Як гаряче цинкування захищає від корозії: наукове пояснення
Загальновідомо, що гаряче цинкування – це технологія захисту металу від корозії шляхом занурення виробу у розплавлений цинк. Але що відбувається з металом під час такої обробки? За рахунок чого цинковий розплав здатний захищати метал від ржавіння? Щоб зрозуміти природу гарячого цинкування, розберемо наукове пояснення процесу.
Що відбувається під час підготовки до гарячого цинкування
Безпосередньо перед гарячим цинкуванням металеві вироби проходять декілька етапів підготовки. Поверхня ретельно очищується від забруднень, мастила, іржі, окалини та інших небажаних включень, промивається та якісно просушується – тільки після цього метал готовий до гарячого цинкування.
- Знежирення. Наявність будь-яких жирів на поверхні металу знижує ефективність гарячого цинкування. Без якісного знежирення погіршується адгезія цинкового покриття, на металі утворюються непокриті ділянки та відшарування. Тому першим етапом підготовки металу до гарячого цинкування є знежирення у кислотному розчині.
- Травлення. Далі проводиться кислотне травлення у розчині соляної кислоти з додаванням інгібіторів корозії для видалення залишків іржі та окалини. Результатом такої обробки стає чиста металева поверхня без вмісту оксидів. Залишки кислоти та сполук заліза змиваються у воді.
- Флюсування. Цей етап необхідний для покращення адгезії цинкового покриття з металевою основою. Під час флюсування з поверхні видаляються залишки оксидів та утворюється соляна плівка на основі хлориду цинку ZnCl2 та хлориду амонію NH4Cl для захисту металу від окиснення на повітрі до моменту занурення виробу у розплавлений цинк.
- Сушка. Металевий виріб просушується нагрітим повітрям, з металу повністю видаляється волога, поверхня нагрівається, завдяки чому зменшується термічний шок під час наступного занурення у розплавлений цинк.
Розплав для гарячого цинкування готується з цинку марок ЦВ та ЦВО з мінімальним вмістом домішок (кадмію, свинцю, заліза, міді та інших) відповідно до технічних умов ГОСТ 3640. Мінімальні домішки алюмінію покращують антикорозійні властивості покриття, але його вміст не повинен перевищувати 0,05% – цей параметр регулярно контролюється. У розплав додається близько 1% свинцю, який підвищує плинність цинку та забезпечує швидке осадження на дно ванни гартцинку – побічного продукту цинкування. Товщина цинкового покриття регулюється часом витримки металу у ванні, температурним режимом гарячого цинкування та хімічним складом цинкового розплаву.
Як гаряче цинкування захищає від корозії
Гаряче цинкування формує багатошарову захисну структуру, яка складається кількох шарів – інтерметалічних сполук, чистого цинку та оксиду цинку. Цинкове покриття подовжує термін експлуатації металевих конструкцій в агресивних умовах за рахунок захисту металу від двох видів корозії – хімічної та електрохімічної, а також забезпечує ефект природної пасивації завдяки утворенню на поверхні оксидної плівки.
Утворення механічного бар’єру для захисту від хімічної корозії
Хімічна корозія відбувається в результаті взаємодії заліза з корозійно-активними компонентами середовища – водою, киснем, хімікатами, нагрівом тощо. Наприклад, при взаємодії заліза з водою під впливом кисню відбувається хімічна реакція 4Fe + 6H2O + 3O2 →4Fe(OH)3 – утворюється гідроксид заліза, який становить основу іржі, що з’являється на металі в результаті корозійних процесів.
Захистити метал від хімічної корозії можна за рахунок створення механічного бар’єру – саме такий принцип реалізовано у технології гарячого цинкування. Як це відбувається? Металевий виріб занурюється у ванну із цинковим розплавом, нагрітим до 450°С, витримується розрахунковий час та після вивантаження направляється на охолодження у воді при температурі до 80°С. В місці контакту цинку з металом в результаті дифузійних процесів утворюються декілька фаз залізоцинкового сплаву. Ці фази формують декілька захисних шарів різної товщини та різного складу. Отже, між металом та цинковим покриттям немає чіткої межі, адже цинк дифундує в метал на атомному рівні.
Цинкове покриття формує міцний бар’єр, який відмежовує метал від зовнішнього впливу води, кисню та інших агресивних факторів – таким чином забезпечується захист від хімічної корозії. Під захистом цинкового шару метал повністю ізольований від навколишнього середовища. Будь-які хімічні реакції взаємодії металу з агресивними речовинами стають неможливими.
Утворення оксидної плівки та карбонату цинку
Після вивантаження з ванни цинкування та охолодження металевого виробу чистий цинк Zn на поверхні вступає в реакцію з киснем O2 , в результаті чого формується оксид цинку ZnO, який створює додатковий захист від корозії. Відбувається реакція окислення:
2Zn + O2 →2ZnO
Далі в реакцію вступає вуглекислий газ атмосферного повітря CO2, при взаємодії з яким утворюється карбонат цинку ZnCO3 – тверда та міцна речовина сірого кольору, яка виконує дві функції – служить механічним бар’єром від контакту з зовнішніми впливами та захищає від електрохімічної корозії:
ZnO + CO2 + H2O→ZnCO3
Під час експлуатації в результаті взаємодії з атмосферним киснем на поверхні цинкового покриття продовжує утворюватися оксидна плівка, яка забезпечує додатковий захист металу від корозії – поверхня стає неактивною до хімічних реакцій. Для прискорення цього процесу оцинкований метал піддають пасивації – штучному утворенню захисної оксидної плівки. Такий комплексний захист є дуже стійким до механічних ушкоджень та хімічних впливів, тому гаряче цинкове покриття зберігає цілісність і антикорозійні властивості протягом 65-120 років.
При тривалому зберіганні оцинкованого металу у вологому середовищі на поверхні може утворитися гідроксид цинку ZnO+H2O→Zn(OH)2 – так звана біла іржа. Процес посилюється, якщо метал зберігається у щільному пакуванні, де не забезпечується достатня циркуляція повітря. Біла іржа впливає на зовнішній вигляд оцинкованих металоконструкцій та поступово погіршує антикорозійні властивості цинкового покриття. Щоб захистити цинк від утворення білої іржі, оцинкований виріб направляється на пасивацію. Також попередити появу такого недоліку можна за рахунок організації правильних умов зберігання і транспортування металу – зниження вологості, забезпечення вільного відводу конденсату та повноцінного доступу повітря.
Катодний захист від електрохімічної корозії
Електрохімічна корозія відбувається через окиснення металу внаслідок електрохімічних процесів, які відбуваються у струмопровідному середовищі. Електролітом можуть служити різні компоненти експлуатаційного середовища – солона та прісна вода, грунт, агресивні рідини, пар, вуглекислий газ тощо. При контакті двох металів з різними окисно-відновними потенціалами у середовищі електроліту утворюється гальванічний елемент. Електроліт забезпечує перенос іонів від анодної до катодної зони, створюючи сприятливі умови для запуску електрохімічної корозії. Метал, який виконує функцію анода, поступово розчиняється, на поверхні утворюються продукти корозії.
Нанесення гарячого цинкового покриття повністю змінює ситуацію. В гальванічній парі “сталь-цинк” функцію анода виконує цинк. Цинк має більш негативний електродний потенціал, тому у парі “залізо-цинк” метал не піддається корозії. Весь агресивний вплив експлуатаційного середовища бере на себе цинкове покриття. Але завдяки утворенню поверхневої оксидної плівки цинк захищений від швидкої корозії та має здатність до самовідновлення. Якщо в процесі експлуатації на цинковому покритті з’явилися подряпини та інші механічні ушкодження, посилюється процес утворення оксидної плівки, яка закриває дефект та зміцнює антикорозійний захист металу.
Як бачимо, під час гарячого цинкування на поверхні металу відбуваються складні хімічні процеси, від яких залежить ефективність і довговічність антикорозійного захисту. Щоб отримати максимально якісне цинкове покриття, важливо точно визначати режими нагріву та охолодження, контролювати хімічний склад цинкового розплаву та підготовчих рідин, враховувати особливості хімічної активності цинку після завершення цинкування. Все це можливо реалізувати лише у професійних виробничих умовах з використанням сучасного обладнання, з втіленням новітніх технологічних рішень та залученням команди досвідчених інженерних спеціалістів. Саме такі умови створені на нашому виробництві “ДП-Україна”, завдяки чому ми можемо гарантувати високу якість і довговічність гарячого цинкового покриття.
