Продолжая тему использования защитных покрытий, предлагаю рассмотреть самые популярные из них. Посмотрим, каким образом наносится тот или иной протекторный слой и как обеспечивается защита стальной продукции от вредных воздействий окружающей среды. Сегодня в нашем фокусе будет находиться один из беспрекословных лидеров такого применения – металлическое покрытие на основе цинка и его сплавов.
Мы неоднократно рассказывали про цинкование стали и оцинкованную продукцию на страницах нашего сайта. В некоторых частях этой статьи я буду ссылаться на уже опубликованные материалы, чтобы не повторяться. Сегодняшней публикацией попытаемся ответить еще на несколько вопросов. Во-первых, разберемся, почему цинковая защита металла от коррозиистала столь популярной в промышленности и быту. Во-вторых, выясним, какой способ защиты подходит для тех или иных направлений использования. Ну и в-третьих, уточним, от чего зависит стойкость цинкового покрытия и как можно продлить срок службы оцинкованных стальных изделий. Итак, если у аудитории нет вопросов и дополнительных пожеланий, я начинаю.
Почему именно цинк?
Цинкование (англ. zinccoating, galvanizing) – процесс нанесения на поверхность металла слоя цинка (Zn) или его сплава. Целью такого мероприятия является придание поверхности определенных физико-химических свойств, в частности повышение сопротивления коррозии. Оцинкование изделий из железа и его сплавов является наиболее экономичным методом их антикоррозионной защиты. Львиная доля всего добываемого в мире цинка идет именно на это. Цинковое покрытие наносят на листовой металл, стальную ленту, детали машин, трубопроводную арматуру, строительные металлоконструкции, проволоку и другую продукцию.
Так почему же цинк такой классный? На этот вопрос ответов несколько:
- Цинк обеспечивает как барьерную защиту, так и катодную (жертвенную). Как более реактивный металл (цинк имеет более низкий потенциал в гальваническом ряду по сравнению со сталью), он «жертвует» собой, корродируя первым и тем самым защищая стальную основу. При этом цинк образует стабильную плотную пленку, состоящую из гидроксидов и карбонатов. Она блокирует процесс коррозии более глубоких слоев покрывного материала.
- Цинк обладает «самовосстанавливающимися» свойствами: даже если цинковое покрытие получило повреждение или поцарапано, цинк продолжает защищать близлежащие участки стали - корродирует преимущественно сам, благодаря чему сталь остается невредимой, и рыжая ржавчина не появляется.
- Скорость коррозии такого защитного слоя относительно низкая: цинк корродирует в 10–100 раз медленнее, чем сталь, обеспечивая более длительную эксплуатацию, особенно в атмосферных условиях. Конечно, долговечность защиты и срок эксплуатации оцинкованного изделия зависит от качества покрытия и конкретных условий использования.
- Покрытие цинком имеет отличное соотношение «цена-качество-длительность защиты». Хотя первоначальные затраты на изготовление оцинкованного изделия выше аналога из незащищенной углеродистой стали, большая долговечность уменьшает затраты на последующие замены и ремонты. Цинковый слой требует минимального ухода, это экономит время и затраты на техническое обслуживание.
- Стальная продукция с цинковым покрытием подходит как для внутренних, так и для внешних условий, даже в суровых промышленных или морских средах. Поэтому она широко используется в инфраструктурных проектах (мосты, кровля, линии электропередач, дорожные ограждения, каркасы солнечных электростанций и т.п.) и других направлениях, где присутствует агрессивное влияние окружающей среды.
Отмечу, что эта статья не касается методов антикоррозионной защиты металлических поверхностей путем нанесения специальных цинкосодержащих смесей (красок или грунтовок с высоким содержанием цинка) при обычных температурах. Это так называемое холодное цинкование позволяет защищать металл на месте монтажа с помощью кисти или распылителя, но не обеспечивает получение прочной диффузионной или механической связи защитного слоя со стальной основой. Соответственно, такое покрытие менее устойчиво к повреждениям по сравнению с металлической защитой, полученной другим способом. Его долговечность зависит от качества очистки поверхности перед нанесением и навыков операторов.
Промышленные способы оцинкования
Все ключевые методы нанесения цинкового покрытия, их плюсы и минусы были рассмотрены на нашем сайте (для ознакомления перейдите по этой ссылке). На промышленных предприятиях наиболее распространены электролитическое оцинкование (англ. electrogalvanizing) и нанесение цинкового покрытия погружением в расплав (англ. hot-dipgalvanizing). Именно на них остановимся подробнее.
Электролитическое цинкование
Производство электролитически осажденных металлических покрытий, то есть слоев, полученных в результате пропускания тока через электролит, широко используется промышленностью. Основой, для которой применяют гальванический метод защиты, может быть не только сталь, но и другие черные и цветные металлы/сплавы (в том числе непригодные для покрытия путем горячего погружения). При таком оцинковании формируется равномерное покрытие, толщина которого обычно невелика (2,5-15 микрон) и уступает показателям, полученным горячим погружением. Для получения более толстых слоев необходимо использовать дополнительные технологические операции, что повышает и без того немалую себестоимость производства. В качестве гальванических покрытий для стали, кроме цинка, чаще всего используют хром, кадмий, олово, никель, медь и их сплавы.
Гальваническое цинкование применяется для листового и рулонного стального проката, проволоки, болтов и других метизов и металлоизделий. Преимуществом метода является возможность формирования цинкового слоя в труднодоступных местах, а также на изделиях сложной формы. Покрытие имеет равномерную толщину и не содержит хрупких прослоек, что способствует лучшей штамповке, профилированию и другим видам формоизменения.Внешний вид металла после гальванизации позволяет его использовать в декоративных целях. Кроме того гладкая матовая поверхность изделия очень хорошо окрашивается.
Гальваническое оцинкование металлоизделий (условная схема процесса)
Электролитически оцинкованный лист и рулон благодаря вышеуказанным особенностям используется прежде всего в автомобильной промышленности и других направлениях машиностроения. В изготовлении металлоконструкций с повышенным уровнем антикоррозионной защиты, работающих в сверхсложных атмосферных условиях, такая продукция не применяется из-за недостаточной толщины покрытия и высокой стоимости.
Горячее цинкование
Оцинкование погружением в расплав является очень распространенным процессом защиты стального проката и конструкций строительного назначения. Расплавленный цинк находится в ванне при температуре 450°C, что обеспечивает хорошую жидкотекучесть расплава. Процесс цинкования должен тщательно контролироваться, чтобы максимально избежать образования и налипания хрупких частиц сплава (гартцинка). Толщина сформированного на поверхности барьерного слоя определяет степень защиты от коррозии и длительность эксплуатации.
Изделия, оцинкованные методом горячего цинкования, характеризуются высокой стойкостью к коррозии, хорошей свариваемостью и формуемостью. Основными сферами применения являются строительство, машиностроение и производство бытовой техники. Толщина покрытия составляет от 5 до 70 микрон. Кроме цинка, горячим погружением можно наносить и другие материалы, среди которых сплавы цинк-алюминий, алюминий-кремний, алюмоцинк и другие.
Горячее оцинкование стальной полосы (условная схема процесса)
В частности, технология горячего оцинкования плоского проката включает следующие этапы:
- Подготовка основы: электрохимическая и механическая очистка, промывка, сушка, отжиг;
- Погружение в цинковый расплав;
- Сдувание лишнего цинка с поверхности и охлаждение защитного слоя;
- Финишная обработка: правка, нанесение пассивирующих и протекционных материалов, сушка, сматывание, упаковка.
В Украине основным нормативным документом с требованиями к плоскому прокату, оцинкованному путем горячего погружения, является гармонизированный европейский стандарт ДСТУ EN 10346. Детали по маркам стали, сортаменту и видам покрытия можно посмотреть в нашей публикации. Помимо листа и полосы, горячее цинкование применяют к различным видам металлических изделий, от маленьких деталей до крупногабаритных строительных конструкций.
Стойкость цинкового покрытия в разных условиях применения
О белой коррозии цинкового покрытия, которая может образоваться на этапе хранения и транспортировки оцинкованной продукции, я уже говорил в другой статье блога. Теперь поговорим о выносливости металлической защиты в конечных условиях эксплуатации.
Как уже отмечалось, использование цинковых сплавов в качестве антикоррозионной защиты обусловлено тем, что на их поверхности вследствие химического взаимодействия с окружающей средой формируются защитные пленки. Состав плёнок зависит от типа покрытия и вида среды эксплуатации. Поэтому правильный подбор защитного слоя под конкретные условия использования может существенно продлить жизнь металлоизделий. И наоборот.
На длительность защиты влияет как толщина покрытия, так и способ его нанесения. Например, электролитические и металлизированные покрытия имеют повышенную пористость и меньшую жесткость по сравнению со слоями, полученными горячим погружением. При этом они имеют более равномерный химический состав, без промежуточных интерметаллических слоев. И это также следует принимать во внимание, определяя вариант антикоррозионной обработки.
Ну и конечно одним из главных факторов, определяющих длительность службы оцинкованных изделий, является коррозионная среда, в которой они находятся. Это могут быть водные и химические растворы, различные почвы и агрессивные атмосферы. Для повышения стойкости продукции с цинковым слоем могут использоваться дополнительные лакокрасочные и другие изоляционные покрытия.
Атмосферная коррозия
Агрессивность атмосферы зависит от влажности, температуры, суточных и сезонных колебаний, загрязненности промышленными выбросами, количества и вида осадков. По степени загрязненности различают четыре вида атмосферы: морская, промышленная, городская, сельская. Скорость коррозии цинкового покрытия в этих условиях значительно отличается (см. таблицу ниже).
Скорость коррозии цинкового покрытия толщиной 40 мкм, полученного горячим погружением, в разных атмосферных условиях
| Вид атмосферы | Скорость коррозии, мкг/год |
|---|---|
| Промышленная | 5,5-11,0 |
| Морская | 2,3-7,0 |
| Городская | 2,8-5,6 |
| Сельская | 1,0-2,2 |
Коррозия в водных средах
Все природные водоемы содержат растворенные соли, газы, пыль, живые микроорганизмы и т.д. Доля этих компонентов варьируется в широких пределах и оказывает влияние на коррозионную активность водной среды. Кроме того, скорость коррозии покрытия зависит от температуры, продолжительности контакта, уровня рН, перемешивания и скорости движения воды.
Скорость коррозии цинкового покрытия, полученного горячим погружением, в водных средах
| Вид среды | Потеря массы образцов, г/м2 за 1 сутки |
|---|---|
| Дистиллированная вода (перемешивание) | 0,22 |
| Вода с рН = 4 (при движении) | 0,69 |
| Вода с рН = 10 (при движении) | 0,25 |
| Пары воды | 0,03 |
В этой статье описаны далеко не все области применения и коррозионные среды для оцинкованной продукции. В настоящее время изделия с цинковым покрытием востребованы в самых разных отраслях, от легких стальных тонкостенных строительных конструкций до использования в нефтегазовом и химическом секторах. Физические и химические свойства цинка и его сплавов, относительная простота технологий его нанесения и экономическая эффективность эксплуатации обусловливают целесообразность применения такого типа защиты стальной поверхности. А использование дополнительных пассивных или активных методов борьбы с коррозией еще больше повышает срок безаварийного использования металлоизделий.
