Способы цинкования стали

Защитные покрытия металлопродукции увеличивают срок службы стальных изделий и являются эффективным средством снижения потерь металла от коррозии.

Из металлических покрытий в мировой практике наиболее широко применяют цинковые, так как физико-химические свойства цинка, относительная простота технологии и оборудования для нанесения цинкового покрытия позволяют эффективно применять цинк для защиты металлоизделий от коррозии [1].

Из общего количества защищаемой цинковыми покрытиями стали более 50% приходится на полосу и лист, примерно по 12-15% на трубы и проволоку, остальное - на прочие изделия.

Мировой расход цинка на покрытие стальных изделий превышает 2 млн. тонн.

В природе цинк входит в состав различных минералов: сернистый цинк (до 67 % цинка), карбонат цинка (до 52 % цинка), кремнистокислый цинк (до 54 % цинка) и других.

Наибольшими запасами цинковых руд (более 1 млн. тонн) обладает Канада.

Получают цинк из руд электрогильваническим способом с последующей переплавкой в индукционных электрических печах.

По ГОСТ 3640-79 цинк выпускают 6 марок: ЦВ, ЦО-Ц4. Цинк марки ЦВ содержит 99, 99% цинка, марки Ц4-97, 5 (остальное примеси, свинец до 2 %).

Цинк - голубовато серебристый металл с температурой плавления 419, 5°С, плотность твердого цинка при температуре 20°С 7, 133 т/м³, жидкого - 6, 66 т/м³. Модуль упругости цинка 0, 78 Па, предел прочности (временное сопротивление) - 196-245 МПа, предел текучести - 73, 5 МПа, относительное удлинение 40-50% [1].

Технический цинк при обычной температуре очень хрупкий, но при нагревании до 100-150°С обладает хорошей пластичностью и может прокатываться на полосу и лист, а также прессоваться на трубs и проволоку.

Кроме защитных покрытий в промышленности цинк используется для производства различных сплавов (в первую очередь, латуней).

Цинк - химически активный металл, вступает в реакции с кислотами, щелочами, солями металлов.

Коррозионная стойкость цинка в атмосферных условиях во многом определяется наличием на нем защитной пленки (окись цинка, сернокислый цинк).

Скорость коррозии цинка () составляет: в промышленной атмосфере - 6, 4, в морской атмосфере - 1, 5, в сельской местности - 1, 1, в пустыне - 0, 18.

Основные методы нанесения цинковых покрытий: диффузионный, электролитический, металлизационный.

Электролитическое цинкование - нанесение цинковых покрытий на поверхность изделий в растворах электролитов под действием электрического тока. При электролитическом цинковании протекают электродные процессы, при которых под действием электрического тока ионы цинка в электролите движутся от одного электрода (анода) к другому (катоду). Электролиты - соли цинка фосфорной, соляной, серной и других кислот.

Электролитический способ нанесения цинковых покрытий (гальванотехника) широко применяется в машиностроении, приборостроении и электронной промышленности для защиты изделий от коррозии и придания специальных свойств. Плотность тока составляет 1-5 А на дм² и определяет скорость осаждения цинка. Основные требования к цинковому покрытию: равномерность, декоративность, чистота, твердость, величина внутренний напряжений и пластичность.

Используемые в машиностроительной гальванотехнике процессы и оборудование для цинкования по производительности не соответствуют технологическим скоростям металлургического производства. Необходимо увеличить скорость цинкования в 20-50 раз.

В этой связи появилось новое направление в гальванотехнике - металлургическое.

Основной особенностью процессов, использующихся в металлургической гальванотехнике является применение высокоинтенсивных режимов нанесения цинкового покрытия при плотности тока 50-400 А на дм².

Металлургическая гальванотехника обеспечивает не только высокие скорости производства оцинкованного металлопроката, но и возможности реализовать новые высокоэффективные процессы осаждения сплавов и многослойных покрытий на основе цинка, повышающих потребительские свойства в первую очередь за счет легирования цинкового покрытия.

Легирование цинковых покрытий другими металлами позволяет значительно улучшить их свойства - защитную способность, способность к свариванию, окрашиванию лакокрасочными материалами. Так, в промышленной атмосфере покрытия, легированные оловом, никелем, хромом и особенно кобальтом имеют значительно большую (в 2-3 раза) коррозионную стойкость, чем цинковые.

Цинковые покрытия, содержащие добавки кобальта, молибдена, хрома имеют большую адгезию к краске, чем обычные цинковые, что обеспечивает получение более качественных комбинированных покрытий.

Создание многослойных покрытий (2-3 слоя) позволяет получить сочетание свойств, которые нельзя получить при нанесении однослойных покрытий.

Производство электролитически оцинкованного полосового проката интенсивно развивается. Разработаны и успешно эксплуатируются высокомеханизированные автоматические линии непрерывного действия производительностью до 350 тыс. тонн в год. Интенсивное развитие электролитического цинкования полосы связано с актуальностью замены толстых покрытий, получаемым в расплавах, более тонкими гальваническими, но близкими по защитной способности к горячецинковым. На агрегатах электролитического цинкования обрабатывают полосу толщиной от 0, 25 до 3, 2 мм, шириной от 500 до 2200 мм в рулонах массой до 40 т и листах длиной 500-6100 мм.

На этих агрегатах выпускают одно- и двухсторонне оцинкованную полосу с массой покрытия от 20 до 120 г/м² на каждую сторону. На полосу наносят чисто цинковые, цинконикелевые, цинкожелезные, цинкохромовын, цинкокобальтохромовые, цинкмарганцевые покрытия или многослойные системы на основе этих покрытий. Для повышения коррозионной стойкости оцинкованную полосу дополнительно хромируют, фосфатируют, промасливают. Типовая схема технологического процесса: размотка-сварка концов полос - правка - химическая очистка - промывка - травление - промывка - электролитическое цинкование - промывка - фосфатирование - промывка - хроматирование (электролитическое) - хроматирование (распылением) - сушка - промасливание - смотка.

Цинкование напылением (металлизация цинком) или газотермическое напыление является одним из эффективных методов поверхностной обработки металлов, применяемое, главным образом, для защиты от коррозии строительных конструкций, труб, используемых в судостроении, при строительстве теплотрасс, технологических трубопроводов и резервуаров в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности, производстве минеральных удобрений и т.д.

Преимуществом этого метода по сравнению с другими методами оцинкования является простота технологии и высокая скорость нанесения покрытия, в том числе толстослойных, многослойных, композиционных и легированных цинковых покрытий.

Этим методом можно напылять покрытие на ограниченные участки крупногабаритных изделий, а также покрывать большие металлоконструкции как в заводских условиях, так и на месте их монтажа при минимальных затратах на оборудование и оснастку.

При газопламенном нанесении цинковых покрытий практически исключается изменение свойств покрываемых изделий, тогда как при электролитическом цинковании часто наблюдается наводороживание металлической основы, а при диффузионном - ее деформация за счет нагрева при относительно высоких температурах (500-600°С). При газотермическом напылении происходит кратковременный нагрев стальной подложки до температуры (120-250°С).

Вместе с тем газотермическое напыление сопровождается существенными потерями напыляемого материала (10-50 %). Цинк, не попавший на изделие, превращается в пыль, что требует хорошей вентиляции, специальных средств защиты персонала и окружающей среды и обеспечения пожаробезопасности.

Газотермическое напыление заключается в распылении струей воздуха или горячего газа расплавленного напыляемого материала. В качестве источника тепла при газотермическом напылении цинка используется энергия горения кислорода и горючего газа (газопламенное напыление) или электрической дуги (электродуговое напыление).

Поверхность полученных напылением покрытием шероховатая, серого цвета, хорошо абсорбирует различные наполнители, особенно органические жидкости и краски. Газотермические покрытия имеют значительную внутреннюю пористость, относительно большой размер зерен (6-20 мкм). Масса покрытия при толщине слоя 100 мкм составляет 540 г/м². В большинстве случаев толщина слоя металлизационного цинкового покрытия должна быть не менее 75 мкм при защите изделий от коррозии в промышленной атмосфере и не менее (200-300 мкм) на изделиях, эксплуатируемых при погружении в воду.

Диффузионный метод образования цинковых покрытий представляет собой процесс, происходящий при высоких (380-850°С) температурах и основанный на явлении диффузии. Растворимость цинка в железе по массе составляет 6% при 20°С [2].

Диффузионный метод цинкования может осуществляться разными способами. По первому, парофазному способу, изделие помещают в контейнер с цинковым порошком и нагревают в течение определенного времени. Перенос цинка к обрабатываемой поверхности происходит посредством паровой фазы, образующейся при нагревании цинка.

По второму, жидкофазному способу, изделие помещают в расплавленный (жидкий) цинк. В промышленности этот способ получил название «горячее цинкование».