Оцинковка металла: задачи и технологии

СОДЕРЖАНИЕ

• Суть и преимущества цинкования металла
• Характеристики оцинкованного металла
• Этапы цинкования металла
• Подготовительный этап
• Нанесение цинкового слоя
• Просушивание изделия
• Методы оцинковки металла
• Горячая оцинковка
• Холодное цинкование
• Гальванический способ
• Термодиффузионное цинкование
• Газотермическое напыление
• Маркировка и сферы применения оцинкованного металла

Суть и преимущества цинкования металла

В процессе цинкования на поверхность металлических изделий наносится слой цинка. Целью этой операции является защита основной конструкции от негативного воздействия внешней среды, в первую очередь влаги. Оцинковка может производиться по-разному – либо цинк не вступает в химическое взаимодействие с металлом основы и представляет собой отдельный слой, либо происходит соединение на уровне атомной структуры элементов.

Практические достоинства оцинковки металла:

1. Восстановление поврежденного цинкового слоя – то, что называется самовосстанавливающейся защитой. Оголенный металл взаимодействует с атмосферным кислородом и формирует новый защитный слой.
2. Хотя цинк подвержен коррозии, по сравнению с железом процесс окисления протекает медленнее, и цинковая поверхность обладает свойством отталкивать воду. Поэтому оцинкованные изделия получают защиту от образования ржавчины. Цинк и железо создают гальваническую связку: цинк вступает в реакцию окисления первым, поэтому железо разрушается менее активно.
3. Поскольку удельный вес цинка несколько меньше, чем у железа, то покрытые цинковым слоем изделия легче, чем изготовленные целиком из нержавеющей или конструкционной стали.
4. Оцинковка имеет низкую себестоимость, так что металл с таким покрытием получается дешевле нержавеющих аналогов.

Характеристики оцинкованного металла

Применяемых в промышленных масштабах технологий оцинковки несколько, и они совершенствуются. Выбор варианта зависит от ряда параметров, но в первую очередь нужно определить, какой требуется результат: какие конструкции подвергаются обработке и как они будут эксплуатироваться. Немаловажным фактором является и размер экономических затрат на проведение рабочих операций.

Ключевые характеристики, по которым оцениваются методы оцинковки металла:

• Толщина получаемого слоя. Разумеется, для массивных металлоконструкций чем больше слой защиты, тем лучше, и, наоборот, для высокоточных мелких деталей толщина антикоррозионного покрытия должна быть минимальной. Значит, во втором случае требуются более тонкая работа во всех смыслах этого слова.
• Равномерность слоя цинка — во многом значение этого параметра тоже определяется габаритами изделия. Скажем, для опоры ЛЭП идеальная равномерность не важна, а вот детали, имеющие прецизионные отверстия, резьбу, фаски и т. д., обрабатываются с высокой степенью точности.
• Надежность удержания защитного покрытия на поверхности. Результат напрямую связан с тем, какой применяется метод. К примеру, горячее и термодиффузионное цинкование обеспечивает соединение металлов на молекулярном уровне, и прочность покрытия будет максимальной. Хуже этот показатель, если подобного взаимодействия сплавов не происходит и слои обладают разной структурой.
• Внешний вид оцинкованного изделия — может сильно отличаться цвет (от темно-серого до голубоватого) и характер поверхности (матовая, глянцевая). Эти эффекты дают разные технологии обработки металла.
• Стойкость к механическим воздействиям — если изделие подвергается высоким физическим нагрузкам, то требуется усиленная цинковая защита.
• Способность к самовосстановлению — на ее наличие влияет толщина слоя цинка, а также особенности эксплуатации и характер повреждений.
• Антикоррозионные свойства — они являются основными для оцинкованных изделий, но, по сути, складываются из других факторов (толщина и равномерность слоя, структура металла, прочность покрытия и способность самовосстанавливаться). Чем выше будут данные характеристики, тем дольше способно изделие сопротивляться окислительным реакциям.

Читайте также: «Горячее цинкование»

Разумеется, изменение физических свойств оцинкованной конструкции сильно зависит от того, в какой внешней среде она эксплуатируется. К примеру, подвергшиеся стандартной оцинковке металлические листы при использовании для бытовых нужд могут прослужить до 100 лет, однако если они будут постоянно находиться в воде, то уже спустя несколько лет подвергнутся коррозии.

Различные способы оцинковки требуют того или иного оборудования, разных временных и материальных затрат на проведение операций с металлом.

Этапы цинкования металла

Независимо от того, какая применяется технология цинкования, выделяются общие этапы в процессе выполнения работ.

Подготовительный этап

Здесь организуется обработка заготовки, чтобы сделать последующую процедуру оцинковки максимально эффективной. Сначала металлическая поверхность очищается от различных загрязнений и обезжиривается. Далее проводится травление при помощи кислой среды, для создания которой используется раствор серной кислоты. Итогом этой процедуры становится появление оксидной пленки, которая обеспечивает наилучшее сцепление цинка с металлом основы. Завершается подготовка тем, что остатки кислоты убираются и поверхность просушивается.

Нанесение цинкового слоя

Это основной этап работы, в ходе которого на металлическую поверхность наносится цинковая пленка определенной толщины. Минимально необходимая температура для горячего цинкования составляет 420 градусов Цельсия, при которой цинк начинает плавиться. После этого в расплавленный металл можно погрузить изделие, чтобы оно покрылось оболочкой из цинка. Впрочем, есть и другие способы оцинковки, о которых речь пойдет ниже.

Просушивание изделия

Полученная цинкованием деталь сушится, после чего она может подвергаться дальнейшей обработке. Результатом оцинковки является образование на поверхности металла плотной пленки, выполняющей защитные функции. Цинкование производится в специальных ваннах, где предусмотрена возможность подключения электрического тока. Объем ванны зависит от того, какие изделия в них обрабатываются.

Читайте также: «Напыление металла»

По размерам можно их разделить на три категории:

• для мелких деталей;
• для изделий среднего размера;
• для крупногабаритных конструкций.

Методы оцинковки металла

Горячая оцинковка

Эта технология дает самое качественное соединение сплавов. Повсеместному ее применению мешают лишь присущие данному методу недостатки и ограничения:

• необходимость сложного и энергоемкого оборудования;
• потребность в достижении высоких температур;
• наличие вредных отходов производства;
• процесс осуществляется в цинковой ванне, размер которой определяет максимальные габариты изделия.

Подготовка детали включает в себя:

• механическую очистку;
• обезжиривание;
• травление кислотой;
• промывку и обработку флюсом;
• просушивание.

После этого заготовки опускаются в ванну с расплавленным цинком, который покрывает поверхность изделия. Далее металлическая конструкция извлекается из ванны и обдувается воздухом под давлением – тем самым удаляется лишний цинк и параллельно идет подсушивание. Именно такой способ предпочтителен для оцинковки черного металла. Поскольку процесс трудоемок и сложен, то в домашних условиях осуществить его проблематично.

Холодное цинкование

Более простой и дешевый способ оцинковки, который применим и в бытовой сфере. Здесь на подготовленную деталь кистью или валиком наносится вещество, в состав которого входит цинк. Ускорить процесс можно благодаря использованию обычного краскопульта. Смесь для холодной оцинковки – это полимерный раствор, основой которого служит мелкозернистый цинковый порошок. Наиболее популярный состав – цинконол, обладающий эластичностью и высокой термостойкостью.

Читайте также: «Скорость коррозии металла»

Холодное цинкование находит широкое применение не только в домашнем хозяйстве, но и в промышленности, например для обработки опор линий электропередач. Также этот метод отлично подходит для восстановления поврежденного покрытия оцинкованных изделий. К недостаткам холодного цинкования следует отнести низкую механическую прочность.

Гальванический способ

Электрохимическая обработка дает возможность получить прочный и гладкий цинковый слой различной толщины. Необходимым условием качественной оцинковки является тщательное обезжиривание заготовки.

Гальванизация производится следующим образом: в ванну с электролитом помещаются зачищенные заготовки и доноры – цинковые пластины, после чего подается напряжение. В результате электрохимической реакции происходит перенос атомов металла – они отрываются от пластин и оседают на заготовках.

К сожалению, этот метод имеет высокую себестоимость – цена пластин и электролита, а также затраты на электроэнергию. Помимо этого, отработанный электролит нуждается в дезактивации, что тоже требует расходов.

Термодиффузионное цинкование

Эта технология появилась в начале XX века, получив название шерардизации по фамилии ее изобретателя. Очищенные детали загружаются в герметичный контейнер, куда добавляют сухой порошок с высоким содержанием цинка и размельченный древесный уголь, выполняющий роль абсорбента влаги. Контейнер нагревается до температуры 400-500 ?С – в результате молекулы цинка закрепляются на поверхности изделия, которое после этого очищается от остатков смеси.

Плюсы термодиффузионной оцинковки металла:

• малое количество вредных отходов и низкие расходы на их обезвреживание;
• возможность получить любую толщину цинкового слоя;
• высокая механическая и антикоррозионная стойкость готового изделия;
• детали и их элементы не склеиваются – в отличие от горячей оцинковки.

Читайте также: «Рессорная сталь»

Однако есть и минусы этой технологии:

• покрытие имеет тусклый серый цвет;
• низкая производительность;
• нестабильность конечного результата – для получения идеального однородного слоя требуется тщательно зачистить основу, не допуская попадания влаги в контейнер.

Газотермическое напыление

Наибольшее применение такой способ получил для обработки крупных изделий – массивных конструкций, стальных листов и т. д. В данном случае перенос цинка на металлическую поверхность осуществляется струей горящего газа. Для этого подойдет даже газовая горелка – в ее пламя помещается цинковая проволока, которая, плавясь, попадает на находящуюся рядом заготовку. Получающийся слой напоминает чешую.

Читайте также: «Сплав железа с никелем»

Газотермическое напыление с большим успехом применяется для формирования защитного слоя на корпусах морских судов и береговых сооружений, и обычно оно комбинируется с нанесением лакокрасочного антикоррозионного покрытия.

Маркировка и сферы применения оцинкованного металла

Оцинкованное изделие маркируется, и по обозначениям можно определить область его применения. В первую очередь выделяются основные группы конструкций с цинковым покрытием: ОН – общего назначения, ХШ – холодная штамповка, ХП – холодная полировка, ПК – под покраску. При оцинковке листового металла, например стали, указывается возможность вытяжки:

• Н – нормальная;
• Г – глубокая;
• ВГ – весьма глубокая.

Разнотолщинность материала с цинковым слоем бывает нормальная (НР) и уменьшенная (УР). Толщина цинка тоже обозначается буквами: О – обычный класс (10-18 мкм), В – высокий класс (18-40 мкм) и П – повышенный класс (40-60 мкм).

Читайте также: «Виды коррозии металлов»

Оцинкованные изделия востребованы в разных отраслях промышленности и в строительстве. К примеру, при возведении фундаментов используется арматура с цинковым покрытием. Оцинковке подвергаются корпуса автомобилей и судов. Для устройства громоотводов и контуров заземления оцинкованные уголки, круги и полосы подходят как нельзя лучше. Очень часто слоем цинка покрываются листы кровельного железа и профнастила. Применяется цинк и при производстве комплектующих бытовой техники.

В целом большинство металлов окисляется, но этот процесс имеет свои особенности. Железо и его сплавы не способно сопротивляться коррозии, которая проникает вглубь в виде ржавчины, в то время как другие металлы могут себя защитить – пленка на их поверхности, образующаяся в результате окисления, выполняет полезную функцию, не давая развиваться процессу разрушения. Именно на этом свойстве цинка и основано практическое применение цинкования металлоконструкций.