Цинкование металла – основные способы

Коррозионные процессы протекают в атмосфере, в морской и речной воде, в почве и под воздействием блуждающих токов и сред с разным pH-уровнем. Учитывая масштабность экономических потерь, коррозия металлов является глобальной проблемой современности. Покрытие цинком или цинкование металлоизделий позволяет эффективно и с минимальными затратами решить ее.

Что такое цинкование металла

Практика нанесения тонкого слоя цинка на металлическую поверхность с целью повышения антикоррозионных свойств черных и цветных сплавов находит повсеместное применение. Кроме того, Zn обеспечивает длительную защиту поверхностных слоев от коррозионного разрушения, а цинкование металла:

• отличается относительной дешевизной;
• не влияет на механические и технологические свойства обработанных деталей и конструкций;
• позволяет варьировать толщину и визуальные характеристики покрытия.

Обширное применение цинкования, как метода защиты стали в строительстве, машиностроении и других областях промышленности, объясняется тем, что цинк – один из наиболее доступных металлов, обеспечивающий электрохимическую защиту железа и его сплавов при работе в паре с ними. При этом само цинковое покрытие при атмосферном воздействии разрушается медленно в виду образующейся на его поверхности защитной пленке химических соединений. Такая пленка надежно защищает глубинные слои от коррозии, она более долговечна и износостойка по сравнению с лакокрасочными покрытиями.

Сравнение цинкового и лакокрасочного покрытия

***** – отличные показатели;

**** – хорошие показатели;

*** – средние показатели;

** – низкие показатели.

Какие металлы поддаются цинкованию

В подавляющем большинстве покрытие цинком или оцинкование предназначается для железоуглеродистых сплавов. Хотя данный метод применим и для некоторых других металлов.

Цинкование меди

Медь в чистом виде и ее сплавы устойчивы к воздействию пресной и морской воды, спиртов, атмосферной влаги, разбавленных растворов щелочей и солей. Учитывая высокие показатели коррозионной стойкости, цинкование меди выполняется, как правило, для улучшения декоративных свойств металлоизделий, ведь отработанная технология позволяет получать обширную палитру золотистых оттенков. А вот медные изделия, предназначенные для эксплуатации в условиях аммиачных сред, цианистых соединений и концентрированных серных и азотных кислотах, покрываются цинком уже для защиты от коррозионного разрушения.

Цинкование алюминия

Al – металл, имеющий сильно отрицательный равновесный потенциал φ0. Он защищен от воздействия влаги и ряда агрессивных сред защитной пассивирующей пленкой собственных окислов. Поэтому цинкование алюминия направлено на утолщение внешнего слоя и для защиты этого металла и его сплавов от электрохимической коррозии. В обычных цианистых электролитах с микроскопической долей едкого натра процедуру выполняют в основном без цинкатной подготовки. При этом плотность тока не должна превышать 1,5 А/дм, а показатель водородной активности электролита – 4,2. В более кислых электролитах нанесение Zn возможно лишь после цинкатной обработки.

Цинкование чугуна

Химический состав этих железоуглеродистых сплавов очень разнообразен. Они по-разному реагируют на атмосферную влагу, пресную и морскую воду, но в растворах соляной кислоты и щелочей все они демонстрируют малую стойкость. Поэтому основная цель нанесения слоя Zn – антикоррозионная защита. Сегодня цинкование чугуна выполняют с применением аммиакатных электролитов, при этом конверсионная пленка может быть разного цвета – от черной и оливковой до прозрачной.

Цинкование стали

Стальные изделия находят наибольшее применение в промышленности, энергетике и строительстве. И даже при наличии легирующих компонентов они более всего подвержены корродированию, поэтому изделия и конструкции из стали чаще всего подвергают цинкованию. Стабильная гальваническая связь Fe и Zn позволяет организовывать производство «оцинковки», используя разные технологии.

Основные методы цинкования

Металлические покрытия наносят на поверхность изделий методом погружения в расплавленный металл термодиффузионным, гальваническим или другим способом. Технология обработки определяется надежностью образуемого защитного слоя, назначением и условиями эксплуатации обрабатываемого изделия, а также его конструктивными особенностями.

Горячее цинкование (метод Кука-Нортмана)

Понять, что такое горячее цинкование довольно просто, так как метод основан на погружении готовых металлоизделий или полуфабрикатов в ванну с расплавленным цинком. Технология подходит для защитной обработки стали и чугуна, а сама процедура заключается в следующем:

• обезжиривание деталей и изделий;
• удаление окалины и ржавчины. Осуществляют это посредством химического или электрохимического травления. Отливки дополнительно могут подвергаться дробеструйной обработке;
• промывка для удаления следов кислот и продуктов распада окалины с последующим этапом просушки и нанесением флюса;
• погружение в емкость с расплавленным цинком. Температура нагрева Zn составляет не более 480˚С, а химическая чистота должна быть не менее 98%;
• регулирование толщины покрытия и финишная просушка. Чтобы удалить избыточный цинк с деталей со сложной конфигурацией, их могут дополнительно обдувать сжатым воздухом или устанавливать на виброплатформы и в центрифуги;
• контроль качества и толщины покрытия.

Преимущества и недостатки

Метод гарантирует износостойкость и долговечность защитного слоя, позволяет варьировать толщину покрытия от нескольких микрон до миллиметров и обрабатывать тонкостенные изделия и проволоку. Добавив в расплавленный цинк олово, можно существенно увеличить блеск покрытия. А введение алюминия повысит способность защитного слоя изгибаться и растягиваться при пластических деформациях.

К недостаткам метода можно отнести лишь необходимость тщательного удаления окалины и оксидного слоя, ведь расплавленный цинк реагирует только с безупречно чистой поверхностью. Также стоит учитывать, что способ не применяется для защиты деталей с узкими отверстиями, резьбой, а габариты изделий ограничиваются размерами ванны с расплавом.

Защитные свойства

Множественные испытания подтверждают, что покрытие, полученное методом горячего погружения, способно к саморегенерации и эффективно в условиях:

• атмосферной коррозии;
• открытых и закрытых пространств;
• биогенной сероводородной агрессии;
• постоянного контакта с бытовыми и промышленными водными растворами;
• воздействия холодной и горячей воды, соляных растворов и газообразных сред.

Жизненный срок защитного слоя может достигать 50 и более лет. Горячее оцинкование по методу Кука-Нортмана массово применяется для кровельного железа, труб и проволоки, а также востребовано при производстве строительных металлоконструкций, приборов, кухонной утвари и сетки. Покрытие надежно защищает от электрохимической коррозии, поэтому оцинкование погружением в расплав чаще всего используется для защиты опор ЛЭП, теле- и радиомачт и элементов осветительной арматуры.

Горячее цинкование (метод Сендзимира)

Разработка великого ученного и инженера польского происхождения, названная его именем. Преимущества разработанной им технологии заключаются в максимальной универсальности, ведь принцип цинкования по методу Сендзимира можно реализовать с минимальными производственными затратами. В настоящее время данный метод является самым популярным в мире при нанесении цинковых покрытий на рулонную сталь.

Технология предполагает непрерывный цикл оцинкования рулонного металла. Стальная полоса, предварительно очищенная химическим способом и подвергнутая печному отжигу, поступает по роликовым направляющим в танк с расплавленным Zn. Пройдя сквозь жидкую толщу этого металла, сталь покрывается ровным слоем цинка со всех сторон. Для достижения максимально равномерности защитной пленки, на выходе из танка рулон подвергается обработке в системах воздушных ножей, где сквозь форсунки под большим давлением подается сжатый воздух. Он удаляет избыточный объем цинкового раствора и охлаждает сталь. После этого полоса подвергается пассивирующей обработке, сушке и смотке.

Защитные свойства

За счет погружения и тепловой реакции цинковое покрытие проникает в малейшие поры стали и образует с ней прочную адгезионную связь. Толщина и масса его может достигать соответственно 5…55 мкм и 85-600 г/м².

Образуемый слой Zn надежно защищает от коррозии и электрохимического воздействия. А благодаря его способности к гальваническому самовосстановлению, обработанный лист можно сверлить и резать, не опасаясь, что сталь начнет ржаветь. Поэтому чаще всего такой прокат используется для изготовления строительных металлоконструкций, кабельных лотков и профилей стеллажного оборудования.

Преимущества

Метод Сендзимира отличает:

• эффективная защита гладкого и перфорированного листового проката толщиной до 3 мм;
• высокая стойкость, однородность, пластичность и декоративность покрытия;
• возможность нанесения покрытий большой толщины;
• повышенная производительность в сравнении с альтернативными технологиями.

Недостатки

Прокат, подвергаемый ускоренному отжигу в линии агрегата цинкования, может иметь повышенные прочностные свойства, что нужно учитывать при его дальнейшей переработке.

Гальваническое цинкование

Технология основана на осаживании Zn на металлической поверхности за счет электролитической реакции. Поэтому часто используется второе название метода – электрохимическое цинкование.

Основное оборудование – гальваническая ванна, электроды которой подключаются к сети постоянного тока. Катодной базой выступает обрабатываемая деталь, а анодом – цинк. При подаче напряжения в электролите начинает движение заряженных частиц, что вызывает осаждение ионов Zn на покрываемый металл. Для каждого изделия отдельно подбирается определенный состав электролита и оптимальная плотность тока.

Преимущества

По сравнению с другими методами гальваническое цинкование металла:

• обеспечивает отличные декоративные свойства и вариативность цветовой гаммы защитного покрытия;
• позволяет с высокой точностью регулировать толщину осаждаемого цинка;
• подходит для любых черных и цветных металлов и сплавов;
• является наиболее экономичной технологией;
• отличается высокой производительностью.

Благодаря физико-химическим процессам электролитический раствор для цинкования глубоко проникает в отверстия и пазы и образует покытие, безупречно повторяющее контурные линии изделия. Поэтому электролитическое цинкование чаще всего используется для защиты резьбовых соединений, деталей крепежа и автомобильных компонентов. К тому же такое покрытие позволяет выполнять дальнейшую сварку и пайку обработанных изделий.

Недостатки

Zn является электроотрицательным металлом. Он осаживается на катоде с выделением водорода, который легко проникает в сталь и образуемое покрытие. Наводораживание опасно для тонкостенных металлоизделий и особенно пружин и деталей из высокоуглеродистых сплавов, а защитный слой оно делает менее стойким к истиранию и механическим повреждениям. Чтобы минимизировать концентрацию водородных ионов, используют добавки, повышающие буферную емкость электролита.

Также при покрытии цинком металлических изделий в электролитическую ванну дополнительно вводят вещества, повышающие электропроводность. Соответственно с каждым новым циклом гальванического оцинкования в электролите накапливаются малорастворимые гидроксиды и основные соли металлов. Это негативно отражается на химической чистоте покрытия, повышает его шероховатость и провоцирует внутренние напряжения. Кроме того, технология электролитического цинкования обеспечивает получение защитного покрытия относительно небольшой толщины (обычно 5-12 мкм), что не позволяет применять ее при изготовлении металлоконструкций, работающих в агрессивных средах.

Термодиффузионное цинкование

Без понимания термодинамических процессов сложно понять, что такое термодиффузионное цинкование. Но если утрировано описать данную процедуру, то она заключается в следующем. В специальную барабанную камеру помещают цинковую смесь и подготовленные очищенные детали. Выбрав диапазон нагрева по технологической карте, в рабочей капсуле поднимают температуру и начинают ее вращение. При нагреве выше 500˚С (напомним, что температура плавления Zn составляет 419˚С) цинк переходит в жидкую, а затем в газообразную фазу. Его частицы активно проникают в поверхностные слои стали, концентрируются и образуют монолитное и равномерное по всей поверхности покрытие.

Кратность одного цикла приблизительно три часа. Поэтому равномерное вращение барабана с деталями приводит к созданию прочного и идентичного по толщине защитного слоя на каждом изделии, погруженном в термодиффузионную камеру. После металлоизделия охлаждают естественным путем и подвергают пассивации и финишной просушке.

Преимущественные особенности и недостатки

Метод отлично подходит для покрытия мелких деталей сложной формы, в особенности с внутренней и внешней резьбой и нетривиальной геометрией пазов и отверстий. Отличается средними показателями производительности и позволяет экономно расходовать цинк, но требует высокотехнологической промышленной базы.

Как недостаток метода можно также обозначить ограничение размеров обрабатываемых элементов. Они должны соответствовать габаритам барабанной камеры.

Характеристика покрытия

Термодиффузионное взаимодействие металлов обуславливает образование прочного защитного слоя с минимальным количеством пор и высоким сцеплением со стальной основой. Толщина покрытия легко регулируется и может составлять всего 15 микрон. Учитывая стойкость к истиранию и механическим повреждениям, этот метод может применяться для тех же целей, где используется горячее цинкование. Хотя декоративность термодиффузионного защитного слоя значительно уступает «горячему» покрытию.

Альтернативные способы цинкования

По техническим причинам вышеперечисленные методы не всегда возможно применить на практике. Поэтому иногда прибегают к другим способам.

Например, некоторые умельцы пытаются выполнить цинкование в домашних условиях и используют для этих целей гальванические установки собственной разработки. Насколько эффективен данный метод судить сложно, к тому же он требует определенных знаний в области химии и инженерии и отличных навыков по сборке электротехнических устройств. Другие обрабатывают металлоизделия специальными цинксодержащими составами. Такой способ не требует использования резервуаров и сложного оборудования, но его нельзя в полной мере назвать цинкованием, так как он не обеспечивает такой же стойкий и продолжительный эффект как вышеописанные основные методы. Да и катодная защита у покрытия, образованного такими способом, довольно низкая.

Как проверить цинкование

Качество и толщина защитного слоя напрямую обуславливают долговечность изделий с цинковым покрытием. Соответственно, покупая оцинкованный прокат или металлоизделия, покрытые цинком, потребитель хочет знать, как проверить качество цинкования и определить, каким способом был нанесен Zn. Но сделать это не так просто.

Оцинкованный слой составляет всего лишь несколько микрон. Измерить его толщину можно только посредством магнитного толщиномера или металлографического микроскопа. Что касается способа нанесения, то визуально покрытия, нанесенные «горячим» способом, отличаются более блестящей поверхностью. Но добиться временного эффекта «блескости» также можно разным путем. Поэтому, чтобы проверить цинкование, лучше сразу обращаться в лабораторию.

В качестве альтернативы дорогостоящей экспертизе существует лишь один самый простой, дешевый и надежный способ, как отличить горячее цинкование от холодного и уточнить толщину покрытия – запросить у производителя сертификат качества на оцинкованную продукцию. Ответственные изготовители оцинкованного проката всегда положительно реагируют на данный запрос и по требованию клиента предоставляют всю необходимую информацию.

Если вы хотите купить оцинкованную сталь в листах или рулонах, обращайтесь. Компания «МЕТИНВЕСТ-СМЦ» предлагает продукцию высокого качества, получаемую путем горячего оцинкования.