Особенности защиты цинкованием

Способы цинкования металла

Железо и сталь — это материал из которого изготовлен скелет современной технологической цивилизации. Но — увы! – и у стальной основы нашей цивилизации есть свое уязвимое место. Оно называется коррозия, от которой железо и сталь не имеют той естественной защиты, какой является оксидная пленка для многих цветных металлов — олова, цинка или алюминия.

Сталь нуждается в защите от коррозии – и лучшей защитой для нее будет цинкование. (или оцинковка). Оцинкованный лист прослужит гораздо дольше обычного стального.

Почему именно цинк?

Прежде всего потому, что цинк достаточно распространен и недорог, сам по себе коррозии практически не поддается, плавится при не очень высокой температуре (около 420 градусов, что гораздо ниже температуры плавления железа), обладает приемлемой прочностью. И при этом — что важно! – имеет стационарный электрический потенциал -0,76 В., то есть гораздо более отрицательный, чем у железа.

Благодаря этому своему свойству, цинк, даже при нарушении целостности покрытия и под воздействием электролитов, будет в возникающих электрохимических реакциях играть роль анода. То есть станет медленно растворяться, защищая этим от электрохимической коррозии стальную основу конструкции. В общем — даешь цинковые покрытия! Вот только какими способами их наносить? Это достаточно интересный вопрос, поскольку способов таких несколько — и у каждого из них есть свои плюсы и минусы. Рассмотрим их…

Горячее цинкование

Это самый, на первый взгляд, простой и надежный метод создания цинковой пленки на изделиях их чугуна и стали: эти предметы просто погружают в расплав цинка, а потом вынимают уже покрытыми слоем цинка толщиной от 40 до 80 микрон — то есть достаточно плотным и износостойким.

Однако не все так просто: для того, чтобы цинковая пленка надежно «зацепилась» на поверхности черного металла, эта поверхность должна быть тщательно очищена и офлюсована (то есть покрыта составом, который должен предотвратить ее окисление до соприкосновения с расплавом цинка, и обеспечить надежную адгезию цинковой пленки).

При этом нужно иметь в виду, что расплавленный цинк застывает довольно быстро и может поэтому образовывать наплывы до 1 мм. толщиной, что нежелательно в тех случаях, когда на поверхность оцинкованных изделий есть резьба. Кроме того, сама технология накладывает ограничения на размеры изделий, которые мы хотим оцинковать таким способом — они не могут быть больше, чем ванны с расплавом цинка (а они не могут очень большими по определению).

Холодный метод цинкования

В отличии от горячего цинкования, его холодный вариант никак не связан с размерами цинкуемых деталей и поверхностей, поскольку он состоит в нанесении на них электролитических растворов цинка в различных летучих жидкостях. Такие растворы (гальванол, цинотан, цинотерн, цинкнол) наносятся на стальную поверхность из пульверизатора: растворитель высыхает, а цинковое покрытие остается — причем «садится» оно на поверхность стали очень надежно, с высокой адгезией. При этом покрываемую поверхность не нужно флюсовать, ее достаточно просто очистить от ржавчины и грязи.

Холодный метод цинкования хорош своей простотой

и применимостью для работ на открытом воздухе. Но внешний вид покрытой таким способом стали будет просто матово-серым без металлического блеска.

Поэтому холодное цинкование лучше всего использовать как «покрытие под покраску».

Гальванический метод цинкования

Зато гальванический метод цинкования придает оцинкованой поверхности чрезвычайно привлекательный вид.

Он состоит в том, что через ванну с электролитом течет ток, причем анодом служат цинковые пластины, а катодом — изделия из стали. Под действием тока цинк растворяется в электролите, и его ионы оседают на железе. В результате получается тонкая (от 4 до 20 микрон) пленка, которая не только защищает сталь от коррозии, но и придает поверхности эстетичный внешний вид. Поверхность, покрытая гальваническим цинком может приобрести (в зависимости от своей толщины) сине-голубой, светло-серый или матово-белый металлический блеск. Главными достоинствами такого покрытия будет равномерность его толщины по всей покрываемой поверхности.

Но за этими плюсами идут и свои минусы: тонкое и красивое гальваническое покрытие будет не стойким к истиранию, а увеличение его толщины будет чревато тем, что сталь в процессе гальваники может приобрести заодно и т.н. «водородную хрупкость». Тем не менее, гальваническое цинкование. в силу своей малой себестоимости очень часто используется для антикоррозионной защиты разных видов крепежа, металлических изделий и декоративных элементов.

Термодиффузное цинкование

Главного недостатка гальванического цинкования – «водородной хрупкости» позволяет избежать технология термодиффузионного цинкования.

Она основана на том, что цинк при определенных условиях может испаряться с поверхности цинксодержащего порошка и проникать в поверхностные слои железа, так что в результате образуется сложный сплав цинка с железом.

Такая диффузия становится возможной при

высокой (от 290 до 400 градусов) температуре и наличии электрического потенциала, при котором стальные изделия являются анодом.

Процесс термодиффузии производится во вращающемся контейнере при пониженном давлении (0,1 атмосферы) в восстановительной водородной атмосфере. На термодиффузное цинкование каждой партии крепежных метизов требуется от 90 до 180 минут.

В результате эти детали приобретут мышино-серый цвет — но вместе с ним и повышенную прочность поверхности и отменную устойчивость к коррозии ( в 3-5 раз лучшую, чем при гальваническом цинковании и в полтора-два — чем при горячей оцинковке).

При этом равномерность покрытия будет идеальной, а про адгезию такого покрытия говорить и смысла нет — оно просто «сливается» с черным металлом, так что отделить ее от него просто невозможно. Конечно, внешний вид оцинкованных таким способом метизов, большого эстетического удовольствия не доставляет, но от болтов, гаек, пружин и шурупов особой красоты и не требуется.

Недостаток же у термодиффузного цинкования только один, но существенный — в силу особенностей технологии применять ее можно только в отношении небольших по размеру предметов.

Газо-термическая оцинковка

В последнее время все более широко начинает использоваться еще один вариант нанесения цинкового покрытия — газо-термический. В этом случае цинк в виде тонкой проволоки или порошка подается к соплу специальной горелки, расплавляется в потоке раскаленного газа и мельчайшими каплями оседает на поверхность стального или чугунного изделия.

В принципе, такой метод можно было бы считать разновидностью горячего цинкования, если бы только капли расплавленного цинка, ударяясь о поверхность металла не деформировались, создавая «чешуйчатое» пористое покрытие.

Такое покрытие требует дополнительного слоя краски для заполнения микропор в слое цинка.

Это, конечно, недостаток, но зато такие комбинированные покрытия отличаются отличной адгезией и обладают устойчивостью в самых неблагоприятных условиях эксплуатации (в морской воде, частых атмосферные осадках, кислой среде и т.д.), где они могут сохраняться до 30 лет.

Видео по теме:

Цинковые покрытия

Как уже говорилось, горячее цинковое покрытие представляет из себя систему железо-цинковых сплавов с различным отношением содержания железа и цинка с постепенно уменьшающимся содержанием железа по мере приближения к внешней стороне покрытия.

Все железо-цинковые сплавы прочнее, чем сталь основы, что придает покрытию высокую устойчивость к истиранию. Наоборот, внешний ή-слой мягче, чем сталь, что создает хорошие условия для устойчивости к удару.

Таким образом, совокупность этих слоев создает устойчивость к разрушению при перевозках, монтаже и при обслуживании.

Цинковое покрытие, нанесенное электрохимическим способом, по механическим свойствам подобно обычному цинку, то есть является относительно мягким. Кроме того, электрохимическое цинкование осуществляется при обычной температуре, поэтому, кроме очень узкой переходной области, в системе не наблюдается железо-цинковых сплавов, и адгезия цинкового слоя к металлу основы относительно невелика. Сам процесс нанесения покрытия представляет определенные сложности с точки зрения равномерности нанесения покрытия, поскольку ток стремится избегать полостей. Приходится изощряться при пространственном расположении анодов. Метод является достаточно дорогостоящим, и поэтому ограничиваются нанесением покрытия на мелкие, в том числе резьбовые детали. Он не может конкурировать с методом горячего цинкования при защите цинком крупных, средних и даже большинства относительно мелких деталей.

Рис. 2. 11. Часть ассортимента деталей, которые могут быть механически оцинкованы.

Наоборот, метод шерардизации в модификации “Дистек” постепенно начинает отвоевывать пространство как у электрохимического, так и горячего цинкования. Достаточная толщина покрытия (до 60-120 мкм), его равномерность и плотность с последующей защитой методом фосфатирования позволяет изделиям выдерживать в солевом тумане (одним из основных методов определения коррозионной устойчивости изделий) до 1500 часов, что является очень хорошим показателем. Поскольку нанесение покрытия производится при 380-400°С на поверхности изделия, образующиеся железо- цинковые слои на данных изделиях получаются более твердыми, чем в случае электрохимического нанесения покрытий. Поступают сообщения о создании новых установок, позволяющих обрабатывать все более крупные изделия.

Сравнение свойств различных видов цинковых покрытий очень наглядно видно из таблицы № 2.12.

Поскольку, как видно из таблицы, все виды цинковых покрытий имеют как свои преимущества, так и недостатки, очевидно, что каждый тип покрытия имеет свою нишу применения. Встает вопрос, насколько долговечны покрытия различного типа, и имеется ли в этом вопросе преимущество одного типа покрытия перед другим. Ответ на этот вопрос дает рис. № 2.12, где приведены времена жизни покрытий, нанесенных различными способами и различной толщины. Из рисунка видно, что практически все точки для покрытий, полученных самыми разнообразными способами (горячее цинкование, электрохимическое, шерардизация, окрашивание в координатах “длительность службы” – “толщина покрытия” с очень малым разбросом укладываются на единую кривую, что говорит об отсутствии связи времени службы изделия с типом нанесения покрытия, основной фактор – это толщина покрытия. Однако надо иметь в виду, что красочное покрытие ограничено в сроке службы из-за подверженности его истиранию.

Рис. 2.12 . Зависимость времени жизни покрытия от его толщины при разных способах нанесения.

Таблица № 12.2. Сравнение различных методов нанесения цинковых покрытий на функциональные свойства изделий (механическое цинкование в таблице не рассматривается, но по характеристикам оно ближе всего к методу шерардизации).

Характеристика покрытия

Горячее цинкование

Электрохимическое нанесение

Шерардизация (механич. цинкование)

Напыление цинка

Окраска цинк-содержащими красками

Адгезия

Покрытие, сросшееся со сталью, из-за наличия различных железосодержащих слоев

Хорошая, сравнимая с таковой для покрытий из других металлов

Хорошая, сравнимая с таковой для электрохимического покрытия

Хорошая механическая подготовка под окраску при условии, что дробеструйная подготовка проведена нормально

При хорошей дробеструйной обработке дает наилучшие результаты

Непрерывность и однородность

Хорошие – любая непроцинковка хорошо видна в виде “черных пятен”. Некоторый избыток цинка на точках слива

Однородная в пределах возможности ванны. Поры не представляют проблемы, поскольку сталь защищается прилегающим цинком

Покрытие тонкое на углах – в противоположность горячему цинкованию

Зависит от опытности оператора. Покрытие пористое, но поры вскоре заполняются продуктами коррозии цинка

Хорошая – любые поры заполняются продуктами реакции

Толщина

Обычно 50-125 мкм на трубах и другой продукции; более толстые покрытия до 250 мкм получаются на сталях, раскисленных кремнием или после дробеструйной очистки перед цинкованием. Покрытия толщиной 10-30 мкм применяются на проволоке и листе.

Толщина в пределах 3-15 мкм. Более толстые слои возможны, но невыгодны экономически

Изменяются по желанию, обычно в пределах 10-80 мкм

Толщина изменяется в интервале 100-150 мкм, но покрытия до 500 мкм могут использоваться

До 40 мкм краски (или более в специальных случаях) при окраске в один слой

Формуемость и механические свойства

Обычные покрытия, на конечных изделиях не пригодны к изменению формы; слой сплава устойчив к абразивному воздействию, но хрупкий при гибке. Специальные покрытия с тонким слоем сплава или при его отсутствии хорошо формуются (на листах) и устойчивы к сварке

Сталь с электрохимическим покрытием обладает превосходной формуемостью и может быть сварена точечной сваркой. Небольшие детали обычно подвергаются такой обработке перед окраской

Хорошие. Не наблюдается охрупчивания высокопрочных сталей

При применении конечной продукции формовка не нужна. Можно осуществлять сварку через тонкое покрытие, если это необходимо, но обычно экранируют края, которые необходимо сварить, и после сварки эти места покрывают слоем цинка

Сопротивление к истиранию лучше, чем у обычных красок. Окрашенные листы могут быть подвергнуты формовке и сварке с небольшими нарушениями покрытия

Последующая обработка

Конверсионные покрытия – хроматы предотвращают белую ржавчину; фосфатирование на новых листах является хорошей основой для последующей окраски

Конверсионные покрытия (например, хроматы) для предотвращения белой ржавчины. Часто используются как основа для последующего окрашивания

Могут быть применены конверсионные покрытия

Возможно нанесение защитных покрытий, которые становятся основой для окрашивания, давая более долгую жизнь изделиям

Может быть использова на отдельно или в качестве грунтовки под обычные красочные покрытия

Другие свойства

Доступны ванны различных размеров. Части изделий до 25 метров могут быть оцинкованы в некоторых случаях. Требуется внимательное отношение к дизайну изделия.Имеются непрерывные процессы цинкования листов и проволоки

Любые размеры ванн доступны. Процесс обычно используется для простых, в основном, малых изделий, пригодных для цинкованиях в барабанах или при непрерывном цинковании листов и проволоки. Никакого нагревания, за исключением случая уменьшения водородной хрупкости для высокопрочных сталей

Идеально для малых изделий, включая шайбы и пружины (примерно до 15 см или 250 г). Трудности при нанесении, например, внутри полых изделий

Нет ограничений на размер или форму, очень экономичен для изделий с высоким отношением массы к поверхности. Неэкономичен при окрашивании сетчатых изделий. Наличие дополнительных трудностей (например, внутри труб) могут ограничить применение. Наилучший метод для нанесения очень толстых покрытий. Малое нагревание стали

Пригоден для всего, что может быть окрашено, хотя могут быть трудности при окрашивании трубчатых структур. Не требуется никакого нагревания

Особенности защиты цинкованием

Состав холодного цинкования (жидкий цинк, холодный цинк) – специализированное профессиональное средство антикоррозионной защиты, содержащее в сухой пленке не менее 95% цинка в виде тонкодисперсного порошка с химической чистотой не менее 98 – 99%!

Химический состав жидкого цинка

Непосредственное влияние на качество состава холодного цинкования, кроме химической чистоты цинка, оказывает размер фракции цинкового порошка. Для наилучшей адгезии и высоких эксплуатационных характеристик состава холодного цинкования размер фракции не должен быть более 15 микрон (мкм). Лучше, если фракция цинка будет несколько меньше. Порошковый цинк различается и формой. В красках для холодного цинкования применяются частицы цинка:

Некоторые производители комбинируют обе формы в одном составе для достижения синергетического эффекта: пластинчатые частицы цинка способствуют повышению эластичности защитного слоя, а сферические – твердости.

Купить профессиональный состав холодного цинкования АКТЕРМ Цинк в евроведре 2, 6 и 20 кг от производителя можно, обратившись в компанию «Актерм» либо заполнив форму заявки в верхней части статьи.

Помимо порошка цинка в состав холодного цинкования входят различные полимеры, добавки, связывающие между собой частицы порошка цинка и обеспечивающие высокую адгезию жидкого цинка к окрашиваемой поверхности, прочность защитного слоя. Это могут быть полимеры на полиуретановой, поливинилбутиральной основе, других.

В некоторых случаях в химический состав красок для холодного цинкования вводят ингибиторы коррозии, которые сильно замедляют либо вовсе прекращают коррозионные процессы.

Свойства, характеристики составов холодного цинкования

Состав холодного цинкования – прекрасная альтернатива горячему цинку.

Отличительная особенность составов холодного цинкования от любых других видов цинковых покрытий – многоуровневая защита от коррозии. Это недостижимо даже для горячего цинкования, т.к. многие ингибиторы коррозии при температуре расплавленного цинка попросту разлагаются и теряют свои свойства.

Холодный цинк обеспечивает тройную защиту от коррозии: выполняет барьерную функцию, протекторную и ингибиторную.

Барьерная

Данная функция состава холодного цинкования заключается в физической изоляции защищаемой поверхности от агрессивного воздействия окружающей среды. Кроме того, при контакте с влагой цинк окисляется, образуя нерастворимые в воде оксиды цинка, гидроксиды. Плотная пленка окислов, покрывая поверхность, препятствует дальнейшему проникновению в толщину покрытия влаги и кислорода, обеспечивает дополнительную барьерную защиту.

Протекторная защита

Цинк характеризуется более электроотрицательным электрохимическим потенциалом, в сравнении с железом. Попадая в окислительную среду, образуется гальванический элемент, в котором сплавы на основе железа, железо работают в качестве катода, а цинк в составе холодного цинкования – анода. Происходит постепенное растворение анода, т.к. он отдает свои электроны. Катод при этом не разрушается. Данный механизм получил название «катодной защиты».

При этом сам цинковый слой может иметь незначительные механические дефекты (царапины, поры), которые в процессе эксплуатации «забиваются» продуктами коррозии цинка. Происходит дополнительное уплотнение покрытия.

После нанесения на поверхность состава холодного цинкования в первое время работает активная, протекторная защита, т.к. окислы цинка еще слабо сформированы, рыхлые и пропускают коррозионную среду. Со временем, после их уплотнения, начинает работать барьерная защита – окислы не дают коррозионно активной среде проникнуть к защитному слою. При повреждении цинкового покрытия (скол, царапина и пр.), в работу вступает опять активная, катодная защита.

Ингибиторная

При вхождении в состав для холодного цинкования ингибиторов коррозии, помимо электрохимической (катодной) и барьерной защиты, в системе участвуют еще один механизм. Ингибиторы замедляют скорость разрушения, воздействуя на анодный, катодный процесс, либо на оба одновременно.

Преимущества составов холодного цинкования

Жидкий цинк может применяться даже в тех условиях, где невозможно провести оцинковку другими методами (горячее цинкование, гальваника) ввиду габаритов изделия либо условий нанесения.

Составы широко используются для ремонтных работ. Могут служить как основой (грунтом) и перекрываться любым лакокрасочным материалом, покрытием, так и самостоятельным высокоэффективным защитным слоем.

Бесспорные преимущества составов холодного цинкования:

• использование при проведении ремонтных работ, окраске сварных швов;
• возможность сварки после нанесения состава холодного цинкования;
• отсутствие ограничений по габаритным размерам обрабатываемой конструкции;
• высокая адгезия покрытия к подложке (1 балл) и финишному материалу;
• получение высококачественного эластичного защитного слоя, который не трескается, не деформируется при ударных, вибрационных и других нагрузках, выдерживает колебания температур в большом интервале (от -30 до +40°С и более);
• возможность самостоятельной окраски, без профессионального оборудования и привлечения сторонних специалистов;
• покраска составом холодного цинкования по месту эксплуатации защищаемой конструкции, не требуется разборка-сборка, транспортировка;
• длительный срок службы – не менее 20 лет!

Недостатки метода

Все методы оцинковки характеризуются как преимуществами, так и недостатками. Основной недостаток составов холодного цинкования – высокие требования к тщательности подготовки металла перед нанесением цинксодержащего слоя, соблюдение всех требований по подготовке поверхности и нанесению, отверждению покрытия.

Сами по себе составы холодного цинкования отличаются отличными защитными характеристиками и длительным сроком эксплуатации. Но нарушение правил подготовки поверхности и окраски, указанных в технических условиях на состав для холодного цинкования, влечет за собой ухудшение качества покрытия и сокращение срока его службы.

Например, при низком качестве очистки и обезжиривания на металлической поверхности могут остаться пыль, масляные либо смазочные пятна. На таких участках адгезия защитного слоя будет низкой, покрытие со временем отслоится.

Состав холодного цинкования Актерм Цинк

Среди профессиональных составов для холодного цинкования отлично зарекомендовал себя Актерм Цинк.

Материал можно наносить на тонкий металл, он быстро сохнет, образует качественный защитный слой, который не растрескивается, после высыхания формирует ровное, матовое, серое, бархатистое на ощупь покрытие, работающее по принципу катодной защиты от коррозии.

Срок службы холоднооцинкованного слоя – до 40 лет!

В состав холодного цинкования входит химически чистый цинковый порошок фракцией 9 мкм.

Благодаря отличным реологическим свойствам, консистенции, краска жидкий цинк легко перемешивается, наносится, заполняя дефекты поверхности и образуя сплошный защитный слой. Полное отверждение покрытия – 1,5 суток.

Расход состава холодного цинкования Актерм Цинк составляет 1 килограмм материала на 4 кв. м. окрашиваемого металла.

Защитный слой характеризуется «Эффектом лотоса» – частицы влаги не задерживаются на полимерном слое, собираясь в капли и скатываясь с поверхности.

Готовый защитный слой прочно сцепляется с отделочным финишным покрытием. Совместим с порошковой краской, ЛКМ на различных основах: эпоксидной, акриловой, уретан-акриловой, хлоркаучуковой, полиуретановой, алкидной, хлорвиниловой.

Холоднооцинкованный слой не коптит и не горит при воздействии огня. Выдерживает температуру до +300 °С.

Применение

Составы холодного цинкования при соблюдении правил хранения, нанесения, эксплуатации, профессионально защищают от разрушения металлические изделия и конструкции. Широко используются во многих сферах.

• Машиностроение, автомобилестроение
• Трубопроводы, арматура, металлоизделия
• Гражданское, промышленное строительство
• Энергетика, нефтегазовый комплекс
• Перекрытия мостов, опоры
• Транспорт: морской, речной, наземный
• Опоры линий электропередач, дорожные ограждения
• Емкости, резервуары, цистерны (в том числе для воды)
• Гидро- и портовые сооружения, объекты на железной дороге
• Художественная ковка.