4

Т а б л и ц а 1.2

Диапазон изменения физико-механических характеристик неметаллических материалов

   Наименование физико-механической     Величина показателя  
            характеристики              керамика  полимеры  
                                        и стекла            
Плотность, кг/м3-1СГ3                     2-15     0,9-2,2  
Допустимая рабочая температура (верхнее 800-3800   60-300   
значение), °С                                               
Теплопроводность, Вт/м                   0,7-70    0,1-0,3  
Предел прочности при растяжении, МПа    3,5-1600   10-120   
Предел прочности при сжатии, МПа        25-4500    10-170   
Относительное удлинение при разрыве, %     0       2-1000   

      По ряду физико-механических и химических свойств неметаллы в отдельных случаях не только не уступают, но и превосходят многие металлические конструкционные материалы. Решая вопросы подбора конструкционных материалов, следует стремиться по возможности к более широкому использованию неметаллических материалов, так как это позволяет высвободить часть более дефицитных металлов и металлических сплавов, добиться их более экономичного расходования.
      Свойства любого материала определяются, как известно, составом, характером химической связи и структурой. В книге обсуждаются с этой точки зрения основные физико-механические свойства важнейших групп материалов, взаимосвязь между структурой и свойствами. Значительное внимание уделено вопросам коррозии и коррозионной стойкости неметаллических покрытий.

    1.2. Керамики

      Керамики в широком смысле слова можно определить как неорганические вещества с ионной и ковалентной межатомной связью (оксиды, карбиды, нитриды и др.).
      «Традиционная» керамика имеет более узкое значение термина (изделия из обожженной глины).
      Керамические материалы отличаются друг от друга не только составом и видом химической связи, но и степенью кристалличности. «Традиционные» керамики содержат значительное количество стеклообразной (аморфной) фазы, которая окружает кристаллические образования.
      Каменное литье в отличие от «традиционной» керамики обладает весьма высокой степенью кристалличности.

5

     В литературе встречается также термин «новые» керамики. В узком смысле слова это распространяется на различные чистые соединения, такие как оксиды, карбида и нитриды. Благодаря усовершенствованию технологии в настоящее время производятся чистые вещества в кристаллическом состоянии без примеси стеклообразной фазы, причем их плотность почти равна теоретической.
     Цементы и бетоны являются сложными аморфно-кристаллическими керамическими системами, весьма распространенными в технике.
     Все более широкое распространение находят ситаллы и стеклокерамики, которые получают в условиях контролируемой кристаллизации стеклообразной фазы (расстекловывания). В результате достигается мелкозернистое кристаллическое строение и практически отсутствие пор.
     Кристаллические структуры керамик отличаются большим разнообразием. Они изменяются от кубической до более сложных структур (рисунок 1.1)
     Химическая связь в керамиках является ионной или смешанной - ионноковалентной. Отсутствие свободных электронов служит причиной того, что керамики плохо проводят электричество и тепло. Поэтому одна из важных областей их практического применения - изготовление термо- и электроизоляторов.


Рисунок 1.1. Структуры некоторых керамик: а - каолинит, б - мусковит (слюда)

     Высокая прочность химических связей обусловливает высокие температуры плавления и химическую устойчивость керамик. В связи с указанными

6

свойствами керамические материалы широко используются для футеровок печей и высокотемпературных реакторов. В таблице 1.3 для сравнения приводятся температуры плавления некоторых керамик и тугоплавких металлов.
     Керамики могут быть получены по специальной технологии весьма плотными и прозрачными в диапазоне длин волн видимого света. Прозрачность -следствие того, что после охлаждения из жидкого состояния в таких керамиках содержится мало пузырей и трещин, размер которых близок к длине световой волны. Именно эти дефекты служат источником рассеяния в неметаллических кристаллах, полученных спеканием. При обычных методах производства керамик сохраняется значительная остаточная пористость, которая делает их полупрозрачными, а чаще непрозрачными.

                                                       Т а б л и ц а 1.3 Температуры плавления керамик и тугоплавких металлов

Материал Температура плавления, °C
            Керамики               
  TiO2             1605           
  HfC              4150           
       Тугоплавкие металлы         
   Ni              1455           
   W               3370           

     Большинство керамик характеризуются очень низкой пластичностью, высокой твердостью, жесткостью и относительно высоким пределом прочности на сжатие. Предел прочности на растяжение мал вследствие влияния микротрещин. Низкая пластичность кристаллических керамик является следствием природы их химических связей. Известно, что механизм пластического течения в кристаллических структурах основан на явлении движения линейных дефектов кристаллического строения - дислокаций - по определенным плоскостям, так называемым плоскостям скольжения.
     В металлах положительные ионы расположены практически равноправно по отношению друг к другу, а свободные электроны в виде «электронного газа», являясь общими для всего куска металла или металлической детали (рисунок 1.2. а), не препятствуют перемещению ионов металла по отношению друг к другу. Ионы металла способны сравнительно легко перемещаться под действием незначительных нагрузок в любом направлении, образуя при этом широкие дислокации.

7

     В ковалентных керамиках электронный газ отсутствует (рисунок 1.2, б) и ковалентные связи затрудняют относительное перемещение атомов под действием нагрузок. Благодаря сильному сопротивлению со стороны соседних атомов в перемещениях участвует меньшее количество атомов, т. е. дислокации образуются более узкими по сравнению с металлами.

























возможные направления скольжения

направления не ограничиваются

исключенные направления скольжения

Рисунок 1.2. Упрощенная схема атомно-молекулярного строения металлов:


(а) ковалентных (б)и ионных (в) керамик


     В связи с затрудненностью пластической деформации предел текучести у керамик фактически соответствует разрушающему напряжению. Поэтому керамики с ковалентной связью хрупки как в виде монокристаллов, так и в поли-кристаллическом состоянии.
     В ионных керамиках, в отличие от ковалентных, связи не направлены. Они определяются суммарным электростатическим взаимодействием, чередующимся цепочкой положительных и отрицательных ионов (рисунок 1.2, в).


8

     Дислокации здесь широкие, и сопротивление их движению низкое. Пластическое течение в монокристаллах получает значительное развитие. В этом имеется много общего с металлами. Однако, для металлов характерна возможность свободного скольжения в любом направлении. В ионных же кристаллах скольжение возможно лишь по ограниченному числу плоскостей. Ограничения связаны с тем, что ионы одного знака не должны попадать в положение, когда они становятся ближайшими соседями, так как в этом случае решетка теряет устойчивость. Несмотря на возможность пластической деформации в монокристаллах, поликристаллические ионные вещества становятся хрупкими вследствие образования трещин по границам зерен, где имеет место нарушение ионной связи. Разрушение большинства керамик происходит при некоторых критических напряжениях, меньших теоретической прочности, но достаточных для роста небольших трещин внутри кристалла или на его поверхности.
     Так как многие керамики эксплуатируются при высоких температурах, важное значение имеет их способность противостоять внезапному повышению или понижению температуры (термическому удару).
     Быстрое изменение температуры приводит к возникновению температурных градиентов и неравномерному тепловому расширению, чему также способствует низкая теплопроводность керамик. Все это обусловливает появление в материале трещин. Быстрое охлаждение обычно опаснее быстрого нагрева, так как при этом на поверхности возникают растягивающие напряжения, которые превращают небольшие дефекты в трещины.
     Дополнительные напряжения могут возникать также из-за структурной и химической неоднородности керамик.

    1.3. Стекла

     Стеклом в широком смысле слова называют любое твердое вещество, имеющее аморфное («стеклообразное») строение. Как уже отмечалось ранее, под термином «стекло» будем подразумевать минеральное аморфное вещество.
     Стекла являются оксидами или смесью оксидов, таких как SiO2, AI2O3, В2О3, P2O3, СаО, Na2O, MgO, BaO и др. Стеклообразное состояние характеризуется существованием «ближнего порядка» и отсутствием «дальнего порядка» (периодичности), наблюдаемого в кристаллах (рисунок 1.3).


9

о • ионы разных элементов
Рисунок 1.3. Схемы беспорядочного (а), стеклообразного (б) и кристаллического (в) строения


      При охлаждении жидкости и переходе в стеклообразное состояние не наблюдается ни кристаллизации, ни скачкообразного изменения удельного объема и механических свойств. Стекло приобретает жесткость благодаря постепенному снижению вязкости при уменьшении температуры. Стеклообразное состояние неравновесно. Оно возникает только вследствие предотвращения кристаллизации при достаточно быстром охлаждении в температурном интервале, расположенном непосредственно за точкой затвердевания (т. е. в интервале между точками ликвидус и солидус, в котором начала бы образовываться кристаллическая фаза, если бы расплав выдерживали достаточно долго для достижения равновесия). Структура стекла при комнатной температуре и его свойства в какой-то мере зависят от скорости охлаждения в этом интервале температур.
      За длительный период времени стекла расстекловываются, т. е. становятся кристаллическими. При температуре окружающей среды для этого необходимы сотни лет. Ускорения расстекловывания можно добиться специальными методами.
      Одно из важных свойств стекол - прозрачность в диапазоне длин волн видимого света. Добавление оксидов переходных металлов в состав стекломассы окрашивает стекла и даже делает их непрозрачными. Показатель преломления стекол можно изменять подходящими добавками.
      Стекло является изолятором электрического тока, хотя некоторая проводимость и возможна благодаря диффузии ионов (например, ионов натрия). Проводимость быстро увеличивается с ростом температуры. Диэлектрическая постоянная стекла зависит от природы модификатора. Например, введение оксида свинца в стекло повышает это значение с 4 до 10. Большое влияние на

10