Защитные свойства консервационных масел

Введение

Производство деталей и узлов в авиационной промышленности включает различные промежуточные операции в пределах одного предприятия. В перерывах между операциями или в процессе обработки, при контрольных операциях, а также при транспортировании и хранении на территории цеха или складе готовой продукции детали и узлы подлежат межоперационной защите. При подготовке к хранению материалов и изделий авиационной техники выполняют операции по временной противокоррозионной защите, руководствуясь действующей нормативной документацией. Под термином «временная противокоррозионная защита» понимают защиту от коррозии металлов и изделий на время их изготовления, транспортирования, хранения и эксплуатации средствами ингибиторной защиты, удаляемыми перед использованием металлов и изделий по назначению или не требующими удаления, если они не препятствуют их использованию.

Основными критериями выбора консервационных материалов являются способ хранения, состояние защищаемой поверхности, технология применения и упаковки, срок хранения и т. д. В частности, согласно ОСТ 1 90257–77 «Детали и узлы авиационной техники в механических, сборочных цехах и в хранилищах готовых деталей. Межоперационная противокоррозионная защита», детали из углеродистых и малолегированных сталей после механической обработки не допускается хранить без консервации >4 ч. В качестве консервационных материалов предлагается применение консервационных масел и смазок, защитных эмульсий, водных растворов ингибиторов, противокоррозионных бумаг, ингибированных полимерных покрытий и др. При консервации маслом марки К-17 и упаковке в два слоя парафинированной бумаги детали и узлы из углеродистых и малолегированных сталей могут храниться на отапливаемом складе готовой продукции до 2 лет.

Согласно РТМ 1.2.142–2021 «Двигатели, редукторы авиационные и запасные части к ним. Общие требования к временной противокоррозионной защите», в зависимости от макроклиматических районов размещения по ГОСТ 15150–69 (тропический морской, умеренный и холодный климат) и условий хранения (под навесом, открытое или закрытое, отапливаемое или неотапливаемое помещение) сроки хранения запасных деталей при применении масла К-17 в качестве средства временной противокоррозионной защиты при наружной консервации с упаковкой в парафинированную и оберточную бумаги, чехол из полиэтиленовой пленки, а также с использованием силикагеля-осушителя и деревянного ящика могут достигать 10 лет.

Межгосударственный стандарт ГОСТ 9.014–78 регламентирует выбор средств временной противокоррозионной защиты, который включает: консервационные масла, рабочие масла с маслорастворимыми ингибиторами, смазки, водно-восковой состав «Герон», ингибированные полимерные покрытия, смываемые ингибированные покрытия (НГ-222А, Мовиль, ИФХАН-29, МОПЛ-2(3), Оремин, Кабинор, Мольвин-МЛ, Ингибит-С), водорастворимые ингибиторы коррозии (М-1, Н-М-1) [1], а также противокоррозионные бумаги, содержащие летучие ингибиторы коррозии.

Применение консервационных масел является одним из простых и распространенных способов защиты от атмосферной коррозии. В состав консервационного масла чаще всего входит минеральное или синтетическое масло, содержащее различные присадки, в том числе маслорастворимые ингибиторы коррозии, вытесняющие воду с поверхности и образующие на металле адсорбционные (экранирующие) и хемосорбционные пленки [2–4].

Ингибиторы коррозии классифицируют на водорастворимые, водомаслорастворимые и маслорастворимые соединения (поверхностно-активные вещества – ПАВ). В состав нефтепродуктов входят противокоррозионные присадки, которые тормозят химическую и электрохимическую коррозию металлов непосредственно самой среды. В состав также добавляют маслорастворимые присадки, уменьшающие скорость коррозии в присутствии электролитов, проникающие из внешней среды к поверхности металлов, т. е. данные присадки улучшают защитные свойства смазочных материалов. Следует отметить, что с увеличением молекулярной массы маслорастворимых ингибиторов и снижением величины гидрофильно-липофильного баланса ухудшаются поверхностно-активные свойства и, соответственно, защитная способность ПАВ.

При рассмотрении механизма действия маслорастворимых ингибиторов коррозии их принято условно делить на хемосорбционные (доноры электронов – анодного действия, акцепторы – катодного действия) и адсорбционные (экранирующие) ингибиторы, взаимодействие которых с поверхностью металла связано с физическим процессом адсорбции и определяется в основном вандерваальсовым взаимодействием.

Как показано ранее, для наружной и внутренней консервации неокрашенных поверхностей изделий авиационной техники традиционно используют консервационное масло К-17 (по ГОСТ 10877–76). Известно, что данное масло может вызвать потемнение меди и ее сплавов. В настоящее время рынок может предложить множество других консервационных масел, значительно превосходящих по защитным свойствам штатное масло К-17.

Цель данной работы – определение защитной способности перспективных консервационных масел в лабораторных и естественных морских климатических условиях.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Объектами исследования являются консервационные масла Маякор (ТУ 38.401-58-67–93) и Росойл-700 (ТУ 0253-027-06377289–2000). Штатное консервационное масло К-17 (ГОСТ 10877–76) использовали в качестве объекта сравнения при проведении испытаний. Физико-химические свойства масел представлены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические свойства консервационных масел

Испытания по определению защитных свойств консервационных масел проводили в соответствии с ГОСТ 9.054–75 (по методам 1 и 3) на следующих металлах: сталь конструкционная марки 30ХГСА, сталь углеродистая марки Ст. 10, медь марки М1 и алюминиевый сплав марки Д16-Т без покрытий. Шероховатость пластинок находилась в пределах 1,25–0,65 мкм.

Консервационные масла наносили на испытываемые пластинки следующим образом: металлические пластинки, подвешенные на крючки, вертикально погружали на 1 мин в консервационный состав при температуре 20–25 °С, затем пластинку извлекали и выдерживали на воздухе в подвешенном состоянии не менее 1 ч.

Метод 1 предполагает осуществление испытаний в условиях повышенных относительной влажности и температуры с периодической конденсацией влаги на образцах. Испытания проводят в климатической камере по следующему циклическому режиму: при температуре 40±2 °С – в течение 7 ч, при температуре 30±2 °С – в течение 17 ч и при влажности воздуха 98±2 %.

Испытания по методу 3 заключаются в выдерживании металлических пластинок с нанесенными на них консервационными материалами в атмосфере солевого тумана с распылением 5%-ного раствора хлористого натрия при температуре 35±2 °С.

Защитные свойства оценивали по времени появления первого минимального коррозионного очага.

При выборе средств временной противокоррозионной защиты необходимо учитывать характеристику климата и условия хранения. Жесткие условия натурных испытаний позволяют наиболее полно за короткое время установить разницу в защитной эффективности консервационных составов и спрогнозировать их поведение в других районах Российской Федерации [5, 6]. Соответственно, проведение натурных климатических испытаний является целесообразным для определения эффективного по защите консервационного масла [7, 8]. Натурные климатические испытания защитных свойств смазочных материалов проводили в Геленджикском центре климатических испытаний ВИАМ им. Г.В. Акимова НИЦ «Курчатовский институт» [9, 10], расположенном в районе умеренно теплого климата с наличием в атмосфере большого количества хлоридов [11]. Экспозицию образцов осуществляли под навесом для имитации жестких условий хранения. Контроль выполняли ежедневно в течение всей продолжительности испытаний. Определяли время до появления первых очагов коррозионных поражений, а также состояние образцов после экспозиции в течение 6 мес с помощью бинокулярного микроскопа при увеличении ×16.

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний по определению защитных свойств консервационных составов в климатической камере (по ГОСТ 9.054–75, методы 1 и 3) представлены в табл. 2 и 3 соответственно.

Таблица 2

Защитная способность консервационных масел в соответствии с ГОСТ 9.054–75 (метод 1)

Таблица 3

Защитная способность консервационных масел в соответствии с ГОСТ 9.054–75 (метод 3)

На основе представленных данных можно отметить, что масло Маякор обладает более высокими защитными свойствами в условиях повышенной влажности по сравнению с маслом Росойл-700 и штатным маслом К-17. Масло Росойл-700 незначительно превосходит масло К-17 по защитной способности. Все испытанные масла являются высокоэффективными по отношению к алюминиевому сплаву Д16-Т.

Результаты испытаний по определению защитных свойств консервационных составов в камере солевого тумана подтвердили, что масла Маякор и Росойл-700 являются более эффективными защитными средствами по сравнению с широко применяемым для защиты изделий консервационным маслом К-17.

Для проведения натурных испытаний выбрали масла Маякор, показавшее лучшую защитную способность при проведении лабораторных испытаний, и К-17 в качестве эталона сравнения.

Данные осмотра металлических образцов после сравнительных натурных испытаний представлены в табл. 4 и 5.

Таблица 4

Результаты натурных испытаний консервационных масел

Таблица 5

Состояние металлических образцов после натурных испытаний в течение 6 мес

Установлено, что после натурных испытаний в течение 6 мес количество коррозионных поражений на углеродистой стали Ст. 10 и меди М1 при применении масла Маякор в ~2 раза меньше по сравнению с использованием масла К-17. При этом состояния образцов из алюминиевого сплава Д16-Т под всеми испытанными маслами практически не отличались друг от друга.

Для объяснения полученных результатов следует обратиться к составу указанных консервационных масел и механизму электронного донорно-акцепторного взаимодействия маслорастворимых ингибиторов коррозии и металла.

Из данных научно-технической литературы известно, что наблюдается синергетический эффект усиления защитных свойств консервационных масел при одновременном сочетании маслорастворимых ПАВ – ингибиторов коррозии донорного, акцепторного и экранирующего типов. На данном факторе основана система изготовления комплексных присадок в нефтепродуктах [2, 3].

В состав защитного масла К-17 включены следующие компоненты: авиационное масло марки МС-20 с добавлением трансформаторных масел, загущенное окисленным петролатумом с добавлением каучука СКБ-45 (1 % (по массе)), сульфонатные присадки, присадки ЦИАТИМ-339 (2,5 % (по массе)), гидроксид лития и дифениламин [12].

Окисленный петролатум в композиции является маслорастворимым ингибитором коррозии адсорбционно-экранирующего типа, характеризуется быстродействием и водовытесняющей эффективностью. В качестве загустителя используют каучук, а также литиевое мыло, получаемое из технического гидроксида лития и окисленного петролатума. Присадка ЦИАТИМ-339 в основном выполняет функцию антиокислителя, хотя и обладает противокоррозионными свойствами. Сульфонатные присадки предназначены для улучшения моюще-диспергирующих свойств, а также относятся к ПАВ анодного действия (доноры электронов). Маслорастворимые амины, в частности дифениламин, применяют как антиокислительные присадки к маслам.

Таким образом, можно предположить, что для консервационного масла К-17 реализовано сочетание донорного и экранирующего ингибиторов коррозии.

В научно-технической литературе и на электронных ресурсах [12] приведена ограниченная информация по составу консервационного масла Маякор: оно изготовлено из смеси трансформаторного и нитрованного масел с добавлением загустителя, аминов, окисленных углеводородов и сульфонатных присадок. По-видимому, точный состав представляет собой коммерческую тайну. Указанные в составе компоненты относятся к маслорастворимым ПАВ. Масла трансформаторное и нитрованное защищают как черные, так и цветные металлы. Нитрованное масло относится к классу доноров электронов. Окисленные углеводороды широко применяют в качестве маслорастворимых ингибиторов коррозии адсорбционного типа в смазочных композициях в сочетании с детергентно-диспергирующими маслорастворимыми ПАВ (сульфонатами, нитрованными маслами), обеспечивающими лучшие растворимость и стабильность образующейся коллоидной системе. Соединения аминов не уточнены. Возможно, их присутствие в сочетании с другими компонентами обеспечивает более высокую защиту поверхностей металлов. Следует отметить, что амины относят к ингибиторам акцепторного действия.

Согласно патенту [13], консервационное масло Росойл-700 содержит олеиновую, борную кислоты, ди- и триэтаноламин, бензотриазол, окисленный петролатум и индустриальное масло.

Расширение функциональных возможностей в отношении защитной способности наблюдается для масла Росойл-700 благодаря введению олеиновой и борной кислот, аминоспиртов, бензотриазола. При изготовлении этого масла производят нагревание компонентов до температуры 60–70 °С, при этом, по-видимому, образуются водомаслорастворимые ингибиторы коррозии хемосорбционного типа (вещества, принимающие электроны): соли жирной кислоты с ди- и триэтаноламином, а также соли борной кислоты и аминов. Продукты реакции непредельных и предельных жирных кислот и различных аминов широко известны и активно применяются в качестве ингибиторов коррозии [14–16]. Известно, что использование борорганических соединений в этом качестве позволяет усилить защитный эффект металлических поверхностей [17–20]. Жирные кислоты (в данном случае олеиновая кислота) и окисленный петролатум относят к ингибиторам коррозии, образующим защитные пленки и тем самым тормозящим электрохимические реакции. Бензотриазол известен как ингибитор атмосферной коррозии меди [21]. Вопрос о присутствии в составе масла Росойл-700 ингибиторов-доноров электронов остается открытым.

Таким образом, более высокую защитную эффективность консервационных масел Маякор и Росойл-700 по сравнению с испытанным маслом К-17, по-видимому, можно объяснить тем, что присутствующие ингибиторы экранирующего типа в составе данных масел синергетически усиливают защитные свойства при сочетании одновременно с ингибиторами анодного и катодного типов, т. е. наблюдается комбинация действия различных ингибиторов коррозии. За счет образования водородных связей экранирующие ингибиторы обеспечивают быстрое удаление воды с поверхности металла. На его обезвоженной поверхности сорбируются ингибиторы хемосорбционного типа. При сочетании анодных и катодных ПАВ создаются необходимые условия для образования хемосорбционных пленок как на отрицательно, так и на положительно заряженных участках металла. Далее поверх хемосорбционных пленок накладывается следующий слой ингибиторов адсорбционного типа.

Заключения

Проведены сравнительные эксперименты по определению защитных свойств перспективных консервационных масел в климатической камере при периодической конденсации влаги на поверхности металлических образцов, в камере солевого тумана и в натурных морских условиях.

По результатам ускоренных лабораторных испытаний установлено, что консервационные масла Росойл-700 и Маякор являются эффективными средствами временной противокоррозионной защиты как для черных, так и для цветных металлов. Защитная способность указанных консервационных масел превосходит защитную способность масла К-17.

Данные лабораторных испытаний по высокой защитной способности масла Маякор подтверждены сравнительными климатическими натурными испытаниями – при нанесении масла Маякор первые коррозионные поражения на углеродистой стали Ст. 10 обнаружены через 30 сут, а при нанесении масла К-17 – через 16 сут.

По итогам проведенных экспериментов сформулированы предположения по объяснению полученных результатов, основанные на данных по рецептурам указанных масел и исходя из типов маслорастворимых ингибиторов коррозии и механизма их действия. Предположили, что высокую защитную эффективность консервационных масел Маякор и Росойл-700 по сравнению с испытанным маслом К-17, по-видимому, можно объяснить тем, что присутствующие в маслах ингибиторы экранирующего типа, а также донорные и акцепторные ингибиторы взаимным действием усиливают защитные свойства масла.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при выработке рекомендаций для защиты деталей авиационной техники и пересмотре действующей нормативной документации.

В дальнейшем является целесообразным проведение испытаний по оценке воздействия новых консервационных масел на металлы с органическими и неорганическими покрытиями, в том числе гальваническими, а также сравнение способа консервации по вариантам защиты ВЗ-10 (в соответствии с ГОСТ 9.014–78) с применением консервационных масел и упаковкой в полиэтиленовый чехол с силикагелем-осушителем с другими средствами временной противокоррозионной защиты, в частности с противокоррозионными бумагами и пленками, активно внедряемыми в авиационную отрасль в последнее время.