Цинкование — один из самых эффективных методов защиты металлических изделий от коррозии. Цинковое покрытие предотвращает появление ржавчины сразу двумя способами: создает непроницаемый барьер и обеспечивает электрохимическую защиту. Современные способы цинкования металла позволяют обрабатывать изделия любых размеров и форм — от отдельных деталей до крупногабаритных конструкций. При правильном выборе технологии защитное покрытие служит до 50 лет.
Цинк и оцинковка
Цинк — металл с температурой плавления 419,5°C и плотностью 7,133 г/см3. При 100-150°C цинк пластичен, а при взаимодействии с воздухом образует прочные защитные соединения. Максимальная эффективность цинковых покрытий достигается в диапазоне pH 7-12, когда на поверхности формируются стойкие гидрокарбонаты. Микротвердость составляет от 490 до 1180 МПа.
Виды защитного действия цинка:
- физический барьер — пленка с удельным электрическим сопротивлением 5,75×10-8 Ом⋅м;
- электрохимическая защита — работает при температурах до 300°C;
- самовосстанавливающийся эффект — сохраняется даже на обрезанных краях и резьбовых соединениях.
Срок службы покрытия зависит от условий эксплуатации. В сельской местности ежегодный износ составляет 1,3-2,5 мкм, в промышленных районах — 6,4-19 мкм, на морском побережье — 2,2-7,2 мкм. Кроме того, для разных условий требуется различная толщина защитного слоя. В отапливаемых помещениях достаточно 6-9 мкм. Для уличных конструкций рекомендуется 24-30 мкм. В особо агрессивных средах этот параметр может достигать 36-42 мкм.
Горячее цинкование
При цинковании горячим методом изделия погружаются в ванну с расплавленным цинком. При 450-470°C между цинком и сталью происходит реакция с образованием серии интерметаллических слоев. Результат процесса — покрытие от 40 до 200 мкм.
Горячее цинкование металла проходит в два этапа.
- Подготовка поверхности. Сначала выполняется обезжиривание изделия в щелочном растворе при температуре 70-80°C. После промывки водой следует травление в растворе серной или соляной кислоты для удаления окалины и ржавчины. Затем деталь снова промывают и проводят флюсование в растворе хлорида цинка и аммония при 65-80°C.
- Оцинковка. Подготовленную заготовку сушат при 120-150°C, после чего погружают в расплав цинка с температурой 450-460°C. Время выдержки составляет 4-5 минут. Завершается процесс извлечением изделия и его охлаждением.
Горячая оцинковка применяется в строительстве для защиты несущих металлоконструкций, опор освещения и линий электропередач. Также технология эффективна для обработки дорожных ограждений и элементов мостов. В промышленности ее используют для защиты емкостей, резервуаров, труб, трубопроводной арматуры и металлических листов.
Преимущества:
- Коррозионная стойкость
- Равномерность нанесения
- Защита внутренних полостей
- Срок службы до 50 лет
- Возможность нанесения толстых слоев
- Экологичность процесса
Недостатки:
- Невозможность обработки крупногабаритных конструкций
- Риск деформации тонкостенных изделий
- Сложный процесс обработки резьбовых соединений
- Энергозатраты
- Требуется оборудование
Долговечность оцинкованного покрытия определяется условиями эксплуатации и толщиной нанесенного слоя. В городской среде покрытие толщиной 60-80 мкм обеспечивает защиту в течение 25-30 лет. При эксплуатации в промышленной атмосфере срок службы составляет 15-20 лет. В условиях морского климата покрытие сохраняет защитные свойства до 15 лет.
Гальваническое цинкование
Гальваническое (электролитическое) цинкование — это процесс нанесения цинка методом электролиза. В электролитической ванне металлическое изделие выступает катодом, а цинковые пластины — анодом. При прохождении тока ионы цинка осаждаются на поверхности, формируя покрытие толщиной от 3 до 24 мкм.
Технологический процесс начинается с очищения изделия от загрязнений, оксидов и ржавчины механическим или химическим способом. После дегазации деталь погружают в электролит, содержащий соли цинка. Основные компоненты раствора включают сульфат цинка (200-250 г/л), хлорид цинка (200-250 г/л) или борфторид цинка (250-300 г/л). Процесс проводят при температуре 18-25°C и плотности тока 0,5-3 А/дм².
Преимущества:
- Точность контроля толщины
- Равномерный декоративный слой
- Возможность обработки мелких деталей
- Работа при комнатной температуре
- Отсутствие деформации изделий
- Производительность
Недостатки:
- Малая толщина покрытия
- Низкая механическая прочность
- Риск водородного охрупчивания стали
- Сложность обработки внутренних поверхностей
- Необходимость утилизации электролита
- Требования к подготовке поверхности
Гальваническое цинкование эффективно в производстве автомобильных деталей, метизов и крепежа, а также подходит для защиты точных приборов и электротехнического оборудования. Метод позволяет обрабатывать изделия с пластиковыми элементами, например, самоконтрящиеся гайки.
Срок службы гальванического покрытия зависит от толщины слоя и условий. В солевом тумане покрытие толщиной 12 мкм сохраняет защитные свойства до 96 часов, 8 мкм — до 48 часов, 5 мкм — до 24 часов. Для помещений с нормальной влажностью достаточно слоя 6-9 мкм, для открытой атмосферы рекомендуется 15-18 мкм.
Термодиффузионное цинкование
Термодиффузионное цинкование (шерардизация) основано на диффузии атомов цинка в поверхностный слой металла при высоких температурах. В герметичной камере при 290-450°C происходит насыщение поверхности стали цинком на молекулярном уровне. Процесс позволяет получать равномерные покрытия толщиной от 6 до 110 мкм с содержанием железа 16-20%.
Технология цинкования термодиффузионным способом включает размещение изделий в специальной камере. При нагреве в условиях пониженного давления (0,1 атмосферы) порошок цинка переходит в газообразное состояние и проникает в структуру металла. Время обработки составляет около двух часов. Средняя твердость покрытия — 400 HV.
Преимущества:
- Равномерное покрытие сложных форм
- Высокая адгезия к основному металлу
- Отсутствие водородного охрупчивания
- Возможность обработки резьбовых соединений
- Повышенная износостойкость
- Экологическая безопасность
Недостатки:
- Стоимость оборудования
- Длительность процесса
- Ограничения по размеру изделий
- Непривлекательный серый цвет
- Сложность контроля
- Энергозатраты
Высокая устойчивость к агрессивным средам делает термодиффузионное цинкование ключевым методом защиты в тяжелой промышленности. Крепежные элементы, запорная арматура и детали трубопроводов, обработанные этим способом, успешно противостоят химическим и механическим воздействиям. Особенно широко технология применяется на предприятиях нефтегазового и химического сектора.
В зависимости от толщины покрытия выделяют несколько классов защиты: от 10-15 мкм для легких условий до 40-50 мкм для агрессивных сред. В соляном тумане покрытие толщиной 9 мкм выдерживает 96 часов, 30 мкм — 192 часа, 50 мкм — до 250 часов без появления коррозии.
Холодное цинкование
Суть цинкования холодным способом заключается в нанесении специальных цинксодержащих составов на поверхность металла. При этом нет необходимости в сложном оборудовании, а работы можно проводить даже в полевых условиях. Современные составы содержат до 94-96% цинка и обеспечивают как барьерную, так и электрохимическую защиту.
Перед нанесением поверхность тщательно подготавливают — удаляют загрязнения и следы коррозии абразивно-струйным или механическим способом. Состав наносят кистью, валиком или методом распыления при температуре от -35 до +50°C и влажности до 90%. Каждый слой должен просохнуть перед нанесением следующего.
Преимущества:
- Простота применения
- Возможность работы на месте без демонтажа
- Ремонтопригодность покрытия
- Нанесение цинкового слоя на детали разного размера
- Работа при любых погодных условиях
- Хорошая адгезия с лакокрасочными материалами
Недостатки:
- Неравномерность покрытия
- Малая толщина защитного слоя (5-35 мкм)
- Низкая механическая прочность
- Необходимость многослойного нанесения
- Зависимость от качества подготовленной поверхности
- Ограниченный срок службы
Холодное цинкование активно используют в промышленном и гражданском строительстве для обработки металлоконструкций, требующих регулярного обслуживания — ограждений, кровельных материалов, водостоков. В транспортной отрасли метод применяют на мостовых конструкциях и дорожных ограждениях. На объектах ТЭК таким способом цинкования обрабатывают резервуары, цистерны и вышки.
При содержании цинка более 94% и правильном нанесении слой 20-25 мкм обеспечивает барьерную защиту до 7 лет. В промышленной атмосфере срок службы составляет 3-5 лет. Сочетание цинкового покрытия с лакокрасочными материалами значительно увеличивает общую защиту металлоконструкций от коррозии.
Газотермическое напыление цинка
Газотермическое напыление основано на распылении расплавленного цинка на поверхность металла с помощью сжатого воздуха. Мелкодисперсные капли цинка на высокой скорости оседают на поверхности изделия, образуя защитное покрытие толщиной от 30 до 250 мкм.
Процесс начинается с подготовки поверхности методом абразивной очистки или химической обработки. Затем с помощью специального оборудования — плазматрона или дугового распылителя — под давлением наносят расплавленный цинк.
Преимущества:
- Возможность обработки крупных конструкций
- Нанесение покрытия без демонтажа
- Работа в полевых условиях
- Контроль толщины слоя цинка
- Быстрота
- Ремонтопригодность покрытия
Недостатки:
- Пористость
- Неравномерность оцинковки
- Необходимость дополнительной защиты
- Стоимость оборудования
- Потребность в персонале
- Низкая производительность
Газотермическое напыление используют для защиты крупногабаритных металлоконструкций в строительстве, судостроении и мостостроении. Особенно эффективен метод для обработки железнодорожных конструкций и портовых сооружений. При толщине слоя 100-150 мкм и дополнительной окраске срок службы достигает 25 лет. В морской атмосфере защитные свойства сохраняются 10-15 лет, в промышленной среде — до 20 лет.
Как выбрать метод цинкования
Для надежной защиты металла от коррозии необходимо правильно выбрать вид цинкования. Каждый способ имеет свои оптимальные области применения:
- горячее цинкование — для массивных конструкций, требующих долговременной защиты;
- гальваническое покрытие — для мелких деталей и точных механизмов;
- термодиффузионная обработка — для изделий в агрессивных средах;
- холодное цинкование — для ремонтных и восстановительных работ;
- газотермическое напыление — для крупногабаритных деталей и объектов.
