Наши друзья: свободный сокол чугун, в наличии.

Методы нанесения цинковых покрытий на крепежные изделия

 

 


1. Горячее цинкование


Это наиболее крупномасштабный способ нанесения цинковых покрытий на сталь. Покрытие наносится кратков­ременным погружением предварительно обезжиренных, протравленных либо механически очищенных крепежных изделий из черных металлов в ванну с рас­плавленным цинком (~500-520°С). Перед погружением в рас­плав цинка изделия подвергаются флюсованию и подготовительному разогреву. После извлечения из расплава изделия подвергают центрифугированию для удаления излишков цинка и охлаждению.

 

В России данный вид покрытия применительно к крепежу практически не распространен. Это обуславливается целым рядом факторов. Во-первых - с практической точки зрения он не выгоден производителям отечественного крепежа по причине достаточно сложной технологии и экологической небезопасности. Во-вторых - установка линии горячего цинкования метизов имеет слишком большой срок окупаемости и попросту не выгодна на отдельно взятом метизном заводе. А те немногие линии, появляющиеся сейчас на отечественных специализированных цинковальных предприятиях, абсолютно не предназначены для цинкования крепежа, так как их основное назначение - нанесение горячецинковых покрытий на мелкие элементы металлоконструкций. Поэтому крепеж, оцинкованный подобным способом, абсолютно не пригоден для использования: полнейшее несоответствие ГОСТам, неравномерность покрытия, наплывы, неконтролируемая толщина и т.д.

 

Однако во всем мире, в Европе, в первую очередь, при монтаже металлических конструкций горячеоцинкованный крепеж получил широчайшее распространение. По антикоррозионным свойствам он уступает лишь нержавеющему. Уникальность данного покрытия заключается в его способности создавать двойной антикоррозионный барьер - непосредственно в качестве оболочки и благодаря катодному восстановлению стали даже в случае повреждения цинкового слоя.

 

При монтаже металлоконструкций самым слабым участком являются, несомненно, их стыковые соединения, выполненные с использованием крепежных изделий. Основные нагрузки при изменениях температуры, внешних воздействий приходятся именно на места соединений. Поэтому жесточайшие требования, предъявляемые к данному виду крепежа, полностью оправданы. На сегодняшний день для этих целей используется отечественный крепеж без покрытия весьма удручающего качества. Кроме того, при монтаже металлоконструкций организация, его осуществляющая, несет колоссальные затраты, связанные с предварительной очисткой крепежа, обезжириванием, дробеструйной обработкой стыковых соединений, грунтовкой, покраской. Кроме экономической стороны при выполнении данных работ есть и огромная экологическая составляющаяя. Все вышеперечисленные работы наносят огромный вред экологии.

 

В последнее время проектировщики сооружений с использованием металлических конструкций стали рекомендовать к использованию высокопрочный крепеж, оцинкованный термодиффузионным методом. Он, несомненно, лучше метизов без покрытия, однако из-за несовершенства технологии и специфики самого покрытия его качество весьма далеко от требований заказчиков. Кроме того, крепеж с термодиффузионным покрытием не может использоваться без дополнительного лакокрасочного поверхностного слоя, так как на его поверхности не создается однородной цинковой оксидной пленки, выполняющей основную защиту от коррозии, как в случае с горячеоцинкованным крепежом. Но самое главное – данный вид покрытия подвержен межкрисаллитной коррозии, что при определенных условиях ведет к разрушению самого изделия.

 

Все вышеперечисленные проблемы полностью исключены при использовании горячеоцинкованного крепежа. Во-первых - крепежные изделия, оцинкованные горячим способом не нуждаются ни в какой дополнительной обработке. Срок эксплуатации данного крепежа без дополнительной защиты (покраски и т.д.) составляет 50-120 лет в зависимости от условий окружающей среды.

 

Его более высокая стоимость по сравнению с крепежом без покрытия полностью себя оправдывает и приносит дополнительную экономию еще на этапе сборки металлоконструкций.

 

Получаемое покрытие неоднородно по составу. На гра­нице цинк-сталь покрытие представляет собой слой интерме­таллидных соединений цинка с железом (диффузионный слой - FeZn7 и FeZn3). Вер­хний слой покрытия состоит из чистого цинка.

 

Толщина и качество получаемого покрытия зависят от температу­ры расплава, продолжительности погружения, скорости из­влечения из ванны и последующих операций удаления из­лишков расплава цинка.

 

На металлоконструкции цинк наносят толщиной 20-150 мкм, что достаточно для многолетней защиты от атмосферной коррозии. Этим способом можно покрывать изделия больших размеров, например, строительные металлоконструкции.

 

Слой покрытия, наносимый на метизные (крепежные) изделия, составляет, как правило, 20-70 мкм. При нанесении покрытия большей толщины изменяются физико-технические характеристики изделий, прежде всего, в местах сопряжения (болт-гайка), такие как: коэффициент закручивания, разрыв пары болт-гайка и т.д.

 

Непрерывное горячее цинкование реализовано в многотоннажных объемах при производстве листового проката, труб и проволоки на высокоскоростных автоматических ли­ниях. Развитие техники и технологии горячего цинкования позволило наладить производство тонколистовой холодно­катаной оцинкованной стали для автомобилестроения. При этом излишки цинка сдуваются с поверхности листа «пнев­матическими ножами» и получается покрытие малой толщи­ны (8-10 мкм), что облегчает последующую штамповку, свар­ку и окраску деталей кузова автомобиля.

 

В современных автомобилях 60-90% панелей кузова изго­тавливаются преимущественно из горячеоцинкованной стали.

 

 

2. Металлизация напылением


Металлизация производится распылением расплавлен­ного металла на покрываемую поверхность из специальных газопламенных или электродуговых пистолетов. Цинк в виде проволоки поступает в распылительный пистолет, расплав­ляется и пульверизируется на изделия. Расплавленные кап­ли цинка застывают на поверхности в виде множества мел­ких чешуек, формирующих покрытие.

 

Структура покрытия имеет вид отдельных пластинча­тых наслоений. Одним из важных условий прочного сцепле­ния покрытия с основой является достаточная шероховатость покрываемой поверхности, которая достигается пескоструй­ной обработкой или травлением.

 

По сравнению с горячим цинкованием для металлиза­ции напылением не требуется использования энергоемкого и крупногабаритного оборудования, например, ванн. Напы­ление цинка можно применять не только в цеховых, но и в полевых условиях практически всесезонно.

 

Метод применяется для защиты крупных металлоконструк­ций и для местной металлизации, при этом возможно избиратель­но регулировать количество нанесенного цинка и наносить покры­тия большой толщины ~250 мкм и более. К недостаткам метода следует отнести большие (до 35%) потери цинка при распылении.

 

Для уплотнения «металлизационных» цинковых покрытий и повышения их защитных свойств применяют после­дующую пропитку слоя различными защитными составами или используют органические грунтовки и лакокрасочные покрытия.

 

 

3. Термодиффузионное цинкование


Сущность метода (ранее процесс назывался «шерардизация») заключается в насыщении поверхности железа цин­ком и осуществляется при повышенных температурах в цинксодержащей смеси порошков. Покрытия могут наносится на низко- и высокоуглеродистые стали, а также чугуны.

 

При нагревании цинк диффундирует вглубь железа с образованием в поверхностном слое интерметаллидов Zn- Fe различного состава, составляющих основу термодиффу­зионного покрытия.

 

Процесс осуществляется в медленно вращающихся закрытых стальных барабанах с загрузкой нескольких сот килограммов деталей при температурах порядка 300~450°С. В результате химико-термических процессов, протекающих в течение 2-4 часов, происходит формирование довольно равномерного покрытия.

 

Химический состав стали не оказывает заметного вли­яния на толщину и структуру полученных покрытий, а ли­митирующей стадией цинкования является подвод порош­ковой смеси к поверхности изделия. Толщина получаемого покрытия регулируется составом и объемом подаваемой в барабан цинковой смеси, температурой и продолжительнос­тью процесса. Термодиффузионным способом наносят по­крытия толщиной 10-150 мкм.

 

Для улучшения внеш­него вида, повышения коррозионной стойкости и предотвращения вышеперечисленных проблем (межкристаллитная коррозия) для данного вида покрытия применяют обязательную финишную поверхностную обработку - нанесение лакокрасочного слоя.

 

Термодиффузионное цинкование в сочетании с дополнительной поверхностной обработкой применяют, главным образом, как альтернативу горячему цинкованию при дол­говременной защите от коррозии металлоизделий в строи­тельной индустрии. Однако экономия от его использования весьма сомнительна, а порой и опасна. Так как между производством крепежных изделий, оцинкованных подобным способом, и непосредственным их применением проходит некоторое время (влажность, влияние окружающей среды и т.д.), то на поверхности изделий образуется бурый налет (окисление железа) - первый признак начавшейся межкристаллитной коррозии. Поэтому данные изделия перед применением необходимо подвергать предварительной обработке, схожей с подготовкой крепежа без покрытия и покрывать лакокрасочным слоем для дальнейшей защиты.

 

 

4. Цинкнаполненные покрытия


К цинкнаполненным покрытиям отнесятся покрытия на основе неорганического или органического связующего с большим содержанием в нем высокодисперсного цинкового порошка. Бла­годаря высокому содержанию порошка цинка в сухой пленке (как правило, не менее 80%), цинкнаполненные покрытия в некоторой степени проявляют по отношению к стали анодные свойства. Вме­сте с тем, цинкнаполненным покрытиям присущ и типичный для лакокрасочных покрытий барьерный механизм защиты.

 

В качестве неорганического связующего широко при­меняют этилсиликатные композиции. Органические связу­ющие представляют собой смолы, входящие в состав тради­ционных лакокрасочных материалов - уретановые, эпоксид­ные, акриловые или кремнийорганические. Таким образом, в цинкнаполненных покрытиях суммируются достоинства цинковых металлических и лакокрасочных покрытий. Тол­щины покрытий обычно составляют десятки микрон. Высо­кие защитные свойства позволяют применять цинкнаполнен­ные покрытия в случаях, когда нанесение цинковых покры­тий традиционными методами практически трудноосуще­ствимо или экономически невыгодно. Примерами стальных конструкций, защищаемых от коррозии такими покрытия­ми, могут служить резервуары для хранения воды, металло­конструкции и оборудование нефтегазового комплекса, ра­ботающие в агрессивных условиях. Цинкнаполненные покры­тия являются достойной альтернативой горячему или тер­модиффузионному цинкованию.

 

Фирмой «Diamond Shamrock Corp.» (США) разработан способ защиты от коррозии стальных деталей, в основном крепежа, цинкнаполненным покрытием под названием «Dacromet 320» (Дакромет 320). 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 80°С 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.

 

Дальнейшим развитием цинкнаполненных покрытий явились так называемые «цинкламельные покрытия» с до­полнительными слоями, не содержащими шестивалентного хрома. 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 их окунания в высокодисперсную суспензию цинкового и алюминиевого порошков, имеющих форму чешуек, в связующем материале или напыления суспензии на детали с последующим их нагревом 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. Малый размер частиц делает возможным на­носить цинкламельные покрытия толщиной 4-8 мкм, кото­рые применяют в автомобилестроении. Более толстые по­крытия применяют для нанесения на детали и элементы строительных конструкций.

 

Покрытие обладает электропроводящими свойствами, его более электроотрицательный потенциал по отношению к стали создает электрохимическую защиту в дополнение к барьерной.

 

Основной недостаток данных видов покрытия - их высокая хрупкость и недостаточно хорошее сцепление с поверхностью изделий по сравнению с горячим и термодиффузионным цинкованием (в обоих случаях создается промежуточный интерметаллидный слой Fe-Zn).

 

 

5. Механическое цинкование


Механическое цинкование относится к «бестоковым» спо­собам нанесения металлических покрытий и применяется в тех случаях, когда требуется хорошая антикоррозионная защита деталей и необходимо предотвратить их наводороживание, ко­торое обычно сопровождает электрохимическое цинкование.

 

Механически нанесенные цинковые покрытия в насто­ящее время нашли применение в промышленности и вклю­чены в спецификации автомобильных фирм, согласно кото­рым для стальных деталей с прочностью более 1000 Н/мм2 рекомендуется применять «бестоковые» способы цинкова­ния, при нанесении которых не происходит наводорожива­ние покрываемых деталей.

 

Принцип цинкования заключается в механическом вза­имодействии в водной среде покрываемой поверхности, высокодисперсных (2-5 мкм) частичек цинка, находящихся во взвешенном состоянии, и стеклянных шариков. Процесс осу­ществляется в барабанах или колоколах, куда последователь­но загружаются покрываемые детали, стеклянные шарики и кислый водный раствор химических веществ. Сюда же до­зируется цинковый порошок. При вращении барабана мик­ронные частицы цинка прижимаются стеклянными шарика­ми к металлической основе изделия. В местах их соприкос­новения с основой возникает высокое контактное давление и образование адгезионных связей.

 

Определяющую роль в нанесении механических покры­тий играют органические вещества, содержащиеся в водных растворах, в которых на поверхности покрываемых метал­лов возможно образование тонких адсорбционных плёнок. К таким веществам относятся амины, амиды, продукты кон­денсации с окисью этилена, четвертичные алифатические соли аммония, простые и сложные ароматические эфиры, спирты, альдегиды и ряд других.

 

Для улучшения адгезии цинкового покрытия с основой на изделие предварительно наносят химическим способом тонкий промежуточный слой (менее 1 мкм) более «благород­ных» металлов - меди и олова.

 

В кислом растворе цинковый порошок частично раство­ряется и на поверхности частиц выделяется водород, кото­рый в виде газа удаляется из раствора. Специально вводимые в раствор ингибиторы тормозят бурное взаимодействие цин­ка с кислым раствором и снижают выделение водорода, а под­слой меди препятствует диффузии атомарного водорода в стальную основу. Таким образом, при механическом цинкова­нии не происходит наводороживания основы, не возникает водородная хрупкость высокопрочных и закаленных сталей и отпадает необходимость в операции «обезводороживание».

 

Цинкование осуществляется в автоматических лини­ях или в однопозиционных колокольных установках, обслу­живаемых ручным способом. Полученные покрытия можно хроматировать (пассивировать) и по коррозионной стойкос­ти в солевом тумане они не уступают традиционным гальва­ническим покрытиям.

 

Механически нанесенные цинковые покрытия толщиной 7-12 мкм применяют в различных отраслях машиностроения для защиты от коррозии деталей из высокопрочных и закален­ных, а также малоуглеродистых сталей. Для применения в стро­ительстве толщина покрытия может быть 25 мкм и более.

 

 

6. Электролитическое цинкование


Электролитическое цинкование в настоящее время яв­ляется широко распространенным способом и применяется практически во всех областях промышленности для защиты от коррозии разнообразных металлических изделий, таких, как болты, гайки, шайбы, всевозможные крепежные и конструкционные элементы. Электролитическим способом цинк наносят также на холоднокатаные тонколистовые стали.

 

Это наиболее рациональный и экономичный способ цин­кования, позволяющий в широком диапазоне регулировать толщину и свойства осажденного слоя цинка.

 

Электролитические цинковые покрытия, как правило, без финишной обработки не применяются. Под финишной обработкой подразумевается создание на поверхности цин­ка конверсионных пленок - хроматных, фосфатных и их раз­новидностей, а также дополнительная пропитка конверсион­ных пленок уплотняющими составами и/или нанесение на конверсионные плёнки органических полимерных пленок.

 

Существенно более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с покрытиями на основе чистого цинка облада­ют электролитические сплавы цинка Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Fe и другие с последующей финишной обработкой.

 

Варианты конструкций финишной обработки покрытий из цинка и его сплавов становятся все более разнообразными и область применения электролитического цинкования по­стоянно расширяется.

 

Толщина цинковых покрытий регламентируется в за­висимости от назначения, условий и срока эксплуатации в соответствии с ГОСТ 9.303-84 и колеблется в широких преде­лах - от 3 до 40 мкм. Например, для легких условий эксплуа­тации толщина покрытия составляет 6-9 мкм, для средних и жестких - 15-21 мкм, для особо жестких условий - 24-40 мкм. Толщина покрытия может быть уменьшена при использова­нии дополнительной защиты, наносимой поверх конверсион­ных пленок. К сожалению, данный ГОСТ не предусматривает регламентацию коррозионной стойкости в качестве критерия соответствия покрытия выбранным условиям эксплуатации, как это имеет место во многих инженерных стандартах.

 

В автомобилестроении, например, минимальная толщи­на цинкового покрытия обычно устанавливается в пределах 6-15 мкм, в некоторых специальных случаях она может быть увеличена до 20-25 мкм. Главным критерием при этом явля­ется коррозионная стойкость покрытия, измеряемая в камере солевого тумана по ГОСТ 9.308-85 (или американским ASTM В-117, германским DIN 50021 и другими национальными стан­дартами). Важно отметить, что при одной и той же толщине покрытия, его фактическая коррозионная стойкость в зави­симости от состава покрытия, вида конверсионной пленки и дополнительной защиты может различаться в несколько раз.

 

Ни один из вышеперечисленных способов цинкования - погружение в расплав, диффузионный, механический, электро­литический или нанесение цинкнаполненных составов - не яв­ляется универсальным. Все они в какой-то мере взаимно допол­няют друг друга и позволяют решать разнообразные техничес­кие задачи, связанные с защитой изделий от коррозии и прида­ния их поверхности необходимых функциональных свойств.

 

 

­


* В статье использованы материалы из книги Окулова В.В.