Цинковое покрытие металла: основные методы и их особенности

Вопросы, рассмотренные в материале:

• В чем заключается технология горячего цинкования металла
• Какова технология холодного цинкования металла
• Как проходит цинкование металла по гальванической технологии

Цинкование относится к анодным покрытиям металла, когда на обрабатываемую поверхность наносится материал, имеющий меньший электродный потенциал. Этот способ промышленной обработки металлических поверхностей является очень распространенным методом защиты металла от негативного воздействия окружающей среды. Технология цинкования металла зависит от параметров обрабатываемого изделия и предлагаемых условий эксплуатации. В нашей статье мы подробно разберем все разновидности и особенности этой технологии.

Принцип работы цинкования

Способ защиты от ржавчины имеет в качестве основы химический процесс окисления. Большинство металлов на воздухе вступают в реакцию с кислородом, в результате поверхность покрывается пленкой, которая начинает играть защитную роль. Исключением из этого ряда выступает железо и его сплавы, они образую пленку рыхлого состава, которая не защищает, а, наоборот, способствует дальнейшему окислению материала и его разрушению. Для того, чтобы защитить сталь и другие металлические материалы на основе железа используется цинк. Он образует с Fe гальваническую пару, и в силу большей активности первым начинает окисляться, образуя пленку, которая служит защитой поверхности.

Толщина пленки получается разной в зависимости от технологии, может быть тонкой — от 6 мкм или плотной – до 1,5 мм.

Для чего нужна оцинковка металла?

Цинкование или оцинковка — это технологический процесс, при котором металл покрывается специальным цинксодержащим составом. Эту процедуру проводят чтобы предупредить образование ржавчины и окислов на различных видах металлоизделий. Из-за того, что нанесено такое покрытие значительно увеличивается срок эксплуатации металлических изделий.

Метод оцинковки используется для защиты стали от коррозии уже более 250 лет. Коррозия у металлов вызывается их врождённой тенденцией под воздействием воздуха и влаги пытаться вернуться к своей первоначальной земной форме — в минеральное состояние.

Области применения оцинкованных конструкций

• Строительные работы разного профиля: дорожное, мостовое, строительство зданий и сооружений.
• Нефтедобыча и нефтепереработка.
• Газодобывающая и газоперерабатывающая промышленность.
• Энергетическая сфера.
• Связь.
• Автомобилестроение.
• Сельское хозяйство и другие направления.

Метод применим для конструкций, которые эксплуатируются в разных условиях

• Опоры высоковольтных линий передач.
• Опорные металлические конструкции мостов, трубопроводов.
• Различное оборудование.
• Задвижки и запоры гидротехнических систем.
• Каркасы домов и заграждений.
• Сваи, поддерживающие перекрытия различного типа.
• Лестничные ступени и пролеты.
• Трубы различных систем, в том числе вентиляционных.
• Корпуса кораблей.
• Памятники и архитектурные сооружения.

Какими свойствами обладает оцинкованный металл?

Прошедшее процесс цинкования изделие обладает высокой устойчивостью к ржавчине, ударам и истиранию. Оно становится более устойчивым к влияниям погодных условий, к пресной и морской воде. Оцинкованный металл прекрасно зарекомендовал себя при использовании в металлических конструкциях, эксплуатируемых на открытом воздухе, во влажных помещениях или других условиях, которые предполагают открытый контакт с влагой, воздухом и другими активными веществами и средами. Покрытый тонким слоем цинка металлопрокат легко сваривается и окрашивается. Он хорошо принимает форму на изгиб в профилях и листовых материалах. Оцинкованный металл легко справляется с вытяжкой, гибкой и вальцовкой. Поэтому его используют для изготовления кровельных покрытий и элементов кровли.

Производственные процессы цинкования

В металлургическом и химическом производстве используется несколько методов оцинковки.

1. Гальваническое цинкование
2. Горячее цинкование металла
3. Метод холодной цинковки.
4. Диффузный способ цинкования.
5. Шоопирование.
6. Газодинамический метод.
7. Дуплексные способы обработки

Может применяться способ фосфатирования, который, в дополнение к основному методу, привносит дополнительную защиту поверхностям металлических предметов и деталей. Чаще всего используется для цветных металлов.

Широкое применение цинкования связано с устойчивостью покрытия к агрессивным средам, перепадам температур, высокими антикоррозионными свойствами.

Гальваническое цинкование

Гальванотехника – это электрохимический метод покрытия металлических конструкций цинком. Он проводится в больших емкостях, с цинксодержащим электролитом. Комплексность этого метода заключается в воздействии на металл сразу двух процессов: электрического физического воздействия и химического способа.

В гальваническом способе происходит активный процесс адгезии элементов металлического материала и цинка. Адгезия предполагает сцепление на межмолекулярном уровне разнородных веществ.

Технология электрогальванического производства

Металлические изделия, конструкции или детали погружаются в электролитические ванны, снабженные анодом – пластиной из цинка, с которой с помощью электролита – сернокислого и хлористого цинка анионы этого металла переходят на поверхность, покрывая ее равномерным слоем.

На процесс гальваноцинкования влияют состав электролита и температура, поддерживаемая в ёмкостях. В раствор добавляют окрашивающие добавки и блескообразующие компоненты. Это делается для придания предметам декоративного вида.

В процессе производства используются электролиты:

• Кислые и слабокислые: сульфаты, борфториды, хлориды.
• Аммиакатные: щелочи и нейтральные растворы.
• Цианидные и цинкатные: электролиты щелочной группы с цианидом и цинкатом натрия в растворе едкого натра.

До проведения работ необходимо провести подготовку металлоизделий: очистку и обезжиривание поверхностей, флюсование – нанесение пленки для предотвращения окисления.

Характеристики гальванопокрытий из цинка: поверхность выделяется такими свойствами, как пластичность, непрерывность на деталях, которые должны работать в условиях циклической деформации. Например, пружины из стали.

Горячее цинкование металлоконструкций

Метод горячей оцинковки применяется обычно для черных металлов, прежде всего, стали. Это наиболее распространенный способ покрытия поверхностей цинковой пленкой.

Технология сводится к опусканию деталей или конструкций в ванну с расплавленным цинком. Температура поддерживается в пределе 460 гр. С. Процесс проходит под воздействием кислорода из атмосферы, он вступает в реакцию с металлом для образования ZnO – оксида цинка, который соединяется с углекислым газом CO2. В итоге формируется карбонат цинка — ZnCO3. У него характерный матовый оттенок серого цвета.

Перед опусканием в ванну необходим этап очистки, обезжиривания и травления поверхности деталей

После пребывания в ванне изделия подвергаются центрифугированию для удаления излишков металла. Для удаления наплывов резьбовые участки на больших деталях протачивают, мелкие, такие как крепеж, не подвергаются такой обработке.

В результате изделия с повышенным сроком эксплуатации, устойчивые к агрессивной среде, не требуют дополнительного покрытия красочным слоем.

К отрицательным характеристикам можно отнести неравномерность поверхности при большом расходе цинка, а размеры изделий ограничиваются габаритами емкости. Производство относится к вредным. Дальнейшая обработка становится боле сложной, детали плохо соединяются сварным методом.

Особенности процесса горячей оцинковки

• Технологический процесс отличается простотой.
• Отмечается высокая производительность, проходит быстро.
• Не требуются сотрудники с высоким уровнем подготовки.
• Оборудование достаточно простое.
• Слой цинка имеет толщину от 30 до 100 мкм.

В сравнении с гальваническим методов горячее цинкования — более дорогой метод, но и более эффективный.

Холодное цинкование металла

Метод заключается в нанесении на поверхность цинкнаполненных красок, композиций и грунтов. Покрывается не вся поверхность изделия, а предназначенные для этого участки.

Применяется широко для обработки отдельных конструкций и больших площадей.

Положительные стороны холодной оцинковки

• Можно обрабатывать изделия и поверхности любых размеров, нет ограничений по площади и форме.
• Не нужно проводить предварительную работу по демонтажу для того, чтобы погрузить в емкость для электролиза или горячего цинкования.
• Процесс отличается производительностью.
• Диапазон температур: от минусовой 20 гр. С до плюсовой 40 гр. С.
• Цинковый слой после холодного метода допускает проведение сварки, она не разрушает цинковую поверхность. Шов после сварки можно покрыть дополнительным защитным слоем.
• Структура покрытия отличается пластичностью и надежностью.
• Цинксиликатная краска по характеристикам адгезии совместима с металлом и финишными красками.
• Метод достаточно прост, не требует специальной профессиональной подготовки.
• Может применяться для ремонта деталей и участков, которые раньше прошли процесс оцинковки.
• Удобный способ нанесения подкрасочного слоя под лак или химически стойкую краску для двойной защиты. Это комбинированный способ покрытия.
• Можно обрабатывать конструкцию в сборе, не разбирая на отдельные компоненты.
• Экономичный способ.

Состав для холодной оцинковки содержит высокодисперсионный порошок цинка – до 95%. Перед проведением работ необходимо провести подготовку поверхности и четко соблюдать технологические требования работы.

В производственном процессе необходимый этап – контроль качества на предмет отсутствия дефектов слоя цинка. По окончании процесса покрытым изделиям дают «отдохнуть» несколько суток для закрепления слоя.

Получаемое покрытие отличается водостойкостью, электропроводностью, пожаробезопасностью.

Термодиффузионный способ цинкования

Диффузный метод получил название «шерардизация» по имени изобретателя – специалиста из Великобритании Sherard’a.

Термодиффузное покрытие относится к анодным, покрывая черные металлы плотной пленкой цинка. Название связано с процессом диффузии металлов, цинка и железа. Он проходит в пассивационных растворах, которые необходимы для обеспечения защиты от воздействия атмосферного кислорода.

Термодиффузия покрытия похожа на гальванический способ, но превосходит его по характеристикам антикоррозийности.

Изделия, обработанные термодиффузией, отличаются однородным покрытием поверхности от 30 до 80 мкм. На небольших площадях деталей при условии точного производства можно достигать толщины от 5 до 150 мкм. Когда обрабатываются конструкции со сложными поверхностями, разброс толщины покрытия получается большим – до 80 мкм.

Технология заключается в насыщении цинком площади деталей и конструкций в порошковой среде.

Цинкосодержащий мелкодисперсионный порошок разбавляется абсорбентами типа древесного угля. Поддерживается температура 400-500 гр. С. Температурный режим – разный для различного типа изделий, характеристик стали, которые зафиксированы в её марке, требований производства.

Закрытый герметично контейнер, в котором происходит обогащение поверхностей цинком, – обязательное условие технологии. После основного процесса проводится финишная обработка изделий, которые будут использоваться в условиях высокой влажности, морской или другой соленой воды, в периодах конденсации и высыхания.

Особенности термодиффузионных покрытий

• Технологический процесс обработки в низкотемпературном режиме помимо антикоррозионных свойств придает металлу повышенную пластичность.
• Обработанные изделия устойчивы к абразивному износу, который образуется в результате режущего, деформирующего, царапающего воздействия. Возникает при переработке и транспортировке.
• Покрытие точно воспроизводит рельеф конструкции.
• Повышенная твердость отличает обработанные изделия, не возникает свойство хрупкости.
• Можно наносить цинковое покрытие на предварительно собранные узлы.
• Подготовка процесса термодиффузного цинкования не требует сложных операций.

Шоопировние

Под шоопированием металлов понимается металлизирование, или обработка методом напыления. Для работы используется специальный аппарат, который иногда именуют пистолетом. Под давлением сжатого воздуха на поверхность распыляется расплавленный цинк. Метод обязан своим названием изобретателю Г. Шоопу.

Способ металлизации применим для крупных конструкций, а также для восстановления изношенных деталей из стали различных марок. Нанесенный шоопированием слой цинка формирует устойчивую пленку, которая выступает грунтом, грунтовкой под нанесение лакокрасочного слоя.

Газодинамическое цинкование

Газодинамический способ — оцинковка при помощи кинетики мелкодисперсного металла в струе газа, осуществляемую сверхзвуковым потоком.

В роли исходного материала выступает цинковый порошок с керамическими или металлическими частицами. Он разгоняется струей газа из сопла высокой температуры и приваривается к поверхности, на которую направлен поток. Дополнительный материал – металлический и керамический – повышает плотность и снижает пористость поверхности.

Аппаратура для газодинамического метода – портативный нагреватель для сжатого воздуха, к которому комплектуется сверхзвуковое сопло. Это такой своеобразный пульверизатор. Газ при t 500-600 гр. С затягивает порошок и направляет его на поверхность.

Преимущества метода

• Обработка изделий и деталей любого размера.
• Адгезия состава выше показателя любого лакокрасочного слоя– 40-100Н/мм2.
• Толщина слоя может быть различной, можно утолщать слой в зонах повышенного риска коррозии.
• Пористость цинкового слоя менее 1%.

Комбинированные – дуплексные способы обработки

Дуплексные покрытия предполагают комбинацию цинкового материала с полимерным или красочным.

Сочетание электрохимического эффекта защиты цинком с гидроизолирующим воздействием лакокрасочного слоя создает двойной защитный эффект.

Характеристики дуплекс-систем

• Обеспечивает гальваническую или катодную защиту и одновременно барьерную.
• Наносится также легко как лакокрасочное покрытие.
• В изготовлении используется специальный вид цинка – атомизированный.
• Повышает устойчивость к механическим повреждениям
• Не требует сложной подготовки исходного материала к процессу покрытия – достаточно обработать растворителем.
• Может наноситься поверх горячеоцинкованных и металлизированных поверхностей.
• Нетоксичны и экологически безвредны.

Цинкование металла своими руками

Методы цинкования в своем большинстве — это производственные способы, требующие промышленного оборудования и специальной обработки металла.

Некоторые из них доступны умельцам в мастерских. Чаще всего говорят о «гаражном цинковании, поскольку именно они нуждаются в восстановлении деталей и узлов автомобилей.

Наиболее доступный метод – холодная оцинковка.

Существует возможность гальванической обработки деталей. Она позволяет формировать на поверхности изделий узоры и декоративные элементы.

Гальваническое цинкование своими руками

Для работы с таким методом необходим электролит. Это может быть хлорид цинка (ZnCl), соляная кислота (HCl), Сульфат цинка (ZnSo4). Составы требуют максимума осторожности, химические компоненты имеют тенденцию взрываться или вступать в непредвиденные реакции.

Цинковый состав предполагает добычу цинка из солевых батареек, металлических оцинкованных предметов, предохранителях советского производства, или покупку на авто- или радиорынке.

Как работать:

• Ванной может стать пластиковая или стеклянная ёмкость.
• Анод – пластина из цинка с подведенным плюсовым зарядом.
• Обрабатываемая деталь играет роль катода. Она должна быть подготовлена – очищена, обезжирена, активирована. Её располагают равноудаленно от анода.
• Источник питания- аккумулятор, блок питания. Предосторожность заключается в том, чтобы не допускать активного кипения. При спокойном процесс длительная гальванизация обеспечит толстый защитный слой цинка.

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…