Содержание:

Зачем наносят слой цинка на сталь?

Нелегированный стальной лист - очень универсальный вид прокатного профиля. Он бывает разных размеров и типов, применяется в строительстве, автомобилестроении, при производстве бытовой техники. Низкая стоимость, прочность и пластичность стального проката являются основными причинами его широкого использования. Для поверхностной защиты обычного стального проката от окисления или ржавления требуется исключить условия для прохождения химической реакции между сталью и кислородом, который содержится окружающем воздухе. Кислород может также растворяться во влаге, накапливающейся на стальной поверхности.

В процессе ржавления часть стали расходуется на превращение в оксиды железа, которые не могут защитить материал от коррозии, поскольку не образуют сплошной и прочной поверхностной плёнки.

Поверхность, содержащая оксиды подвержена трещинообразованию, в результате чего атмосферному воздействию подвергаются уже подповерхностные слои металла. Как следствие, коррозия только усиливается.

Коррозия нежелательна не только с конструктивной, но и с эстетической точки зрения, поэтому разработаны и применяются процессы подготовки и нанесения поверхностных антикоррозионных покрытий. Одной из наиболее экономичных технологий считается цинкование, в результате которого защита стали обеспечивается двумя способами: барьерной и гальванической защитой.

цинкование металлоконструкций

Барьерная защита – основной механизм, с помощью которого оцинкованные покрытия защищают сталь. Создаваемый непроницаемый барьер не позволяет влаге контактировать со сталью, а без влаги (электролита) нет и коррозия. Образующееся металлическое покрытие имеет отличные эксплуатационные характеристики:

  • Устойчивую адгезию к основному металлу;
  • Стойкость против интенсивного трения;
  • Противокоррозионную стойкость.

Оцинкованные покрытия не разрушаются трещинообразованием или отслаиванием и эти выгодно отличаются от других видов барьерных покрытий, например, окрашивания.

Однако цинк является химически активным материалом, который, пусть медленно, но со временем тоже разъедает металл. По этой причине долговременность защиты, обеспечиваемой оцинкованным покрытием, пропорциональна его толщине, а также составу активного вещества. Например, цинкование гальванолом (благодаря наличию в составе реагента полимерных компонентов) не требует последующей окраски поверхности, а потому считается менее трудоёмкой технологией антикоррозионной защиты металлоконструкций.

Опишем механизм коррозии цинка, и какие факторы влияют на его интенсивность.

Свежеоцинкованная сталь на влажном воздухе вступает в реакцию с окружающей атмосферой, образуя очень тонкий, прочный слой гидрооксида цинка. Конечным продуктом реакции карбонат цинка, который образуется при взаимодействии гидроксида цинка с углекислым газом. Карбонат цинка- прочный и стабильный (не растворимый в воде) слой, который обеспечивает защиту основного цинка, и является основной причиной его низкой скорости коррозии в большинстве рабочих сред.

состав цинкования

Второй механизм защиты - это способность цинка предотвращать окисление стали гальваническим путём, когда реализуется катодная защита цинкового покрытия от протекторной коррозии. Это происходит потому, что цинк более электроотрицателен, чем сталь. На практике это означает, что цинковое покрытие не будет подрезано ржавой сталью до тех пор, пока не начнёт разрушаться сам цинковый слой.

Расстояние, на котором действует гальваническая защита цинка, зависит от вида окружающей среды. При постоянном смачивании поверхности стали сильным электролитом, например морской водой, интенсивность защиты будет снижаться. Но, поскольку скорость коррозии в этом случае значительно ниже, чем у стали (не менее чем в 10 раз), то противокоррозионная способность цинксодержащего слоя сможет надолго защитить сталь от образования окалины.

Методы цинкования

Различаются в зависимости от габаритов обрабатываемого изделия, условий его последующей эксплуатации и даже сортамента металлопроката. Например, трубчатые заготовки цинковать сложнее, чем плоские. В учёт принимают также предыдущие операции, например, во многих случаях цинкование металлоконструкций лучше выполнять после их сварки, поскольку металл, который пребывал в зоне сварного шва, является более активным в коррозионном отношении.

Перед обработкой металл проходит обязательное обезжиривание. Органические загрязнения поверхности, в частности, масла и большинство лакокрасочных покрытий, тщательно удаляются со стали с помощью соответствующей предварительной обработки, обычно концентрированными щелочными растворами. Некоторые краски, лаки и масла, приходится удалять механическими способами – шлифовкой или крацеванием.

После обезжиривания сталь подвергается травлению или кислотной очистке, целью которой является удаление ржавчины и окалины после прокатки. Чаще всего для этой цели используется соляная кислота и реже - серная. Причина состоит в том, что при обработке серной кислотой на поверхности стали образуются гидриды железа. С химической точки зрения они представляют собой малостойкие вещества, которые со временем самопроизвольно разлагаются. Но для этого полуфабрикаты должны проходить обязательное вылёживание, что неблагоприятно сказывается на общей продолжительности операций цинкования.

Очищенное кислотой стальное изделие погружают в раствор флюса, содержащий хлорид цинка (или аммония). Наибольшая химическая активность флюса наблюдается при температурах 50…70°C. Раствор флюса удалит остатки любой оксидной плёнку, которая всё-таки осталась на стальной поверхности после кислотной очистки. Этим предотвращается дальнейшее окисление перед собственно цинкованием. Затем изделие высушивается.

Дальнейшая технология гальванотехнической обработки зависит от температуры, при которой она проводится. Поэтому различают горячее и холодное цинкование.

Горячее цинкование

При горячем цинковании подлежащие покрытию изделия погружают в расплав цинка. При погружении стальная поверхность полностью покрывается расплавленным цинком, который вступает в реакцию со сталью, образуя ряд слоёв сплава цинк-железо. Толщина этих слоёв определяется массой оцинкованной заготовки.

Важным преимуществом процесса является независимость стандартной/минимальной толщины покрытия от действий оператора, который управляет процессом.

покрытие цинкование

Для образования покрытия изделие остается в ванне до тех пор, пока её температура не достигнет температуры расплавленного цинка в диапазоне (445…465 °C). Затем изделие с контролируемой скоростью извлекается из ванны, где находится состав цинкования. В процессе удаления изделия внешний слой расплавленного цинка постепенно затвердевает, образуя относительно чистое внешнее цинковое покрытие. Для интенсификации процесса применяют охлаждающие растворы. Они обычно содержат ингибитор, обеспечивающий пассивацию поверхности цинка для предотвращения преждевременного окисления.

При условии правильной конструкции вентиляции и слива расплавленный цинк полностью покрывает углы и сварные швы, герметизирует края, и проникает в углубления, обеспечивая полную защиту участков (которые могут являться потенциальными пятнами коррозии) с другими системами покрытия. Оцинкованное покрытие обычно немного толще на углах и узких краях; это обеспечивает лучшую защиту по сравнению с органическими покрытиями, которые истончаются в упомянутых областях.

Сложные формы и открытые сосуды могут быть оцинкованы внутри и снаружи за одну операцию. Период погружения в оцинковочную ванну варьируется от нескольких минут (для относительно лёгких изделий) до нескольких десятков минут - для очень тяжёлых и сложных по своей конфигурации элементов конструкции.

Холодное цинкование

Применяется для нанесения антикоррозионного покрытия на крепёжных и других мелких деталях. Используется технология центрифугирования, когда изделия загружаются в перфорированные стальные цилиндрические корзины. После кислотного травления и флюсования корзины опускаются в ванну для холодным раствором солей цинка.Затем корзины без промедления поднимаются в центрифугу, где вращаются с высокой скоростью в течение 15…20 секунд. Избыток цинка сбрасывается, обеспечивая гладкое, равномерное покрытие и сохраняя целостность резьбовых деталей.

Требования к толщине и массе покрытия отличаются от требований к другим оцинкованным деталям из-за процесса прядения, в ходе которого излишки цинка удаляются.

Гальванический метод

Представляет, по сути, модификацию метода горячего цинкования. Может быть одинарным или двойным. Технология двойного окунания используется для повышения качества гальванопокрытия габаритной продукции. При этой процедуре изделие опускают в ванну так, чтобы половина или более его «превышения размера» была погружена в раствор. Когда оцинкованное покрытие нанесено на погруженную часть, изделие извлекают из ванны и поворачивают так, чтобы неоцинкованная часть вновь могла быть погружена в раствор. На толщине покрытия это не сказывается.

Термодиффузионное

Термодиффузионное цинкование - это процесс, в котором используется порошок сплава цинка для создания защитного покрытия на стальных деталях. Данная технология придаёт готовой продукции повышенную (в сравнении с горячим цинкованием) коррозионную стойкость, а срок службы приближается к изделиям, изготовленным из нержавеющей стали.

Для создания цинкового покрытия методом термодиффузии детали помещают в цилиндрический барабан вместе с порошком цинкового сплава. Для обеспечения равномерного покрытия всех поверхностей цилиндрический барабан позволяет деталям вращаться. Реакция прилипания цинка к деталям начинается, когда температура внутри цилиндра достигает примерно 400 °C (что несколько ниже точки плавления цинка), при которой цинковый порошок начинает испаряться. Пары прилипают к стальным или железным деталям, создавая на поверхности однородный сплав цинка с железом. Этот процесс продолжается до тех пор, пока покрытие не достигнет желаемой толщины.

Преимущества процесса:

  • Повышенная производительность;
  • Возможность повторной обработки;
  • Отсутствуют потёки застывшего цинка, ухудшающие, например, качество резьбы;
  • Поверхностный слой представляет собой интерметаллический цинк/железо, который обладает повышенной твёрдостью;
  • Одновременно обеспечивается барьерная и катодная защита.
  • Процесс является экологически чистым, характеризуется минимальным количеством отходов. Готовую продукцию, в отличие от традиционных способов цинкования, можно подвергать дробеструйной очистке.
Термодиффузионный метод цинкования

Газотермическое напыление цинка

Практически применяемые методы цинкования включают в себя также напыление цинкового расплава струёй инертного газа, например, аргона или азота. Процесс состоит из следующих стадий:

  • Очистки и обезжиривания поверхности;
  • Подготовки покрытия (обычно это или чистый цинк или сплав цинка и 15% алюминия; последний вариант используется для покрытий, эксплуатируемых в морской воде);
  • Напыления электрической дугой или в пламени горелки. В электродуговом процессе, который обеспечивает более высокую производительность наплавки с улучшенной экономичностью, используются два расходуемых электрода из цинковой проволоки. Провода имеют противоположные электрические заряды и располагаются вблизи друг от друга, чтобы поддерживать стабильное горение электрической дуги. Во втором случае цинковая проволока или порошок подаётся в кислородно-топливное пламя, где плавится цинк, а затем распыляется сжатым воздухом.
Дополнительная защита поверхности достигается использованием герметиков и/или финишных покрытий поверх металлического цинкового покрытия.

Выполнение процедуры в домашних условиях

Существует несколько процессов, которые можно использовать для цинкования стали в домашних условиях.

Для горячего цинкования в ванне необходимо:

  • Тщательно удалить все загрязнения и ржавчину с поверхности:
  • Обработать металл флюсом- раствор хлорида цинка и аммония;
  • Погрузить сталь в расплавленный цинк. Ванна расплавленного цинка должна состоять не менее чем на 98 % из цинка и поддерживаться в диапазоне температур от 435 до 455 0C;
  • После окончания реакции медленно извлечь деталь из ванны с цинком, и дождаться, пока избыток цинка не стечёт с поверхности;
  • Охладить оцинкованное изделие, погрузив сталь в пассиватор, например, в гидроксид калия, в воду или даже на открытом воздухе;
  • Осмотреть оцинкованное изделие и убедиться, что цинковое покрытие хорошо выглядит, однородно и имеет достаточную толщину.

При электрогальванизации сталь необходимо очистить и удалить ржавчину. Затем приготовить раствор цинкового электролита - сульфата или цианида цинка. Погрузить сталь в электролит: раствор вступит со сталью в реакцию, вызывая осаждение цинка на поверхность. Чем дольше сталь остаётся в электролите, тем толще будет полученное покрытие.