Цинкування металу – основні способи

Корозійні процеси протікають в атмосфері, в морській й річковій воді, в грунті й під впливом блукаючих струмів і середовищ з різним pH-рівнем. З огляду на масштабність економічних втрат, корозія металів є глобальною проблемою сучасності. Покриття цинком або цинкування металовиробів дозволяє ефективно і з мінімальними витратами вирішити її.

Що таке цинкування металу

Практика нанесення тонкого шару цинку на металеву поверхню з метою підвищення антикорозійних властивостей чорних і кольорових сплавів знаходить повсюдне застосування. Крім того, Zn забезпечує тривалий захист поверхневих шарів від корозійного руйнування, а цинкування металу:

• відрізняється відносною дешевизною;
• не впливає на механічні та технологічні властивості оброблених деталей і конструкцій;
• дозволяє варіювати товщину і візуальні характеристики покриття.

Широке застосування цинкування, як методу захисту сталі в будівництві, машинобудуванні та інших галузях промисловості, пояснюється тим, що цинк – один з найбільш доступних металів, що забезпечує електрохімічний захист заліза і його сплавів при роботі в парі з ними. При цьому саме цинкове покриття при атмосферному впливі руйнується повільно із-за утворення на його поверхні захисної плівки хімічних з'єднань. Така плівка надійно захищає глибинні шари від корозії, вона довговічніша і зносостійка в порівнянні з лакофарбовим покриттям.

Порівняння цинкового і лакофарбового покриття

***** – відмінні показники;

**** – добрі показники;

*** – середні показники;

** – низькі показники.

Які метали піддаються цинкуванню

У переважній більшості покриття цинком або оцинкування призначається для залізовуглецевих сплавів. Хоча даний метод можна застосовувати й для деяких інших металів.

Цинкування міді

Мідь в чистому вигляді і її сплави стійкі до впливу прісної та морської води, спиртів, атмосферної вологи, розбавлених розчинів лугів і солей. З огляду на високі показники корозійної стійкості, цинкування міді виконується, як правило, для поліпшення декоративних властивостей металовиробів, адже відпрацьована технологія дозволяє отримувати велику палітру золотистих відтінків. А ось мідні вироби, призначені для експлуатації в умовах аміачних середовищ, ціанистих з'єднань і концентрованих сірчаних і азотних кислотах, покриваються цинком вже для захисту від корозійного руйнування.

Цинкування алюмінію

Al – метал, який має сильно негативний рівноважний потенціал φ0. Він захищений від впливу вологи і ряду агресивних середовищ захисною пасивуючою плівкою власних оксидів. Тому цинкування алюмінію направлено на потовщення зовнішнього шару і для захисту цього металу і його сплавів від електрохімічної корозії. У звичайних ціанистих електролітах з мікроскопічною часткою їдкого натру процедуру виконують в основному без цінкатной підготовки. При цьому щільність струму не повинна перевищувати 1,5 А/дм, а показник водневої активності електроліту – 4,2. У більш кислих електролітах нанесення Zn можливо лише після цінкатной обробки.

Цинкування чавуну

Хімічний склад цих залізовуглецевих сплавів дуже різноманітний. Вони по-різному реагують на атмосферну вологу, прісну і морську воду, але в розчинах соляної кислоти та лугів всі вони демонструють малу стійкість. Тому основна мета нанесення шару Zn – антикорозійний захист. Сьогодні цинкування чавуну виконують із застосуванням аміакатних електролітів, при цьому конверсійна плівка може бути різного кольору – від чорної і оливковою до прозорої.

Цинкування сталі

Сталеві вироби знаходять найбільше застосування в промисловості, енергетиці та будівництві. І навіть при наявності легуючих компонентів вони найбільше схильні до кородування, тому вироби та конструкції зі сталі найчастіше піддають цинкуванню. Стабільний гальванічний зв'язок Fe і Zn дозволяє організовувати виробництво «оцинковки», використовуючи різні технології.

Основні методи цинкування

Металеві покриття наносять на поверхню виробів методом занурення в розплавлений метал термодифузійним, гальванічним або іншим способом. Технологія обробки визначається надійністю утвореного захисного шару, призначенням і умовами експлуатації виробу, а також його конструктивними особливостями.

Гаряче цинкування (метод Кука-Нортмана)

Зрозуміти, що таке гаряче цинкування досить просто, тому що метод заснований на зануренні готових металовиробів або напівфабрикатів у ванну з розплавленим цинком. Технологія підходить для захисної обробки сталі та чавуну, а сама процедура полягає в наступному:

• знежирення деталей і виробів;
• видалення окалини й іржі. Здійснюють це за допомогою хімічного або електрохімічного травлення. Виливки додатково можуть піддаватися дрібострумовій обробці;
• промивання для видалення слідів кислот і продуктів розпаду окалини з подальшим етапом просушування і нанесенням флюсу;
• занурення в ємність з розплавленим цинком. Температура нагріву Zn становить не більше 480˚С, а хімічна чистота повинна бути не менше 98%;
• регулювання товщини покриття і фінішна просушка. Щоб видалити надмірний цинк з деталей зі складною конфігурацією, їх можуть додатково обдувати стисненим повітрям або встановлювати на віброплатформи та в центрифуги;
• контроль якості і товщини покриття.

Переваги та недоліки

Метод гарантує зносостійкість і довговічність захисного шару, дозволяє варіювати товщину покриття від кількох мікрон до міліметрів і обробляти тонкостінні вироби і дріт. Додавши в розплавлений цинк олово, можна істотно збільшити блиск покриття. А введення алюмінію підвищить здатність захисного шару згинатися і розтягуватися при пластичних деформаціях.

До недоліків методу можна віднести лише необхідність ретельного видалення окалини та оксидного шару, адже розплавлений цинк реагує тільки з бездоганно чистою поверхнею. Також варто враховувати, що спосіб не застосовується для захисту деталей з вузькими отворами, різьбленням, а габарити виробів обмежуються розмірами ванни з розплавом.

Захисні властивості

Множинні випробування підтверджують, що покриття, отримане методом гарячого занурення, здатне до саморегенерації та ефективно в умовах:

• атмосферної корозії;
• відкритих і закритих просторів;
• біогенної сірководневої агресії;
• постійного контакту з побутовими і промисловими водними розчинами;
• впливу холодної і гарячої води, соляних розчинів і газоподібних середовищ.

Життєвий термін захисного шару може досягати 50 і більше років. Гаряче цинкування за методом Кука-Нортмана масово застосовується для покрівельного заліза, труб та дроту, а також використовується при виробництві будівельних металоконструкцій, приладів, кухонного начиння і сітки. Покриття надійно захищає від електрохімічної корозії, тому оцинкування зануренням в розплав найчастіше використовується для захисту опор ЛЕП, теле- і радіощогл і елементів освітлювальної арматури.

Гаряче цинкування (метод Сендзимира)

Розробка великого вченого й інженера польського походження, названа його ім'ям. Переваги розробленої ним технології полягають в максимальній універсальності, адже принцип цинкування за методом Сендзимиру можна реалізувати з мінімальними виробничими витратами. В даний час такий метод є найпопулярнішим у світі при нанесенні цинкових покриттів на рулонну сталь.

Технологія передбачає безперервний цикл оцинкування рулонного металу. Сталева смуга, попередньо очищена хімічним способом і піддана пічному відпалу, надходить по роликових напрямних в танк з розплавленим Zn. Пройшовши крізь рідку товщу цього металу, сталь покривається рівним шаром цинку з усіх боків. Для досягнення максимально рівномірності захисної плівки, на виході з танка рулон піддається обробці в системах повітряних ножів, де крізь форсунки під великим тиском подається стиснене повітря. Воно видаляє надлишковий обсяг цинкового розчину та охолоджує сталь. Після цього смуга підлягає пасивуючий обробці, сушінню і змотуванню.

Захисні властивості

За рахунок занурення і теплової реакції цинкове покриття проникає в найменші пори сталі та утворює з нею міцну адгезійний зв'язок. Товщина і маса його може досягати відповідно 5...55 мкм і 85-600 г/м².

Утворений шар Zn надійно захищає від корозії й електрохімічного впливу. А завдяки його здатності до гальванічного самовідновлення, оброблений лист можна свердлити і різати, не побоюючись, що сталь почне іржавіти. Тому найчастіше такий прокат використовується для виготовлення будівельних металоконструкцій, кабельних лотків та профілів стелажного обладнання.

Переваги

Метод Сендзимиру відрізняє:

• ефективний захист гладкого і перфорованого листового прокату товщиною до 3 мм;
• висока стійкість, однорідність, пластичність і декоративність покриття;
• можливість нанесення покриттів великої товщини;
• підвищена продуктивність в порівнянні з альтернативними технологіями.

Недоліки

Прокат, що піддається прискореному відпалу в лінії агрегату цинкування, може мати підвищені властивості міцності, що потрібно враховувати при його подальшому переробленні.

Гальванічне цинкування

Технологія заснована на осадженні Zn на металевій поверхні шляхом електролітичної реакції. Тому часто використовується друга назва методу – електрохімічне цинкування.

Основне обладнання – гальванічна ванна, електроди якої підключаються до мережі постійного струму. Катодною базою виступає деталь, що обробляється, а анодом – цинк. При подачі напруги в електроліті починається рух заряджених частинок, що викликає осадження іонів Zn на метал, що покривається. Для кожного виробу окремо підбирається певний склад електроліту та оптимальна щільність струму.

Переваги

У порівнянні з іншими методами гальванічне цинкування металу:

• забезпечуєте відмінні декоративні властивості й варіативність колірної гами захисного покриття;
• дозволяє з високою точністю регулювати товщину осаджуваного цинку;
• підходить для будь-яких чорних і кольорових металів і сплавів;
• є найбільш економічною технологією;
• відрізняється високою продуктивністю.

Завдяки фізико-хімічним процесам електролітичний розчин для цинкування глибоко проникає в отвори та пази і утворює покриття, яке бездоганно повторює контурні лінії вироби. Тому електролітичне цинкування найчастіше використовується для захисту різьбових з'єднань, деталей кріплення й автомобільних компонентів. До того ж таке покриття дозволяє виконувати подальше зварювання і пайку оброблених виробів.

Недоліки

Zn є електронегативним металом. Він осаджується на катоді з виділенням водню, який легко проникає в сталь і утворене покриття. Накопичення водню небезпечно для тонкостінних металовиробів та особливо пружин і деталей з високовуглецевих сплавів, а захисний шар воно робить менш стійким до стирання і механічних пошкоджень. Щоб мінімізувати концентрацію водневих іонів, використовують добавки, що підвищують буферну ємність електроліту.

Також при покритті цинком металевих виробів до електролітичної ванни додатково вводять речовини, що підвищують електропровідність. Відповідно з кожним новим циклом гальванічного оцинкування в електроліті накопичуються малорозчинні гідроксиди та основні солі металів. Це негативно відображається на хімічній чистоті покриття, підвищує його шорсткість і провокує внутрішні напруги. Крім того, технологія електролітичного цинкування забезпечує отримання захисного покриття відносно невеликої товщини (зазвичай 5-12 мкм), що не дозволяє застосовувати її при виготовленні металоконструкцій, які працюють в агресивних середовищах.

Термодифузійне цинкування

Без розуміння термодинамічних процесів складно зрозуміти, що таке термодифузійне цинкування. Але якщо утрирувано описати дану процедуру, то вона полягає в наступному. У спеціальну барабанну камеру поміщають цинкову суміш і підготовлені очищені деталі. Вибравши діапазон нагрівання за технологічною картою, в робочій капсулі піднімають температуру і починають її обертання. При нагріванні вище 500˚С (нагадаємо, що температура плавлення Zn становить 419˚С) цинк переходить в рідку, а потім в газоподібну фазу. Його частинки активно проникають в поверхневі шари сталі, концентруються й утворюють монолітне і рівномірне по всій поверхні покриття.

Кратність одного циклу приблизно три години. Тому рівномірне обертання барабана з деталями призводить до створення міцного та ідентичного за товщиною захисного шару на кожному виробі, зануреному в термодифузійну камеру. Після металовироби охолоджують природним шляхом і піддають пасуванню і фінішному просушуванню.

Переважні особливості і недоліки

Метод відмінно підходить для покриття дрібних деталей складної форми, особливо з внутрішньою та зовнішньою різьбою та нетривіальною геометрією пазів й отворів. Відрізняється середніми показниками продуктивності і дозволяє економно витрачати цинк, але вимагає високотехнологічної промислової бази.

Як недолік методу можна також позначити обмеження розмірів оброблюваних елементів. Вони повинні відповідати габаритам барабанної камери.

Характеристика покриття

Термодифузійне взаємодія металів зумовлює утворення міцного захисного шару з мінімальною кількістю пір і високим зчепленням зі сталевою основою. Товщина покриття легко регулюється і може складати всього 15 мікронів. З огляду на стійкість до стирання і механічних пошкоджень, цей метод може застосовуватися для тих же цілей, де використовується гаряче цинкування. Хоча декоративність термодифузійного захисного шару значно поступається «гарячому» покриттю.

Альтернативні способи цинкування

З технічних причин перераховані вище методи не завжди можливо застосувати на практиці. Тому іноді вдаються до інших способів.

Наприклад, деякі умільці намагаються виконати цинкування в домашніх умовах й використовують для цих цілей гальванічні установки власної розробки. Наскільки ефективний цей метод судити складно, до того ж він вимагає певних знань в області хімії та інженерії та відмінних навичок по збірці електротехнічних пристроїв. Інші обробляють металовироби спеціальними цінкутримуючими складами. Такий спосіб не вимагає використання резервуарів й складного обладнання, але його не можна в повній мірі назвати цинкуванням, бо він не забезпечує такий же стійкий й тривалий ефект як вищеописані основні методи. Та й катодний захист у покриття, утворенного таким способом, досить низький.

Як перевірити цинкування

Якість і товщина захисного шару безпосередньо обумовлюють довговічність виробів з цинковим покриттям. Відповідно, купуючи оцинкований прокат або металовироби, що мають покриття з цинку, споживач воліє знати, як перевірити якість цинкування і визначити, яким способом був нанесений Zn. Але зробити це не так просто.

Оцинкований шар складає всього лише кілька мікрон. Виміряти його товщину можна лише за допомогою магнітного товщиноміра або металографічного мікроскопа. Що стосується способу нанесення, то візуально покриття, нанесені «гарячим» способом, відрізняються більш блискучою поверхнею. Але домогтися тимчасового ефекту «блискості» також можна різним шляхом. Тому, щоб перевірити цинкування, краще відразу звертатися до лабораторії.

В якості альтернативі дорогої експертизи існує лише один найпростіший, дешевий і надійний спосіб, як відрізнити гаряче цинкування від холодного та уточнити товщину покриття – запросити у виробника сертифікат якості на оцинковану продукцію. Відповідальні виробники оцинкованого прокату завжди позитивно реагують на даний запит і на вимогу клієнта надають всю необхідну інформацію.

Якщо ви хочете купити оцинковану сталь в листах або рулонах, звертайтеся. Компанія «МЕТІНВЕСТ-СМЦ» пропонує продукцію високої якості та виготовлену шляхом гарячого оцинкування.