СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C23F13/00 

Изобретение относится к защите металлов от коррозийного разрушения и может быть использовано в различных отраслях промышленности для повышения коррозийной стойкости металлических конструкций, предпочтительно не связанных с землей, например кузовов грузовых или легковых автомобилей.

Широкое распространение получил способ защиты металлических поверхностей от разрушающего взаимодействия с окружающей средой, в том числе незамкнутых систем, путем формирования на защищаемой поверхности твердого в виде металлического или неметаллического покрытия коррозионно-стойкого слоя, например, типа вязкой смазки или лака.

При этом вид защитного покрытия определяется многими факторами, главным из которых является степень агрессивности воздействующей на металл среды. Вместе с тем известно, что прочное сцепление покрытия с металлом и возможно более равномерное по толщине распределение его поверхности в значительной степени зависят от качества подготовки поверхностей металла.

Таким образом, известный способ требует овладения знаниями по достаточно широкому кругу вопросов, выбора соответствующего материала покрытия, технологии его нанесения и многое другое. Наряду с этим известный способ, как показывает практика, требует поиска более эффективных мер защиты металла от коррозии.

Известен электрохимический способ защиты металла, подразделяемый на катодную и анодную защиту. Катодная защита осуществляется катодной поляризацией металла, в частности, с помощью внешнего тока и обычно применяется как дополнительная к изолирующему покрытию.

Суть этого способа состоит в том, что защищаемую поверхность присоединяют к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, т. е. поляризуют металл катодно, а к положительному полюсу источника тока присоединяют металлические детали, например стержни. В условиях работы такой электролизной системы активному разрушению подвергается анод.

Из известных способов защиты металла от коррозии наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ катодной защиты с помощью протекторов, который предпочтителен в условиях морской воды, других нейтральных средах, а также в почве. Протекторная защита состоит в том, что к поверхности защищаемой конструкции путем прижима присоединяют металл или сплав, электродный потенциал которого электроотрицательнее потенциала защищаемого металла в данной коррозийной среде.

В качестве материала протектора используют в зависимости от коррозионной среды чистый цинк или сплавы цинка с алюминием иногда сплавы на основе магния. В таком гальваническом микроэлементе протектор служит анодом и в процессе защиты постепенно электрохимически растворяется. Коррозия защищаемой конструкции - катода полностью прекращается или чаще всего значительно уменьшается, поскольку локальный коррозийный ток защищаемой конструкции после присоединения к ней протектора значительно уменьшается. Механизм защиты металла от коррозии с помощью протектора аналогичен механизму катодной защиты, т. е. сводится к переводу в катоды локальных анодов на поверхности конструкции или к ослаблению их деятельности. Коррозия металла полностью прекращается, если при присоединении к нему протектора потенциал конструкции достигает значения обратного потенциала наиболее отрицательной анодной составляющей ее поверхности.

Однако необходимый для реализации известного способа единый гальванический элемент образуется только в том случае, если вся защищаемая поверхность покрыта влагой. Если же коррозийной средой является атмосферная среда, происходит разделение сплошного слоя влаги на отдельные островки в процессе его подсыхания. В результате эффективность защитного процесса значительно снижается, поскольку гальванический элемент локализуется в зоне размещения протектора и ограничивается его контуром. Поэтому при защите протяженных металлических поверхностей от воздействия атмосферной среды необходимо использовать n-е количество протекторов известной конструкции, что усложняет способ и увеличивает стоимость его аппаратурной реализации. Наряду с этим, как показала многолетняя практика использования известного способа, эффективность его использования неоднозначна в тех или иных условиях и существенно зависит от множества дополнительных факторов. В частности, использование этого способа малоэффективно для защиты кузова автомобиля, имеющего протяженную поверхность сложного рельефа.

Известное устройство защиты металлов от коррозии, выбранное в качестве прототипа, выполнено в виде гальванического макроэлемента со средством крепления к защищаемому объекту путем прижима. Устройство содержит пластину из сплава на основе цинка, электродный потенциал которого заведомо электроотрицательнее потенциала защищаемых металлических конструкций, например, из железа.

Работа известного устройства основана на принципе катодной протекторной защиты. Недостатки устройства такой конструкции аналогичны описанным выше.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке нового способа защиты изделий из легких металлов и сплавов, а также из тугоплавких металлов от коррозийного воздействия окружающей среды и универсального устройства для его практического применения в различных отраслях промышленности. При осуществлении способа и устройства должна быть в значительной степени повышена коррозийная стойкость металлических конструкций, в том числе тех, к которым уже были применены известные замедлители коррозийного разрушения (ингибиторы, твердые покрытия и др. ).

Для достижения указанного технического результата в известном способе защиты металла от коррозии, основанном на взаимодействии защищаемой поверхности с отрицательным зарядом, согласно изобретению на защищаемой поверхности накапливают отрицательный потенциал путем формирования свободных электронов от автономного источника.

Ожидаемый технический результат достигается также тем, что в устройстве для защиты металла от коррозии, содержащем источник отрицательных зарядов, связанный с защищаемым объектом, согласно изобретению источник выполнен в виде генератора свободных электронов со средством их накопления, при этом генератор электрически связан с защищаемым объектом через указанное средство.

Генератор свободных электронов выполнен в виде электровакуумного диода, подключенного к источнику питания, а средство накопления свободных электронов выполнено в виде сопротивления нагрузки, включенного параллельно диоду и связанного с защищаемым объектом.

Накопление свободных электронов от генератора на защищаемой поверхности согласно способу способствует изменению работы выхода электронов с этой поверхности. С повышением работы выхода электронов из металла снижается скорость изменения физического состояния поверхностного слоя металла.

Поверхностно-структурные факторы, ответственные за все физические явления, можно свести к наличию на поверхности центров, обедненных электронами и образующих стабильно существующие дискретные зоны связанных на поверхности положительных ионов. Вследствие электростатической индукции на поверхности тела вблизи дискретных зон связанных положительных ионов локализуются отрицательные заряды - электроны. Таким образом, образуются дополнительные конфигурации зарядов.

Данное поле является внешним, его линии частично замкнуты на индуцированные по соседству отрицательные заряды электронов. Пpи внесении свободных электронов на поверхности тела большее количество силовых линий положительных ионов замыкается на отрицательные заряды - электроны. Образуются свэлионы. За счет возникновения этих связей меньшее количество силовых линий участвует в работе выхода при физических явлениях на поверхности тела.

Таким образом, снижается скорость изменения исходного физического состояния поверхности тела (металла), т. е. скорость коррозии замедляется.

Способ защиты металла предусматривает электрическое соединение контактно или дистанционно с генератором свободных электронов через их накопитель, непосредственно с которого происходит натекание отрицательных зарядов на защищаемую поверхность.

Суть способа защиты металла от коррозии состоит в том, что обеспечивают непрерывный процесс натекания свободных электронов на защищаемую металлическую поверхность. Для этого последнюю электрически соединяют с генератором электронов и их накопителем. В качестве примера может быть использован светодиод ФС-3, соединенный с полупроводниковым диодом КД-102А с обеспечением накопления свободных электронов на этом диоде за счет того, что полупроводниковый диод связан непосредственно с защищаемым объектом, на поверхность последнего непрерывно натекают генерируемые светодиодом и накапливаемые полупроводниковым диодом свободные электроны. В результате этого на защищаемой поверхности независимо от ее протяженности происходит взаимодействие отрицательно заряженных электронов с положительно заряженными токами в так называемых зонах повышенной активности, в частности там, где имеют место нарушения кристаллического строения металла (дислокации). Таким образом, происходит снижение энергетической активности поверхности металла при нахождении его в коррозионно-активной среде.

На чертеже показана электрическая схема устройства (вариант) для осуществления способа защиты от коррозии металлоконструкций.

Схема устройства содержит электровакуумный диод 1, например 6Х2П, соединенный с источником 2 энергии. Параллельно к диоду 1, между катодом 3 и анодом 4 включено сопротивление 5 нагрузки, через которое защищаемый объект 6 электрически связан с диодом 1.

Работа устройства происходит следующим образом.

На подогреватель катода подают от источника 2 энергии напряжение накала, разогревающее катод 3 до рабочей температуры, например 800+50^оС, и обеспечивающее термоэлектронную эмиссию. В промежутке анод-катод возникает термоЭДС, способная обеспечить во внешней нагрузочной цепи электрический ток. С помощью сопротивления 5 нагрузки, в частности R_н = 10 ГОм, из общего числа эмиттированных электронов выделяется группа, содержащая определенное количество электронов с определенной энергией, т. е. величина
R_н = (1), где U_к-а - разность потенциалов между катодом и анодом;
l - ток, протекающий через сопротивление нагрузки.

Таким образом, сопротивление нагрузки осуществляет сортировку электронов по энергиям, выбирая из них такие, количество и энергия которых удовлетворяет (1).

При подключении защищаемого объекта 6 к выходу схемы, т. е. к общей точке соединения вывода анода 4 электровакуумного диода 1 с одним из выводов сопротивления 5 нагрузки происходит постоянное стекание накопленных электронов на указанный объект. Вся защищаемая поверхность находится под отрицательным потенциалом (0,8-1)В, создаваемым свободными электронами.

Изготовлен опытный образец устройства защиты металла от коррозии в исполнении применительно к автомобилю. Устройство снабжено средствами контактного или дистанционного подключения к защищаемому металлическому корпусу. Опытный образец устройства испытали в лабораторных условиях на пластинах из металла ст. 3 с отшлифованной поверхностью. На каждую из пластин воздействовали водной средой и одну из них соединяли с электрическим проводом, подключенным к выходу устройства защиты. В течение 70-дневной выдержки пластин проводились измерения глубины коррозионных канавок на поверхностях, контактирующих с водной средой. Установлено, что коррозия пластины, подключенной к устройству защиты, в 3 раза меньше коррозии незащищенной пластины. Срок службы предлагаемого устройства ограничивается сроком службы генератора свободных электронов.

Существенным преимуществом заявляемых изобретений в сравнении с наиболее близкими по достигаемому результату объектами является повышение коррозионной стойкости металла как за счет увеличения эффективности защиты, так и за счет предотвращения коррозии на всей защищаемой поверхности, а не локально (как в прототипе). (56) Емелин М. И. и Герасименко А. А. Защита машин от коррозии в условиях эксплуатации. М. : Машиностроение, 1980, с. 79-80.

Авторское свидетельство СССР N 773143, кл. С 23 F 13/00, 1979.

Бахвалов Г. Т. Защита металлов от коррозии. М. : Металлургия, 1964, с. 83.

Использование: защита от коррозии металлоконструкций преимущественно в атмосферной среде. Сущность изобретения: изобретение позволяет существенно повысить коррозионную стойкость металлических конструкций, находящихся в различных средах и условиях, путем создания на поверхности защищаемого металла рельефа свободных электронов, непрерывно генерируемых и накапливаемых внешним источником. В одном из вариантов устройство, реализующее предлагаемый способ, образовано электрической цепью, состоящей из электровакуумного диода 1, соединенного с источником 2 энергии. Параллельно к диоду 1, между катодом 3 и анодом 4 включено сопротивление 5 нагрузки. С общей точкой соединения анодного вывода диода 1 и одного из выводов сопротивления 5 электрически связан защищаемый от коррозии объект 6. При подаче напряжения накала от источника 2 энергии на подогреватель, разогревающего катод 3 до температуры, обусловливающей термоэлектронную эмиссию с него, электроны из анода 4 по электрической цепи попадают на сопротивление 5 нагрузки, как из накопителя, стекают на защищаемый объект 6 и образуют на его поверхности отрицательный потенциальный рельеф. В результате существенно снижается активность зон положительной полярности, ответственных за коррозионные процессы на поверхностях металлических конструкций. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ защиты от коррозии металлоконструкций преимущественно в атмосферной среде, включающий формирование на ее поверхности отрицательного заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности защиты путем обеспечения непрерывного процесса натекания свободных электронов, металлоконструкцию через средство накопления подключают к источнику свободных электронов. 2. Устройство защиты от коррозии металлоконструкций, содержащее источник отрацательных зарядов, связанный с защищаемым объектом, отличающееся тем, что источник выполнен в виде генератора свободных электронов и средства их накопления, при этом генератор электрически связан с защищаемым объектом через указанное средство. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что генератор свободных электронов выполнен в виде электровакуумного диода, подключенного к источнику питания, а средство накопления свободных электронов выполнено в виде сопротивления нагрузки, включенного параллельно диоду и связанного с защищаемым объектом.