Цинкование стали – это технологический процесс нанесения на металл (сталь) слоя цинка, для её защиты от коррозии.

Существует несколько способов нанесения слоя цинка:

1. Горячее цинкование
2. Шерардизация (термодиффузионное цинкование)
3. Гальваническое (электролитическое) цинкование
4. Механическое цинкование
5. Ламельное цинкование
6. Цинкование напылением.

В связи с большими различиями, существующими между различными технологиями, сам по себе термин «цинкование» является лишь ограниченно информативным.

Горячее цинкование

Под горячим цинкованием понимается нанесение на сталь металлического цинкового покрытия методом её погружения в жидкий расплав цинка, температура которого составляет около 450 °C. При этом следует различать штучное горячее цинкование, при котором чаще всего оцинковываются предварительно изготовленные стальные детали, например, элементы лестниц или поручни (перила), и непрерывное горячее цинкование (другие названия: конвейерное цинкование, цинкование по методу Сендзимира), при котором оцинковываются полуфабрикаты, например, стальные листы. Кроме того, технологии штучного и конвейерного горячего цинкования различаются между собой по толщине цинкового покрытия. Так, толщина слоя цинка при штучном цинковании, как правило, составляет 50 … 150 микрон, а при конвейерном цинковании – от 5 до 40 микрон. Срок службы деталей, оцинкованных методом штучного горячего цинкования, выше благодаря большей толщине защитного слоя цинка и может достигать более 50 лет.

Шерардизация

При шерардизации оцинковываемые стальные детали партиями нагреваются до высоких температур в закрытых вращающихся барабанах с цинковым порошком. При температурах от 320 °C до 500 °C цинк в результате диффузии соединяется с материалом основы. При этом образуются очень равномерные жаропрочные, твердые и износостойкие слои сплава цинка с железом, обладающие высокой антикоррозионной защитой.

Гальваническое цинкование

Суть этой технологии состоит в том, что заготовки погружаются не в расплав цинка, а в электролит цинкования, при этом оцинковываемая заготовка, подвешенная в растворе, служит катодом. В качестве анода используется электрод из как можно более чистого цинка. При гальваническом цинковании наносимый слой цинка пропорционален силе тока и продолжительности его протекания, при этом толщина слоя распределяется по всей поверхности заготовки в зависимости от её геометрии. Стальные листы, покрытые методом гальванического цинкования, особенно хорошо поддаются нанесению порошковых покрытий, так как практически не имеют поверхностной структуры (т.е. разводов, или так называемых «цветов»).

Оцинкованные стальные детали очень хорошо защищены слоем цинка от коррозии (красной ржавчины). Однако сам слой цинка подвержен воздействию коррозии, и особенно в условиях морского климата на его поверхности может относительно быстро происходить коррозия цинка (образование белой ржавчины). Однако с помощью соответствующих методов последующей обработки можно сильно отсрочить и замедлить коррозию цинка, благодаря чему действие всего комплекса антикоррозионной защиты дополнительно продлевается до начала коррозии стальной основы. К таким методам последующей обработки относятся технологии пассивации, которые могут применяться к деталям, покрытым методом как гальванического, так и горячего цинкования. Специально для деталей, оцинкованных гальваническим методом, были разработаны различные технологии хроматирования, различающиеся по степени антикоррозионной защиты и по цвету. Однако некоторые из таких слоев хромата содержат токсичный VI-валентный хром. Поэтому в последнее время были разработаны новые технологии без использования VI-валентного хрома.

Дуплексная система антикоррозионной защиты

Под дуплексной системой согласно стандарту EN ISO 12944-5 понимается система антикоррозионной защиты, состоящая из цинкового покрытия в сочетании с одним или несколькими последующими покрытиями. Таким образом, технология нанесения дуплексной системы антикоррозионной защиты представляет собой комбинацию цинкования и нанесения дополнительного покрытия, при этом слои цинка и дополнительного покрытия дополняют антикоррозионное действие друг друга. Слой цинка защищен расположенным над ним дополнительным слоем от атмосферных и химических воздействий. Благодаря этому увеличивается срокслужбы цинкового покрытия. И наоборот, благодаря своей высокой сопротивляемости к внешним воздействиям и износостойкости слой цинка защищает снизу поврежденные внешние покрытия, препятствуя образованию типичной для них подповерхностной коррозии. Благодаря так называемому эффекту синергии между слоем цинка и дополнительного покрытия общая продолжительность защитного действия дуплексной системы в 1,2 … 2,5 раза превышает простую сумму индивидуальных продолжительностей защитного действия слоя цинка и дополнительного покрытия.

Механическое цинкование

Для защиты закаленных деталей, чрезвычайно чувствительных к водородному охрупчиванию, в некоторых технических спецификациях предписывается механическое цинкование. При механическом цинковании покрываемые детали помещаются в смеситель, в котором цинковая пыль без термического воздействия «вбивается» в поверхность деталей под действием стеклянных шариков. Поскольку это не электролитический метод цинкования, не происходит выделение водорода, который мог бы проникнуть в стальную деталь.
При этом в зависимости от геометрии детали (например, внутренний шестигранник в головке винта) износостойкость цинкового покрытия может быть несколько ограничена. Кроме того, при механическом цинковании не может быть достигнут высокий глянец поверхности деталей, характерный для технологии гальванического цинкования. Методом механического цинкования можно получать цинковое покрытие толщиной приблизительно до 50 микрон.
Эта технология цинкования часто применяется для обработки тарельчатых пружин или клипс крепления обивки салона автомобиля.

Ламельное цинкование

Эта технология уже несколько лет существует в качестве альтернативы механическому цинкованию стали. Её суть состоит в том, что для нанесения покрытия на деталь используется суспензия из мелких хлопьев цинка и частично алюминия. Эти хлопья наносятся на погруженную в суспензию деталь методом центрифугирования, затем высушиваются и в зависимости от технической спецификации обжигаются при температурах от 250 до 350 °C. В процессе нанесения покрытия этим методом достигается толщина слоя около 4-5 микрон, к тому же полученный слой цинка является пористым. Поэтому при использовании метода ламельного цинкования покрытие обычно наносится дважды, а в последнее время стали дополнительно применяться силикаты для заполнения пор.

Цинкование напылением

Это – вариант газопламенного напыления. При цинковании напылением цинковая проволока расплавляется под действием пламени или электрической дуги и под напором сжатого воздуха напыляется на заготовку. При этом всё ещё жидкий цинк образует на поверхности заготовки, предварительно подвергнутой пескоструйной обработке, пористый слой цинка, который обладает хорошими антикоррозионными свойствами, сопоставимыми со свойствами слоя цинка, нанесенного методом горячего цинкования. Однако из-за большой удельной внутренней поверхности этот слой очень хорошо впитывает влагу. Поэтому при последующем окрашивании поверхности, оцинкованной этим методом, требуется очень большое количество грунтовки или заполнителя пор.
Преимущества цинкования напылением перед горячим цинкованием состоят в том, что заготовка подвергается очень слабой термической нагрузке, благодаря чему удается исключить деформацию даже при очень большой площади заготовки. Недостатком является то, что полости или труднодоступные места заготовки (например, внутренние полости резервуаров, места сгиба) недоступны для напыляемого цинка.

В большинстве случаев, для защиты металлических лотков от коррозии при их производстве используется оцинкованная сталь. Цинк защищает сталь, но он изнашивается на протяжении всего срока службы, и степень износа зависит от воздействия внешних условий. Цинковое покрытие является в своем роде уникальным, так как обеспечивает не только барьерную, но и электрохимическую защиту от коррозии. Последняя известна еще и как "жертвенная" защита, поскольку в гальванической паре цинк "жертвует" собой, чтобы защитить сталь, на которую он нанесен. Цинк будет действовать подобным образом до последнего атома. Этот эффект проявляется и на локальных участках, где покрытия уже нет (царапины, сколы, отверстия). Период эксплуатации изделий определяется толщиной цинкового покрытия и скоростью уменьшения толщины цинкового покрытия в зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды. Умножив величину годового уменьшения защитного слоя цинка на предусматриваемый срок эксплуатации, получим необходимую толщину слоя цинка.

6. ЦИНКЛАМЕЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ

(технология нанесения ламельного цинкования)

Цинкламельные покрытия относятся к цинкнаполненным покрытиям на основе неорганического или органического связующего с большим содержанием в нем высокодисперсного цинкового порошка. Благодаря высокому содержанию порошка цинка в сухой пленке (как правило, не менее 80%), цинкнаполненные покрытия в некоторой степени проявляют по отношению к стали анодные свойства. Вместе с тем, цинкнаполненным покрытиям присущ и типичный для лакокрасочных покрытий барьерный механизм защиты.

В качестве неорганического связующего широко применяют этилсиликатные композиции. Органические связующие представляют собой смолы, входящие в состав традиционных лакокрасочных материалов - уретановые, эпоксидные, акриловые или кремнийорганические. Таким образом, в цинкнаполненных покрытиях суммируются достоинства цинковых металлических и лакокрасочных покрытий. Толщины покрытий обычно составляют десятки микрон. Высокие защитные свойства позволяют применять цинкнаполненные покрытия в случаях, когда нанесение цинковых покрытий традиционными методами практически трудноосуществимо или экономически невыгодно. Примерами стальных конструкций, защищаемых от коррозии такими покрытиями, могут служить резервуары для хранения воды, металлоконструкции и оборудование нефтегазового комплекса, работающие в агрессивных условиях. Цинкнаполненные покрытия являются достойной альтернативой горячему или термодиффузионному цинкованию.

Цинкламельные покрытия являются дальнейшим развитием цинкнаполненных покрытий с дополнительными слоями, не содержащими шестивалентного хрома. Система ламельного цинкового покрытия включает в себя базовый слой, состоящий из тонких алюминиевых и цинковых чешуек (ламелей) и, при необходимости, один или несколько дополнительных слоев, придающих покрытию специальные свойства: фрикционные, коррозионную и химическую стойкость, цвет и другие.

Цинкламельное покрытие наносят на предварительно подготовленную поверхность деталей путем их окунания в высокодисперсную суспензию цинкового и алюминиевого порошков, имеющих форму чешуек, в связующем материале или напыления суспензии на детали с последующим их нагревом до 240°С для сушки и отверждения. Сформировавшееся базовое покрытие содержит более 70 % цинкового и до 10 % алюминиевого порошка, а также связующий органический материал. Оно состоит из множества слоев алюминиевых и цинковых частиц толщиной менее микрометра и шириной около 10 мкм, расположенных параллельно друг другу и покрываемой поверхности, соединенных связующим компонентом. Малый размер частиц делает возможным наносить цинкламельные покрытия толщиной 4-8 мкм, которые применяют в автомобилестроении. Более толстые покрытия применяют для нанесения на детали и элементы строительных конструкций.

Покрытие обладает электропроводящими свойствами, его более электроотрицательный потенциал по отношению к стали создает электрохимическую защиту в дополнение к барьерной.

Основной недостаток данных видов покрытия - их высокая хрупкость и недостаточно хорошее сцепление с поверхностью изделий по сравнению с горячим и термодиффузионным цинкованием (в обоих случаях создается промежуточный интерметаллидный слой Fe-Zn).

Описание метода ламельного цинкования

На материал основы защищаемой детали наносится специальное покрытие, состоящее из химически активной смолы с высоким содержанием хлопьев цинка и алюминия. Под воздействием температуры (процесс спекания) образуется электропроводный цинк-алюминиевый слой, по своим свойствам аналогичный покрытию, получаемому при электролитическом или горячем цинковании. Покрытие цинк-алюминий, как и стандартое цинковое покрытие, обеспечивает, помимо барьерной защиты, также и электрохимическую защиту от коррозии. Скорость окисления алюминия ниже, чем цинка, и за счет этого при той же толщине защитного слоя покрытие цинк-алюминий существенно более коррозионостойко (примерно втрое), чем стандартное цинковое покрытие. Малая распространенность цинково-алюминиевых покрытий связана с технологическими сложностями при добавлении алюминия в цинк при традиционных способах нанесения защитных покрытий (гальванизация, конвейерное и цинкование погружением).
Только инновационные компании Китая, Европы и США обладают высокотехнологичным оборудованием и технологиями, позволяющими наносить качественное цинк-ламельное покрытие.

Соответствие нормативной документации

Согласно ГОСТ Р 52868-2007 и EN ISO 12944-2 для применения при наружной установке в среднезагрязненной атмосфере С3 и С4 допускается использование металлических изделий либо с покрытием цинка после изготовления (горячая оцинковка - HDZ) толщиной не менее 45 мкм, либо применение иных металлических покрытий при условии проверки на коррозионостойкость. Испытываемое покрытие должно выдержать воздействие соляного тумана в специальной камере в течение 450 часов до появления красной коррозии.

Согласно проведенным испытаниям, цинк-ламельное покрытие выдерживают более 2000 часов, что более чем в четыре раза превышает требования нормативной документации.

Применение цинкламельных покрытий

Методы цинк-ламельного покрытия известны на протяжении многих лет, но в основном находили применение в производстве крепежных деталей для автомобильной промышленности. Стандарты ISO 10683 и EN 13858 определяют требования к данному покрытию в автомобильной промышленности. Новейшие разработки в области цинк-ламельных покрытий позволяют обеспечивать надежную защиту от коррозии крупногабаритных изделий, включая кабеленесущие системы.

Простота и достоинства метода

По сравнению с другими методами цинкламельное цинкование представляет из себя достаточно простую технологию. Ламельные покрытия наносятся на предварительно очищенную поверхность несколькими способами, в зависимости от сложности формы, размеров и требований к эксплуатации деталей.

Например, такой вид обработки, как окунание, применяют в основном для крепежных изделий и мелких соединительных деталей. Для обработки изделий средних размеров - таких, как кабельные лотки, системные аксессуары и монтажные элементы, применяют напыление.

При этом увиденная на открытии участка нашими корреспондентами работа достаточно проста. На подготовленную деталь, висящую в покрасочной камере с водяной завесой, с помощью пневмораспылителя краски наносится специальный раствор. В его составе заключен главный секрет покрытия: раствор более чем на 70% состоит из цинкового и примерно на 10% - из алюминиевого порошка, при рассмотрении под микроскопом имеющего форму чешуек. В результате получается электропроводное покрытие, состоящее из множества микроскопических слоев цинковых и алюминиевых частиц, расположенных параллельно друг другу и покрываемой поверхности, соединенных между собой связующим веществом. При необходимости на базовое покрытие наносится дополнительно верхнее покрытие, которое обеспечивает специальные свойства: повышает коррозионную и химическую стойкость, придает требуемый цвет, обеспечивает определенные фрикционные свойства. Защитный слой стоек к воздействию кислот, щелочей и растворителей. При этом покрытие можно наносить не только на черный металл, но и на оцинкованную сталь, никель, алюминий, медь, нержавеющую сталь и другие металлы.

Кроме того, покрытие имеет ряд неоспоримых преимуществ. Так, в зависимости от требований по коррозионной стойкости, толщина покрытия может составлять от 4 до 100 и более мкм. Для цинк-ламельного покрытия характерна высокая коррозионная стойкость, составляющая более 2000 часов в камере соляного тумана. Например стойкость при горячем цинковании при нахождении в соляном тумане не превышает 850 часов. Также цинкламельное покрытие отличает высокая термостойкость, а его пластичность обеспечивает сохранность резьбы и маркировок.

Сейчас новый вид покрытия только начинает свое развитие в России. Дальнейший рост спроса на новую технологию, по мнению многих экспертов, ждет и мировой рынок электротехники, поскольку цинк-ламельное покрытие дает исключительно высокую коррозионную стойкость. Это в перспективе позволит применять его для всей гаммы металлических изделий, как и было сказано в начале описания метода.