Цинкование

Цинкование — это процесс нанесения цинкового покрытия на поверхность металлических изделий для защиты от коррозии. Основная цель цинкования — создание барьерного слоя, который изолирует основной металл (чаще всего сталь или железо) от воздействия агрессивной среды, а также обеспечение электрохимической (протекторной) защиты, так как цинк является более активным металлом и в гальванической паре с железом разрушается первым, предохраняя основной материал. Цинкование является одним из наиболее распространённых и экономически эффективных методов антикоррозионной защиты, применяемым в строительстве, машиностроении, автомобилестроении, энергетике и других отраслях промышленности.

История

Первые упоминания о защите железа цинком относятся к началу XVIII века. В 1742 году французский химик Поль-Жак Малуэн описал процесс нанесения цинка на железо методом погружения в расплавленный металл. Однако промышленное развитие технологии началось в 1836 году, когда французский инженер Станислас Сорель получил патент на способ горячего цинкования с использованием флюса для очистки поверхности. В 1837 году аналогичный патент в Великобритании получил Уильям Кроуфорд.

В XIX веке технология совершенствовалась: появились методы электролитического цинкования (гальванического), а также цинкования напылением. К началу XX века цинкование стало массовым промышленным процессом. В СССР первые цеха горячего цинкования были построены в 1930-х годах, в частности на заводах металлоконструкций. В современной России крупнейшими производителями оцинкованного проката являются, например, ПАО «Северсталь» и Магнитогорский металлургический комбинат.

Классификация методов цинкования

Существует несколько основных методов нанесения цинкового покрытия, различающихся по технологии, толщине слоя, эксплуатационным характеристикам и области применения.

Горячее цинкование

Наиболее распространённый метод, при котором подготовленное изделие погружают в ванну с расплавленным цинком (температура около 450—460 °C). В результате образуется прочное диффузионное покрытие, состоящее из нескольких слоёв интерметаллических соединений цинка с железом и внешнего слоя чистого цинка. Толщина покрытия обычно составляет от 40 до 150 мкм и более. Метод обеспечивает высокую коррозионную стойкость (срок службы в городской атмосфере — 20–50 лет) и хорошую механическую прочность. Применяется для крупногабаритных конструкций: опор линий электропередачи, дорожных ограждений, элементов мостов, труб большого диаметра.

Электролитическое (гальваническое) цинкование

Процесс осаждения цинка на поверхность изделия из раствора электролита под действием электрического тока. Покрытие получается более тонким (от 5 до 30 мкм), равномерным и гладким, чем при горячем цинковании. Этот метод позволяет наносить цинк на детали сложной формы без риска их деформации. Электролитическое цинкование широко используется в машиностроении, приборостроении, для крепёжных изделий (болты, гайки, шайбы) и мелких деталей. Для повышения коррозионной стойкости тонких покрытий часто применяют дополнительную обработку — хроматирование или пассивацию.

Термодиффузионное цинкование

Метод, при котором изделие нагревается в герметичном контейнере с цинксодержащим порошком (обычно цинковая пыль) до температуры 350–500 °C. Цинк диффундирует в поверхностный слой стали, образуя прочное коррозионно-стойкое покрытие. Толщина слоя может достигать 100 мкм. Термодиффузионное покрытие отличается высокой адгезией и равномерностью, в том числе на резьбовых поверхностях и в глухих отверстиях. Применяется для крепежа, арматуры трубопроводов, деталей, работающих в агрессивных средах.

Холодное цинкование

Нанесение на поверхность состава на основе цинкового порошка (до 96%) в связующем веществе (например, эпоксидной или полиуретановой смоле). По сути, это краска с высоким содержанием цинка. Защита обеспечивается как барьерным эффектом плёнки, так и протекторным действием цинковых частиц. Толщина покрытия варьируется от 40 до 200 мкм. Метод не требует сложного оборудования и может применяться для ремонта повреждённых участков оцинкованных конструкций, а также для защиты крупногабаритных объектов (мостов, резервуаров) в полевых условиях. Стойкость холодного цинкования ниже, чем горячего.

Газотермическое напыление (металлизация)

Расплавленный цинк (в виде проволоки или порошка) подаётся в плазменную или газовую горелку и наносится на поверхность изделия в виде мельчайших частиц. Метод позволяет создавать покрытия большой толщины (до 300 мкм и более) на крупных конструкциях без ограничения по размерам. Используется для защиты мостов, гидротехнических сооружений, нефтегазового оборудования. Недостатком является пористость покрытия, что требует дополнительной пропитки герметизирующими составами.

Технологический процесс

Независимо от метода, процесс цинкования включает несколько обязательных этапов подготовки поверхности, от качества которых напрямую зависит долговечность покрытия:

1. Обезжиривание — удаление масел, смазок и органических загрязнений с помощью щелочных растворов или органических растворителей.
2. Травление — удаление окалины, ржавчины и оксидных плёнок с поверхности стали. Обычно применяют растворы соляной или серной кислоты с ингибиторами, замедляющими растворение основного металла.
3. Промывка — удаление остатков травильных растворов и продуктов реакции.
4. Флюсование (для горячего цинкования) — нанесение на поверхность слоя флюса (обычно на основе хлоридов цинка и аммония), который предотвращает окисление стали перед погружением в расплавленный цинк и способствует смачиванию поверхности цинком.
5. Сушка — удаление влаги с поверхности.
6. Нанесение цинка — собственно процесс цинкования выбранным методом.
7. Контроль качества — визуальный осмотр, измерение толщины покрытия (например, магнитными толщиномерами), испытания на сплошность (пористость) и адгезию.

Характеристики и свойства цинковых покрытий

Цинковые покрытия характеризуются рядом ключевых параметров:

• Толщина: от нескольких микрометров (гальваника) до нескольких сотен микрометров (горячее, напыление). Толщина выбирается в зависимости от условий эксплуатации.
• Адгезия (сцепление): высокая для горячего и термодиффузионного методов; для гальванических покрытий — хорошая, но может снижаться при плохой подготовке поверхности.
• Коррозионная стойкость: определяется толщиной и условиями среды. В нейтральных и слабощелочных средах (атмосфера, вода) цинк обеспечивает надёжную защиту. В кислых средах и в условиях высокой влажности стойкость снижается. Скорость коррозии цинка в городской атмосфере составляет 1–3 мкм/год, в морской — 2–5 мкм/год.
• Протекторная защита: цинк защищает сталь не только как барьер, но и как анод. При повреждении покрытия (царапина, скол) цинк начинает растворяться, защищая обнажённую сталь от коррозии. Радиус защитного действия в атмосферных условиях составляет до нескольких миллиметров.
• Температурный диапазон эксплуатации: от -60 °C до +120 °C (для горячего цинкования). При температурах выше 200 °C возможно отслаивание покрытия из-за роста интерметаллидных фаз.
• Свариваемость: оцинкованные детали свариваются, однако при сварке выделяется токсичный дым оксида цинка, требующий применения вентиляции. В зоне сварки покрытие выгорает, что требует последующего восстановления.

Применение

Области применения цинкования чрезвычайно широки:

• Строительство: оцинкованный прокат (кровельные листы, профнастил, сайдинг), металлоконструкции каркасов зданий, арматура для железобетона, водостоки, ограждения.
• Автомобилестроение: кузовные панели, элементы шасси, топливные баки, крепёж. Оцинкованный автолист составляет основу кузовов большинства современных легковых автомобилей.
• Энергетика: опоры линий электропередачи, элементы молниезащиты, ограждения подстанций.
• Транспорт и дорожное хозяйство: дорожные ограждения, сигнальные столбы, элементы мостов, корпуса железнодорожных вагонов.
• Сельское хозяйство: тепличные конструкции, оросительные системы, силосы.
• Бытовая техника: корпуса стиральных машин, холодильников, микроволновых печей.

Экологические аспекты

Процесс цинкования, особенно горячий, связан с образованием отходов: отработанных травильных растворов, шламов (содержащих соли цинка и железа), пыли и газов (оксид цинка). Современные производства оснащаются системами очистки выбросов и регенерации растворов. Само по себе цинковое покрытие считается экологически безопасным в эксплуатации, так как цинк не является высокотоксичным элементом и его коррозия в атмосферных условиях не приводит к образованию опасных соединений. Однако утилизация оцинкованного металлолома требует отдельного цикла, так как цинк загрязняет стальной лом при переплавке.

Интересные факты

• Ежегодно в мире производится более 12 миллионов тонн цинка, и около половины этого объёма используется для цинкования стали.
• Самой крупной оцинкованной конструкцией в мире считается Статуя Свободы в Нью-Йорке (медная оболочка на стальном каркасе), однако её каркас не оцинкован, а покрыт специальной изоляцией. Одним из крупнейших оцинкованных сооружений является мост «Золотые Ворота» в Сан-Франциско (элементы оцинкованы).
• В России действует ряд национальных стандартов на цинкование, в том числе ГОСТ 9.307-89 (покрытия цинковые горячие) и ГОСТ 9.301-86 (покрытия металлические и неметаллические неорганические).

Источники

• ГОСТ 9.307-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия цинковые горячие. Общие требования и методы контроля.
• ГОСТ 9.301-86. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Общие требования.
• Справочник по коррозии и защите металлов / Под ред. И.Л. Розенфельда. — М.: Металлургия, 1987.
• Технология горячего цинкования / В.И. Коваленко, А.В. Коваленко. — М.: Машиностроение, 2005.
• Материалы Международной ассоциации цинка (International Zinc Association).