CC BY
22
УДК [664.144+ 664.6]:62-192.669.017
Защита металлической упаковки и технологического оборудования
от коррозии с помощью наноквазиметаллов
А.Н. Петров, д-р техн. наук, Н.Ю. Тимофеева, А.Ю.
ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности
Коррозия конструкционных и изнашивание инструментальных материалов причиняют огромный ущерб, вызывая отказы эксплуатируемого оборудования, и приводят к безвозвратным потерям металла, загрязняя пищевые среды и отрицательно влияя на здоровье людей.
Для повышения долговечности рабочих органов и деталей, увеличения сроков службы оборудования и приборов, повышения продолжительности хранения продукции в металлической упаковке используют либо дорогостоящие нержавеющие стали и сплавы, либо применяют лужение, цинкование, хромирование и покрытия на основе оксидов, лаков, красок, смол и полимеров, не имеющие высокую термохимическую стабильность в условиях термомеханоциклирования.
Один из способов повышения эксплуатационных характеристик технологического оборудования для переработки сельскохозяйственной продукции, взаимодействующего с агрессивными пищевыми средами, - использование при конструировании машин и аппаратов материалов с улучшенными физико-химическими свойствами, в частности, с повышенной коррозионной стойкостью. Улучшение данной характеристики в ряде случаев позволяет существенно уменьшить попадание в пищевую среду примесей металлов, а также повысить надежность и долговечность оборудования.
В этом плане чрезвычайно актуальна разработка новой защитной системы на основе поверхностных твердых растворов высокой термодинамической стабильности и технологии их формирования, применяемых в пищевой промышленности для защиты от коррозии и изнашивания деталей оборудования [1].
Основная проблема при формировании поверхностных твердых растворов - обоснование концентрации примесных атомов на поверхности изделий.
Базаркин
Ключевые слова: наноквазиметалл; коррозиметр; коррозионная стойкость; пищевая промышленность; технологическое оборудование.
Key words: nanoquasimetall; test-corrosion; corrosion resistance; food industry; technological equipment.
Наиболее оптимальной концентрацией обладают квазиметаллы, имеющие высокую однородность атомно-электронного строения, так что твердый раствор данного химического состава имеет постоянную температуру кристаллизации, как и чистый металл. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов позволил установить, что в 32 металлических системах существуют квазиметаллы (таблица).
Разработана технология, включающая осаждение металла, имеющего с металлом, из которого выполнено изделие, неограниченную растворимость, и образующего соответствующую эвтектику с постоянной температурой плавления, и последующий лазерный нагрев с получением двухслойного твердого раствора с постоянной и переменной концентрацией осажденного металла по толщине слоя. Эвтектика с постоянной температурой плавления соответствует
Квазиметаллы в металлических сплавах
Сплав Химический г ci mut квазимстш, nr. % С 'плав \ ПОПМKiiii состан кважчсшш, ta. % С 'и. kilt \ 11 |11 i'I i. iili состав mawwwi ai. %
F«-V 1.7% Fe, 33% V M-Pd 55%NI, 45%Pd V-Gr 3(1%Y, 7«%<r
Fï-Cr 71%Fi-, 21%Гг Ni-Ail 42% Ni, 5Я%Ли V-Ти 59% v, 11 % T»
Fe-Co J5% 1ч. es%Cu Co-Mn 35%C(p. 65%Mn v-\v M.S%V, 4.5%W
Fe-NI J7% Ko, «3% NI Cn-lili 5l%('n. 44% kit llHi- Nft%)lf, M%T>
Ft-Pd FU°/dFc. JI>%Pd (.«-I'd Î3%Cu, 47%]'d Sc-Y îii%st, 5u%v
Cu-MIT Él.J%Cu. 3K.5%Mn i'n-Il 56%('f>, 44% II sc-(;d 35% Se, f.5%(;d
С u-Au -130% < u, Gr-Mû ÏN%(.'r. 12% Mo CVK 5«%( 's, 511% k
Tl-V 71.3*/.TU 2H.7%\ N'b-V 21.8%Nb, 77.2% V Cs-Rb 5<l%C's, 511% lib
Ti-Zr' <15% Ti, 35% Zi Nb-Mo 7Я%МЬ, 22% Mo Sb-As S(1.5%Sh. I4.5%As
II-lil N5% il. I5%[lf Nb-Hu 61% Mb, 39% Un li.l-iu 45.4% Вя, 54/."P<H
Nl-Mll 3H°„ M, fiJ%Mti Nb-Ilf :T%Nh, тз%нг
* Обнаружены А.Г. Ракочем, д-ром хим. наук, профессором кафедры «Защита металлов и технологии поверхности» МГТУ «Московский институт стали и сплавов»
PACKAGING AND LOGISTICS
твердому раствору замещения, химический состав которого задан диаграммой состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью компонентов, обладающий высокой термодинамической стабильностью вследствие наибольшей однородности как атомного строения, так и электронной структуры.
Пространственный концентрационный профиль диффузионного коррозионно-стойкого нанострукту-рированного защитного покрытия состоит из слоя твердого раствора, имеющего постоянную концентрацию осажденного металла и соответствующего эвтектике с постоянной температурой плавления (слой I), и слоя твердого раствора с переменной концентрацией осажденного металла (слой II, рис. 1).
Наличие квазиметаллов может служить основой для разработки новых технологий формирования на-ноквазиметаллов на поверхности деталей из конструкционных и инструментальных материалов, например, в системе «железо-хром» (рис. 1 и 2).
Разработанная технология формирования наноквазиметаллов, включающая гальваническое осаждение хрома, последующий лазерный нагрев, и обеспечивающая создание диффузионной зоны поверхностных твердых растворов постоянного и переменного составов, защищена патентом [2].
В этом плане чрезвычайно актуальна разработка более совершенных способов определения параметров, характеризующих коррозионную стойкость материалов. Как по-
Диаграмма состояния Ре-Сг и кривые охлаждения
Правило фаэ Гнббса: С=к-Г+ ], для чистых металлов и С=2-Г, для сплава Ре-50 ат.%Сг к=2 и С=3-Г
Поправка Ван-дер-Ваальса для квазиметалла: к=] к С=2-Г
Кристаллическая структура квазиметалла Ре - 20 лт.% С
Твердый раствор замещения Ре - 50 ат.% Сг
У ! т ft
О
О --Г-
... о
о ■ 1
л %
о
%
• О ¿1 •
'Jni.Fi: : Ч мт.Сгс 5«пг.% [-'с и 50 ат,%О
Рис. 2. Квазиметалл в системе «Железо-Хром»
.о -к о
-ф-'—Т—! ----О-
■Л'- - Г11 г*'- Г - 1 Г-1гт ~" "КV
\: V
% ► 1 J > • —j-f> ■ - ■ О------------*
1 1лI Г:
О
: SiiT.t'rf И1ат °'. Fe в 1907 V. Сг О О О Пс • О
казывают исследования, для определения коррозионной стойкости материалов в пищевых средах наиболее перспективен по сравнению с металлографическим, гравиметрическим и объемным методами электрохимический способ [3]. Среди них измерение линейного поляризационного сопротивления (ЛПС) с помощью потенциостатического метода обладает более высокой чувствительностью (до 10-3 мкм/год) и более
широким диапазоном измеряемых значений скорости коррозии (0,001ч2Ч04 мкм/год). Метод ЛПС прост в применении, а его аппаратурное обеспечение реализуется с помощью портативного коррозимет-ра «Эксперт-004» [4], обладающего относительной погрешностью изме-
Диаграмма состояния 'Те-Сг"
■if £ I
Гсорегичеки й кон цен грацио н ны й профиль поверхностного твердого раствора:
наноквазиметалла и кло фонды
к
5 3
\
*
Г1[мм >од| г
Рис. 1. Наноквазиметалл в системе «Железо-Хром»
44 42
Г8 ¡36 ■34
.
: -
!30 Ов
СО 026
н
о 22
о-
U
л 18
5l6
го . .
m : : <гз
£ 8 "Г
S 4 2 О
ю
\
0123455780 10
Продолжительность испытаний 1, 103 мин
Рис. 3. Кинетические кривые процесса коррозии в 3%-ном растворе уксусной кислоты углеродистой стали марки «Сталь 08кп», на поверхности которой были сформированы: а - наноквазиметалл Fe-20 ат. % Сг; б -слой олова (лужение); в - лакированный луженый слой
б
в
а
рительного преобразователя в пределах ±5 %.
Для проведения коррозионных испытаний был создан портативный стенд, состоящий из термостатированной электрохимической ячейки с образцами и пищевой средой, портативного коррозиметра «Эксперт-004» и карманного портативного компьютера. Данный стенд - основная часть производственного участка для контроля коррозионной стойкости [5] материалов технологического оборудования переработки сельскохозяйственной продукции.
Коррозионные испытания углеродистой стали в 3%-ном растворе уксусной кислоты, на поверхности которых были сформированы различные защитные покрытия, показали, что наноквазиметалл Ре-20 мас.% Сг имеет в 29 раз более высокую коррозионную стойкость, чем лужение, и в 7 раз более высокую стойкость, чем лакированная луженая поверхность (рис. 3).
Следовательно, применение на-ноквазиметаллов - перспективный и эффективный метод для защиты от коррозии и изнашивания конструкционных и инструментальных материалов. Внедрение технологии фор-
мирования наноквазиметаллов в пищевую промышленность позволит повысить экологическую безопасность продуктов питания в отношении металлических примесей и улучшить здоровье населения, а также получить дополнительную прибыль предприятиям, которые будут использовать данную технологию. Применение универсального корро-зиметра «Эксперт-004» при проведении коррозионных испытаний обеспечивает высокую точность измерения (±5 %), широкий диапазон измерений скорости коррозии (от 0,001 мкм/год до 20 мм/год), а его портативность позволяет проводить исследования в производственных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чавчанидзе, А.Ш. Коррозионно-стойкие поверхностные твердые растворы / А.Ш. Чавчанидзе. - М.: Изд-во МГУПП, 2002. -100 с.
2. Пат. 2378412 Российская Федерация, МПК С23С 10/00 (2006.01), С23С 10/60 (2006.01), В82В 3/00 (2006.01). Способ формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного за-
щитного покрытия на поверхности металлического изделия / А.Ш. Чав-чанидзе, Н.Ю. Тимофеева, А.Ю. Ба-заркин; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств». - № 2008146426/02; за-явл. 25.11.08; опубл. 10.01.10, Бюл. № 1. - 8 с.
3. Лабораторный практикум по курсу «Общее материаловедение». Часть I. Конструкционные материалы / А.Ш. Чавчанидзе [и др.]. - М.: Издательский комплекс МГУПП, 2003. - 86 с.
4. Ануфриев, Н.Г. Всеросс. научно-практ. конф. «Гальванотехника, обработка поверхности и экология -2002»: Тезисы докладов / Н.Г. Ануфриев, Н.К. Зайцев. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2002. - С. 20-21.
5. Пат. 2373517 Российская Федерация, МПК G01N 17/02 (2006.01). Способ определения коррозионной стойкости внутренней поверхности металлической тары / В.А. Шавы-рин, А.Ш. Чавчанидзе, Н.Ю. Тимофеева, АЮ. Базаркин, О.И. Квасен-ков; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИИКОП. - № 2008122623/28; заяв. 07.06.08; опубл. 20.11.09, Бюл. № 32. - 4 с.
«Пакеты, сдавайтесь!»
Х5 RETAILGR0UP
Компания «Тетра Пак» совместно с X5 Retail Group и «Volkswagen Коммерческие автомобили» приступила к очередному этапу проведения акции «Пакеты, сдавайтесь!», цель которой - привлечение внимания горожан и органов власти к необходимости введения практики раздельного сбора бытовых отходов.
На протяжении всего 2013 г. жители Москвы и Санкт-Петербурга могут сдавать отходы картонной упаковки от напитков, а также обыкновенную макулатуру в мобильные пункты приема по 24 адресам. Все автомобили, задействованные в кампании, предоставлены маркой Volkswagen Коммерческие автомобили, стоянки мобильных пунктов расположены у супермаркетов «Перекресток» и магазинов сети «Пятерочка», которая присоединилась к проекту в феврале 2013 г.
«Результаты акции в 2012 г. подтверждают тот факт, что значение экологических аспектов в сознании россиян растет. Высокий интерес со стороны потребителей и муниципальных властей убедил нас в необходимости продолжения акции в 2013 г. Таким образом мы хотим продемонстрировать, что внедрение практики раздельного сбора мусора является основой для успешного развития индустрии переработки и способствует решению проблемы утилизации бытовых отходов», - говорит Александр Барсуков, вице-президент по охране окружающей среды компании «Тетра Пак».
«Х5 Retail Group придает большое значение экологии, сохранению окружающей среды и продвижению традиций здорового образа жизни, что подтверждается участием торговых сетей Х5 в самых значимых и эффективных экологических проектах. Мы благодарим наших партнеров, представителей администраций, а также всех наших покупателей
за понимание важности акции и активное участие в ней. Надеемся, что в этом году к акции присоединится еще больше людей небезразличных к вопросам экологии», - отметил Михаил Сусов, директор по корпоративным отношениям Х5 Retail Group N. V.
Согласно результатам специального исследования Synovate Comcon, около 69 % опрошенных выражают готовность самостоятельно сортировать бытовые отходы при наличии соответствующих контейнеров в шаговой доступности от дома.
Первые два этапа акции прошли летом и осенью 2012 г. в Москве и Санкт-Петербурге. За время проведения акции было собрано и отправлено на переработку более 150 тыс. картонных упаковок «Тетра Пак».
Проект поддерживается и реализуется при поддержке партнеров акции - ООО «Сфера экологии» в Москве и экологического движения «Раздельный Сбор» в Санкт-Петербурге.
Подробную информацию об адресах и часах работы приемных пунктов, а также об акции в целом можно получить на сайте www.tetrapak.ru
