Термодиффузионное цинкование: технология процесса нанесения цинкового покрытия, используемое оборудование

При использовании металла в качестве сырья для производства строительных материалов и конструкций одной из наиболее сложных задач становится защита стального основания от коррозии. Черные металла (в первую очередь железо и сталь) без дополнительной защиты быстро ржавеют, утрачивая прочность и привлекательный внешний вид.

Решается эта задача несколькими способами, но практически все они предполагают нанесение защитных покрытий. В качестве такого покрытия может использоваться краска, специальный полимер или состав на основе цветных металлов (в первую очередь цинка). Именно цинкование сегодня рассматривается как самый простой, наименее затратный и при этом максимально надежный способ защиты металла от коррозии.

Зачем выполняется цинкование металла?

Цинкование – обработка цинк-содержащими составами по разным методикам — производится для решения нескольких задач:

  • Во-первых, цинковый слой формирует на поверхности металла барьер непроницаемый для влаги и кислорода. Благодаря этому под слоем оцинковки не развиваются коррозионные процессы.
  • Во-вторых, нанесение цинкового состава снижает риск развития электрохимической коррозии.
  • В-третьих, слой оцинковки после нанесения придает детали достаточно привлекательный внешний вид. Да, со временем поверх слоя с высоким содержанием цинка формируется слой окислов, но все равно поверхность выглядит лучше по сравнению с частично окислившейся сталью без покрытия.

Кроме того, слой оцинковки выступает в роли «связующего звена» между стальной основой и защитно-декоративным полимерным покрытием. Составы большинства полимерных материалов, используемых при производстве металлоизделий, разрабатывают именно с расчётом нанесения на оцинкованную поверхность.

Цинковое покрытие (равно как и некоторые другие составы для защиты от коррозии) может наноситься различными методами. Наиболее распространёнными являются горячее, холодное и гальваническое цинкование. Особенности этих технологий, их преимущества и недостатки мы рассмотрим более подробно.

Горячее цинкование

Горячее цинкование производится путем погружения листового металла и других деталей в ванну, заполненную расплавом защитного состава. При этом перед оцинковкой материал проходит многоступенчатую подготовку — от механической очистки и обезжиривания до протравки и обработки флюсом. Все это позволяет обеспечить максимально эффективную адгезию с цинковым составом.

При оцинковке по горячей технологии расплавленный железо-цинковый материал со всех сторон покрывает обрабатываемую деталь. Это дает возможность сформировать сплошное покрытие с достаточной прочностью. Просушивание выполняется путем обдувки под высоким давлением -при этом с заготовки удаляются излишки оцинковки.

У этой технологии есть несколько минусов:

  • Процесс горячего цинкования весьма энергоемок – для получения расплава нужно нагреть состав до очень высокой температуры.
  • При обработке выделяются токсичные вещества.
  • Габариты изделия, которые можно обрабатывать, ограничены габаритами ванн для оцинковки.

Но есть у технологии и два больших плюса. Во-первых, при правильно подобранной рецептуре состава качество покрытия практически не зависит от того, кто его наносит. Во-вторых, на поверхности формируется сплошной бесшовный слой, что сводит к минимуму риск отслоения или коррозии.

Холодное цинкование

Минусы горячего цинкования, перечисленные выше, привели к тому, что инженеры начали искать альтернативу этой методике защитной обработки. Начиная с 80х годов прошлого века, во всем мире активно применяется технология холодной оцинковки:

  • Для защиты металла от окисления используются составы с высоким содержанием цинка – до 90% и более (цинконол или аналоги).
  • Перед обработкой деталь или заготовка тщательно обрабатываются, что позволяет исключить малейший риск отслоения цинкового слоя.
  • Цинковый состав в холодном виде наносится на основание, при этом для нанесения чаще всего используется распылитель, позволяющий наносить материал тонким слоем.
  • После нанесения полимерная основа затвердевает, а цинковый порошок равномерно распределяется по всем поверхностям, формируя защитный слой.

При соблюдении технологии качество защиты и надежность укладки полимерного слоя не уступает горячей обработке. При этом по методу холодного цинкования можно обрабатывать детали любой формы и размера, и даже конструкции, которые уже смонтированы. Но при этом:

  • Адгезия, а значит, и долговечность покрытия напрямую зависят от качества подготовки и соблюдения правил нанесения состава.
  • Покрытие, особенно до полной полимеризации, плохо переносит механические воздействия и может достаточно быстро стираться.
  • Обрабатывать детали сложной формы и полости довольно трудно.

Гальваническая обработка

Гальваническая обработка металла известна довольно давно, и применяется она как в промышленности, так и, например, в ювелирном деле. Электрохимическая технология нанесения цинкового защитного покрытия позволяет сплошные слои минимальной толщины, которые при этом прочно держатся на основании и надежно защищают от любых проявлений коррозии.

Гальваническую защитную обработку (анодное оксидирование) выполняют так:

  • Сначала деталь тщательно готовят к нанесению защитного покрытия. При этом с поверхности удаляются малейшие загрязнения, поскольку они отрицательно сказываются на адгезии.
  • В ванну с электролитом помещаются детали и цинковые пластины, выступающие в качестве доноров.
  • К деталям и цинковым пластинам присоединяются электропровода, по которым подается ток.
  • При подаче напряжения ток проходит через гальваническую ванну, в результате частички цинка захватываются с «доноров» и осаждаются на обрабатываемых деталях.

Регулируя параметры электрохимической обработки, можно контролировать толщину слоя защитного покрытия. При этом сложность конфигурации особого значения не имеет: везде, где есть контакт с электролитом гальванической ванны, формируется защитный слой одинаковой толщины.

Другие способы нанесения защитных покрытий

Кроме описанных технологий, которые используются в 90% случаев, могут применяться и другие методики защитной обработки:

  • Газотермическое напыление. Применяется для нанесения цинкового состава на листовой металл, трубы, крупногабаритные детали. На обрабатываемую поверхность направляются струя горящего газа, в которую вносится цинковый стержень. При этом частички цинка «вплавлюятся» в основание, формируя плотную поверхность с чешуйчатой текстурой.
  • Термодиффузионная обработка. Детали подвешиваются в контейнере, который закладывается сухой порошок, содержащий более 90% цинка. При нагревании до 500-850° градусов порошок плавится, и частицы цинка равномерно покрывают обрабатываемую деталь.

Обе эти технологии имеют свои сферы применения, но в массовой обработке металлов цинком используются сравнительно нечасто.

Заключение

Защитные покрытия на основе цинка и других цветных металлов могут наноситься на стальные заготовки, изделия и конструкции по разным методикам. При этом все технологии имеют плюсы и минусы, определяющие сферу их применимости. Так, горячее цинкования используют при промышленной обработке простых деталей – например, при оцинковке листовой стали. Холодное нанесение цинкового покрытия позволит защитить уже смонтированную и эксплуатирующийся конструкцию. Гальванический же метод, несмотря на энергоемкость и сложность в реализации, дает возможность обработать деталь практически любой конфигурации со строгим контролем толщины наносимого слоя.

В любом случае на качество защитного покрытия влияет правильный выбор методики его нанесения, а также — соблюдение технологии противокоррозионной обработки. Использование же качественного сырья – листовой стали с цинковым покрытием — даёт возможность производить любые изделия (от потолочного профиля до фасадных стеновых кассет) с отличными эксплуатационными характеристиками.

Anetzel

Термодиффузионное цинкование, которое также называют шерардизацией, является относительно новой технологией нанесения на поверхность изделий из металла слоя цинка. Между тем именно такой способ цинкования среди всех существующих на сегодняшний день признается многими специалистами наиболее перспективным.

Технология термодиффузионного цинкования предназначена для защиты от коррозии стальных и чугунных изделий

Особенности и сферы применения

Такой метод защиты металлических изделий от коррозии и старения, как термодиффузионное цинкование, общие требования к которому регламентирует ГОСТ Р 9.316-2006, основан на явлении диффузии молекул металла, протекающей при относительно высокой температуре (400–470°). В данном случае в поверхностный слой обрабатываемого изделия диффузируют молекулы легирующего элемента – цинка.

В результате применения такой технологии на поверхности металлической детали формируется однородный цинковый слой. При этом однороден такой слой даже в труднодоступных местах обрабатываемого изделия.

При термодиффузионной обработке детали покрываются равномерном слоем цинка, включая отверстия и внутренние полости

Диффузионному поверхностному цинкованию, выполняемому при термическом воздействии на обрабатываемую деталь, чаще всего подвергают:

  • арматуру, применяемую в нефтяной и газовой отраслях;
  • ограждающие дорожные и мостовые конструкции;
  • элементы трубных коммуникаций и строительную арматуру;
  • фурнитуру, используемую для изготовления мебели;
  • арматуру, применяемую для укрепления железнодорожного полотна;
  • конструктивные элементы автотранспортных средств;
  • конструктивные элементы ЛЭП (линии электропередачи).

Термодиффузионное цинкование позволяет получать на поверхности металла цинковый слой минимальной толщины, благодаря чему подвергать такой обработке можно даже детали, отличающиеся очень небольшими размерами.

При повышении температуры обработки по данной технологии до 470° термодиффузия молекул цинка в поверхностный слой металла становится более интенсивной, но полученное в итоге покрытие не обладает требуемыми характеристиками. Оно не только отличается повышенной хрупкостью и легко отслаивается от поверхности изделия, но и не способно обеспечить требуемый уровень антикоррозионной защиты.

Промышленная линия термодиффузионного цинкования

Чтобы сформировать на поверхности металлического изделия термодиффузионное цинковое покрытие заданной толщины, обладающее высокими защитными характеристиками, необходимо предусмотреть ряд дополнительных процедур.

  • Проводится тщательная очистка поверхности изделия, которое будет подвергаться обработке.
  • Необходимо обеспечить герметичность контейнера для термодиффузионного цинкования.
  • Когда герметичность контейнера обеспечена, в нем необходимо создать инертную или восстановительную среду. Следует иметь в виду, что в окислительной среде цинкование выполнять нельзя.

Детали обработаны и загружены в специальную емкость для термодиффузионного цинкования

При выполнении самого термодиффузионного цинкования в рабочую среду желательно вносить специальные флюсующие элементы, которые называют активаторами.

Если придерживаться всех вышеуказанных рекомендаций и строго соблюдать все технологические режимы, то на поверхности металлического изделия можно сформировать термодиффузионное цинковое покрытие, которое будет соответствовать как заданной толщине, так и требуемым защитным характеристикам.

Сравнительный анализ коррозионной стойкости

Алгоритм нанесения термодиффузионного цинкового покрытия выглядит следующим образом.

  • Обрабатываемая поверхность тщательно очищается (в производственных условиях для этого используют дробеметные, пескоструйные и ультразвуковые установки).
  • Изделие и специальную смесь, за счет которой будет осуществляться насыщение его поверхности цинком, помещают в герметичный контейнер.
  • В контейнере создается требуемая температура, при которой и протекает диффузионное поверхностное цинкование.

Печь для термодиффузионного цинкования

После окончания цинкования деталь извлекают из контейнера и очищают ее поверхность от остатков использованной смеси. Затем остается выполнить пассивирование уже оцинкованной поверхности и дать ей полностью остыть.

Для выполнения диффузионного поверхностного цинкования используются различные насыщающие смеси, одной из которых является «Левикор». Высокую популярность у отечественных специалистов смесь «Левикор» завоевала благодаря тому, что ее отличает высокая проникающая способность, а ее применение позволяет получать цинковые покрытия требуемой толщины, обладающие исключительными защитными свойствами.

Достоинства и недостатки

Технология цинкования, для реализации которой используется термодиффузия, отличается целым рядом достоинств. Перечислим их.

  • Поверхность обработанного изделия и сформированный на ней цинковый слой характеризуются отличной адгезией.
  • Данный метод обработки отличается экономичностью, так как для его реализации не требуются большие производственные площади, значительные затраты рабочей силы и электрической энергии.
  • Технология термодиффузионного цинкования позволяет получать идеально ровное и однородное по своей толщине покрытие, отличающееся, кроме того, высокими защитными свойствами.
  • За счет того, что термодиффузия осуществляется в герметичных контейнерах, данный процесс отличается токсической, химической и экологической безопасностью. При работе с такими установками человек не получит термический ожог, а также не подвергнется воздействию других факторов, которые бы могли негативно отразиться на его здоровье.
  • Толщина цинкового слоя при использовании такой технологии хорошо поддается регулировке в достаточно широких пределах.
  • Образующиеся в процессе термодиффузионного цинкования отходы легко утилизируются. При этом процесс такой утилизации, выполняемой по стандартной схеме, также не связан с опасностью для человеческого здоровья.
  • Для очистки поверхности изделия после термодиффузионного цинкования не используются кислоты и другие агрессивные средства.
  • Оборудование, на котором выполняется диффузионное поверхностное цинкование, отличается простотой управления и обслуживания.
  • Процедура термодиффузионного покрытия цинком выполняется при более щадящем температурном режиме, если сравнивать ее с другими технологиями нанесения защитных покрытий.

После этого типа цинкования возможна последующая окраска деталей

У данной технологии есть два основных недостатка. Заключаются они в следующем.

  • Цинковый слой, формирующийся на поверхности изделия при использовании данной методики, отличается малопривлекательным сероватым цветом. Такая проблема решается путем нанесения на предварительно полученное термодиффузионное цинковое покрытие дополнительного декоративного слоя. Следует, однако, иметь в виду, что возможность нанесения такого слоя не оговаривается положениями ГОСТа. Во многих случаях, когда для оцинкованных металлических изделий эстетический фактор не столь важен, на такой недостаток не обращают внимания.
  • Габариты изделий, которые могут быть подвергнуты термодиффузионному цинкованию, серьезно ограничены размерами герметичного контейнера, а также внутренним объемом нагревательной печи.

При выполнении такой обработки следует строго придерживаться не только технологических рекомендаций, но и правил техники безопасности. В противном случае в организм человека может попасть цинковая пыль, которая способна нанести вред его здоровью.

Требования ГОСТ Р 9.316-2006 к термодиффузионным цинковым покрытиям

В соответствии с положениями нормативного документа, термодиффузионные цинковые покрытия могут быть отнесены к одному из следующих классов:

  • 1-й класс – толщиной 6–9 мкм;
  • 2-й класс – 10–15 мкм;
  • 3-й класс – 16–20 мкм;
  • 4-й класс – 21–30 мкм;
  • 5-й класс – 40–50 мкм.

Несмотря на то, что в ГОСТе не упомянуты цинковые покрытия большей толщины, потребитель по согласованию с производителем может заказать их нанесение. Однако в таком случае полученное покрытие будет относиться к категории нестандартных.

Рассматриваемый метод цинкования позволяет получить качественное цинковое покрытие толщиной 5–100 микрон

Термодиффузионное цинковое покрытие не наносится на те металлические конструкции и изделия, на которых имеются соединения, выполненные при помощи смол или припоя. Нанести цинковый слой на такие детали возможно, но для этого следует применять другие технологии.

В соответствии с положениями ГОСТ, цинковый слой, нанесенный на металлическое изделие по рассматриваемой технологии, не должен иметь следующих дефектов:

  • остатков насыщающих смесей, которые не поддаются смыванию;
  • вкраплений инородных тел;
  • наростов;
  • пустот и раковин;
  • отслоений;
  • трещин на поверхности;
  • вздутий;
  • даже очень незначительных по площади участков, на которых отсутствует покрытие.

Ознакомиться с требованиями ГОСТ к процессу обработки деталей методом термодиффузионного цинкования можно, скачав документ в формате pdf по ссылке ниже.
ГОСТ Р 9.316-2006 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия термодиффузионные цинковые. Общие требования и методы контроля
Скачать

Для металла важно быть защищенным от коррозии, которая приносит колоссальные убытки во всем мире. Ведь согласно исследованиям не менее десяти процентов металла приходит в негодность именно из-за нее. Разработано много способов, как препятствовать такому деструктивному процессу. Большинство из них сводится к тому, чтобы блокировать доступ окисляющей среды к поверхности металла. Термодиффузионное цинкование как раз один из таких методов.

Термодиффузионный процесс нанесения цинковой оболочки примечателен еще тем, что позволяет замедлить и так называемую электрохимическую коррозию. Это связано со структурой металла цинка, который имеет более отрицательный потенциал, чем сталь. Поэтому в первую очередь разрушается он, локализуя и останавливая все очаги возникновения коррозии в любой точке покрытия.

Суть и назначение термодиффузионного цинкования

Человеком, благодаря которому технология термодиффузионного цинкования познала мир, был инженер-изобретатель из Англии по имени Шерард Коупер-Колс. Он предлагал насыщать поверхность изделий из стали цинком путем диффузии в искусственно созданной среде, где присутствуют высокие температуры. По прошествии более 100 лет эта технология получила развитие.

С химической точки зрения, прохождение процесса, при котором на стальной поверхности образуется слой цинкового покрытия, сопровождается переносом молекул цинка, вступлением их в связь с молекулами стали и образованием общей кристаллической решетки. Все это происходит при температуре около 450 °C (точнее, 400–450 градусов).

При проведении термодиффузионного цинкования не следует повышать температуру внутри бокса до 470 °C: это приводит к образованию более хрупкого отслаивающегося покрытия с плохими антикоррозионными свойствами.

Как упоминалось выше, термодиффузионное цинкование нацелено на достижение следующих результатов:

  1. Защита механического характера. Образованное цинковое покрытие не допускает внешнюю среду к физическому контакту с защищаемым металлом.
  2. Защита электрохимического характера. Цинк со сталью образуют пару гальваническую, где первый металл будет анодом, второй – катодом, то есть анод разрушается, за счет чего катод восстанавливается.

Как происходит процесс обработки

Современный процесс получения цинкового покрытия термодиффузионным методом претерпел некоторые изменения, доработки и включает следующие этапы:

  1. Обработка изделий на предварительном этапе путем химического, механического или ультразвукового воздействия.
  2. Помещение деталей, прошедших предварительную обработку, в специальный рабочий бокс, куда также добавляется цинксодержащий порошок.
  3. Герметизация бокса и создание внутри него необходимой повышенной рабочей температуры.
  4. Выдержка изделий в течение определенного времени, извлечение их из камеры и проведение дополнительных мероприятий по обработке.

Процесс будет проходить более интенсивно, если такую камеру подвергать вращению.

Первый этап необходим для того, чтобы избавиться от раковин, отслоений, трещин, ржавчины и жировой пленки, которые могут образовываться на поверхности изделия и препятствовать осаждению цинка. Эффективно с этим справляться можно, подвергая детали обработке абразивными материалами в установках типа пескоструйных, далее следует обезжиривание химическими жидкостями и очистка ультразвуком, хотя диффузионный процесс менее требователен к чистоте поверхности, чем, к примеру, гальванический.

Бокс, или камера для проведения термодиффузионного цинкования, представляет собой конструкцию из нержавейки, у которой есть плотно закрывающаяся крышка. Помещая туда заготовку и цинковый порошок, температуру внутри поддерживают на уровне около 450 °C в течение 1–4 часов, все зависит от того, какова необходимая площадь покрытия и какой толщины слой цинка должен образоваться. За это время произойдет испарение молекул цинка и проникновение их в кристаллическую решетку металла.

Когда термодиффузионное цинкование окончено, заготовки вынимают из камеры и подвергают ряду очисток. Первое, что удаляют, это оставшиеся частицы порошка, далее моют изделия и на последнем этапе проводят пассивацию – улучшение внешнего вида изделий, придание им декоративного товарного вида.

Достоинства и недостатки технологии

Термодиффузионное цинкование не зря считается одним из лучших способов получения оцинкованного покрытия, у него много положительных сторон:

  1. Слой получается однородным, в нем отсутствуют поры, можно получить толщину с очень высокой точностью до 5 микрон при возможных диапазонах толщины 15–150 микрон.
  2. Из всех имеющихся способов цинкования слой, полученный термодиффузионным методом, самый стойкий к коррозии, что дает возможность экономить на толщине покрытия, не жертвуя при этом качеством.
  3. Цинковое покрытие устойчиво к изнашиванию за счет высокой прочности слоя и хорошей адгезии к поверхности основного металла. В числовом выражении его микротвердость доходит до 2019 МПа, слой цинка такой же толщины при гальваническом покрытии не превышает по твердости 400 МПа.
  4. При помощи термодиффузионного цинкования можно получить слой цинка на поверхности любой конфигурации, при этом не нарушая контуров изделия. Это особенно актуально при обработке резьбовых соединений.
  5. Технологический процесс получения оцинкованного слоя этим методом является чистым с точки зрения экологии.
  6. При термодиффузионном цинковании не наблюдается процесса водородного охрупчивания.

Термодиффузионное цинкование обладает и некоторыми недостатками:

  1. Это в первую очередь невысокие декоративные качества покрытия, которое имеет серый матовый оттенок.
  2. Также сложно создать большую камеру для проведения операций, в результате чего размеры деталей все же ограничены. Самая большая камера на сегодня имеет размер 1.5 метра длиной и 0.5 метра в диаметре.
  3. Цинкование термодиффузионным методом не отличается быстротой.

Чтобы избежать процесса спекания порошка с цинком при высоких температурах, что иногда наблюдается, в последний вводят инертные частицы, то есть наполнитель, который не дает соприкасаться частичкам цинка в порошке.

Область применения

Основные области, где эффективно применяют изделия, обработанные термодиффузионным цинкованием:

  • покрытие арматуры для газовой отрасли и нефтяной промышленности;
  • дорожная сфера – металлические конструкции для ограждения мостовых и дорожных покрытий;
  • строительная сфера и трубные сети – цинкование крепежной арматуры и элементов конструкций;
  • мебельная отрасль – обработка фурнитуры;
  • железнодорожные коммуникации – соединительные элементы и крепежные детали полотна железной дороги;
  • запчасти автомобилей и общественного транспорта;
  • энергетическая отрасль – обработка конструктивных составляющих электропередающих линий.

Оборудование для термодиффузионного цинкования

Стандартная линия организации покрытия металла слоем цинка должна иметь следующий перечень оборудования для термодиффузионного цинкования:

  • оборудование печное в виде камеры или бокса с плотно закрывающейся крышкой, ретортами сменного типа или стационарными с объемом пространства для загрузки до 600 килограммов;
  • оборудование отсыпное для реторт;
  • установка для фосфатной пассивации;
  • шкафы сушильные или печи сушильные проходные;
  • электронные контроллеры толщины слоя цинка, раствора пассивационного;
  • оснастка вспомогательного назначения.

Уважаемые посетители сайта, кто имеет представление о технологическом процессе термодиффузионного цинкования, поделитесь своим опытом в комментариях, поддержите тему.

Автор статьи

Инженер-технолог в области металлургии и металлообработки

1

  • Авторы
  • Резюме
  • Файлы
  • Ключевые слова
  • Литература

Асталюхина А.С.

1

Пикалов Е.С.

1

1 Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

В данной работе были рассмотрены современные методы нанесения цинковых покрытий, которые являются наиболее эффективными для защиты металлических поверхностей от коррозии. За последние несколько десятилетий цинковые покрытия продемонстрировали высокие потребительские качества, позволяющие использовать их практически во всех сферах промышленности. Причинами широкого использования цинковых покрытий являются их устойчивость к внешним воздействиям, низкая стоимость и безопасность. В зависимости от назначения и характеристик обрабатываемой поверхности используют различные способы нанесения цинковых покрытий, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, которые приведены в данной работе. Также рассмотрены особенности технологии нанесения и дальнейшего использования следующих методов: горячее цинкование, термодиффузионное цинкование, гальваническое цинкование, холодное цинкование и газотермическое цинкование.

коррозия

цинковое покрытие

толщина покрытия

срок службы

1. Все о коррозии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.okorrozii.com/holodnoe-zinkovanie.html (дата обращения: 9.11.2015).

2. Елинек Т.В. Успехи гальванотехники. Обзор мировой литературы за 2003–2004 гг. // Гальванотехника и обработка поверхности. – 2005. – Т. 13, № 2. – С. 16–20.

3. Кудрявцев В.H. Покрытия и обработка поверхности. 7-я международная выставка и конференция: тезисы докл. (Москва, 17–19 марта 2019 г.). – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. – С. 108.

4. Лобанов С.А. Практические советы гальванику. – СПб.: Питер, Машиностроение, 2001. – С. 257.

5. Михайлов А.А. Обработка деталей с гальваническими покрытиями. – М.: Машиностроение, 2002. – С. 144.

6. Окулов В.В. Цинкование. Техника и технология. / Под редакцией проф. В.Н. Кудрявцева. – М.: Глобус, 2008. – С. 252.

7. Проскуркин Е.В., Горбунов Н.С., Диффузионные цинковые покрытия. – М.: Металлургия, 1972. – С. 248.

8. Толмачев И.Д. Современные технологии получения газотермических покрытий [Электронный ресурс] // ООО «Техносервис ПВП»: сайт. —URL: http://tservi.com/sovremennye-tehnologii-polucheniya-gazotermicheskih-pokrytiy (дата обращения: 9.11.2015).

Коррозия (лат. сorrosio) – это самопроизвольное разрушение металлов под воздействием химического или физико-химического влияния окружающей среды.

Процесс разрушения металлов и их защита от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем. Во многих областях промышленности технический прогресс тормозится из-за нерешенности, а подчас и нерешаемости целого ряда коррозионных задач. И особенно актуальными они становятся сегодня, когда использование металлов в самых разных отраслях производства достигло исторического пикового показателя.

Обзор основных методов цинкования

Наиболее распространенным методом защиты металла от коррозии является цинкование. Цинкование – нанесение слоя цинка или его сплава на поверхность металлических изделий или насыщение цинком поверхностных слоев для защиты от коррозии.

Метод защиты основан на том, что цинк в составе покрытия вступает в реакции коррозии первым, не подвергая воздействию сам металл.

Цинк способен уберечь железо от ржавчины, которая неизбежно появляется в ходе эксплуатации металлических предметов. И защита эта не чисто механического характера – вместе с железом цинк образует гальваническую пару, а результат взаимодействия цинка с кислородом обеспечивает ещё большую защиту – на цинке образуется поверхностная кора.

Антикоррозийные покрытия с использованием цинка, а именно цинкование, обладают рядом очевидных преимуществ: увеличение срока службы металла до 60 лет; покрытие всего изделия равномерным слоем; устойчивость к отслаиванию.

Цинкование применяется в строительстве, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, энергетики, газодобывающей промышленности, автомобилестроении, сельском хозяйстве.

Современные технологии предусматривают несколько видов цинкования. Каждый из них отличается временем операции, свойствами, применяемым оборудованием и толщиной образующейся цинковой пленки. Выбор того или иного метода нанесения определяется требованиями к защите, эксплуатационными факторами, условиями нанесения и экономическими аспектами.

Термодиффузионное цинкование – покрытие изделия цинком, осуществляемое из паровой или газовой фазы при высоких температурах (375–850 °С), применяется для покрытия труб и др. частей конструкций, работающих во влажной атмосфере, в бензине, керосине, газовых средах, содержащих серу. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры и времени цинкования и составляет обычно 20–100 мкм. Срок службы 10–15 лет [1].

Важной особенностью термодиффузионного метода является возможность получения сплошного и равномерного по толщине покрытия на изделиях любой сложной формы.

Термодиффузионный метод цинкования применим для покрытия регенераторов в производстве бензина, теплообменников, печей, аппаратуры для производства синтетического аммиака, метанола и других органических продуктов.

Аппаратура, оцинкованная термодиффузионным методом, является стойкой в восстановительной газовой среде в присутствии серосодержащих веществ (например, H2S) при температуре до 550 °С.

Недостатками термодиффузионного метода цинкования являются: громоздкость и сложность аппаратуры, применяемой для этой цели, большая продолжительность процесса, небольшая производительность и отсутствие декоративных свойств у диффузионного цинкового покрытия (серые тона, отсутствие блеска).

Горячее цинкование – покрытие металла слоем цинка для защиты от коррозии путем окунания изделия в ванну с расплавленным цинком при температуре около 460 °C. В результате антикоррозийной защиты

срок службы

изделия значительно продлевается (до 50 лет). Во время цинкования между цинком и железом образуется устойчивое соединение, даже при появлении царапин или сколов на поверхности оцинкованного изделия защитные свойства покрытия будут препятствовать воздействию ржавчины, чего не могут дать другие способы обработки – покраска или нанесение пластика. При этом невысокая стоимость цинка дает методу цинкования еще одно преимущество перед другими способами антикоррозийной обработки. Кроме того, способ позволяет долгое время избегать ремонта и увеличивает

срок службы

металлических изделий. Цинкованию подлежат изделия любой формы. В зависимости от экологической среды, в которой будет использоваться конструкция, определяется и толщина наносимого слоя цинка.

Защитный цинковый слой образуется на изделии, которое погружается в массу расплавленного цинка. Далее происходит химическая реакция между основным металлом и цинком. В результате этого процесса вся поверхность конструкции, даже в самых труднодоступных местах, покрывается защитным слоем.

Основным преимуществом данного метода оцинкования по сравнению с электролитическим заключается в более высокой коррозийной устойчивости покрытия, поскольку горячий способ позволяет получить покрытие большой толщины (от 40–200 мкм). Срок службы покрытия от 50 и более лет.

К достоинствам этого метода цинкования можно отнести следующие: высокая коррозионная устойчивость покрытого изделия; относительная дешевизна горячего цинкования; простота реализации; простота обслуживания установок; высокая производительность; способность цинкового покрытия защищать основной металл даже после механического повреждения или нарушения сплошности покрытия; высокая электропроводность покрытия; хорошая теплопроводность.

Недостатки метода горячего цинкования:

– точная регулировка толщины этого покрытия невозможна. Горячий способ не может быть применен для покрытия изделий с точными допусками и в тех случаях, когда высокая температура может изменить свойства крепежа;

– по сравнению с термодиффузионным оцинкованием, существует возможность наводораживания и, как следствие, охрупчивания основного защищаемого материала (водородное охрупчивание) [5].

– детали, подвергающиеся горячему цинкованию, не должны иметь карманов, закрытых полостей и воздушных мешков. Не оцинковываются барабаны, емкости и змеевики из труб.

– относительно большой расход цинка.

Область применения данных изделий достаточно обширна, применяемое оборудование для цинкования стальных конструкций позволяет использовать данную технологию практически в любой соответствующей отрасли – это энергетика, связь, дорожное, промышленное и гражданское строительство, промышленное производство, нефтедобыча и нефтепереработка, городская инфраструктура и коммунальное хозяйство [7].

Холодное цинкование – нанесение на заранее подготовленную поверхность специального цинкнаполненного состава (цинкнаполненные краски, грунты и композиции). Содержание цинкового высокодисперсного порошка в составе для холодного цинкования может достигать 95 % [4].

В результате использования таких составов на изделиях формируется покрытие с антикоррозионными характеристиками, которые практически ничем не уступают по свойствам покрытиям, получаемым горячим цинкованием.

Суть метода заключается в нанесении на чистую металлическую поверхность специальных красителей или грунтовок, содержащих в своем составе до 98 % цинковой пудры. В этом случае цинк так же, как и при горячей оцинковке, становится анодом в гальванической паре с железом и обеспечивает его катодную защиту. Металл, который в гальванической паре является защитником, называют протектором, отсюда название – протекторная защита. Наносится такое покрытие принятым при обычной покраске способом – распылителем. Толщина покрытия определяется количеством наносимых слоев композиции от 40 мкм – 1 слой, 120 мкм – 3 слоя. Срок службы покрытия 9–13 лет [4].

Нанесенное по всем правилам на хорошо подготовленную поверхность покрытие дает потребителю следующие преимущества: надежная катодная защита от коррозии; красивый внешний вид; долговечность и устойчивость; могут быть обработаны как элементы, так и вся конструкция в сборе, поэтому защищаются сварные швы, стыки и соединения элементов.

Недостатками цинковых покрытий являются:

– отсутствие характерного металлического блеска, что, однако, легко компенсируется высокой совместимостью практически со всеми видами лакокрасочных материалов;

– малая долговечность покрытия;

– покрытие чувствительно к механическим воздействиям.

Методом холодного цинкования наносят покрытия на детали автомобилей, трубы, арматуру, различные резервуары, мостовые сооружения, части судов, нефтепроводы, газопроводы, цистерны, металлоконструкции и многое другое.

Холодным цинкованием хорошо укреплять различные металлоконструкции и трубы. Широко используется холодное цинкование при ремонте уже установленных магистральных трубопроводов.

Газотермическое напыление цинка, или цинковая металлизация – это специальный технический процесс, позволяющий наносить на металлоконструкции надёжные защитные антикоррозийные слои из алюминия, цинка или других стойких металлов, не подвергающихся разрушению. Газотермическое напыление может наноситься такими методами, как газопламенное напыление, плазменное напыление и электродуговая металлизация [8].

Процесс заключается в том, что покрываемая поверхность и наносимый защитный слой играют роль катода и анода, обменивающихся заряженными частицами, что обеспечивает максимальное присоединение защитного слоя и полную его непроницаемость для влаги и кислорода. При этом достигается ещё и такой эффект, что газотермическое напыление даже в случае механического повреждения защитного слоя может самовосстанавливаться. При металлизации поверхность детали предварительно не нагревается и при напылении не поднимается выше 180 °С [8]. Покрытие можно производить не только в цеху, но и на открытых местностях. Еще одним достоинством такого способа получения покрытий является то, что напыление позволяет экономить исходное, зачастую дорогостоящее сырье и энергетические ресурсы.

В случае газотермического напыления могут быть получены покрытия из чистого цинка (> 99,9 %) благодаря тому, что не происходит химического взаимодействия между материалом детали и покрытием. Толщина цинкового покрытия от 60 до 300 мкм [3].

Газотермические покрытия в силу своей природы являются пористыми. Для снижения скорости их электрохимического растворения они пропитываются порозаполнителями в виде лакокрасочных покрытий. Такие комбинированные покрытия могут обладать долговременной защитной способностью, достигающей 30 и более лет. Однако они весьма чувствительны к механическим воздействиям и требуют восстановления свойств лакокрасочных покрытий через каждые 5–7 лет.

Электролитическое, или гальваническое, цинкование – наиболее рациональный и совершенный способ цинкования, получивший широкое распространение в промышленности для защиты стальных изделий от коррозии. Электролитическое осаждение цинка из водных растворов его солей, несмотря на высокий потенциал этого металла (– 0,70 В), достигается благодаря тому, что почти не выделяется на катоде [6].

При электролитическом цинковании стали сплав между железом основы и цинком не образуется. Поэтому цинковое покрытие не содержит примеси основного металла. Загрязнения его другими металлами (железом, свинцом) весьма незначительны, их количество не превышает сотых долей процента. Степень чистоты электролитического цинкового покрытия тем выше, чем чище исходные материалы, применяемые для электролиза, и прежде всего материал анодов.

Полученное при нормальных условиях электролитическое цинковое покрытие отличается значительно меньшей хрупкостью, чем покрытия цинком, наносимые другими способами; оно обладает большей пластичностью и хорошей сцепляемостью с основным металлом.

Электролитический способ позволяет точно регулировать количество наносимого на поверхность цинка и получать на изделиях несложной конфигурации достаточно равномерные покрытия. В связи с этим расход цинка на покрытие значительно меньше, чем при других способах. Потери цинка, неизбежные при горячем способе, в данном случае незначительны. Экономия металла при электролитическом способе по сравнению с горячим составляет 50 % и более [2].

Толщина цинкового покрытия, необходимая для защиты изделий от коррозии, зависит от материала и характера обработки покрываемых изделий, назначения, условий службы и хранения изделий и колеблется в довольно широких пределах, от 3 до 40 мкм.Покрытие ложится равномерно, по сравнению с горячим цинкованием, полностью повторяя поверхность изделия. Срок службы покрытия до 40 лет.

В настоящее время гальваническое цинкование широко распространено и применяется во всех областях промышленности для защиты от коррозии разнообразных металлических изделий, таких как болты, гайки, шайбы, крепежные и конструкционные элементы.

К преимуществам этого наиболее распространенного метода цинкования необходимо отнести высокую производительность и равномерность покрытия, блестящий, декоративный характер поверхности с неизменными размерами.

Основным недостатком таких покрытий являются низкие адгезионные свойства, что в итоге приводит к низкой коррозионной стойкости изделий, обработанных таким методом.

Цинкованию могут подвергаться детали из сталей различных марок с прочностью на растяжение вплоть до 2019 Н/мм².

Электролитическое цинкование не рекомендуется к применению в следующих случаях: для высоко нагруженных пружин; для деталей, работающих при температуре свыше 250 °С; для деталей, эксплуатирующихся в пресной горячей воде при температуре свыше 60 °С; в некоторых других случаях, связанных с особенностью условий эксплуатации изделий [6].

Заключение

Ни один из вышеперечисленных способов цинкования не является универсальным для всех условий эксплуатации. Все они в какой-то мере взаимно дополняют друг друга и позволяют решать разнообразные технические задачи, связанные с защитой изделий от коррозии и приданием их поверхности необходимых функциональных свойств. На сегодняшний день в одном изделии возможно использовать несколько типов покрытий.

Библиографическая ссылка

Асталюхина А.С., Пикалов Е.С. ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЦИНКОВЫХ ПОКРЫТИЙ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-1. – С. 11-14;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35661 (дата обращения: 11.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)