Привет, Хабр!
Меня зовут Иван Яковлев. В данной статье я хочу поделиться ключевыми аспектами антикоррозионной защиты стальных деталей, применяемых в авиастроении. Основываясь на многолетнем опыте производственной деятельности, я сосредоточусь на практических нюансах применения трех основных типов покрытий (кадмирование, фосфатирование и лакокрасочное покрытие), исключая специальные. Рассмотрение всех существующих покрытий выходит за рамки статьи и требует отдельного издания. Материал изложен в следующем порядке: сначала общая характеристика покрытия, затем нюансы его использования.
Дисклеймер: так как я тут пишу как частное лицо, никаких названий самолетов, КБ, заводов, точных режимов обработки и т. д. приведено не будет. Однако, все описанные процессы широко применяются в авиастроении.
Также прошу прощения за малое количество фотографий и возможное низкое их качество. Фотографии взяты из рабочих заметок и изначально не планировались для публикации.
Введение
Всем хочется строить узлы самолетов из титана. Он прочный, легкий, в два раза легче стали, и стоек к коррозии практически в любой среде. Однако он имеет минус: титан очень дорог. Дорог он в том числе потому, что очень сложно обрабатывается. Поэтому, там, где возможно, авиационные конструкторские бюро применяют сталь.
Среди сталей есть марки, которые не уступают по прочности титану. К примеру, пруток стали 30ХГСН2А-ВД имеет предел кратковременной прочности (так называемая сигма временная) около 1620 МПа. Титановый сплав ВТ22, который является одним из самых ходовых, имеет предел кратковременной прочности около 1280 МПа, что значительно меньше стали. За высокую прочность сталь платит небольшой коррозионной стойкостью и большим весом. Несмотря на это, подобные марки успешно применяются в нагруженных узлах самолетов, к примеру, в элементах шасси. Чтобы продлить ресурс детали, используют антикоррозионные покрытия, которые и являются объектом данной статьи.
Защитное металлическое покрытие
Основным защитным покрытием является кадмий. Принцип работы данного вида покрытия следующий: из-за того, что металл покрытия более активный, чем металл основы (железо), то он корродирует и растворяется в первую очередь, так как является анодом по отношению к стали. Это очень интересное наблюдение ещё и потому, что даже если мы повредим верхний слой до основы, прорежем покрытие насквозь, коррозия основы не пойдет до тех пор, пока весь металл покрытия в рассматриваемом нами месте не растворится полностью. Таким образом сильно продлевается срок эксплуатации детали, ведь она может выдержать даже глубокие царапины. Для дополнительной защиты кадмий обрабатывают либо пассивацией, либо фосфатированием.
В гражданской продукции мы редко встретим кадмий. Чаще всего там будет цинковое покрытие. Распространение изделий, покрытых кадмием, ограничивают различные директивы, первая из которых касалась автомобильной промышленности и была принята в 2000 году как Директива 2000/53/ЕС. Дело в том, что кадмий является канцерогеном и веществом 1 класса опасности. Контакт с водной средой крайне нежелателен, ведь он способен длительно отравлять экосистему.
Однако он очень хорошо защищает сталь от коррозии практически в любых средах, в том числе в морской атмосфере и в условиях тропического климата. В связи с этим кадмий до сих пор применяют для защиты авиационных деталей, так как самолеты летают по всему миру и подвергаются негативным факторам окружающей среды как в условиях российской зимы, так и в условиях зноя Вьетнама.
Практически в любых средах, но всё же не во всех. Применять кадмий в промышленной атмосфере, насыщенной сернистыми газами плохая идея. В этих средах кадмий корродирует очень быстро, порой обгоняя цинк. Причина в том, что на поверхности цинка в такой атмосфере образуются нерастворимые соединения, защищающие его от коррозии, а вот про кадмий такого сказать нельзя.
Перейдем к технологии. Известно два вида кадмирования: классическое осаждение из электролита путем погружения в ванну и метод так называемого “натирания”. Второй метод в силу его малой распространенности обсуждаться в статье не будет.
ГОСТ 9.305 приводит 7 разных составов, которые условно можно разделить на 3 группы: сульфатно-аммонийные, хлористо-аммонийные и цианистые. Составы приводить не буду, их можно посмотреть в ГОСТе, перейдем сразу к особенностям.
Так, самый лучший электролит – цианистый. Как можно предположить из названия, он сделан на основе цианидов. В промышленных предприятиях вполне возможно их применение, но соблюдая меры предосторожности. Цианистый электролит максимально ровно укрывает деталь, формируя ровное покрытие даже в труднодоступных местах.
Обратная сторона процесса – очень высокий процент наводороживания, которое сильно снижает прочность стали. Дело в том, что совместно с кадмием у детали при электролизе выделяется водород, который проникает внутрь металла. Механизм действия водорода стоит отдельного обсуждения, поэтому тут просто кратко скажу: он снижает прочность стали.
Немного из личного опыта. Как-то раз нужно было ремонтировать конструкции под потолком цеха над гальваническими ваннами. Перечень работ включал в себя также сварку. Когда сварщики приступили к работе, то в цехе начали раздаваться хлопки. Это взрывался водород, который поднимался от гальванических ванн. К счастью, его в общем объеме цеха немного, и, кроме как прикольного звука, он ничем не мешал.
Другой электролит – хлористоаммонийный. Он почти не наводороживает сталь (по информации из научной литературы), но обладает очень плохой рассеивающей способностью. Углы, пазы, отверстия при таком способе кадмирования покрываются очень плохо. Улучшает ситуацию введение дополнительных анодов, которые подводят силовые линии тока ближе к покрываемой поверхности. Однако, если деталь сложной формы, а в авиации в основном такие, покрыть качественно всю деталь становится нетривиальной задачей.
Ещё одна история из личного опыта. У меня был случай, когда мы ремонтировали деталь в хлористоаммонийном электролите, кадмированную ранее цианистым электролитом. Снять покрытие было в разы легче, чем нанести новое. Там, где в цианистом электролите всё покрывалось хорошо, в хлористоаммонийном покрывается всё очень плохо. Ситуация решилась изготовлением большого количества мелких анодов для всех пазов, углублений и отверстий.
Последний электролит – сульфатно-аммонийный. Он средний во всех отношениях. Прокрытие у него хорошее, но и наводороживает он достаточно сильно.
В конечном итоге в профильной литературе высоконагруженные узлы из высокопрочной стали рекомендуется кадмировать в хлористоаммонийном электролите. В этом случае не теряется прочность детали, а коррозионную стойкость можно догнать последующим фосфатированием с окрашиванием. Хотя, конечно, это не совсем то, ведь при сквозном повреждении будет развиваться коррозия уже основы. Эта коррозия может распространиться под слоем краски и в конце концов приведет к её отслаиванию, увеличивая площадь поражения.
Неметаллические неорганические покрытия
Кроме металлических покрытий, стальные детали защищают также неметаллическими неорганическими покрытиями. К данному виду покрытий чаще всего относят оксидирование (Хим.окс.) и фосфатирование (Хим.Фос. и Хим.Фос.окс.). Данный вид покрытий отличается от выше названного кадмия двумя аспектами: оно неметаллическое, как следует из названия, и оно имеет другой принцип защиты. Покрытия этого типа защищают основу по барьерному принципу, то есть физически разделяя агрессивную среду и защищаемую деталь. В данном месте нужно сделать оговорку. Хим.Фос., нанесенный с получением цинк-фосфата, имеет некоторые анодные свойства, но содержания цинка там очень мало, поэтому значительно он не усиливает защитные свойства.
Хим.окс. и Хим.фос., хоть и относятся к одному виду, по своей сути совсем разные покрытия. Так, Хим.окс., также известное как воронение или чернение, наносится путем длительной выдержки детали в кипящем растворе концентрированной щелочи. Верхний слой детали реагирует со средой, в результате чего на поверхности образуются стойкие оксиды.
Хим.Фос. (и близкое с ним Хим.Фос.окс.) наносятся в более холодных растворах (около 90 °С) и при более низкой концентрации компонентов, общая концентрация которых находится в районе 10% и ниже. Также, как и с оксидированием, в результате химической реакции на поверхности образуются соединения, только на этот раз фосфаты.
Хим.окс. и Хим.фос. обладают крайне небольшой коррозионной стойкостью и не способны защищать сталь продолжительное время. Для повышения коррозионной стойкости можно применять промасливание или гидрофобизацию, но даже в этом случае не стоит ожидать стойкость в камере соляного тумана более 24 часов до появления коррозии основного металла.
Теперь о нюансах применения. На высокопрочные стали нельзя наносить оксидирование. Дело в том, что используемый электролит с высокой концентрацией щелочи очень агрессивный, и его температура только ухудшает ситуацию. Такое воздействие для стали может серьезно снизить её прочность, что критично для узлов, которые должны выдерживать сильные нагрузки.
Если применение кадмия, цинка и других металлических покрытий по каким-то причинам нежелательно для конкретной детали из высокопрочной стали, то покрытие Хим.окс. лучше заменить на Хим.фос., так как оно наносится при более низких температурах и в менее агрессивных растворах, а значит, в процессе покрытия не снижается прочность детали.
Ещё один нюанс, который надо учитывать. Фосфатное покрытие представляет собой кристаллы, которые наросли на поверхность детали. А раз это кристаллы, то они склонны ломаться и крошиться. Если деталь применяется в условиях, где важна чистота, к примеру, гидроагрегаты, то применение фосфатного покрытия может быть опасно и негативным образом сказаться на эксплуатационных свойствах детали. В этом случае, возможно, стоит рассмотреть применение других покрытий, а если это невозможно, то обойтись без покрытий вообще. Применение без покрытия может быть оправдано, особенно, если деталь работает в масле и с атмосферой не соприкасается.
Ещё один случай из опыта. Как-то раз мы, разбирая агрегат, заметили серьезное изменение чистоты жидкости. Учитывая, что агрегат был полностью герметичный, а на фосфатной детали были следы приработки, происхождение загрязнений были вполне очевидны.
С другой стороны, можно пересмотреть конструкцию и отказаться от применения высокопрочной стали в масле, заменив её на сталь с меньшей прочностью. В таком случае её можно будет подвергнуть оксидированию, что даст защиту, и не будет нарушена прочность детали. Оксидирование, в отличие от фосфатирования, не является «хрупким», а значит не будет загрязнять рабочую среду.
Ещё один нюанс. Плохо промытый фосфат дает желтые оттенки на покрытии, что вызывает у контролеров ОТК мысли о том, что это коррозия. Поэтому, чтобы избежать лишнего передела, фосфатное покрытие рекомендуется обрабатывать в растворе хромпика. Так оно точно не закорродирует, а все желтые потеки будут гарантировано от раствора хромпика.
Окрашивание
Логичным завершением схемы покрытия является окрашивание. Про особенности окрашивания наружных частей самолета говорить не будем. Там много своих сложностей. Поговорим про окрашивание частей, которые делаются из высокопрочных сталей.
Лакокрасочное покрытие многослойное и чаще всего состоит из грунта и эмали, нанесенных последовательно. Количество слоев и грунта, и эмали, может быть 1 или 2. Реже встречается более трёх слоев одного материала. Выбор количества слоев осуществляется на основе нормативной документации при проектировании изделия.
Грунт чаще всего представляет собой материал на основе акриловых или эпоксидных смол, эмаль – на основе эпоксидных, полиуретановых. Реже встречаются другие эмали: акриловые, полиэфирные и кремнийорганические.
Преимущественно краску наносят поверх нанесенных ранее покрытий типа кадмия или фосфата. Окрашивают тремя способами: распылением, кистью, заливом. Способ выбирается в зависимости от детали. Как можно понять из названия, метод залива заключается в наливании краски внутрь детали. Так получается покрыть даже те места, куда куда залезть кистью или пульверизатором невозможно, ведь внутренние полости тоже должны быть окрашены и, возможно, даже в большей степени, чем наружные. Во внутренней полости может скапливаться конденсат, который в условиях ограниченного объема никуда не денется и будет вызывать коррозию.
Однако окрашиваются не все поверхности детали. Те места, которые в процессе работы трутся или на которые устанавливаются гайки, болты и т. д., не красятся. В первом случае, краска всё равно в процессе работы сотрётся, а во втором помешает сборке изделия. Толщина краски составляет от 50 мкм, что очень много. Поверхности без окрашивания обрабатывают гидрофобными жидкостями, чтобы вода там не скапливалась. Конечно, это хуже чем краска, но лучше, чем ничего.
Теперь о нюансах применения. Применение тех или иных марок эмалей напрямую зависит от их свойств. Так, эпоксидные эмали более твердые и стойкие к обливу маслами, но ограниченно стойкие к обливу гидравлическими жидкостями на основе фосфатного эфира. Полиуретановые, напротив, более эластичные и стойкие к обливу гидравлическими жидкостями.
Немного о технологичности. Эпоксидные эмали относительно быстро сохнут. Полиуретановые, наоборот, в общем случае требуют более длительной сушки, а полный набор химических свойств у них формируется только через несколько суток после нанесения. Поэтому подвергать свежеокрашенные детали даже кратковременному обливу техническими жидкостями во время сборки не рекомендуется.
Случай из жизни. Однажды один ремонтный завод заявил, что у них нет полиуретановой эмали и попросил разрешения перекрасить место эпоксидной эмалью. Наш ответ был: “Нет. Ни в коем случае”. Через некоторое время на это предприятие поехал наш представитель, где наблюдал качество окрашивания. В нарушении инструкций место было окрашено эпоксидной эмалью. Это место регулярно подвергалось обливу гидравлическими жидкостями, из-за чего в течение пары месяцев после окрашивания краска благополучно слезла.
Теперь немного о ремонте покрытия. Бывает так, что краску надо снять с детали. Для этого есть несколько путей, основные – механический и химический. Механический путь включает в себя пескоструйную обработку и шлифовку, химический – смывки. Смывки представляют собой материалы, которые приподнимают краску, разрыхляют её, из-за чего её можно шпателем легко счистить. Смывки бывают на разных основах, самые сильные – это на основе муравьиной кислоты. Однако применять такие смывки на высокопрочных сталях не рекомендуется, так как муравьиная кислота агрессивна по отношению к стали.
Заключение
Таким образом, антикоррозионная защита ответственных стальных деталей в авиации – это сложный, многоэтапный процесс, требующий точного подбора материалов и методов. Цена ошибки слишком высока.
В этой статье я коснулся лишь основных моментов, но, надеюсь, даже эта информация дает представление об особенностях покрытия авиационных деталей.
Спасибо за прочтение! Задавайте вопросы в комментариях
Яковлев Иван, к.х.н.