Продовжуючи тему використання захисних покриттів, пропоную розглянути найпопулярніші з них. Подивимося, яким чином наноситься той чи інший протекторний шар та як саме забезпечується захист сталевої продукції від шкідливих впливів навколишнього середовища. Сьогодні в нашому фокусі буде знаходитися один з беззаперечних лідерів такого застосування – металеве покриття на основі цинку та його сплавів.
Ми неодноразово розповідали про цинкування металу та оцинковану продукцію на сторінках нашого сайту. В певних частинах цієї статті я буду посилатися на вже опубліковані матеріали, щоб не повторюватися. Сьогоднішньою статтею спробуємо відповісти ще на декілька питань. По-перше, розберемося, чому цинковий захист став таким популярним у промисловості та побуті. По-друге, з’ясуємо, які методи оцинкування підходять для тих чи інших напрямків використання. Ну і по-третє, уточнимо, від чого залежить стійкість цинкового покриття та як можна подовжити термін служби оцинкованих сталевих виробів. Тож, якщо в аудиторії немає питань та додаткових побажань, я починаю.
Чому саме цинк?
Цинкування (англ. zinccoating, galvanizing) – процес нанесення на поверхню металевого виробу шару цинку (Zn) або його сплаву. Метою такого заходу є надання поверхні певних фізико-хімічних властивостей, зокрема підвищення опору корозії. Оцинкування виробів з заліза та його сплавів є найекономічнішим методом їхнього антикорозійного захисту. Левова частка всього цинку, що видобувається у світі, йде саме на це. Цинкове покриття наносять на листовий метал, сталеву стрічку, деталі машин, трубопровідну арматуру, будівельні металоконструкції, дріт та іншу продукцію.
Тож чому цинк такий класний? На це питання є декілька відповідей:
- Цинк забезпечує як бар’єрний захист від корозії, так і катодний (жертовний). Як більш реактивний метал (цинк має більш низький потенціал у гальванічному ряді порівняно зі сталлю), він «жертвує» собою, кородуючи першим, тим самим захищаючи сталеву основу. При цьому цинк утворює стабільну щільну плівку, що складається з гідроксидів та карбонатів. Вона блокує подальше окиснення глибших шарів покривного матеріалу.
- Цинк має «самовідновлювальні» властивості: навіть якщо цинкове покриття пошкоджене або подряпане, цинк продовжує захищати прилеглі ділянки сталі, кородуючи переважно сам, завдяки чому сталь залишається неушкодженою.
- Швидкість кородування такого захисного шару відносно низька: цинк кородує у 10–100 разів повільніше, ніж сталь, забезпечуючи тривалішу експлуатацію, особливо в атмосферних умовах. Авжеж, довговічність захисту залежить від того, яка товщина цинкового покриття, який спосіб нанесення покриття використовується та де конкретно використовується виріб.
- Покриття цинком має відмінне співвідношення «ціна-якість-тривалість захисту». Хоча початкові витрати на виготовлення оцинкованого виробу вищі за аналог з незахищеної вуглецевої сталі, збільшена довговічність зменшує витрати на подальші заміни та ремонти. Цинковий шар потребує мінімального догляду, це економить час та витрати на технічне обслуговування.
- Сталева продукція з цинковим покриттям підходить як для внутрішніх, так і для зовнішніх умов, навіть у суворих промислових або морських середовищах. Тому вона широко використовується в інфраструктурних проєктах (мости, покрівля, лінії електропередач, дорожні огорожі, каркаси сонячних електростанцій тощо) та в інших напрямках, де присутній агресивний вплив навколишнього середовища та потрібен надійний захист від корозії.
Зазначу, що ця стаття не стосується методів антикорозійного захисту металевих поверхонь шляхом нанесення спеціальних цинковмісних сумішей (фарб або ґрунтовок з високим вмістом цинку) за звичайної температури. Це так зване холодне цинкування дозволяє захищати метал на місці монтажу пензлем чи розпилювачем, але не забезпечує отримання міцного дифузійного або механічного зв’язку захисного шару зі сталевою основою. Відповідно, це покриття менш стійке до пошкоджень у порівнянні з металевим захистом, отриманим іншим способом. Його довговічність залежить від якості очищення поверхні перед нанесенням та навичок операторів.
Промислові способи оцинкування
Всі ключові методи нанесення цинкового покриття, їхні плюси та мінуси були розглянуті на нашому сайті (для ознайомлення перейдіть за цим посиланням). На промислових підприємствах найбільш розповсюдженими є електролітичне оцинкування (англ. electrogalvanizing) та нанесення цинкового покриття зануренням у розплав (англ. hot-dipgalvanizing). Саме на них зупинимося детальніше.
Електролітичне цинкування
Виробництво електролітично осаджених металевих покриттів, тобто шарів, отриманих у результаті пропускання струму через електроліт, широко використовується промисловістю. Основою, для якої застосовують гальванічний метод, може бути не тільки сталь, а й інші чорні та кольорові метали/ сплави (в тому числі ті, які непридатні для покриття шляхом гарячого занурення). Товщина електролітичних покриттів зазвичай невелика, становить від 2,5 до 15 мікронів й поступається показникам, отриманим гарячим зануренням. Для отримання товстіших шарів необхідно залучати додаткові технологічні операції, що підвищує й без того немалу собівартість виробництва. В якості гальванічних покриттів для сталі, окрім цинку, найчастіше використовують хром, кадмій, олово, нікель, мідь та їхні сплави.
Гальванічне цинкування застосовується для листового та рулонного сталевого прокату, дроту, болтів та інших метизів та металовиробів. Перевагою методу є можливість формування цинкового шару в важкодоступних місцях, а також на виробах складної форми. Покриття має рівномірну товщину та не вміщує крихких прошарків, що надає переваги під час штампування, профілювання та інших видів формозмінювання. До того ж виріб після гальванізації має гладку матову поверхню, яка дуже добре фарбується.
Гальванічне оцинкування металовиробів (умовна схема процесу)
Електролітично оцинкований лист та рулон завдяки зазначеним вище особливостям використовується перш за все в автомобільній промисловості та інших напрямках машинобудування. В виготовленні металоконструкцій з підвищеним рівнем антикорозійного захисту, які працюють в надскладних атмосферних умовах, така продукція не застосовується через недостатню товщину покриття та високу вартість.
Гаряче цинкування
Технологія гарячого цинкування металузануренням у розплав є дуже поширеним процесом для захисту сталевого прокату та конструкцій будівельного призначення. Розплавлений цинк знаходиться у ванні за температури біля 450 °C, що забезпечує рідкоплинність розплаву. Процес цинкування має бути ретельно контрольованим, щоб максимально уникнути утворення та налипання крихких часток сплаву (гартцинку). Товщина сформованого на поверхні бар’єрного шару визначає ступінь захисту від корозії та тривалість експлуатації.
Вироби, оцинковані методом гарячого цинкування, характеризуються високою стійкістю до корозії, гарною зварюваністю та формованістю. Основними сферами застосування є будівництво, машинобудування та виробництво побутової техніки. Товщина покриття становить від 5 до 70 мікронів. Окрім цинку, гарячим зануренням можна наносити й інші матеріали, серед яких сплави цинк-алюміній, алюміній-кремній, алюмоцинк та інші.
Гаряче оцинкування сталевої штаби (умовна схема процесу)
Зокрема, технологія гарячого оцинкування плоского прокату включає наступні етапи:
- Підготовка основи: хімічне, електрохімічне та механічне очищення (травлення металу, флюсування, обробка щітками тощо), промивання, сушіння, відпал;
- Занурення у цинковий розплав;
- Здування зайвого цинку з поверхні та охолодження захисного шару;
- Фінішна обробка: правка, нанесення пасивуючих та протекційних матеріалів, сушіння, змотування, пакування.
В Україні основним нормативним документом з вимогами до плоского прокату, оцинкованого шляхом гарячого занурення, є гармонізований європейський стандарт ДСТУ EN 10346. Деталі щодо марок сталі, сортаменту та видів покриття можна подивитися в нашій публікації. Такий захист металу застосовують не тільки для листових напівфабрикатів, але й до готових деталей. Спеціалізовані агрегати можуть навіть виконувати гаряче цинкування металоконструкцій великих габаритів в зборі.
Стійкість цинкового покриття в різних умовах використання
Про білу корозію цинкового покриття, яка може утворитися на етапі збереження та транспортування оцинкованої продукції, я вже розказував в статті блогу. Тепер поговоримо про витривалість металевого захисту в кінцевих умовах експлуатації.
Як я вже зазначав, використання цинкових сплавів в якості антикорозійного захисту обумовлене тим, що на їхній поверхні внаслідок хімічної взаємодії з навколишнім середовищем формуються захисні плівки. Склад плівок залежить від типу покриття та виду середовища експлуатації. Тому правильний підбір захисного шару під конкретні умови використання може суттєво подовжити життя металовиробу. І навпаки.
На тривалість захисту впливає як товщина покриття, так й метод його нанесення. Наприклад, електролітичні та металізаційні покриття мають підвищену пористість та меншу твердість у порівнянні з шарами, отриманими гарячим зануренням. При цьому вони мають більш рівномірний хімічних склад, без проміжних інтерметалічних прошарків. І це також треба брати до уваги, визначаючи варіант антикорозійної обробки.
Ну й авжеж одним з головних чинників, що визначають довготривалість служби оцинкованих виробів, є корозійне середовище, в якому вони знаходяться. Це можуть бути водні та хімічні розчини, різноманітні грунти та агресивні атмосфери. Для підвищення стійкості продукції з цинковим шаром можуть застосовуватися додаткові лакофарбові та інші ізоляційні покриття.
Атмосферна корозія
Агресивність атмосфери залежить від вологості, температури та її добових і сезонних коливань, забрудненості промисловими викидами, кількості та виду опадів. За ступенем забрудненості розрізняють чотири види атмосфери: морська, промислова, міська, сільська. Швидкість корозії цинкового покриття в цих умовах суттєво відрізняється (див. таблицю нижче).
Швидкість корозії цинкового покриття товщиною 40 мкм, отриманого гарячим зануренням, в різних атмосферних умовах
| Вид атмосфери | Швидкість корозії, мкг/рік |
|---|---|
| Промислова | 5,5-11,0 |
| Морська | 2,3-7,0 |
| Міська | 2,8-5,6 |
| Сільська | 1,0-2,2 |
Корозія в водних середовищах
Всі природні водойми вміщують розчинені солі, гази, пил, живі мікроорганізми тощо. Доля цих компонентів варіюється в широких межах й впливає на корозійну активність водного середовища. Крім того, швидкість корозії покриття залежить від температури, тривалості контакту, рівню рН, перемішування та швидкості руху води.
Швидкість корозії цинкового покриття, отриманого гарячим зануренням, в водних середовищах
| Вид середовища | Втрата маси зразків, г/м² за 1 добу |
|---|---|
| Дистильована вода (перемішування) | 0,22 |
| Вода з pH = 4 (при русі) | 0,69 |
| Вода з pH = 10 (при русі) | 0,25 |
| Пари води | 0,03 |
Джерело: «Цинкування. Довідник», 1988 рік
В цій статті описані далеко не всі сфери застосування та корозійні середовища для оцинкованої продукції. Наразі вироби з цинковим покриттям затребувані в самих різних галузях, від легких сталевих тонкостінних будівельних конструкцій до використання в нафтогазовому та хімічному секторах. Фізичні та хімічні властивості цинку та його сплавів, відносна простота технологій його нанесення та економічна ефективність експлуатації обумовлюють доцільність застосування такого типу захисту сталевої поверхні. А використання додаткових пасивних або активних методів боротьби з корозією ще більше підвищує термін безаварійного використання металовиробів.
