Цинковое покрытие

Цинк — самое распространенное антикоррозийное покрытие. Широкое применение для защиты стальных и чугунных изделий обусловлено 2 причинами:

  • Высокая природная стойкость самого цинка вследствие образования на цинке в коррозийной среде защитных пленок из продуктов коррозии;
  • Высокая анодность защиты стали в атмосферных условиях и в пресной воде при температурах до 70oC, но при высоких температурах, в агрессивных средах защищает сталь только механически, превращаясь из анодного в катодное покрытие.

Защитные свойства цинковых покрытий определяются как их толщиной, так и методом их нанесения.

Методы нанесения цинка:

  1. Электролитический (гальванический) метод нанесения цинка (холодное оцинкование)

    Холодное оцинкование — это нанесение на подготовленную поверхность приемами, используемыми в работе с обычными красками, специального цинксодержащего состава, в результате чего образуется покрытие, обладающее теми же антикоррозийными свойствами, что и полученное методом горячего оцинкования.

    Преимуществами данного метода оцинкования по сравнению с горячим оцинкованием являются:

    • Отсутствие ограничений по размерам крепежа;
    • Высокая адгезия цинкового покрытия с ЛКМ, в т. ч. с порошковыми красками;
    • Высокая степень чистоты осажденного цинка обеспечивает повышенную химическую стойкость.

    Недостатки метода холодного оцинкования:

    А. По сравнению с методом горячего оцинкования и термодиффузионным оцинкованием, низкая толщина покрытия (5-35мкм), что снижает коррозийную устойчивость покрытия, полученного электролитическим методом.

    Б. По сравнению с термодиффузным оцинкованием, существует возможность наводораживания и как следствие охрупчивание основного защищаемого материала (водородное охрупчивание)

  2. Горячий метод оцинкования

    Горячий способ оцинкования заключается в погружении предварительно подготовленных изделий, после обезжиривания, промывки, травления, в расплавленный цинк при температуре 450 – 480۫C. Образование покрытия основано на хорошем смачивании железа и его сплавов цинком.

    Основным преимуществом данного метода оцинкования по сравнению с электролитическим заключается в более высокой коррозийной устойчивости покрытия, поскольку горячий способ позволяет получить покрытие большой толщины (от 40 – 150 мкм).

    Недостатки метода горячего оцинкования:

    А. По сравнению с методом электролитического оцинкования и термодиффузионным оцинкованием, толщина покрытия на отдельных участках из-за наплывов колеблется в значительных пределах (40 – 150 мкм) и точная регулировка толщины этого покрытия невозможна. Горячий способ не может быть применен для покрытия изделий с точными допусками и в тех случаях, когда высокая температура может изменить свойства крепежа.

    Б. По сравнению с термодиффузным оцинкованием, существует возможность наводораживания и как следствие охрупчивание основного защищаемого материала (водородное охрупчивание).

    В. Низкая адгезия горячеоцинкованного покрытия с ЛКМ, в т. ч. с порошковыми красками.

    Водородное охрупчивание

    Как горячее оцинкование, так и электролитическое оцинкование может привести к значительному снижению прочности креплений. Такая ситуация получается при проникновении водорода в металл, что и приводит к водородному охрупчиванию. Это проявляется в образовании внутри стали растрескивания и пористости. Вследствие опасности водородного охрупчивания крепления класса прочности 10.9 и выше не рекомендуется подвергать электролитическому оцинкованию. Прочные крепления следует подвергать температурной обработке сразу же после электролитического оцинкования с целью удаления водорода.

    Тем не менее, гарантировать полное удаление водорода с помощью температурной обработки нельзя.

    Травление, выполняемое перед горячим оцинкованием, также может привести к проникновению в сталь водорода.

  3. Метод термодиффузионного оцинкования

    Термодиффузионное цинковое покрытие является анодным по отношению к стали, обеспечивая электрохимическую защиту стали. Покрытию подвергаются изделия из углеродистой стали стандартного качества, качественной конструкционной углеродистой, низколегированной стали и чугуна.

    Суть технологии термодиффузионного оцинкования состоит в том, что антикоррозийное покрытие формируется в результате насыщения цинком поверхности металлических изделий в порошковой среде при температуре 290-450 oC, причем выбор температурного режима зависит от типа стальных изделий от типа стальных изделий и марки стали. Такая технология позволяет получить любую толщину покрытия в диапазоне от 6 до 110 микрон по требованию заказчика без изменения технологического процесса. Процесс происходит в закрытом контейнере с добавлением к обрабатываемым деталям специальной насыщающей смеси. Пассивация (финишная обработка деталей) является обязательной частью процесса термодиффузионного оцинкования. Пассивация предназначена для предотвращения образования белых продуктов коррозии на поверхностях, подвергаемым воздействию атмосфер с высокой влажностью, соленой воды, морских атмосфер или циклам конденсации и высыхания.

    Преимущества метода термодиффузионного оцинкования по сравнению с методом горячего оцинкования:

    • Возможность получения покрытия на резьбовых деталях и деталях сложной формы равномерного по толщине и точно повторяющего конфигурацию изделия. Плюсом также является отсутствие каких-либо наплывов цинка в местах углублений или соединений. Данное преимущество исключает необходимость снимать покрытие с внутренней резьбовых частей(гайка), как это делается после обработки горячим цинком.
    • Антикоррозийная стойкость в 1,5-2 раза выше, чем при электролитическом оцинковании.
    • Отсутствие водородного охрупчивания позволяет использовать термодиффузионное покрытие для оцинковывания крепежа с высоким классом прочности 10.9 и выше без риска снижения качественных характеристик изделия, что важно, когда изделие используется в ответственных конструкциях.
    • Высокая адгезия цинкового покрытия с ЛКМ, в т. ч. с порошковыми красками.
    • Высокая точность нанесения покрытия позволяет применять термодиффузионное оцинкование для покрытия изделий с точными допусками, например с мелкими диаметрами.
    • Высокая износостойкость покрытия позволяет сохранять качество изделия, подвергаемого частой сборке-разборке.

    Преимущества метода термодиффузионного оцинкования по сравнению с электролитическим (гальваническим) методом:

    • Антикоррозийная стойкость в 3-5 раз выше, чем при горячем оцинковании.
    • Отсутствие водородного охрупчивания.
  4. Другие методы оцинкования

    DACROMET 320 («Dacral», «Geomet»)

    Цинконаполненные покрытия под названием «Dacromet 320» (Дакромет 320) были разработаны фирмой «Diamond Shamrock Corp.» (США). Покрытие наносится методом погружения деталей в суспензию цинковых частиц в водном растворе органических и неорганических компонентов. После удаления излишков суспензии центрифугированием для окончательного формирования покрытия детали подвергаются ступенчатому нагреву, начиная с 80oС и до завершающей температуры 300°С.

    Особенность покрытия «Дакромет 320» заключается в наличии цинковых частичек микронных размеров в виде хлопьев, предварительно обработанных в хроматном растворе и плотно связанных между собой неорганическим связующим. Толщина сухого покрытия составляет 8-10 мкм. Покрытие имеет серебристо-серый вид и, благодаря наличию в системе хроматов, обладает высокой коррозионной стойкостью — порядка 500 в нейтральном соляном тумане, что незначительно превышает антикоррозийную устойчивость изделий, полученных электролитическим способом.

    Преимущества метода относительно методов электролитического и горячего оцинкования заключается в отсутствие водородного охрупчивания. Данный метод не обладает преимуществами относительно термодиффузионного оцинкования.

    Цинкламельные покрытия

    Система ламельного цинкового покрытия включает в себя базовый слой, состоящий из тонких алюминиевых и цинковых чешуек (ламелей) и, при необходимости, один или несколько дополнительных слоев, придающих покрытию специальные свойства: фрикционные, коррозионную и химическую стойкость, цвет и другие.

    Цинкламельное покрытие наносят на предварительно подготовленную поверхность деталей путем окунания в высокодисперсную суспензию цинкового и алюминиевого порошков, имеющих форму чешуек, в связующем материале или ее напыления с последующим нагревом деталей до 240°С для сушки и отверждения. Сформировавшееся базовое покрытие содержит более 70 % цинкового и до 10 % алюминиевого порошка, а также связующий органический материал. Оно состоит из множества слоев алюминиевых и цинковых частиц толщиной менее микрометра и шириной около 10 мкм, расположенных параллельно друг другу и покрываемой поверхности, соединенных связующим компонентом. Коррозионная стойкость покрытий свыше 700 часов в нейтральном соляном тумане, что незначительно превышает антикоррозийную устойчивость изделий, полученных электролитическим способом.

     

    Цинкламельное покрытие

    (тип 1)

    Цинкламельное покрытие

    (тип 2)

    Электролитическое оцинкование + пассивирование

    Горячее оцинкование

    Электрическая защита

    Проводящий

    Изолирующий

    Проводящий

    Проводящий

    Опасность водородного охрупчивания

    Нет

    Нет

    Да

    Да

    Хром (6-валентный)

    Нет

    Нет

    Да

    Да

    Коэффициент трения

     0,08-0,14

    Да

    Да

    Нет

    Нет

    Устойчивость к кислотным щелочам

    Нет

    Да

    Нет

    Нет

    Механическое оцинкование

    Химико-механический метод нанесения покрытия. Детали, на которые наносится покрытие, помещаются вместе с гранулами и цинковым порошком в специальный барабан, в котором цинк наносится на поверхность деталей с помощью холодной сварки.

    В результате механического оцинковывания деталь приобретает свойства аналогичный как при электролитическом оцинковании. Преимущество данного метода в сравнении с электролитическим заключается в отсутствии опасности водородного охрупчивания при его применении.

    Эксплуатация крепежа с цинковым покрытием

    Практический опыт использования крепежа с покрытием позволяет определить средние ежегодные объемы разрушения цинкового покрытия в зависимости от условий эксплуатации, которые справочно представлены в таблице.

    Таблица
    Ежегодный размер разрушения цинкового покрытия стального крепежа от поверхностной коррозии в зависимости от среды эксплуатации

    Окружающая среда Ежегодное разрушение цинкового покрытия, в мкм
    Помещение 1,0-2,0
    Сельская местность 1,3-2,5
    Крупные города 1,9-5,6
    Промышленные районы 6,4-19
    Морское побережье 2,2-7,2

    Среда эксплуатации стального крепежа с цинковым покрытием может быть классифицирована в зависимости от толщины цинкового покрытия.

    Таблица
    Классификация цинкового покрытия в зависимости от толщины цинкового покрытия

    Классификация цинкового покрытия (среда эксплуатации) Толщина цинкового покрытия, в мкм
    0 «Крайне легкие» (Используется в качестве декоративного покрытия в условиях отсутствия нагрузки) 3-5
    1 «Легкие» (Эксплуатация в теплом сухом помещении) 5-8
    2 «Средние» (Эксплуатация в помещении в условиях возникновения конденсата) 8-12
    3 «Жесткие» (Эксплуатация в умеренном климате) 12-25
    4 «Очень жесткие» (Эксплуатация в агрессивной окружающей среде (промышленные районы, морское побережье) 25