ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧ/ΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΘΕΜΑ: Προστασία µε επιµεταλλώσεις Σκαβάρας Παναγιώτης 1
Ως επιµετάλλωση ορίζουµε την εναπόθεση στρώµατος µεταλλικού υλικού στην επιφάνεια µετάλλου, το οποίο θέλουµε να προστατέψουµε από τη διάβρωση. Το προς απόθεση µέταλλο πρέπει να είναι πιο ανοδικό ή παθητικότερο εκείνου που προστατεύουµε. Αποτέλεσµα της µεθόδου αυτής είναι η άµεση επαφή µικρότερου δυναµικού διάβρωσης µε το περιβάλλον και, συνεπώς, πολύ λιγότερη απώλεια υλικού απ όση στην περίπτωση του απροστάτευτου µετάλλου. Πριν την έναρξη της διαδικασίας επιµετάλλωσης, πραγµατοποιείται καθαρισµός της µεταλλικής επιφάνειας, ο οποίος είναι βασική προϋπόθεση για την επιτυχή εφαρµογή της επικάλυψης στην επιφάνεια του µετάλλου. Οι λιπαρές ουσίες αποµακρύνονται µέσω της εκπλύσεως της επιφάνειας µε θερµό διάλυµα 5% ΚΟΗ ή µε οργανικούς διαλύτες. Η αποµάκρυνση των οξειδίων γίνεται, κυρίως, µε µηχανικά µέσα (π.χ. µέθοδος αµµοβολής). Στο χάλυβα εφαρµόζεται συχνά ο όξινος καθαρισµός µε εµβάπτιση σε αραιό διάλυµα θειικού ή υδροχλωρικού οξέως σε θερµοκρασία 60-80 C. Η σκουριά αποτελείται, συνήθως, από τρία παράλληλα στρώµατα οξειδίων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα: Σχήµα: Στρώµατα οξειδίων του σιδήρου, πάνω απ τη µεταλλική επιφάνεια Το οξύ, καθώς διεισδύει µέσα από τους πόρους της σκουριάς, αντιδρά πρώτα µε το υπόστρωµα της σκουριάς (FeO), το διαλύει και αποσπώνται, έτσι, τα ανώτερα στρώµατα (Fe2O3 και Fe3O4). Επίσης, το οξύ αντιδρά µε το µέταλλο, ενώ το εκλυόµενο υδρογόνο βοηθά στην απόσπαση της σκουριάς. Η µέθοδος, όµως, αυτή παρουσιάζει και κάποια µειονεκτήµατα: έχουµε σηµαντική απώλεια µεταλλικού υλικού λόγω της αντιδράσεώς του µε το οξύ 2
έχουµε προσρόφηση ατοµικού υδρογόνου στους πόρους της µεταλλικής επιφάνειας και κατά τη δηµιουργία µοριακού υδρογόνου δηµιουργούνται υψηλές πιέσεις που προκαλούν ρωγµές σε αυτήν η επιφάνεια γίνεται ανώµαλη, λόγω της ανοµοιόµορφης προσβολής της από το οξύ Καθαρισµός του χάλυβα γίνεται και µε ηλεκτρολυτικό τρόπο. Κατά την προετοιµασία της επιφάνειας κάνουµε, αρχικά, ηλεκτρολυτική απολίπανση, µε σκοπό τη σαπωνοποίηση των διαφόρων λιπών. Ακολουθεί ηλεκτρολυτική λείανση η οποία προσφέρει τη δυνατότητα δηµιουργίας καλού" επιστρώµατος, καθώς, κατά την ηλεκτρόλυση που αποτίθεται ιόν προς ιόν ή κατά τη δηµιουργία οξειδίου, το επίστρωµα µιµείται τέλεια την επιφάνεια του µετάλλου. Αν λοιπόν γίνει καλά η λείανση, το επίστρωµα θα µπορέσει να δηµιουργηθεί σωστά. Πριν την επιµετάλλωση γίνεται ξανά απολίπανση µε ένα διαλυτικό µέσο των λιπών ή κάποιο αλκαλικό µέσο. Όσον αφορά τη χρησιµοποίηση µεταλλικών επικαλύψεων, ιδιαίτερη σηµασία έχει η ηλεκτροχηµική σχέση του βασικού µετάλλου προς το µέταλλο επικαλύψεως. Εάν το δεύτερο είναι καθοδικότερο, θα επέλθει επιτάχυνση της διάβρωσης στα εκτεθειµένα σηµεία του βασικού µετάλλου, ενώ αν είναι ανοδικότερο παρέχει γαλβανική προστασία των εκτεθειµένων σηµείων του βασικού µετάλλου σε βάρος του ιδίου. Κατά την επιλογή και εφαρµογή της επικάλυψης επιδιώκονται οι εξής ιδιότητες: µηχανική και χηµική ανθεκτικότητα της µεταλλικής επικαλύψεως εύκολη απόθεση του επιστρώµατος καλή πρόσφυση επιστρώµατος βασικού µετάλλου, αναλύεται παρακάτω οµοιόµορφο πάχος επίστρωσης προς αποφυγή υπάρξεως ευπρόσβλητων περιοχών ανεπαρκούς πάχους καλή εξωτερική εµφάνιση, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για κατασκευή διακοσµητικών αντικειµένων Οι επιµεταλλώσεις χρησιµοποιούνται οπουδήποτε απαιτείται προστασία µετάλλου. Ως συνέπεια, λοιπόν, της ευρείας χρήσης τους, υπάρχουν πολλές µέθοδοι, µε αρκετά µεταλλικά στοιχεία, που εφαρµόζονται. Μεταλλικές επικαλύψεις εφαρµόζονται συχνά για προστασία σιδήρου ή χάλυβα, υλικά τα οποία παρουσιάζουν καλές µηχανικές ιδιότητες, αλλά µικρή αντοχή σε διάβρωση. Όσον αφορά την υποθαλάσσια προστασία, η οποία µας απασχολεί ιδιαιτέρως ως ναυπηγούς, η πιο διαδεδοµένη µέθοδος επικάλυψης είναι η επιψευδαργύρωση. 3
Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως ο ψευδάργυρος είναι αρκετά ανοδικότερος του χάλυβα, εκτός της αν βρεθούν σε περιβάλλον θερµού πόσιµου νερού (θ > 80 C), και όχι στην καθαυτή ιδιότητά του να αντέχει σε διάβρωση. Όπως φαίνεται και στον παρακάτω πίνακα, ψευδάργυρος και χάλυβας παρουσιάζουν ίδιας τάξης µεγέθους µεταβολή βάρους στα σχετικά διαλύµατα, όταν εισέρχονται µεµονωµένα σε αυτά. Αντίθετα, όταν ενωθούν µεταξύ τους, παρουσιάζεται µεγάλη µείωση βάρους του ψευδαργύρου και ελαφρά αύξηση (!) βάρους του άνθρακα (η οποία µάλλον οφείλεται στην αναγωγή του διαλυµένου στο νερό οξυγόνου προς υδροξυλιόντα και το σχηµατισµό, στη συνέχεια, αδιάλυτων υδροξειδίων). Έτσι, λοιπόν, ο ψευδάργυρος καθίσταται άνοδος του δηµιουργηθέντος γαλβανικού στοιχείου, προστατεύοντας το χάλυβα. Πίνακας 1: Μεταβολή βάρους όµοιων δοκιµίων ψευδαργύρου και χάλυβα σε διάφορα διαλύµατα Αντίθετα µε τον ψευδάργυρο, ο κασσίτερος είναι καθοδικότερος του σιδήρου. Στην περίπτωση, δηλαδή που σηµεία του βασικού µετάλλου βρίσκονται ακάλυπτα, το επίστρωµα κασσιτέρου "βοηθά" στη διάβρωσή τους. Για το λόγο αυτό, κάνουµε επάλειψη µε ειδικό βερνίκι στην επιφάνεια του λευκοσιδήρου (λευκοσίδηρος είναι ο επικαςσιτερωµένος σίδηρος), καλύπτοντας το πορώδες του κασσίτερου. 4
Σχήµα 2: ιάβρωση επιψευδαργυρωµένου και επικασσιτερωµένου σιδήρου Όσον αφορά την πρόσφυση επιστρώµατος µετάλλου, αυτό που µας ενδιαφέρει είναι η δηµιουργία µιξοκρυστάλλου ανάµεσά τους. Αν οι ακτίνες των ιόντων επιστρώµατος µετάλλου διαφέρουν έως 8% δηµιουργούνται µιξοκρύσταλλοι µε αντικατάσταση, κάτι που θέλουµε να επιτύχουµε αφού προσφέρουν µεγαλύτερη αντοχή. Αν οι ακτίνες διαφέρουν έως 15%, έχουµε µιξοκρυστάλλους µε διείσδυση. Στην περίπτωση που τα µέταλλα που θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε δεν ικανοποιούν αυτές τις συνθήκες, παρεµβάλλουµε κάποιο µέταλλο ενδιάµεσης ακτίνας. Το µέταλλο, αυτό, είναι, συνήθως, ο χαλκός. Η επιχάλκωση γίνεται σε λουτρό ιόντων χαλκού και περιλαµβάνει ανοδικό ηλεκτρόδιο, επίσης από χαλκό, και καθοδικό ηλεκτρόδιο (το αντικείµενο προς επιχάλκωση). Για να σχηµατιστεί ο πυκνός µιξοκρύσταλλος που θέλουµε, πρέπει η πυκνότητα του ρεύµατος να βρίσκεται εντός κάποιου ορίου τιµών. Αν είναι µικρότερη, ο σχηµατιζόµενος µιξοκρύσταλλος θα είναι αραιός και η συνάφεια των δύο µετάλλων µικρή. Αν είναι µεγαλύτερη, τα ιόντα χαλκού που αποτίθενται δεν προλαβαίνουν να πάρουν τις θέσεις τους στο κρυσταλλικό πλέγµα και ο χαλκός αποτίθεται ως άµορφος. Τέλος, το στρώµα του χαλκού δεν θα πρέπει να είναι πορώδες. Μετά την επιχάλκωση ακολουθεί ελαφρά λείανση και κατεργασία µε διαλυτικά µέσα προς αποµάκρυνση των λιπαρών ουσιών των αλοιφών που χρησιµοποιήθηκαν στη λείανση. Για να αποφύγουµε τις διαδικασίες αυτές, µπορούµε να τοποθετήσουµε τα επιχαλκωµένα αντικείµενα σε λουτρό επινικέλωσης, αφού πρώτα τα πλύνουµε µε νερό. 5
Το λουτρό επινικέλωσης περιλαµβάνει διάφορες ουσίες όπως άλατα νικελίου, χλωριούχο αµµώνιο, βορικό οξύ. Το ανοδικό ηλεκτρόδιο είναι από µεταλλικό νικέλιο, ενώ το ρόλο του καθοδικού ηλεκτροδίου παίζουν τα προς επινικέλωση αντικείµενα. Αν επιθυµούµε µεγαλύτερη αντοχή σε διάβρωση κάνουµε επιχρωµίωση, αν και το νικέλιο µπορεί να είναι και το τελικό στρώµα. Η επιχρωµίωση γίνεται σε λουτρά τριοξειδίου του χρωµίου παρουσία µικρής ποσότητας θειικού οξέος και πραγµατοποιείται µετά από ελαφρά λείανση και απολίπανση. Το χρώµιο που αποτίθεται είναι πορώδες, επειδή η τιµή της τάσης απόθεσης των χρωµιόντων είναι κοντά στην τιµή της τάσης διάσπασης του νερού, µε συνέπεια την ταυτόχρονη απόθεση χρωµίου και υδρογόνου. Εδώ φαίνεται και η σηµασία του στρώµατος νικελίου, καθώς χωρίς αυτό θα ήταν αδύνατη η επίστρωση χρωµίου πάνω στο µέταλλο ή το χαλκό, τα οποία αντιµετωπίζουν πρόβληµα µε το πορώδες. Άλλες µέθοδοι προστασίας είναι η επικαδµίωση, η επιχρύσωση για την Παρασκευή ειδών πολυτελείας, η επαργύρωση σε δίσκους, µαχαιροπήρουνα κ.α. Τέλος, µια επιµετάλλωση µπορεί να γίνει µε διάφορους τρόπους. Μερικοί απ αυτούς είναι µε πιστολισµό, µε καθοδική διασκόρπιση, µε διάχυση, µε συνέλαση κ.α. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Η ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΕΚ ΤΗΣ ΙΑΒΡΩΣΕΩΣ Κωνσταντίνου Α. Καγκαράκη ΙΑΒΡΩΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΥΛΙΚΩΝ Θ. Σκουλικίδης, Π. Βασιλείου. 6