ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОТИВОКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИМИ ЭМАЛЯМИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛЕЙ ВНС-2 И ВНС-5

Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2024-0-3-117-124
УДК 667.6
Э. К. Кондрашов, А. А. Козлова
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОТИВОКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИМИ ЭМАЛЯМИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ СТАЛЕЙ ВНС-2 И ВНС-5

Исследована эффективность применения кремнийорганических эмалей различных марок для противокоррозионной защиты сварных соединений из сталей ВНС-2 и ВНС-5, работающих при высоких температурах. Проведена оценка свойств покрытий на основе кремнийорганических эмалей после воздействия солевого тумана, влажности и знакопеременных температур. По результатам исследования выбраны наиболее эффективные эмали, обеспечивающие надежную защиту сталей в сложных эксплуатационных условиях. 

Ключевые слова: лакокрасочные материалы, коррозионное растрескивание, сварные соединения, коррозионностойкая сталь, кремнийорганическая эмаль, адгезия, термостойкость, paint-and-lacquer coatings, corrosion cracking, welded connections, corrosion-resistant steel, organic silicon enamel, adhesion, thermal stability

Введение

В середине 1960-х гг. в ОКБ им. А.И. Микояна создали самолет нового класса – высотный скоростной истребитель-перехватчик МиГ-25П, на его базе – высотный разведчик МиГ-25Р. Расчетным режимом работы двигателей была высота >20 км и скорость, превышающая звуковой барьер в ~3 раза. На таких скоростях машина встречается с новым барьером – тепловым, связанным с кинетическим нагревом элементов конструкции самолета и двигателей (носовая часть нагревалась до температуры ~300 °С). Поэтому пришлось активно применять сталь, в частности для обшивки используют сваренные между собой листы нержавеющей стали вместо дюралюминиевых приклепанных [1].

Одной из главных задач при создании изделий авиационной техники является повышение надежности конструкции, что достигается благодаря применению материалов, превосходящих по своим механическим характеристикам используемые аналоги [2–6]. Конструкция планера сверхзвукового самолета МиГ-25 на 80 % состоит из нержавеющей стали, 11 % приходится на алюминиевые сплавы, 8 % – на титановые и лишь 1 % – на другие материалы. Центральная часть фюзеляжа – цельносварной агрегат из нержавеющих сталей марок ВНС-2, ВНС-4 и ВНС-5, разработанных в это же время в ВИАМ [7–9].

Проблема защиты от щелевой коррозии межшовного пространства сварных конструкций из стали типа ВНС-2 при точечной электросварке успешно решена за счет применения кремнийорганического антикоррозионного сварочного состава КСП-2АК [10], который обеспечивает сохранение прочности сварной точки в различных климатических условиях при температурах <250 °С. В этом случае для защиты всей поверхности сварной конструкции можно использовать покрытия на основе эпоксидных пленкообразователей. Более сложной задачей является обеспечение противокоррозионной защиты сварных соединений из сталей ВНС-2 и ВНС-5 в элементах конструкций авиационной техники, работающих в интервале температур 300–600 °С. Для противокоррозионной защиты сварных соединений при этих температурах могут использоваться только кремнийорганические эмали, которые по таким основным свойствам, как диффузионная проницаемость для воды, кислорода, ионов электролита и адгезия к защищаемой поверхности [11], существенно уступают эпоксидным покрытиям.

Цель данной работы – оценка эффективности применения и выбор наиболее эффективных кремнийорганических эмалей для противокоррозионной защиты сварных соединений из сталей ВНС-2 и ВНС-5.

 

Материалы и методы

Исследованы эмали:

‒ КО-814 алюминиевая (5 мас. ч. алюминиевой пудры ПАП-2 на 100 мас. ч. кремнийорганического лака КО-85);

‒ КО-88К алюминиевая (21 мас. ч. алюминиевой пудры ПАП-2 и 7 мас. ч. стабилизатора МФСН-В на 100 мас. ч. кремнийорганического лака КО-08);

‒ КО-856 (5 мас. ч. отвердителя А-39 марки А на 100 мас. ч. полуфабриката эмали);

‒ КО-818К на основе кремнийорганического лака КО-08 (6 мас. ч. стабилизатора МФСН-В на 100 мас. ч. полуфабриката эмали).

Эмали получали непосредственно перед применением.

Для изготовления сварных образцов из стали ВНС-2 использовали листы, профили и пластины толщиной 1,5; 2,5 и 3 мм соответственно. Профили и пластины изготовлены из поковок с помощью фрезерования, а затем подвергнуты противокоррозионному старению по специальной технологии.

Подготовленные таким образом заготовки пластин и листов сваривали в замок, а заготовки профилей – встык методом аргоно-дуговой электросварки с присадкой
ЭП-659. Сварной шов при сварке профилей встык зачищали заподлицо с двух сторон.

Для изготовления сварных образцов из стали ВНС-5 использовали горячекатаный лист толщиной 4 мм. Заготовки из листа отжигали, фрезеровали до толщины 2,5 мм и шлифовали до толщины 2 мм. После термообработки и правки заготовки подвергали обдувке корундом, кромки с одной стороны разделывали под сварку на 1 мм по толщине. Затем заготовки сваривали методом аргоно-дуговой электросварки с присадкой 08Х20НГ6, сварные швы зачищали щетками из нержавеющей стали и разрезали на образцы, которые подвергали пассивации.

Качество сварных соединений проверяли методом рентгенографического контроля.

На подготовленные соединения в зависимости от условий эксплуатации и технологических требований нанесены двухслойные покрытия. Образцы из стали ВНС-2 окрашены эмалью КО-814 (толщина покрытия 25 мкм), образцы из стали ВНС-5 – эмалями КО-88К, КО-856 и КО-818К (толщина покрытий 40–45 мкм).

Двухслойные покрытия на основе эмалей КО-88К и КО-818К подвергали искусственной сушке в течение 2 ч при температуре 200 °С; двухслойное покрытие на основе эмали КО-856 – естественной сушке в течение 5 сут.

 

Результаты и обсуждение

Стойкость к коррозионному растрескиванию сварных соединений из стали ВНС-2 оценивали по времени до появления видимой трещины при осмотре с помощью бинокулярного микроскопа с увеличением ×16.

Сварные образцы нагревали при температуре 300 °С в течение 48 ч для обезводороживания и в течение 500 ч для оценки эксплуатационного нагревания (ГОСТ 33291–2015), а также испытывали в камерах солевого тумана (ГОСТ 9.401–2018), тропического климата (СТП 1-595-20-100) и в промышленной атмосфере на стенде Московского центра климатических испытаний НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

После климатических испытаний в течение одного года на сварных соединениях до и после воздействия температуры 300 °С, включая образцы без покрытия, коррозионного растрескивания не выявлено.

При оценке влияния условий в камерах солевого тумана и тропического климата получили большой разброс данных по времени до появления трещин для образцов, подвергнутых одинаковой термической обработке. Поэтому в табл. 1 приведены минимальные значения времени до появления трещины, выявленной хотя бы у одного образца.

 

Таблица 1

Эффективность применения эмали КО-814 для защиты сварных соединений

из стали ВНС-2 от коррозионного растрескивания

Покрытие

Воздействие

температуры 300 °С в течение, ч

Время до появления трещины, сут,

на сварном соединении

пластина–лист

профиль

48

500

КСТ

КТК

КСТ

КТК

Без покрытия

11

20

14

151

+

11

20

52

65

+

11

20

11

20

Эмаль КО-814

138

139

200

220

+

158

65

121

151

+

34

65

121

65

+

+

52

65

121

151

Примечание. КСТ и КТК – камеры солевого тумана и тропического климата соответственно.

Сварные соединения из стали ВНС-5, работающие при температурах 500 и 600 °С в течение 500 и 100 ч соответственно, предполагалось защищать от коррозии эмалью КО-88К, которая, согласно результатам применения в газотурбинных двигателях, считалась наиболее термостойкой. Однако более высокую термостойкость (700 °С в течение 100 ч) имеет покрытие на основе эмали КО-818К [12]. Кроме того, целесообразно исследовать эмаль КО-856, которая не требует искусственной сушки.

В табл. 2–4 представлены результаты сравнительных испытаний покрытий на основе эмалей КО-88К, КО-818К и КО-856. При определении адгезии и термостойкости кремнийорганических покрытий поверхность сварного шва предварительно подготавливали путем зачистки щетками из нержавеющей стали.

 

Таблица 2

Адгезия кремнийорганических покрытий к сварному соединению из стали ВНС-5

Эмаль

Адгезия, балл, к поверхности

стали

сварного шва

до увлажнения

после увлажнения, сут

до увлажнения

после увлажнения, сут

1

18

1

18

КО-88К

2

2

2

2

2

2

КО-818К

2

2

3

2

2

3

КО-856

2

3

2

2

3

3

 

Таблица 3

Термостойкость кремнийорганических покрытий

на сварных соединениях из стали ВНС-5

Эмаль

Состояние покрытия после нагревания

при 500 °С в течение 500 ч

при 600 °С в течение 100 ч

КО-88К

Без изменения

Отслаивание покрытия по сварному шву

КО-818К

Без изменения

КО-856

 

Таблица 4

Противокоррозионные свойства кремнийорганических покрытий

на сварных соединениях из стали ВНС-5

Подготовка поверхности сварного шва

Эмаль

Внешний вид покрытия после испытания в течение

1 цикла

3 циклов

5 циклов

Без дополнительной обработки

КО-88К

Без

изменений

Местами отслаивание по шву

Отслаивание по шву, слабые точки коррозии на поверхности

КО-818К

Темные точки на поверхности

Бронзящие точки коррозии по шву, отдельные – на поверхности

КО-856

Точки коррозии по шву, отдельные –на поверхности

Сильная коррозия по шву, точки коррозии на поверхности

Зачистка щетками из нержавеющей стали

КО-88К

Без

изменений

Слабые точки коррозии по шву, отдельные – на 50 % поверхности

Местами отслаивания по шву и на 10 %

поверхности

КО-818К

Темные точки на поверхности

Слабые бронзящие точки по шву, отдельные –на поверхности

КО-856

Точки коррозии по шву, отдельные – на поверхности

Точки коррозии по шву, отдельные – на поверхности

Противокоррозионные свойства покрытий оценивали по результатам циклических испытаний. В течение каждого цикла испытаний образцы охлаждали при температуре –50 °С в течение 1 ч, нагревали при температурах 500 и 600 °С в течение 100 и 20 ч соответственно и экспонировали в камере тропического климата в течение 7 сут. После циклических испытаний образцы изучали с помощью бинокулярного микроскопа с увеличением ×16.

Анализ влияния коррозионноактивных сред, сварочных напряжений и повышенных температур на сварные соединения пластин и листов, а также профилей из стали ВНС-2 показал, что эффективность противокоррозионной защиты с помощью эмали КО-814 является высокой. Время до возникновения коррозионного растрескивания сварного шва для двух типов соединений с эмалью КО-814 после эксплуатационного нагревания при температуре 300 °С в течение 500 ч, а также испытания в камерах солевого тумана и тропического климата в ≥3 раза больше, чем для образцов без покрытия.

При этом продолжительность периода до начала коррозионного растрескивания для профилей без покрытия и с покрытием при испытаниях в камере солевого тумана составляет 11 и 121 сут соответственно. Учитывая, что у образцов без покрытия после обезводороживания при температуре 300 °С в течение 48 ч, эксплуатационного нагревания при температуре 300 °С в течение 500 ч и экспозиции в промышленной атмосфере в течение 1 года не выявлено следов коррозионного растрескивания, применение кремнийорганической эмали КО-814 естественной сушки для защиты сварных соединений из стали ВНС-2, работающих при температуре 300 °С длительно, можно считать эффективным.

Наиболее стабильные значения адгезии (табл. 2) в процессе увлажнения как к поверхности стали ВНС-5, так и к сварному шву имеет покрытие на основе эмали КО-88К. Однако способность к адгезии полностью утрачена на сварном шве после воздействия температуры 600 °С в течение 100 ч (табл. 3). Адгезия к подложке является определяющим фактором работоспособности покрытий на основе полиорганосилоксанов. После горячей сушки такие покрытия обладают высоким уровнем внутренних напряжений, а после воздействия температур 300–600 °С возникают дополнительные внутренние напряжения, которые стремятся разрушить связи на границе «покрытие–подложка», обеспечивающие высокую адгезию. Кроме того, адгезия будет снижаться при работе во влажных условиях в связи с возможными ошибками при подготовке поверхности перед окраской в случае отсутствия развитой шероховатой поверхности подложки. 

Недостаточная термостойкость покрытия на основе эмали КО-88К для сварного соединения из стали ВНС-5 зафиксирована также при циклических испытаниях (табл. 4). Надежная защита достигнута при использовании наиболее термостойкой эмали КО-818К (700 °С, 100 ч), хотя в этом случае в качестве пленкообразователя используется тот же кремнийорганический лак КО-08, что и в эмали КО-88К. Это объясняется тем, что в рецептуре эмали КО-818К применяются неорганические дисперсные наполнители, которые можно отнести как к катализаторам, так и антикатализаторам процесса термоокислительной деструкции [13]. Данное свойство неорганических дисперсных наполнителей учитывали при разработке рецептур не только эмалей КО-818К и КО-856, но и других термостойких лакокрасочных покрытий [14, 15].

Для покрытий, эксплуатируемых при повышенных температурах, особенно при температурах >300 °С, большое значение имеет такой показатель, как коэффициент излучения, который определяет количество тепловой энергии, излучаемой нагретой поверхностью. Чем выше коэффициент излучения покрытия, тем больше тепловой энергии будет излучать в окружающую среду защищенная этим покрытием поверхность. Все силикатные покрытия плиток и лакокрасочные покрытия на внешней поверхности МКС «Буран» имели коэффициент излучения ≥0,8 [16].

Среди изученных в данной работе покрытий максимальный коэффициент излучения (≥0,8) имело покрытие на основе эмали КО-818К, минимальный (~0,5) – на основе эмали КО-88К.

 

Заключения

Обеспечение защиты сварных соединений от коррозии всегда считали сложной задачей. Даже для защиты сварных соединений из алюминиевых сплавов в качестве первичного слоя систем покрытий применяют грунтовки с антикоррозионными пигментами, чаще всего грунтовку ВЛ-02, содержащую триоксихромат или тетраоксихромат цинка. Поэтому до проведения исследований эффективность применения кремнийорганических эмалей, не содержащих антикоррозионные пигменты, для защиты от коррозии сварных соединений различных типов из сталей ВНС-2 и ВНС-5 вызывала сомнение. Однако результаты исследований показали, что применение кремнийорганических эмалей позволяет обеспечить эффективную противокоррозионную защиту.

Кремнийорганическая эмаль КО-814 алюминиевая естественной сушки позволяет повысить в ≥3 раза стойкость к коррозионному растрескиванию сварных соединений различных типов из стали ВНС-2 после воздействия температуры 300 °С в течение 500 ч, камер солевого тумана и тропического климата.

Применение кремнийорганической эмали КО-818К обеспечивает эффективную противокоррозионную защиту сварного соединения из стали ВНС-5 после циклического воздействия отрицательных (–50 °С) и положительных (+600 °С) температур, а также экспозиции в камере тропического климата при общей продолжительности нагревания 500 и 100 ч при температурах 500 и 600 °С соответственно.

Результаты исследований позволили применить эмаль КО-818К для защиты стальных паяных сотовых панелей щитков элевона МКС «Буран», работающих при температуре 500 °С [12].

Кремнийорганическую эмаль КО-856 естественной сушки можно применять для ремонта сварных соединений из стали ВНС-5 в процессе эксплуатации.

Дополнительная зачистка сварного шва стали ВНС-5 щетками из нержавеющей стали повышает эффективность противокоррозионной защиты, особенно при использовании эмалей КО-88К и КО-856.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Микоян С.А. Воспоминания военного летчика-испытателя. М.: Техника – молодежи, 2002. 478 c.
2. Каблов Е.Н., Бакрадзе М.М., Громов В.И., Вознесенская Н.М., Якушева Н.А. Новые высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для аэрокосмической техники разработки ФГУП «ВИАМ» (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1 (58). С. 3–11. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-3-11.
3. Каблов Е.Н. Ключевая проблема – материалы // Тенденции и ориентиры инновационного развития России. М.: ВИАМ, 2015. С. 458–464.
4. Оглодков М.С., Романенко В.А., Бенариеб И., Рудченко А.С., Григорьев М.В. Исследование промышленных полуфабрикатов из перспективных алюминий-литиевых сплавов для авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 3 (72). Ст. 05. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 11.12.2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-3-62-77.
5. Колобков А.С., Малаховский С.С. Самозалечивающиеся композиционные материалы (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 1 (73). Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 15.12.2023). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-1-47-54.
6. Бенариеб И., Антипов В.В., Хасиков Д.В., Оглодков М.С., Савичев И.Д., Кузнецова П.Е. Исследование структуры и свойств экономнолегированного алюминиевого сплава системы Al–Mg–Sc–Zr, изготовленного методом селективного лазерного сплавления // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 4 (73). Ст. 03. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 11.12.2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-4-23-35.
7. Попова Л.С., Потак Я.М., Вознесенская Н.М., Транцевич Я.В. Высокопрочная сталь ВНС-5 для ответственных деталей // Авиационная промышленность. 1968. № 4. С. 57–58.
8. Вознесенская Н.М., Каблов Е.Н., Петраков А.Ф., Шалькевич А.Б. Высокопрочные коррозионностойкие стали аустенитно-мартенситного класса // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 7. С. 34–37.
9. Громов В.И., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Тонышева О.А. Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали ФГУП «ВИАМ» для изделий авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 159–174. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-159-174.
10. Кондрашов Э.К., Малова Н.Е., Веренинова Н.П. Антикоррозионные сварочные составы для защиты нахлесточных сварных соединений алюминиевых сплавов и сталей // Коррозия: материалы, защита. 2015. № 6. С. 6–12.
11. Кондрашов Э.К. Лакокрасочные материалы и покрытия на их основе в машиностроении. М.: Пэйнт-Медиа, 2021. 256 с.
12. Молотова В.А. Промышленное применение кремнийорганических лакокрасочных покрытий. М.: Химия, 1978. 112 с.
13. Каблов Е.Н. Доспехи для Бурана. Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия – Буран». М.: ВИАМ, 2013. 128 с.
14. Каблов Е.Н. Становление отечественного космического материаловедения // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2017. № 3 (95). С. 97–105.
15. Каблов Е.Н. Без новых материалов – нет будущего // Металлург. 2013. № 12. С. 4–8.
16. Гофин М.Я. Жаростойкие и теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов. СПб.: ТФ «Мир», 2003. 671 с.
1. Mikoyan S.A. Memoirs of a military test pilot. Moscow: Technology for Youth, 2002, 478 p.
2. Kablov E.N., Bakradze M.M., Gromov V.I., Voznesenskaya N.M., Yakusheva N.A. New high strength structural and corrosion-resistant steels for aerospace equipment developed by FSUE «VIAM» (review). Aviacionnye materialy i tehnologii, 2020, no. 1 (58), pp. 3–11. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-3-11.
3. Kablov E.N. The key problem is materials. Trends and guidelines for innovative development of Russia. Moscow: VIAM, 2015, pp. 458–464.
4. Oglodkov M.S., Romanenko V.A., Benarieb I., Rudchenko A.S., Grigoryev M.V. Study of industrial semi-finished products from advanced aluminum-lithium alloys for aircraft products. Aviation materials and technologies, 2023, no. 3 (72), paper no. 05. Available at: http://www.journal.viam.ru (accessed: December 11, 2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-3-62-77.
5. Kolobkov A.S., Malakhovskiy S.S. Self-healing composite materials (review). Trudy VIAM, 2019, no. 1 (73), paper no. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: December 15, 2023). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-1-47-54.
6. Benarieb I., Antipov V.V., Khasikov D.V., Oglodkov M.S., Savichev I.D., Kuznetsova P.E. Study of structure and properties of sparinly alloyed aluminum alloy of Al–Mg–Sc–Zr system produced by selective laser melting. Aviation materials and technologies, 2023, no. 4 (73), paper no. 03. Available at: http://www.journal.viam.ru (accessed: December 11, 2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-4-23-35.
7. Popova L.S., Potak Ya.M., Voznesenskaya N.M., Trantsevich Ya.V. High-strength steel VNS-5 for critical parts. Aviatsionnaya promyshlennost, 1968, no. 4, pp. 57–58.
8. Voznesenskaya N.M., Kablov E.N., Petrakov A.F., Shalkevich A.B. High-strength corrosion-resistant steels of the austenitic-martensitic class. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2002, no. 7, pp. 34–37.
9. Gromov V.I., Voznesenskaya N.M., Pokrovskaya N.G., Tonysheva O.A. High-strength constructional and corrosion-resistant steels developed by VIAM for aviation engineering. Aviacionnye materialy i tehnologii, 2017, no. S, pp. 159–174. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-159-174.
10. Kondrashov E.K., Malova N.E., Vereninova N.P. Anti-corrosion welding compounds for the protection of lap welded joints of aluminum alloys and steels. Korroziya: materialy, zashchita, 2015, no. 6, pp. 6–12.
11. Kondrashov E.K. Paints and varnishes and coatings based on them in mechanical engineering. Moscow: Paint-Media, 2021, 256 p.
12. Molotova V.A. Industrial application of organosilicon paint and varnish coatings. Moscow: Khimiya, 1978, 112 p.
13. Kablov E.N. Armor for Buran. VIAM materials and technologies for the ISS «Energia – Buran». Moscow: VIAM, 2013, 128 p.
14. Kablov E.N. Formation of domestic space materials science. Vestnik Rossiyskogo fonda fundamentalnykh issledovaniy, 2017, no. 3 (95), pp. 97–105.
15. Kablov E.N. Without new materials there is no future. Metallurg, 2013, no. 12, pp. 4–8.
16. Gofin M.Ya. Heat-resistant and heat-protective structures of reusable aerospace vehicles. St. Petersburg: TF «Mir», 2003, 671 p.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.