Горячее цинкование

Что такое горячее цинкование?

Защитный слой, образующийся при горячем цинковании, затем подвергается окислению с образованием оксидного слоя, который при воздействии окружающей среды превращается в карбонатный слой.

Как правило, гальванизация стальных заготовок выполняется после завершения любой необходимой термической обработки, например, отжига стали.

Гальванизация может выполняться различными методами, такими как электролиз, термическая диффузия или метод горячего цинкования.

Горячее цинкование идеально подходит для обработки крупногабаритных деталей и поэтому широко используется в промышленности.

Процесс состоит из четырех этапов: этап подготовки поверхности, этап цинкования, этап последующей обработки и этап контроля.

Такие материалы, как железо и сталь, склонны вступать в реакцию с воздухом и влагой, присутствующими в окружающей среде, что приводит к образованию ржавчины. Горячее цинкование защищает железные и стальные заготовки от ржавления и увеличивает срок их службы.

Но что именно представляет собой горячее цинкование, и какие процессы включает в себя?

Горячее цинкование — это тип процесса цинкования, при котором железные или стальные заготовки погружаются в ванну с расплавленным цинком, поддерживаемым при температуре около 450 °C. Верхний слой основного металла вступает в реакцию с расплавленным цинком и создает защитный слой на заготовке.

В этой статье представлено подробное руководство по горячему цинкованию, а также его преимущества и ограничения. В конце мы также обсудим разницу между горячим и холодным цинкованием.

Все о горячем цинковании

 – самый надежный, наиболее эффективный и при этом довольно-таки старый метод защиты изделий от коррозионных воздействий. Горячее цинкование позволяет обеспечить надежную защиту поверхности металлических конструкций от разрушающего воздействия окружающей среды. На элементах образуется защитный слой, который равномерно покрывает детали, а его толщина колеблется в среднем от 30 до 120 мкм. Горизонтальная ванна длиной 13 м шириной 1,8 м и глубиной 2 м позволяет цинковать трубы больших диаметров, опоры ЛЭП и различных металлоконструкций. Средний срок эксплуатации оцинкованных изделий, в зависимости от условий их использования, составляет 25-30 лет.

За счет горячего цинкования, покрытие обеспечивается не только барьерной, но и электрохимической защитой металла от коррозии. Оцинкование, которое можно выполнять по разным технологиям, используется преимущественно по отношению к стали.

По стоимости выполнения и по долговечности покрытие с горячим цинком превосходит другие виды цинкования, например электрохимическое. Горячее цинкование металла, если сравнивать его с другими технологиями, отличается оптимальным сочетанием доступной стоимости технологического процесса с высокими защитными свойствами получаемого цинкового слоя. Нанесенное методом горячего цинкования покрытие даже при эксплуатации изделия в самых неблагоприятных условиях способно прослужить долгое время, полностью сохранив при этом свои защитные свойства.

 при любой технологии его реализации сводится к тому, чтобы защитить металл от появления коррозии.  В зависимости от применённой методики защитный слой может укутывать поверхность материала, либо дополнительно соединяться с ним за счёт диффузного взаимодействия.

Благодаря свойствам цинка при контакте с атмосферным кислородом на его поверхности моментально образуется оксидная плёнка, которая обладает высокой плотностью и прочностью, за счёт чего она не пропускает к металлу атмосферный кислород и не разрушается от механического воздействия.

Таким образом — оцинкованный металл оказывается в надежной воздухонепроницаемой оболочке, защищающая его от разрушающей коррозии.

В случае механического воздействия, оксидная плёнка повреждается, оголённый цинк тут же взаимодействует с атмосферным кислородом, который образует новый защитный слой. Благодаря этому свойству оцинковку называют самовосстанавливающейся защитой металла от коррозии.

Методы цинкования металла

Существует несколько методик цинкования металла, которые имеют своими особенностями. Выбранный метод существенно влияет в той или иной степени на получаемый результат, так как в зависимости от сферы эксплуатации и конструкций экономически выгодно применять далеко не все технологии оцинковки.

Методы цинкования отличаются между собой следующими свойствами:

Толщиной защитного покрытия — если для габаритных металлоконструкций чем большим будет слой защиты, тем лучше, то для высокоточных мелких деталей необходимо применять цинкование, при котором можно выбирать и контролировать толщину антикоррозионного покрытия. Реализовать это позволяет далеко не всякая технология.

Равномерностью толщины оцинковки — опять же, чем мельче и точнее металлическая деталь, тем выше требования к наносимому на неё защитному покрытию. Например, для опоры ЛЭП не имеет значение, насколько равномерно она будет укрыта цинком, тогда как для деталей, имеющих отверстия, резьбу и фаски — равномерность слоя цинка крайне важна.

Прочностью удержания защитного покрытия на металле — этот параметр сильно зависит от того, каким методом было выполнено цинкование. Так, например, при рассмотренном далее горячем цинке, он не только покрывает поверхность изделия, но также соединяется с ним на молекулярном уровне, что существенно повышает прочность удержания защиты на металле.

Внешним видом оцинкованной детали — в зависимости от применяемой технологии поверхностный слой оксида цинка может быть матовым, глянцевым, а также отличаться оттенками от тёмно-серого до голубоватого.

Стойкостью к механическим повреждениям — чем данный параметр выше, тем дольше продержится защита на изделиях, которые подвергаются тем или иным физическим нагрузкам и агрессивным факторам.

Способностью к самовосстановлению — это способность зависит от толщины нанесённого на металл цинка и характера эксплуатации конструкции или изделия.

 — является общим свойством обработанного изделия, которое складывается из совокупности нескольких факторов. В том числе, устойчивость оцинкованной детали к коррозии зависит от толщины цинкового слоя, его равномерности, прочности удержания, а также от стойкости к механическим повреждениям и способности к самовосстановлению.

В современной промышленности наибольшей распространённостью различают следующие технологии цинкования:

— выполняется посредством погружения обрабатываемых изделий в расплавленный цинк.

— осуществляется по абсолютной аналогии с обычным окрашиванием вручную или при помощи напыления.

 — реализуется путём погружения обрабатываемых деталей в цинкосодержащий электролит, через который пропускается электрический ток.

 — слой защитного покрытия формируется при помещении обрабатываемой детали в среду, насыщенную порошкообразным цинком.

 — на обрабатываемую деталь направляется газовая горелка и в пятно наибольшего нагрева подаётся цинковая проволока или цинковый порошок.

Рассмотрим основные достоинства, недостатки и технологию горячего цинкования

Покрытие горячим цинком осуществляется по «ЕЗСКС, Покрытия горячие цинковые. Общие требования и методы контроля». Выписка из ГОСТ 9.307-89 (п.2.Требования к покрытию):

2.1. Внешний вид покрытия

2.1.1. При внешнем осмотре поверхность цинкового покрытия должна быть гладкой или шероховатой, покрытие должно быть сплошным. Цвет покрытия от серебристо-блестящего до матового темно-серого.

2.1.2. На поверхности изделий не должно быть трещин, забоин, вздутий.

2.1.3. Наличие наплывов цинка недопустимо, если они препятствуют сборке. Крупинки гартцинка диаметром не более 2 мм, рябизна поверхности, светло-серые пятна и цвета побежалости, риски, царапины, следы захвата подъемными приспособлениями без покрытия до основного металла не являются дефектами.

Допустимо восстановление непокрытых участков, если они не шире 2 см и составляют не более 2% общей площади поверхности. Непокрытые участки защищают слоем цинкосодержащего лакокрасочного покрытия (минимальная толщина 90 мкм, массовая доля цинка в сухой пленке 80%-85%) или газотермическим напылением цинка (минимальная толщина 120 мкм).

Особенности покрытия горячим цинком

На сталях с высоким содержанием кремния и/или фосфора (из-за неоднородности химического состава стали), (слоя у поверхности, структуры поверхности, чужеродных вкраплений), а также на толстостенных изделиях наблюдается разнооттеночность покрытия. Серая поверхность состоит из сплава цинк-железо, выходящего на поверхность, а более светлые места – это чистый цинк. В случае стали с неблагоприятным содержанием кремния и фосфора может появиться значительное утолщение покрытия и ухудшение его адгезии, видимым эффектом этого явления, может быть шероховатая поверхность с серой и тёмно-серой окраской, переходящей со временем даже в коричневый оттенок.

Цинковая поверхность на том же изделии может быть неоднородной; могут появиться пятна разной степени глянца, серой матовости и шероховатости. Так как поверхностная локализация примесей в низколегированной стали приводит к тому, что при прокате изделий из неё, появляется значительное различие в содержании кремния и фосфора в разных частях изделия.

Однако это не может являться браковочным признаком, поскольку, кроме внешнего вида, отрицательных моментов нет – он не влияет на срок службы покрытия, а через какое-то время (в течение 1-1,5 года) цвет конструкции станет одинаковым).

Белая коррозия (бело-серые пятна, возникающие под влиянием атмосферных факторов), а также так называемые «кровавые потёки» (остатки флюса и кислоты в местах неплотной сварки) не являются основанием для претензий на качество оцинкованной поверхности.

Вышеуказанные проблемы являются наиболее характерными для сталей марки 09Г2С, что обусловлено особенностями их химсостава.

Наиболее часто проявляются  дефекты цинкового покрытия для сталей 09Г2С, которые не являются основанием для предъявления претензий:

1. Повышенная толщина образующегося цинкового покрытия.

2. Разная толщина цинкового покрытия.

3. Повышенное образование гард-цинка.

4. Пониженная адгезия цинкового покрытия к металлу.

5. Пониженная плотность цинкового слоя.

6. Внешний вид покрытия (отсутствие блеска, неровности, потеки, серый цвет).

Прочность любого лакокрасочного покрытия определяется прочностью связующего.

Лаки по твердости, в соответствии с международными стандартами ISO 15184, ASTM D 3363, SIS 184187, NEN 5350, ECCA Test Method, определяется с помощью карандашных грифелей по шкале 6В-5В-4В-3В-В-НВ-F-Н-2H-3H-4H-5H-6H-7Н-8Н-9Н, где 6В является показателем наименьшей, а 9Н – наивысшей твёрдости. Она соответствует по твердости карандашу 2Т.

Твердость покрытия горячим цинкованием равна твердости металла. Цинк. А под цинком у нас находится железо.

По ювелирной шкале Мооса:

Технологический цикл горячего цинкования

Полноценный процесс горячего цинкования включает в себя следующие технологичные этапы:

Отгрузка требующих обработки изделий в зону навески. Поскольку рассматриваемый метод один из немногих, который позволяет оцинковывать сравнительно крупногабаритные детали, то отгрузка, как правило, осуществляется при помощи специальных мостовых кранов.

. Для последующей обработки доставленные на производство детали навешиваются на подвижные траверсы. Металлоконструкции распределяются и фиксируются таким образом, чтобы вся секция могла поместиться в технологические ёмкости на дальнейших этапах. Также важно навесить изделия так, чтобы они могли контактировать с жидкостями, в которые они будут погружаться, всей поверхностью, не мешая друг другу.

Предварительная обработка металлоконструкций. Перед цинкованием горячим методом изделия из стали подвергаются обязательной многоэтапной подготовке. Она заключается в попеременном погружение траверсы с вывешенными деталями в ванны с технологическими жидкостями. В том числе, в этих ваннах проводится обезжиривание, очистка, травление (за счёт чего обеспечивается проникновение цинка в кристаллическую решётку металла), удаление следов кислоты, покрытие защитным флюсом. Также на данном этапе выполняется предварительный подогрев металла перед погружением в расплавленный цинк, что позволяет избежать деформации изделий из-за резкого перепада температур.

Сушка и предварительный разогрев. Осуществляется в специальной многоступенчатой печи, в которую подаётся разогретый и очищенный воздух. В результате перед оцинковкой с металлоконструкций испаряются следы предварительной подготовки в ваннах с жидкостями, а также происходит их дополнительный прогрев.

. Основной технологический этап процесса горячего цинкования металла. Выполняется путём транспортировки траверсы с подготовленными металлическими изделиями в закрытую со всех сторон печь, в которой расположена ванна с расплавленным цинком. Его температура поддерживается на постоянном уровне в районе +450°C при помощи высокоскоростных газовых горелок. Герметичность печи нужна по двум причинам.

Во-первых, это необходимо для обеспечения безопасности людей, которые работают на производстве. Во-вторых, в процессе цинкования выделяются разогретые до высокой температуры газы, которые нуждаются в очистке перед выбросом в атмосферу. Кроме того, тепловая энергия этих газов используется вторично для подогрева технологических жидкостей на этапе предварительной подготовки металлических изделий.

Снятие, сортировка и отгрузка оцинкованных металлоконструкций. По завершению процесса цинкования в ванне с расплавленным цинком траверса с вывешенными изделиями автоматически направляется в зону для их снятия и сортировки, после чего выполняется погрузка металлоконструкций на транспорт для отправки заказчику.

Несмотря на кажущуюся сложность описанного процесса, метод горячего цинкования является одним из самых простых и экономически выгодных. Кроме того, благодаря внедрению тех или иных технологических этапов возможно получать в итоге антикоррозионную защиту с многочисленными преимуществами по сравнению с другими методами цинкования.

Преимущества и недостатки горячего цинкования

           Преимущества горячего цинкования

— сравнительно невысокая стоимость реализации технологического процесса;

— высокая производительность автоматизированных линий (до 30 000 тонн в год);

— возможность цинкования тяжёлых и крупногабаритных металлоконструкций (до 6 тонн и 13×2×3,1 м);

— толщина защитного покрытия 45-200 мкм. Для крупногабаритных изделий толщина может составлять более 200 мкм;

— высокая прочность удержания защитного покрытия на металле за счёт проникновения цинка в кристаллическую решётку железа;

— высокая стойкость к механическим повреждениям;

— отличная способность защитного покрытия к самовосстановлению;

— высокая коррозионная устойчивость.

— невозможно наносить слой цинкового покрытия тоньше 45 мкм;

— неравномерность защитного покрытия;

— непрезентабельный внешний вид обработанных деталей — тёмно-серый, матовый.

Можно сделать вывод, что горячее цинкование является идеальной технологией для антикоррозионной обработки крупных и средних по размеру металлоконструкций, которые нуждаются в максимальной защите от коррозии, но не имеют высокоточных поверхностей, отверстий, резьбы, фасок и других прецизионных технологических решений. После ознакомления с этапами технологии также должно быть понятно, что горячим цинкованием невозможно обработать неподвижные стационарные металлоконструкции. То есть, те, которые нельзя доставить на производство.

Гальванизация

После подготовки поверхности заготовки наступает время начать процесс гальванизации.

Заготовки погружаются в вану с расплавленным цинком, поддерживаемую при температуре около 450 °C (723 K).

Как правило, они погружаются в ванну под углом, чтобы пузырьки воздуха выходили из полых частей заготовки.
При погружении в ванну для цинкования железо или сталь вступает в реакцию с цинком, образуя многочисленные интерметаллические слои цинк-железо, причем внешний слой состоит из чистого цинка.

Эта реакция происходит очень быстро на начальных этапах, во время которых образуется первичное покрытие, после чего она начинает замедляться, и толщина покрытия постепенно увеличивается.

Погружение обычно занимает от четырех до пяти минут. Однако время погружения увеличивается по мере увеличения размера объекта.

После извлечения предметов из чайника для цинкования цинковое покрытие сначала окисляется до оксида цинка, который вступает в реакцию с углекислым газом в воздухе и образует слой карбоната цинка, дополнительно предотвращающий коррозию.

Преимущества горячего цинкования

Горячее цинкование обладает различными преимуществами, что делает его одним из наиболее предпочтительных методов гальванизации в различных отраслях промышленности.

Устойчивость к коррозии

Защитный слой, образующийся в процессе ГГЦ, защищает железные и стальные заготовки от износа, вызванного ржавлением поверхности.

Даже если это покрытие стирается или царапается, оставляя часть поверхности железа или стали открытой, цинк, будучи более реакционноспособным, окисляется, образуя защитный оксидный слой на поверхности.
Экологически чистый процесс

Горячее цинкование — это экологически чистый процесс с низким углеродным следом, который приводит к минимальному образованию токсичных паров или вредных отходов.

Кроме того, этот процесс увеличивает срок службы заготовок, что приводит к уменьшению количества отходов и даже позволяет использовать переработанные железо, сталь и цинк.

Эстетичный внешний вид

Защитное покрытие, полученное в результате горячего цинкования, имеет блестящий и гладкий вид, что повышает эстетическую ценность изделия.

Коммерческие конструкции, такие как столбы освещения или опоры зданий, являются одними из распространенных примеров, в которых используется горячее цинкование для достижения блестящей поверхности с увеличенным сроком службы.

Процесс горячего цинкования занимает около 12 часов (для больших заготовок), что относительно меньше, чем другие процессы нанесения слоев, такие как порошковая окраска или окраска распылением.

Гибкость применения в строительстве

По сравнению с бетонными столбами, использование оцинкованных железных или стальных столбов обеспечивает гибкость при проектировании инфраструктуры, поскольку их можно легко сваривать, соединять болтами или сращивать для формирования сложных конструкций.

Стоимость процесса горячего цинкования относительно дешевле по сравнению с другими процессами нанесения слоев, такими как порошковое покрытие или электростатическое напыление.

Кроме того, защитный слой предохраняет заготовку от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды, что приводит к минимальным требованиям к техническому обслуживанию и дальнейшему снижению общей стоимости.

Подготовка поверхности

Начальным этапом является подготовка поверхности стальных или железных объектов, подлежащих гальванизации.

Этот этап включает в себя различные процессы, такие как обезжиривание, кислотное травление и флюсование, для улучшения качества поверхности заготовки, что обеспечивает надлежащую гальванизацию.

Заготовки погружаются в ванну для обезжиривания, где они промываются для удаления грязи, пыли и масляных отложений с их поверхности.

После обезжиривания заготовки погружают в ванну для кислотного травления, где их промывают для удаления оксидов железа и сглаживания шелушащихся поверхностей (или заусенцев, образовавшихся при обработке).

Наконец, заготовки погружают в раствор флюса, обычно содержащий 30 % хлорида цинк-аммония при температуре 65-80°C (338-353 K).

Это позволяет удалить все оставшиеся окислы и нанести защитный слой для предотвращения дальнейшего окисления.

Это самый важный этап подготовки поверхности, поскольку тщательная очистка от окислов обеспечит гладкое и равномерное осаждение цинка на железные или стальные заготовки.

Ограничения горячего цинкования

Опасно при неосторожном обращении

Процесс горячего цинкования включает в себя работу с расплавленными цинковыми ваннами и растворами для обработки поверхности, содержащими агрессивные химикаты, такие как кислоты, а также тяжелые предметы и конструкции.

Эти химикаты могут раздражать дыхательную систему при вдыхании и вызывать сыпь на коже при контакте.

Расплавленные растворы и горячие предметы могут вызвать ожоги, которые могут оказаться смертельными, а неправильное обращение с тяжелыми заготовками может привести к несчастным случаям и поставить под угрозу жизнь оператора.

Поэтому при проведении процесса горячего цинкования следует применять соответствующие протоколы безопасности, такие как ношение защитного снаряжения, соблюдение безопасного расстояния при работе с тяжелыми заготовками и т.д.

Несмотря на то, что процесс горячего цинкования относительно дешевле, чем многие другие процессы нанесения слоев, первоначальные и текущие затраты на него непосильны для любителей и небольших производств.

Оборудование, необходимое для процесса горячего цинкования, занимает значительную площадь и требует сертификации и обучения перед началом работы, что делает его непрактичным для любителей.

Восприимчивость к износу

Оцинкованный слой может быть поврежден при воздействии абразивных веществ, в результате чего может быть поврежден основной материал.

Процесс горячего цинкования ограничен железными и стальными заготовками.

Таким образом, применение процесса горячего цинкования ограничено.

Контроль

Этап контроля включает в себя визуальную проверку оцинкованных заготовок, чтобы определить, были ли они полностью оцинкованы или нет.

Помимо визуального контроля, заготовки также проверяются магнитным толщиномером и неразрушающим ультразвуковым контролем для обеспечения равномерности толщины покрытия.

Весь процесс горячего цинкования занимает около двенадцати часов.

Часто задаваемые вопросы связанные с горячим цинкованием

Можете ли вы покрасить горячеоцинкованную стальную заготовку?

Да, вы можете покрасить оцинкованную стальную заготовку горячим цинкованием. Этот дополнительный слой краски защитит от коррозии и ржавчины, одновременно повышая эстетическую ценность оцинкованной заготовки.

Какую температуру может выдержать оцинкованная сталь?

Оцинкованная сталь может выдерживать температуру примерно до 350°C (623 K), при превышении которой сплав цинка и железа начинает плавиться.

Последующая обработка

Последующая обработка — это дополнительный этап, на котором оцинкованную заготовку либо закаливают в воде, либо дают ей остыть под принудительным воздействием холодного воздуха от компрессора.

Закалка обеспечивает самую быструю скорость охлаждения, повышая при этом твердость заготовки, в то время как воздушное охлаждение обеспечивает более дешевую альтернативу со сравнительно меньшей твердостью.

Оцинкованные объекты могут быть окрашены или покрыты дополнительным покрытием для повышения их эстетической ценности и обеспечения дополнительного защитного слоя.

Разница между горячим и холодным цинкованием

Горячее цинкование включает в себя несколько этапов обработки поверхности, в то время как при холодном цинковании требуется только кислотное травление и обезжиривание поверхности железного или стального изделия.

При холодном цинковании оцинковываемая конструкция помещается в качестве анода в электролит с солью цинка, после чего на поверхность конструкции посредством электролиза осаждается слой цинка.

С другой стороны, горячее цинкование предполагает погружение заготовки в ванну с расплавленным цинком для формирования защитного покрытия.

В результате горячего цинкования образуется плотный и равномерный слой цинка, в то время как слой, образующийся при холодном цинковании, сравнительно тонкий и легко царапается.

Горячее цинкование является экологически безопасным, в то время как утилизация токсичных отходов электролита, образующихся при холодном цинковании, оказывает негативное воздействие на окружающую среду.

Первоначальные и текущие затраты на холодное цинкование сравнительно ниже, чем на горячее цинкование, что делает его более приемлемым для любителей и небольших производств.

Горячее цинкование обычно используется для крупных конструкций.

Хотя горячее цинкование может использоваться и для небольших изделий, холодное цинкование оказывается сравнительно более экономичным процессом для малых и средних изделий.

Заключение

Горячее цинкование идеально подходит для повышения коррозионной стойкости железных и стальных изделий.

Из-за высоких первоначальных инвестиций этот метод лучше всего подходит для цинкования больших заготовок, что делает его идеальным для таких отраслей, как автомобилестроение, судостроение, строительство и т. д.

Если вы ищете более дешевую альтернативу для гальванизации небольших заготовок, то холодное цинкование должно стать вашим основным методом.

Однако горячее цинкование обеспечивает различные преимущества перед холодным цинкованием, и поэтому вы можете выбрать профессиональные услуги горячего цинкования, чтобы получить высококачественный оцинкованный продукт.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Анодированный алюминий: Всё что нужно знать»‎ и «‎Черные и цветные металлы: различия и области применения»‎.