ХАРАКТЕРИСТИКА СУЧАСНИХ МЕТОДІВ НАНЕСЕННЯ ЗАХИСНИХ ЦИНКОВИХ покриттів
1 Володимирський державний університет імені Олександра Григоровича і Миколи Григоровича Столєтова
У даній роботі були розглянуті сучасні методи нанесення цинкових покриттів, які є найбільш ефективними для захисту металевих поверхонь від корозії. За останні кілька десятиліть цинкові покриття продемонстрували високі споживчі якості, що дозволяють використовувати їх практично у всіх сферах промисловості. Причинами широкого використання цинкових покриттів є їх стійкість до зовнішніх впливів, низька вартість і безпеку. Залежно від призначення і характеристик оброблюваної поверхні використовують різні способи нанесення цинкових покриттів, кожен з яких має свої переваги і недоліки, які наведені в даній роботі. Також розглянуті особливості технології нанесення і подальшого використання таких методів: гаряче цинкування, термодифузійне цинкування, гальванічне цинкування, холодне цинкування і газотермічне цинкування.
7. Проскуркин Є.В. Горбунов Н.С. Дифузійні цинкові покриття. - М. Металургія, 1972. - С. 248.
Корозія (лат. Сorrosio) - це мимовільне руйнування металів під впливом хімічного або фізико-хімічного впливу навколишнього середовища.
Процес руйнування металів і їх захист від корозії є однією з найважливіших науково-технічних і економічних проблем. У багатьох областях промисловості технічний прогрес гальмується через невирішеність, а часом і не вирішується цілого ряду корозійних завдань. І особливо актуальними вони стають сьогодні, коли використання металів в самих різних галузях виробництва досягло історичного пікового показника.
Огляд основних методів цинкування
Найбільш поширеним методом захисту металу від корозії є цинкування. Цинкування - нанесення шару цинку або його сплаву на поверхню металевих виробів або насичення цинком поверхневих шарів для захисту від корозії.
Метод захисту заснований на тому, що цинк у складі покриття вступає в реакції корозії першим, не піддаючи впливу сам метал.
Цинк здатний уберегти залізо від іржі, яка неминуче з'являється в ході експлуатації металевих предметів. І захист ця не чисто механічного характеру - разом з залізом цинк утворює гальванічну пару, а результат взаємодії цинку з киснем забезпечує ще більший захист - на цинку утворюється поверхнева кора.
Антикорозійні покриття з використанням цинку, а саме цинкування, мають ряд очевидних переваг: збільшення терміну служби металу до 60 років; покриття всього вироби рівномірним шаром; стійкість до відшаровування.
Цинкування застосовується в будівництві, нафтовидобувній і нафтопереробній промисловості, енергетики, газодобувної промисловості, автомобілебудуванні, сільському господарстві.
Сучасні технології передбачають кілька видів цинкування. Кожен з них відрізняється часом операції, властивостями, що застосовуються обладнанням і товщиною утворюється цинкової плівки. Вибір того чи іншого методу нанесення визначається вимогами до захисту, експлуатаційними чинниками, умовами нанесення і економічними аспектами.
Термодифузійне цинкування - покриття вироби цинком, здійснюване з парової або газової фази при високих температурах (375-850 ° С), застосовується для покриття труб і ін. Частин конструкцій, що працюють у вологій атмосфері, в бензині, гасі, газових середовищах, що містять сірку. Товщина дифузійного шару залежить від температури і часу цинкування і становить зазвичай 20-100 мкм. Термін служби 10-15 років [1].
Важливою особливістю термодиффузионного методу є можливість отримання суцільного і рівномірного по товщині покриття на виробах будь-якої складної форми.
Термодифузійний метод цинкування застосуємо для покриття регенераторів у виробництві бензину, теплообмінників, печей, апаратури для виробництва синтетичного аміаку, метанолу та інших органічних продуктів.
Апаратура, оцинкована Термодифузійна методом, є стійкою в відновлювальної газовому середовищі в присутності сірковмісних речовин (наприклад, H2S) при температурі до 550 ° С.
Недоліками термодиффузионного методу цинкування є: громіздкість і складність апаратури, яка застосовується для цієї мети, велика тривалість процесу, невелика продуктивність і відсутність декоративних властивостей у дифузійного цинкового покриття (сірі тони, відсутність блиску).
Гаряче цинкування - покриття металу шаром цинку для захисту від корозії шляхом занурення вироби в ванну з розплавленим цинком при температурі близько 460 ° C. В результаті антикорозійного захисту термін служби виробу значно подовжується (до 50 років). Під час цинкування між цинком і залізом утворюється стійке з'єднання, навіть при появі подряпин або відколів на поверхні оцинкованого вироби захисні властивості покриття будуть перешкоджати впливу іржі, чого не можуть дати інші способи обробки - фарбування або нанесення пластика. При цьому невисока вартість цинку дає методу цинкування ще одна перевага перед іншими способами антикорозійної обробки. Крім того, спосіб дозволяє довгий час уникати ремонту і збільшує термін служби металевих виробів. Цинкуванню підлягають вироби будь-якої форми. Залежно від екологічного середовища, в якій буде використовуватися конструкція, визначається і товщина шару, що наноситься цинку.
Захисний цинковий шар утворюється на виробі, яке занурюється в масу розплавленого цинку. Далі відбувається хімічна реакція між основним металом і цинком. В результаті цього процесу вся поверхня конструкції, навіть в самих важкодоступних місцях, покривається захисним шаром.
Основною перевагою даного методу оцинкування в порівнянні з електролітичним полягає в більш високу корозійну стійкість покриття, оскільки гарячий спосіб дозволяє отримати покриття великої товщини (від 40-200 мкм). Термін служби покриття від 50 і більше років.
До переваг цього методу цинкування можна віднести наступні: висока корозійна стійкість покритого вироби; відносна дешевизна гарячого цинкування; простота реалізації; простота обслуговування установок; висока продуктивність; здатність цинкового покриття захищати основний метал навіть після механічного пошкодження або порушення цілісності покриття; висока електропровідність покриття; хороша теплопровідність.
Недоліки методу гарячого цинкування:
- точне регулювання товщини цього покриття неможлива. Гарячий спосіб не може бути застосований для покриття виробів з точними допусками і в тих випадках, коли висока температура може змінити властивості кріплення;
- в порівнянні з Термодифузійна оцинкуванням, існує можливість наводоражіванія і, як наслідок, охрупчивания основного матеріалу, що захищається (водневе охрупчивание) [5].
- деталі, що піддаються гарячого цинкування, не повинні мати кишень, закритих порожнин і повітряних мішків. Чи не оцинковуються барабани, ємності і змійовики з труб.
- щодо велика витрата цинку.
Область застосування даних виробів досить обширна, яке використовується обладнання для цинкування сталевих конструкцій дозволяє використовувати дану технологію практично в будь-якій відповідній галузі - це енергетика, зв'язок, дорожнє, промислове і цивільне будівництво, промислове виробництво, нафтовидобуток і нафтопереробка, міська інфраструктура і комунальне господарство [7] .
В результаті використання таких складів на виробах формується покриття з антикорозійними характеристиками, які практично нічим не поступаються за властивостями покриттів, одержуваних гарячим цинкуванням.
Суть методу полягає в нанесенні на чисту металеву поверхню спеціальних барвників або грунтовок, що містять в своєму складі до 98% цинкової пудри. В цьому випадку цинк так само, як і при гарячого оцинкування, стає анодом в гальванічної парі з залізом і забезпечує його катодний захист. Метал, який в гальванічної парі є захисником, називають протектором, звідси назва - протекторна захист. Наноситься таке покриття прийнятим при звичайного фарбування способом - розпилювачем. Товщина покриття визначається кількістю наносяться шарів композиції від 40 мкм - 1 шар, 120 мкм - 3 шари. Термін служби покриття 9-13 років [4].
Нанесене за всіма правилами на добре підготовлену поверхню покриття дає споживачеві наступні переваги: надійна катодний захист від корозії; гарний зовнішній вигляд; довговічність і стійкість; можуть бути оброблені як елементи, так і вся конструкція в зборі, тому захищаються зварні шви, стики і з'єднання елементів.
Недоліками цинкових покриттів є:
- відсутність характерного металевого блиску, що, однак, легко компенсується високою сумісністю практично з усіма видами лакофарбових матеріалів;
- мала довговічність покриття;
- покриття чутливе до механічних впливів.
Методом холодного цинкування наносять покриття на деталі автомобілів, труби, арматуру, різні резервуари, мостові споруди, частини судів, нафтопроводи, газопроводи, цистерни, металоконструкції і багато іншого.
Холодним цинкуванням добре зміцнювати різні металоконструкції і труби. Широко використовується холодне цинкування при ремонті вже встановлених магістральних трубопроводів.
Газотермічне напилення цинку, або цинкова металізація - це спеціальний технічний процес, що дозволяє наносити на металоконструкції надійні захисні антикорозійні шари з алюмінію, цинку або інших стійких металів, що не піддаються руйнуванню. Газотермічне напилення може наноситися такими методами, як газополуменеве напилювання, плазмового напилення і електродугове металлизация [8].
Процес полягає в тому, що поверхня, що покривається і наноситься захисний шар грають роль катода і анода, які обмінюються зарядженими частинками, що забезпечує максимальне приєднання захисного шару і повну його непроникність для вологи і кисню. При цьому досягається ще й такий ефект, що газотермічне напилення навіть в разі механічного пошкодження захисного шару може самовідновлюватися. При металізації поверхню деталі попередньо не нагрівається і при напиленні не піднімається вище 180 ° С [8]. Покриття можна робити не тільки в цеху, але і на відкритих місцевостях. Ще однією перевагою такого способу отримання покриттів є те, що напилення дозволяє економити вихідне, часто дороге сировину і енергетичні ресурси.
У разі газотермічного напилення можуть бути отримані покриття з чистого цинку (> 99,9%) завдяки тому, що не відбувається хімічної взаємодії між матеріалом деталі і покриттям. Товщина цинкового покриття від 60 до 300 мкм [3].
Газотермічні покриття в силу своєї природи є пористими. Для зниження швидкості їх електрохімічного розчинення вони просочуються Порозаполнітель у вигляді лакофарбових покриттів. Такі комбіновані покриття можуть володіти довготривалої захисною здатністю, що досягає 30 і більше років. Однак вони дуже чутливі до механічних впливів і вимагають відновлення властивостей лакофарбових покриттів через кожні 5-7 років.
Електролітичне, або гальванічне, цинкування - найбільш раціональний і досконалий спосіб цинкування, що набув широкого поширення в промисловості для захисту сталевих виробів від корозії. Електролітичне осадження цинку з водних розчинів його солей, незважаючи на високий потенціал цього металу (- 0,70 В), досягається завдяки тому, що майже не виділяється на катоді [6].
При електролітичному цинкування сталі сплав між залізом основи і цинком не утворюється. Тому цинкове покриття не містить домішки основного металу. Забруднення його іншими металами (залізом, свинцем) досить незначні, їх кількість не перевищує сотих часток відсотка. Ступінь чистоти електролітичного цинкового покриття тим вище, чим чистіше вихідні матеріали, що застосовуються для електролізу, і перш за все матеріал анодів.
Отримане при нормальних умовах електролітичне цинкове покриття відрізняється значно меншою крихкістю, ніж покриття цинком, що наносяться іншими способами; воно має більшу пластичністю і хорошою сцепляемостью з основним металом.
Електролітичний спосіб дозволяє точно регулювати кількість наноситься на поверхню цинку і отримувати на виробах нескладної конфігурації досить рівномірні покриття. У зв'язку з цим витрата цинку на покриття значно менше, ніж при інших способах. Втрати цинку, неминучі при гарячому способі, в даному випадку незначні. Економія металу при електролітичному способі в порівнянні з гарячим становить 50% і більше [2].
Товщина цинкового покриття, необхідна для захисту виробів від корозії, залежить від матеріалу і характеру обробки покриваються виробів, призначення, умов служби і зберігання виробів і коливається в досить широких межах, від 3 до 40 мкм.Покритіе лягає рівномірно, в порівнянні з гарячим цинкуванням, повністю повторюючи поверхню виробу. Термін служби покриття до 40 років.
В даний час гальванічне цинкування широко поширене і застосовується у всіх галузях промисловості для захисту від корозії різноманітних металевих виробів, таких як болти, гайки, шайби, кріпильні та конструкційні елементи.
До переваг цього найбільш поширеного методу цинкування необхідно віднести високу продуктивність і рівномірність покриття, блискучий, декоративний характер поверхні з незмінними розмірами.
Основним недоліком таких покриттів є низькі адгезійні властивості, що в підсумку призводить до низької корозійної стійкості виробів, оброблених таким методом.
Цинкуванню можуть піддаватися деталі із сталей різних марок з міцністю на розтяг аж до 1500 Н / мм.
Електролітичне цинкування не рекомендується до застосування в наступних випадках: для високо навантажених пружин; для деталей, що працюють при температурі понад 250 ° С; для деталей, що експлуатуються в прісній гарячій воді при температурі понад 60 ° С; в деяких інших випадках, пов'язаних з особливістю умов експлуатації виробів [6].
Жоден з перерахованих вище способів цинкування не є універсальним для всіх умов експлуатації. Всі вони в якійсь мірі взаємно доповнюють один одного і дозволяють вирішувати різноманітні технічні завдання, пов'язані із захистом виробів від корозії і наданням їх поверхні необхідних функціональних властивостей. На сьогоднішній день в одному виробі можливо використовувати кілька типів покриттів.
Пропонуємо вашій увазі журнали, що видаються у видавництві «Академія природознавства»
(Високий імпакт-фактор РИНЦ, тематика журналів охоплює всі наукові напрямки)