Способы получения оцинкованного металла

Содержание:

1. История возникновения
2. Цинкование металлоизделий
3. Сравнительные характеристики
4. Какие металлы можно цинковать?
5. Основные методы

1. Метод Кука – Нортмана
2. Метод Сендзимира
3. Гальваническое
4. Термодиффузионное

Коррозийные процессы являются неотъемлемой частью жизни на земле. Они протекают в водной среде: в море, реке, океане или ином водоеме, в разных слоях почвы, а также под действием блуждающего тока и в средах, имеющих различные показатели рН. Коррозия металла, на сегодняшний день, является одной из самых серьезных проблем в современном мире, приводящей к существенным потерям в экономике.

Одним из самых эффективных способов борьбы с этой напастью, является покрытие цинком металлоизделий. Эти методики довольно востребованы, в силу своей продуктивности и минимальной стоимости.

История возникновения

Впервые процесс цинкования был опробован в Европе, в восемнадцатом веке. Способ нового покрытия пришел в голову французскому химику П. Дж. Мелуину. Идея была в следующем: в большую емкость с расплавленным цинком помещалось железо, в результате реакций на его поверхности образовывалось новое покрытие, красивого серебристого оттенка. Сравнительно недорогой метод стал довольно популярным в кратчайшие сроки. Его стали применять для защиты бытовых вещей, посуды, украшений и прочего. После удачного представления изобретения во Французской Королевской Академии, способ стали активно использовать во многих сферах.

Цинкование металлоизделий

На поверхность черных и цветных сплавов металлов наносится микроскопический слой цинка, обеспечивающий высокие защитные свойства от коррозии. Помимо долговременного защитного барьера, Zn обладает такими положительными свойствами:

• не снижает характеристик материалов;
• дает возможность изменять размер покрытия, его внешние данные;
• имеет сравнительно невысокую стоимость обработки.

Широкая область использования оцинкованных изделий в производстве различных машин, строительной сфере, пищевой и прочих промышленных отраслях, обусловлена доступностью Zn, который дает оптимальный электрохимический барьер Fe и его сплавам, при функционировании вместе с ним. При негативном воздействии извне, покрытие из цинка очень медленно разрушается, мгновенно образуя на поверхности специальную пленку их химических соединений. Подобная защита хорошо предохраняет более глубокие слои металлоизделий от пагубного коррозийного воздействия. Барьерный слой, наносимый на металлопрокат, отличается от, например, лакокрасочных покрытий долговечностью и износостойкостью.

Сравнительные характеристики

Рассмотрим более подробно сравнительный анализ оцинковки и неоцинкованной стали с лакокрасочным покрытием. Безусловно, первая обладает лучшими характеристиками:

• более долговечна;
• оптимальный уровень антикоррозийных свойств;
• хорошая стойкость к износу, механическим повреждениям;
• показатель инертности к ультрафиолетовому излучению довольно высок;
• низкая себестоимость;
• средний уровень по свариваемости и возможности пайки изделий.

Показатели металлов, имеющих лакокрасочное покрытие гораздо скромнее. Они среднего, либо низкого уровня. А возможность проводить сварочные работы, а также пайку, полностью отсутствует.

Какие металлы можно цинковать?

Чаще всего оцинкованию подвергаются железоуглеродистые сплавы, но иногда и иные металлы. Рассмотрим более детально, какие же это сплавы.

1. Медь. По своей природе Сu в чистом виде и в сплавах имеет довольно высокий уровень стойкости к коррозии. Она устойчива к влиянию как пресной, так и морской воды, спиртосодержащих элементов, разбавленных солевых и щелочных растворов. По - большому счету, цинкование меди и ее сплавов происходит для усовершенствования внешнего вида металла, улучшения его декоративных свойств. Современное оборудование и усовершенствованная технология производства дают возможность получить разнообразную палитру оттенков золотого цвета. Изделия из меди, которые планируется использовать в агрессивных средах, таких как: аммиачная, в соединениях цианида, в серной, азотной кислоте и прочих, оцинковывают для усиления антикоррозийных свойств.
2. Алюминий. Этот химический элемент обладает отрицательно заряженным равновесным потенциалом, с защитной пассивирующей пленкой собственных окислов, которая предохраняет поверхность металла от воздействия вредных веществ и влажной среды. Цинкование Al носит защитный характер от электрохимической коррозии, путем увеличения наружного слоя.
3. Чугун. Эти железоуглеродистые сплавы металлов имеют различный химический состав. В связи с чем, они допускают разную реакцию на влажную среду (пресную, соленую), в щелочных и кислотных растворах имеют низкую стойкость к коррозии. Поэтому, в этом случае, создание барьерного слоя служит отличной защитой. В настоящее время цинкование чугуна происходит с использованием электролитов из аммиака. Конверсионная пленка в этом случае получает вариации цвета: от черного, либо оливкового до полностью прозрачного.
4. Сталь. Благодаря стабильному гальваническому соединению железа и цинка, могут применяться различные методы и технологии цинкования. Стальные детали и конструкции широко используются в энергетической сфере, строительной отрасли и различных секторах промышленности. Однако, даже при наличии имеющихся в составе легирующих элементов, изделия из стали могут подвергаться коррозии. Поэтому из них делают оцинковку для улучшения некоторых качественных характеристик и увеличения срока эксплуатации.

Основные методы

Для нанесения цинкового покрытия на поверхность металлоизделия, его опускают в расплавленный металл при помощи гальванического, термодиффузионного, либо иного метода. Технологический процесс обусловлен следующими факторами: прочностными характеристиками полученного защитного слоя, конструктивными свойствами, областью применения и условиями эксплуатации металлоизделия. Рассмотрим основные методы цинкования.

Горячее цинкование (метод Кука – Нортмана)

Способ (наиболее подходящий для чугуна и стали) подразумевает помещение готового изделия в емкость с расплавленным Zn.

Сам рабочий процесс проходит следующим образом:

• вся поверхность металлоизделия обезжиривается;
• убираются все дефекты с помощью электрохимического, иногда химического травления: ржавчина, окалины и прочее. При необходимости проводится дробеструйная обработка отливок;
• промывание всех элементов для убирания следов кислоты и продуктов распада, просушивание и нанесение флюса;
• опустить подготовленную деталь в чан с расплавленным (до 480С) цинком (химическая чистота 98% и более);
• отрегулировать толщину слоя;
• окончательная просушка (в случае избытка Zn на сложных деталях, обдуть сжатым воздухом или поместить в центрифугу, либо вибрирующую платформу);
• проверка качества полученного слоя и его толщины.

Способ обработки довольно востребован, дает гарантировано долговечный с хорошей износостойкостью слой защиты. Можно регулировать толщину покрытия (от микронов до миллиметров), производить цинкование такого проката как стальная проволока, а также изделий с довольно тонкими стенками. Изменив немного технологию, добавив Sn в расплавленный Zn, можно получить более блестящее покрытие, а при добавлении Al увеличится способность к растягиванию и изгибу при пластических деформациях.

Недостаток метода заключается в необходимости более тщательной очистки поверхности металла (удаление окалин и слоя оксида) для оптимальной реакции цинка с идеально подготовленной поверхностью. Следует заметить, что параметры деталей ограничены габаритами емкости для цинкования, также метод не подходит для изделий с небольшими техническими отверстиями.







В результате многолетних исследований и испытаний, был сделан вывод, что покрытие, созданное на основе горячего погружения, имеет отличные восстановительные свойства в следующих условиях:

• в различных пространствах: замкнутом, открытом;
• в сложной атмосферной среде;
• в контакте с агрессивной субстанцией: бытовые, соляные, сероводородные растворы;
• при воздействии жидкости различной температуры, включая максимально допустимые.

Несмотря на действие различных отрицательных факторов, срок службы обработанных элементов достигает пятидесяти и более лет.

Оцинкованная продукция, произведенная вышеуказанным способом, может применяться в следующих областях:

• в строительстве, при изготовлении конструкций из металла;
• в производстве кухонной утвари, посуды, мебели;
• для защиты линий электропередач, элементов арматуры наружного освещения и прочего.

Горячее цинкование (метод Сендзимира)

Довольно востребован при покрытии рулонной стали, в силу своей универсальности и дешевизны. Технология производства представляет собой непрерывный цикл действий: хорошо подготовленная стальная полоса (очищенная с помощью химического воздействия и печного отжига) направляется по роликам в емкость с расплавленным цинком. Проходя под слоем жидкого Zn, она полностью покрывается защитным слоем. Для равномерности нанесения, на выходе полоса обрабатывается сжатым воздухом под большим давлением, который убирает лишний слой покрытия и понижает температуру. Далее рулон пассивируется, сушится и сматывается.

Благодаря погружению и тепловому взаимодействию, покрытие из цинка попадает во все поры, образуя прочностную связь. Полученный слой служит прекрасной защитой от коррозии и увеличивает электрохимические свойства, поэтому сталь можно безопасно резать, сверлить – она не покроется ржавчиной со временем.

Способ Сендзимира дает ряд существенных преимуществ:

• хорошая стойкость;
• однородность поверхности;
• отличные декоративные свойства;
• возможность нанесения различной толщины покрытия;
• пластичность.

Благодаря отличным прочностным характеристикам имеет довольно широкое применение при производстве:

• металлоконструкций;
• лотков для кабеля;
• элементов для конструкций и прочего.

Гальваническое (электрохимическое, электролитическое) цинкование

Основной принцип производства заключается в получении осадка цинка на поверхности металла с помощью электролитов. Изделия помещаются в гальваническую ванну, где электроды подключаются к источнику постоянного тока. В этом случае анодом выступает Zn, а катодом – металлоизделие. При поступлении электричества, в части электролита происходит движение заряженных элементов, в результате которого ионы цинка выпадают в осадок на обрабатываемую поверхность. Составляющая часть электролитов и плотность тока выбирается индивидуально для каждого вида деталей.

Гальванический способ покрытия придает следующие характеристики готовому изделию:

• хорошие декоративные качества;
• вариативность цветовых оттенков;
• возможность регулировки размера покрытия;
• универсальность применения (для черных, цветных металлов и их сплавов);
• невысокая себестоимость;
• оптимальный уровень производительности.

Хорошие химические свойства покрытия, полученного данным методом, способствуют широкому использованию электрохимического цинкования при производстве:

• крепежных элементов;
• резьбовых соединений;
• пружин и спиралей;
• деталей для автомобилей и прочего.

Оцинкованные таким способом материалы хорошо поддаются дальнейшей обработке и сварке.

Термодиффузионное цинкование

Основной принцип заключается в применении специального оборудования: камера в виде барабана. В нее погружают подготовленные детали и цинковый раствор. Нагревая термодиффузионную камеру до определенной температуры (порядка 500С), включают заданные обороты барабана. При нагреве цинк проходит в газообразную форму, проникая в слои стали, образуя прочное, равномерно нанесенное защитное покрытие. Продолжительность каждого цикла составляет порядка трех часов. Охлаждение происходит естественным образом, после этого изделие пассивируется и просушивается.







Идеально подходит для обработки мелких элементов, имеющих сложное геометрическое строение. Из преимуществ можно выделить следующее:

• экономичность расхода Zn;
• стойкость к истиранию;
• средняя производительность;
• можно применять для сложных деталей;
• возможность покрывать изделия с множеством различных пазов, технических отверстий и прочего.

Метод требует наличия хорошего технологического оборудования, имеются также определенные ограничения по размерам.

Термодиффузионное покрытие, в силу своих положительных характеристик, востребовано в тех же областях, что и горячее цинкование. Однако декоративные свойства немного ниже, чем у последнего.

В силу того, что не всегда есть возможность практически осуществить вышеперечисленные методы, бывают и альтернативные варианты цинкования. Однако они не всегда эффективны, особенно, если производятся в кустарных условиях, без соблюдения предписанных норм и стандартов. Поэтому при покупке оцинкованного проката, следует внимательно ознакомиться с продукцией и технологией изготовления.

Для того чтобы не обмануться временным эффектом блескости, определить точный способ покрытия и его толщину, нужно проверить цинкование. Для этого необходимо обратиться в лабораторию, либо запросить у поставщика сертификат качества. Ответственные производители сразу же предоставят весь пакет разрешительной документации на отпускаемую партию товара.