Промышленное цинкование поверхностей: оборудование и технологии

Для защиты металлических поверхностей от образования слоя коррозии, который приводит к тому, что металлическая поверхность начинает становиться более хрупкой и впоследствии разрушается, используется большое количество методов защиты. Наиболее эффективным является метод обработки металла цинком – цинкование.

Виды и технологии цинкования

На текущий момент цинкование производится несколькими способами, и конкретный метод выбирается с учетом назначения и размеров деталей, технологических возможностей как модернизируемых, так и вновь создаваемых предприятий, наличия соответствующего технологического оборудования, квалификации инженерно-технического и основного производственного персонала:

• холодное цинкование;
• горячее цинкование;
• гальваническое цинкование;
• газотермическое цинкование;
• термодиффузионное цинкование.

Ниже рассмотрена каждая из технологий цинкования, а также приведена информация о ее достоинствах и недостатках.

Холодное цинкование

Обработка поверхности металлоконструкций осуществляться с использованием разных антикоррозийных композиций, особенности состава, свойства и характеристики которых устанавливаются профильным стандартом – ГОСТ 9.305-84.

Согласно требованиям ГОСТ 9.305-84, смеси для проведения холодного цинкования допускается использовать на разных конструкциях, за исключением деталей, выполненных из высокопрочных сталей и магниевых сплавов.

Холодное применяется цинкование как обычные краски – наносится кистью, валиком, краскопультом и окунанием.

Холодный способ обработки предполагает поддержание в помещении, где наносится цинковый состав, температурного режима в диапазоне от -20°C до +40°C. При этом, согласно рекомендациям производителей таких составов, поверхность обрабатываемой детали должна быть минимум на 3°C больше точки росы. Если это условие будет нарушено, то на изделии образуется влага, которая значительно снижает качество нанесенного защитного слоя.

Согласно стандартам ISO 3549, Пигменты цинковой пыли для красок. Технические условия и методы испытаний (DIN 55969) составы для холодного цинкования, обеспечивающие активную электрохимическую защиту по всей поверхности (повсеместную и свободную передачу электронов как между частицами цинка внутри покрытия, так и от частиц цинка к поверхности стали), должны содержать в сухом покрытии не менее 94% чистого цинка с размером частиц 12-15 мкм или не менее 88 % цинка с размером частиц 3-5 мкм.

Более высокие концентрации цинка увеличивают защитное антикоррозийное действие покрытия, а использование атоминизированной (

Цинкнаполненные (цинкосодержащие) краски, не отвечающие вышеуказанному стандарту, не относятся к составам для холодного цинкования и не образуют электропроводного цинкового покрытия (отличие от горячего цинкования заключается в невозможности использования холодного метода для изделий, предназначенных для заземления), адекватного по свойствам и срокам эксплуатации с горячеоцинкованному. Цинк, присутствующий в них, выполняет роль специального (в т.ч. цветообразующего) пигмента, усиливающего лишь барьерную (пленочную) защиту за счет своего окисления и «закупоривания пор» в слое краске.

Горячее цинкование

Технология горячего цинкования предусматривает покрытие металла (обычно железа или стали) слоем цинка для защиты от коррозии путём окунания изделия в ванну с расплавленным цинком при температуре около 460°C. Под атмосферным воздействием чистый цинк (Zn) вступает в реакцию с кислородом (O2) и формирует оксид цинка (ZnO), с последующей реакцией с диоксидом углерода (CO2) и формированием карбоната цинка (ZnCO3), обычно серого матового, достаточно твёрдого материала, останавливающего дальнейшую коррозию материала.

Высокое качество нанесенного покрытия, которое сможет защитить металл от коррозии на срок от 20 до 50 лет, можно получить только в случае правильной подготовки и обработки металлических поверхностей при строгом соблюдении последовательности технологического процесса.

Последовательность технологических этапов цинкования горячим способом приведена на нижеследующем рисунке.

Детальное описание каждого из технологических процессов приведено ниже.

• Обезжиривание

Процедура удаляет с поверхности деталей загрязнения (например, масла). Проводится при температуре от 60°C до 80°C с применением обезжиривающих реагентов, выбор которых определяется в зависимости от вида загрязнения. Обезжиривание исключает расслоение цинкового покрытия после его нанесения.

• Промывка

Удаление с поверхности изделий пены и жирных составов, которые оседают на металле после ванны обезжиривания.

• Травление

Очистка поверхностей изделий путем удаления с них ржавчины (при хранении в недопустимых условиях) или окалины (образуется после горячей обработки). Операция проводится в температурном режиме от 20°C до 25°C с применением соляной кислоты в концентрации 120 – 210 г/л. Благодаря этому обеспечивается высокая растворимость хлоридов железа. Чтобы предупредить водородное насыщение и добиться удаления с поверхности только гидроксилов и окислов, раствор соляной кислоты рекомендуется дополнять ингибиторами.

• Повторная промывка

Чтобы нейтрализовать остаточные следы кислоты, а также для удаления солей, требуется повторная промывка деталей. Применение сразу нескольких промывочных ванн оптимизирует процесс промывки и одновременно сократить расход воды.

• Флюсование

Это заключительный процесс подготовки поверхности деталей, на которых при промывке могли вновь появиться оксиды железа. Флюсование предупреждает последующее окисление металла за счет образования на поверхности пассивированной пленки флюса, а также гарантирует высокую степень смачиваемости расплавленным цинком.

Обработка проводится при температуре 60°C с использованием концентрированного раствора флюса 400 – 600 г/л, состав которого включает хлорид аммония и хлорид цинка. Очистка выполняется с добавлением перекиси водорода, которая постоянно осаждает соли трехвалентного железа на дно ванны. Впоследствии осадок поступает в систему отстаивания и фильтрации.

• Предварительный нагрев и сушка

На данном этапе с поверхности изделий удаляются остатки влаги, что позволяет исключить выплескивание цинка парами воды при обработке пустотелых элементов в момент погружения деталей в печь и их деформации. Операция способствует нагреву металла до 100°C, увеличивая эффективность печи, экономит энергию и снижает себестоимость цинкования. 

Поскольку сушка занимает больше времени, нежели горячее цинкование металла, целесообразно в сушильной печи предусмотреть минимум 2 камеры.

• Цинкование

Цинковый сплав наносят на поверхность металла при температуре от 445°C до 460°C, что уменьшает появление оксидов, штейна и других образований. Вытяжка отходящих газов происходит благодаря системе аспирации и фильтрации.

• Охлаждение

Чтобы горячий цинк остыл, перед упаковкой детали охлаждают естественным путем (на открытом воздухе). Процедуру проводят на местах хранения проката, совмещенных с участком ОТК.

Горячее цинкование подразделяется на «сухое» и «мокрое» в зависимости от состояния и вида флюса, а также от того сухая или влажная поверхность детали при погружении его в цинковый расплав. При «мокром» цинковании мокрые травленые стальные листы погружают в цинк через расплавленный флюс, находящийся на поверхности ванны. При цинковании «сухим» методом детали после травления и промывки погружают в раствор флюса, который находится в отдельной ванне. На выбор способа цинкования влияет вид цинкуемого изделия, требования к толщине и пластичности цинкового покрытия. «Мокрый» способ чаще всего применяют для цинкования штучных изделий, а «сухой» – для цинкования крупногабаритных деталей, стальных конструкций, а также для непрерывного цинкования полосы и проволоки.

Гальваническое цинкование

Гальваническое цинкование является одним из самых востребованных видов цинкования, благодаря которому изделия приобретают высокие защитные и декоративные свойства. В отличие от горячего метода обработки, данная технология является более простой и дешевой. Однако она имеет определенные ограничения по использованию, что обусловлено сравнительно тонким слоем защитного покрытия (не превышает 40 мкм).

Технология гальваники предусматривает осаждение цинка из состава электролита на металлоконструкцию, которая, в свою очередь, подключена к сети питания через отрицательный полюс. Чтобы увеличить уровень механической и коррозийной устойчивости, а также для повышения декоративных качеств деталей, цинковое покрытие дополнительно подвергают хроматированию, кадмированию или обработке фосфатными составами.

Цинк может использоваться в виде пластин, шаров, загружаемых в специальные сетчатые секции, или в другом виде. К цинку также подводится ток. В процессе электролиза цинк (анод) растворяется, и его ионы оседают на поверхности стальных изделий, формируя гальваническое покрытие определенной толщины.

В соответствии с ГОСТ 9.305-84 на операции нанесения цинковых гальванических покрытий применяют различные электролиты, наибольшее распространение из которых получили кислые (сульфатные, фторборатные), слабокислые и щелочные (цинкатные, цианидные и дифосфатные).

Последовательность технологических этапов гальванического цинкования приведена на рисунке ниже.

Гальваническая обработка металла проводится в следующей последовательности:

1. Очистка и химическая обработка. Очистка поверхности деталей от лакокрасочных и смазочных материалов, ржавчины и окалины (процедура проводится с использованием обезжиривающих и щелочных смесей).
2. Промывка чистой водой в специальной проточной ванне.
3. Электролитическое обезжиривание и последующая промывка.
4. Травление в составе, который включает воду и соляную кислоту. Процедура удаляет остатки ржавчины и окалины, исключая растворение или деформацию основного металла, а также декапирует поверхности перед обработкой.
5. Промывка, непосредственно гальваническая оцинковка и повторная промывка.
6. Для устранения с поверхности окисной пленки применяться осветление металла в растворе, состоящем из воды и азотной кислоты.
7. Промывка, фосфатирование (при необходимости) с последующей промывкой.
8. Может быть проведена пассивация электролитическим хроматированием или путем хроматированного распыления.
9. Сушка детали.

Газотермическое цинкование

Под газотермическим цинкованием понимают процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц цинка газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала.

Вообще, под общим названием газотермическое напыление (ГТН) объединяются следующие методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация и активированная электродуговая металлизация.

Газотермический способ цинкования подходит для покрытия цинком объемной детали или листа металла. Его суть в том, что цинк, находящийся в виде сухой смеси либо проволоки, напыляется в составе газовой среды на поверхность обрабатываемого изделия. Технология применяется для нанесения слоя цинка на крупногабаритные изделия, которые иначе обработать невозможно.

Вместе с тем газотермическое напыление редко применяют для нанесения цинковых покрытий на небольшие детали из-за высоких потерь напыляемого материала.

В зависимости от применяемого метода газопламенного напыления, соотношения размеров покрываемого изделия и факела распыления коэффициент полезного использования материала может составлять от 50 до 90 %. Остальной цинк превращается в пыль, которая при недостаточно хорошей вентиляции вредно влияет на здоровье работающих и окружающую среду, и, кроме того, является взрывоопасной.

Любое газотермическое напыление заключается в распылении струей воздуха или горячего газа расплавленного напыляемого материала.

Газотермическое напыление включает в себя несколько последовательных технологических операций:

• нагрев или расплавление каким-либо источником теплоты (в зависимости от используемого оборудования) напыляемого материала,
• перенос дисперсионных (конденсированных) частиц газовым потоком,
• формирование на обрабатываемой поверхности защитного слоя.

На обрабатываемую поверхность напыляемый цинк попадет в виде расплавленных или пластифицированных части. Газовый поток ускоряет движение распыляемого материала. При столкновении частиц с обрабатываемой (металлической) поверхностью происходит их деформация, остывание и формирование защитного слоя. Структура поверхностного покрытия имеет чешуйчатое, слоистое строение.

Сформированный цинковый слой характеризуется высокой пористостью (0,5 – 30%) и прочностью сцепления напыляемого материала с подложкой (до 280 МПа). Поэтому данная технология чаще всего используется для восстановления и упрочнения ответственных деталей и конструкций.

Классификация способов газотермического цинкования

1. В процессе газотермического напыления затрачивается определенное количество энергии, которая необходима для расплавления напыляемого материала и придания ускорения образованным частицам. В качестве источника тепловой энергии может использоваться:

• энергия химических процессов, которая получается:
  • в результате процесса окисления (сгорания) топливных газов в атмосфере;
  • при детонации взрывчатой смеси;
  • в результате горения топливной смеси в камере (при повышенном давлении);
• электрическая энергия:
  • дуга электрическая;
  • плазменный, газовый поток;
  • нагреватель омический;
• энергия колебаний (электромагнитных):
  • электромагнитное высокочастотное поле;
  • генератор, квантовый, оптический.

2. Напыляемый материал может использоваться в различном агрегатном состоянии, иметь различный вид:

• порошкообразная смесь;
• проволока;
• шнур;
• стержень.

3. Скоростные характеристики распыляемых частиц оказывают различное влияние на формирование поверхностного слоя (пористость, шероховатость, прочность сцепления).
4. Газотермическое напыление может производиться в различной среде:

• в воздухе;
• в вакууме;
• в контролируемой атмосфере.

Перечисленные критерии определяют большое разнообразие способов нанесения защитного покрытия напылением, создают возможности для формирования поверхностного слоя с различными технологическими характеристиками.

Термодиффузионное цинкование

Метод термодиффузионного цинкования обеспечивает изделиям надежную антикоррозийную защиту, а также предупреждает преждевременный износ металла, как следствие – позволяет увеличить срок службы.

В основе методики лежит процесс диффузии молекул металла, проводимый при температуре от 400 до 470 °С. За счет этого в поверхностный слой конструкции диффузируют молекулы легирующего вещества – цинка. Особенности процесса термодиффузии прописаны в профильном стандарте – ГОСТ Р 9.316-2006.

Применение данной технологии позволяет создать на поверхности изделий равномерный цинковый слой. Главной особенностью метода выступает то, что слой цинка является однородным даже на труднодоступных участках обрабатываемой детали (полости, отверстия и т.д.).

Технологию термодиффузии обычно применяют для обработки следующих конструкций и деталей:

• оградительные конструкции для мостов и дорог;
• фурнитура, которая используется в мебельной промышленности;
• арматура, используемая в нефтегазовой промышленности;
• арматура, которую используют для укрепления железнодорожных полотен;
• элементы трубопроводов, используемых при создании инженерных коммуникаций и арматура, которую используют в сфере строительства;
• элементы конструкций линий электропередач;
• отдельные детали автотранспортных средств.

С помощью термодиффузионного цинкования на металлоконструкциях удается создавать слой цинка минимальной толщины. Поэтому данной обработке допускается подвергать изделия, имеющие незначительные габариты.

Обработка деталей при максимальном повышении температуры (до 470 °С) приводит к увеличению интенсивности процесса термодиффузии молекул цинка. Поэтому покрытие не приобретает необходимые эксплуатационные характеристики. Такое покрытие характеризуется низким уровнем антикоррозийной защиты, высокой хрупкостью и высоким уровнем отслаивания цинкового слоя.

После термодиффузионного цинкования (химико-термической обработки) металлического изделия цинком на стальной подложке формируется поверхностный слой, который имеет двухфазную микроструктуру:

• Г-фаза формируется на поверхности матричной основы изделия, толщина слоя от 2 мкм до 4 мкм, содержание железа до 25%, цинка — до 75%,
• б1 – фаза – формируется на поверхности обрабатываемой детали, толщина слоя от 100 мкм до 160 мкм, содержание железа до 12%, цинка – до 88%.

Технологический состав для термодиффузионного цинкования включает в себя цинковый порошок (цинковую пыль), инертный разбавитель, активатор. Различные добавки, входящие в насыщающую смесь, влияют на определенные технологические свойства покрытия, ускоряют процесс термодиффузионного цинкования.

Этапы термодиффузионного цинкования

Подготовка насыщающей смеси

Основу насыщающей смеси составляет модифицированный порошок цинка с содержанием цинка до 99%, имеющий поверхностную пленку активного оксида цинка на частицах цинка, размер которых находится в пределах от 10 до 60 мкм. Удельная поверхность модифицированного порошка составляет не менее 0,8 кв.м./г при этом поверхностная пленка активного оксида цинка имеет мелкозернистую дендритно-чешуйчатую структуру и толщину не менее 2 мкм. В ретору печи загружается насыщающая смесь для термодиффузионного цинкования.

Прогрев печи

Продолжительность прогрева печи зависит от времени, в течение которого печь находится в состоянии простоя.

Предварительная механическая обработка

На данном этапе происходит предварительная механическая обработка изделий с помощью дробемётной или дробеструйной установки.

Загрузка

На данном этапе происходит загрузка очищенных деталей в контейнер; добавление насыщающей смеси, состоящей из мелкодисперсного порошка цинка

Продувка