Как горячее цинкование защищает от коррозии: научное объяснение

Опубликовано: 18 июля 2024

Общеизвестно, что горячее цинкование – это технология защиты металла от коррозии путем погружения изделия в расплавленный цинк. Но что происходит с металлом при такой обработке? За счет чего цинковый расплав способен защищать металл от ржавение? Чтобы понять природу горячего цинкования, разберем научное объяснение процесса.

Что происходит во время подготовки к горячему цинкованию

Прямо перед горячим цинкованием металлические изделия проходят несколько этапов подготовки. Поверхность тщательно очищается от загрязнений, смазки, ржавчины, окалины и других нежелательных включений, промывается и качественно просушивается – только после этого металл готов к горячему цинкованию.

1. Обезжиривание. Наличие каких-либо жиров на поверхности металла снижает эффективность горячего цинкования. Без качественного обезжиривания ухудшается адгезия цинкового покрытия, на металле образуются непокрытые участки и отслоение. Поэтому первым этапом подготовки металла к горячему цинкованию является обезжиривание в кислотном растворе.
2. Пищеварение. Далее производится кислотное пищеварение в растворе соляной кислоты с добавлением ингибиторов коррозии для удаления остатков ржавчины и окалины. Результатом такой обработки становится чистая металлическая поверхность без содержания окислов. Остатки кислоты и соединений железа смываются в воде.
3. Флюсовка. Этот этап необходим для улучшения адгезии цинкового покрытия с металлическим основанием. При флюсировании с поверхности удаляются остатки окислов и образуется соляная пленка на основе хлорида цинка ZnCl.2 и хлорида аммония NH4Cl для защиты металла от окисления на воздухе до момента погружения изделия в расплавленный цинк.
4. Сушка. Металлическое изделие просушивается нагретым воздухом, из металла полностью удаляется влага, поверхность нагревается, благодаря чему уменьшается термический шок при следующем погружении в расплавленный цинк.

Расплав для горячего цинкования готовится из цинка марок ЦВ и ЦВО с минимальным содержанием примесей (кадмия, свинца, железа, меди и других) в соответствии с техническими условиями ГОСТ 3640. Минимальные примеси алюминия улучшают антикоррозионные свойства покрытия, но его содержание не должно превышать 0,05 % – этот параметр регулярно контролируется. В расплав добавляется около 1% свинца, который повышает текучесть цинка и обеспечивает быстрое осаждение на дно ванны гартцинка – побочного продукта цинкования. Толщина цинкового покрытия регулируется временем выдержки металла в ванне, температурным режимом горячего цинкования и химическим составом цинкового расплава.

Как горячее цинкование защищает от коррозии

Горячее цинкование формирует многослойную защитную структуру, состоящую из нескольких слоев — интерметаллических соединений, чистого цинка и оксида цинка. Цинковое покрытие продлевает срок эксплуатации металлических конструкций в агрессивных условиях за счет защиты металла от двух видов коррозии – химической и электрохимической, а также обеспечивает эффект природной пассивации благодаря образованию на поверхности оксидной пленки.

Образование механического барьера для защиты от химической коррозии

Химическая коррозия происходит в результате взаимодействия железа с коррозионно-активными компонентами среды – водой, кислородом, химикатами, нагревом и т.п. Например, при взаимодействии железа с водой под влиянием кислорода происходит химическая реакция 4Fe+6H2О + 3О2 →4Fe(ОН)3 — образуется гидроксид железа, составляющий основу ржавчины, которая появляется на металле в результате коррозионных процессов.

Защитить металл от химической коррозии можно за счет создания механического барьера – именно такой принцип реализован в технологии горячего цинкования. Как это происходит? Металлическое изделие погружается в ванночку с цинковым расплавом, нагретым до 450°С, выдерживается расчетное время и после выгрузки направляется на охлаждение в воде при температуре до 80°С. В месте контакта цинка с металлом в результате диффузионных процессов образуются несколько фаз железоцинкового сплава. Эти фазы формируют несколько защитных слоев разной толщины и разного состава. Следовательно, между металлом и цинковым покрытием нет четкого предела, ведь цинк диффундирует в металл на атомном уровне.

Цинковое покрытие формирует прочный барьер, отграничивающий металл от внешнего воздействия воды, кислорода и других агрессивных факторов – таким образом обеспечивается защита от химической коррозии. Под защитой цинкового слоя металл полностью изолирован от окружающей среды. Какие-либо химические реакции взаимодействия металла с агрессивными веществами становятся невозможными.

Образование оксидной пленки и карбоната цинка

После выгрузки из ванны цинкования и охлаждения металлического изделия чистый цинк Zn на поверхности вступает в реакцию с кислородом O2 , в результате чего формируется оксид цинка ZnO, создающий дополнительную защиту от коррозии. Происходит реакция окисления:

2Zn + О2 →2ZnO

Далее в реакцию вступает углекислый газ атмосферного воздуха.2, при взаимодействии с которым образуется карбонат цинка ZnCO3 — твердое и крепкое вещество серого цвета, которое выполняет две функции — служит механическим барьером от контакта с внешними воздействиями и защищает от электрохимической коррозии:

ZnO + CO2 + Ч2О→ZnCO3

При эксплуатации в результате взаимодействия с атмосферным кислородом на поверхности цинкового покрытия продолжает образовываться оксидная пленка, обеспечивающая дополнительную защиту металла от коррозии – поверхность становится неактивной к химическим реакциям. Для ускорения этого процесса оцинкованный металл подвергают пассивации – искусственному образованию защитной оксидной пленки. Такая комплексная защита очень устойчива к механическим повреждениям и химическим воздействиям, поэтому горячее цинковое покрытие сохраняет целостность и антикоррозионные свойства в течение 65-120 лет.

При длительном хранении оцинкованного металла во влажной среде на поверхности может образоваться гидроксид цинка ZnO+H2О→Zn(OH)2 — так называемая белая ржавчина. Процесс усиливается, если металл хранится в плотной упаковке, где не обеспечивается достаточной циркуляции воздуха. Белая ржавчина оказывает влияние на внешний вид оцинкованных металлоконструкций и постепенно ухудшает антикоррозионные свойства цинкового покрытия. Чтобы защитить цинк от образования белой ржавчины, оцинкованное изделие направляется на пассивацию. Также предотвратить появление такого недостатка можно за счет организации правильных условий хранения и транспортировки металла – снижения влажности, обеспечения свободного отвода конденсата и полноценного доступа воздуха.

Катодная защита от электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия происходит из-за окисления металла вследствие электрохимических процессов, происходящих в токопроводящей среде. Электролитом могут служить различные компоненты эксплуатационной среды – соленая и пресная вода, почва, агрессивные жидкости, пар, углекислый газ и т.д. При контакте двух металлов с разными окислительно-восстановительными потенциалами в среде электролита образуется гальванический элемент. Электролит обеспечивает перенос ионов от анодной в катодную зону, создавая благоприятные условия для запуска электрохимической коррозии. Металл, выполняющий функцию анода, постепенно растворяется, на поверхности образуются продукты коррозии.

Нанесение горячего цинкового покрытия полностью изменяет ситуацию. В гальванической паре «сталь-цинк» функцию анода выполняет цинк. Цинк имеет более отрицательный электродный потенциал, поэтому в паре железо-цинк металл не подвергается коррозии. Весь агрессивный воздействие эксплуатационной среды берет на себя цинковое покрытие. Но благодаря образованию поверхностной оксидной пленки цинк защищен от быстрой коррозии и способен к самовосстановлению. Если при эксплуатации на цинковом покрытии появились царапины и другие механические повреждения, усиливается процесс образования оксидной пленки, которая закрывает дефект и укрепляет антикоррозионная защита металла.

Как видим, во время горячего цинкования на поверхности металла происходят сложные химические процессы, от которых зависит эффективность и долговечность антикоррозионной защиты. Чтобы получить максимально качественное цинковое покрытие важно точно определять режимы нагрева и охлаждения, контролировать химический состав цинкового расплава и подготовительных жидкостей, учитывать особенности химической активности цинка после завершения цинкования. Все это можно реализовать только в профессиональных производственных условиях с использованием современного оборудования, с внедрением новейших технологических решений и привлечением команды опытных инженерных специалистов. Именно такие условия созданы на нашем производстве ДП-Украина, благодаря чему мы можем гарантировать высокое качество и долговечность горячего цинкового покрытия.