Методы цинкования металла: сравнение способов

Как цинк защищает сталь от коррозии

Цинкование — нанесение на сталь или чугун слоя цинка для защиты от коррозии. Цинк защищает металл двумя способами сразу. Первый — барьер: слой закрывает сталь от влаги и воздуха. Второй — электрохимический: цинк активнее железа, поэтому во влажной среде растворяется он, а не сталь. Даже в царапине до основного металла или на кромке реза сталь не ржавеет, пока рядом есть цинк. Такую защиту называют протекторной, а покрытие — анодным.

Отсюда главное правило: срок службы цинкового покрытия пропорционален толщине покрытия. Цинк расходуется год за годом с почти постоянной скоростью, и слой в 85 мкм проживёт примерно вдесятеро дольше слоя в 9 мкм. Методы цинкования различаются прежде всего тем, какую толщину они дают и на какие изделия её можно нанести. Другие способы защиты — легирование, катодная защита, оксидные и лакокрасочные покрытия — сравнили в статье о защите металла от коррозии.

Виды цинкования металла: сравнение в таблице

Виды цинкования отличаются технологией нанесения, толщиной защитного слоя и тем, какие изделия можно обработать. Толщины и температуры взяты из нормативных документов на каждый способ. Срок службы — расчёт для городской атмосферы, подробнее — в разделе о сроке службы.

Подготовка поверхности перед цинкованием

Цинк держится только на чистом металле, поэтому любой процесс начинается с подготовки поверхности изделия. Масло и смазку снимают обезжириванием, окалину и ржавчину — травлением в кислоте или абразивной очисткой. Для горячего и гальванического цинкования поверхность металла травят, для напыления, холодного цинкования и чугунного литья очищают абразивом: кислота наводороживает прочную сталь и застревает в порах литья. Плохая подготовка — главная причина отслаивания защитного покрытия и коррозии под ним, какой бы метод ни был выбран.

Горячее цинкование погружением в расплав

Горячее цинкование — самый распространённый метод для металлоконструкций. Изделие очищают, обезжиривают, травят в кислоте, покрывают флюсом, сушат и погружают в ванну с расплавленным цинком. ГОСТ 9.307-2021 задаёт температуру расплава 430–460 °C. Цинк вступает в реакцию со сталью и образует слои сплава железа с цинком, а сверху — слой чистого цинка. После ванны лишний цинк стекает, мелкие детали отправляют в центрифугу.

Толщину горячего покрытия стандарт ставит в зависимость от толщины металла: чем массивнее изделие, тем дольше оно прогревается в ванне и тем толще растёт слой.

Ограничения метода вытекают из температуры. При погружении в расплав снимаются внутренние напряжения от сварки, штамповки и резки, поэтому тонкие и несимметричные изделия может повести. Закрытые полости без дренажных отверстий цинковать нельзя: воздух в них расширяется, и изделие может разорвать. Использовать горячеоцинкованные изделия при температуре выше 250 °C не рекомендуется, при постоянном нагреве — не выше 200 °C. Химический состав стали влияет на вид и толщину покрытия: для горячего цинкования рекомендуют низкоуглеродистую сталь с содержанием углерода 0,05–0,25 %.

Лист и рулон цинкуют тем же горячим способом, но на непрерывных линиях: полоса проходит через ванну с расплавом с большой скоростью. Этот метод называют методом Сендзимира, а прокат выпускают по ГОСТ 14918-2020. Деталь, вырезанная из оцинкованного листа, получает кромки без слоя: их защищает цинк соседней поверхности.

Преимущества: самый толстый металлический защитный слой из массовых способов, высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах, покрытие внутри труб и полостей, прочное сцепление и стойкость к механическому воздействию при перевозке и монтаже. Недостатки: нагрев до 460 °C, наплывы на кромках и витках, габарит изделия ограничен ванной, неровный внешний вид, тонкие детали ведёт.

Гальваническое цинкование в электролите

Гальваническое цинкование (его называют ещё электролитическим или электрохимическим) идёт в ванне с раствором солей цинка. Деталь подключают к минусу источника тока, и цинк осаждается на ней тонким ровным слоем. Электролит не нагревают до высоких температур, поэтому деталь не меняет размеры и структуру. Мелкие детали и крепёж цинкуют насыпью во вращающихся барабанах, крупные — на подвесках.

Толщину гальванического слоя конструктор выбирает по ГОСТ 9.303-84 в зависимости от условий эксплуатации: 6 мкм — для помещений с регулируемым климатом, 9–15 мкм — на открытом воздухе и под навесом в умеренном климате, до 24–30 мкм — в самых жёстких условиях. В чертеже толщину пишут цифрой после буквы: Ц9, Ц15. Расшифровку записи — в статье об обозначении покрытий по ГОСТ 9.306-85.

После цинкования слой почти всегда пассивируют — хроматируют: тонкая плёнка замедляет коррозию самого цинка и задаёт цвет — бесцветный, радужный, хаки или чёрный. Слабое место метода — водород: он выделяется на детали вместе с цинком и снижает пластичность стали. ГОСТ 9.303-84 не допускает гальваническое цинкование сталей с пределом прочности выше 1380 МПа, а для закалённых деталей и прочного крепежа после ванны нужен прогрев — обезводороживание. Ещё одно ограничение стандарта: при температуре выше 250 °C и ниже минус 70 °C покрытие становится хрупким.

Преимущества: точные размеры, гладкая поверхность, выбор цвета пассивации, обработка мелких деталей сотнями штук, процесс без нагрева. Недостатки: тонкий слой и меньший срок службы на улице, наводороживание прочной стали, низкая стойкость к истиранию, на глубоких отверстиях и в полостях слой тоньше, чем на гранях.

Термодиффузионное цинкование в порошке

Термодиффузионное цинкование выполняют по ГОСТ Р 9.316-2006. Детали засыпают цинкосодержащей смесью в герметичный контейнер, ставят в печь и вращают 2–3 часа при 290–390 °C. Цинк проникает в поверхность стали и образует слой сплава железа с цинком, в котором до 10 % железа. После печи покрытие фосфатируют.

Слой получается твёрдым и одинаковым по толщине на всей поверхности, включая витки и сложные формы. Процесс идёт без кислоты в контейнере и без тока, поэтому, как указывает стандарт, не вызывает необратимого водородного охрупчивания — метод применяют для стали повышенной прочности, чугуна и медных сплавов. Ограничения: размер контейнера (метод для крепежа и деталей, а не для конструкций) и температура эксплуатации — не применять на изделиях, которые нагреваются до 370 °C и выше.

В чертеже термодиффузионное покрытие обозначают буквами «ТД» по ГОСТ 9.306-85, класс по таблице добавляют по согласованию с заказчиком. Толщина больше 50 мкм — тоже по согласованию.

Преимущества: нет водородной хрупкости, твёрдый слой, стойкий к истиранию, ровное покрытие витков и сложных форм, хорошая основа под окраску. Недостатки: габарит изделия ограничен контейнером, матовый тёмно-серый внешний вид без декоративного блеска, процесс длительный и требует специального оборудования — печи с вращающимися контейнерами.

Газотермическое напыление цинка

При газотермическом напылении (металлизации) цинковую проволоку или порошок расплавляют электрической дугой или пламенем, а струя сжатого газа разносит капли по поверхности. Метод не требует ванны, поэтому так защищают конструкции любого размера — мосты, резервуары, трубопроводы, а также чугун и прочные стали, которые нельзя травить в кислоте. Поверхность перед напылением очищают абразивом, сама деталь нагревается слабо, и её не ведёт.

Толщину для конструкций задаёт ГОСТ 28302-89 по агрессивности среды: в атмосфере со слабой агрессивностью — 100–150 мкм цинка без окраски, со средней — 200–250 мкм без окраски или 120–180 мкм под последующую окраску. Для закладных деталей и арматуры в бетоне стандарт рекомендует 150–200 мкм. Напылённый слой пористый, поэтому его часто пропитывают и окрашивают — такая система служит дольше, чем цинк и краска по отдельности. Тем же способом восстанавливают горячее цинкование: непрокрытые участки допускается ремонтировать напылением цинка толщиной от 120 мкм.

Преимущества: нет ограничений по размеру, оборудование привозят на объект, толстый слой без нагрева изделия, подходит для чугуна и прочной стали. Недостатки: пористое покрытие требует пропитки или окраски, шероховатая поверхность, высокий расход материала, внутренние полости и узкие щели не напыляются.

Холодное цинкование цинкосодержащей краской

Холодное цинкование — не металлическое покрытие, а лакокрасочное: краска с высоким содержанием цинкового порошка в составе: для ремонта горячего цинка требуется не менее 95 % цинка в сухой плёнке. Частицы цинка касаются друг друга и стали и защищают её так же, как металлический цинк, пока контакт сохраняется. Наносят кистью, валиком или краскопультом прямо на объекте, без ванн и печей.

Условие работы — чистая сталь: ржавчину и окалину удаляют абразивом, иначе покрытие защищает только как обычная краска. Для такого ремонта ГОСТ 9.307-2021 требует не менее двух слоёв общей толщиной от 100 мкм. Холодное цинкование уступает металлическим способам в стойкости к истиранию и ударам, зато не имеет ограничений по размеру и подходит для ремонта и для конструкций, которые нельзя демонтировать.

Преимущества: не нужно оборудование цинковального завода, наносят на месте, можно восстановить повреждение горячего цинка. Недостатки: это не металлический слой: слабее при механическом воздействии и ударах, срок службы зависит от качества очистки и числа слоёв.

Срок службы цинкового покрытия по условиям

Скорость коррозии цинка в атмосфере измерена и классифицирована в ISO 9223 (в России — ГОСТ ISO 9223-2017). Разделив толщину покрытия на эту скорость, получаем, сколько лет цинк будет расходоваться, прежде чем откроется сталь. В таблице — такой расчёт для типичных толщин каждого метода по четырём категориям атмосферы:

• C2 — сельская местность, слабое загрязнение.
• C3 — город, лёгкая промышленность, побережье с низкой солёностью.
• C4 — промышленные районы, морское побережье.
• C5 — сильное промышленное загрязнение, морской климат.

Таблица показывает порядок величин, а не гарантийный срок. Хроматная плёнка на гальваническом цинке и окраска поверх любого цинка продлевают службу. Сокращают её влага, которая долго держится на поверхности, контакт с медью и нержавеющей сталью, а внутри помещений — кислые пары от древесины и пластмасс. В сухом отапливаемом помещении (категория C1, меньше 0,1 мкм в год) даже тонкий гальванический слой практически не расходуется.

Цинкование резьбы и высокопрочной стали

Резьба и прочная сталь — два случая, где выбор метода ограничен техникой, а не ценой.

Как выбрать метод цинкования для детали

Выбор метода начинается не с цены, а с четырёх вопросов о детали.

1. Габариты и форма. Изделие длиной в несколько метров или сварная конструкция — горячее цинкование или напыление. Мелкие детали и крепёж — гальваника или термодиффузия: их цинкуют насыпью сотнями штук.
2. Точность размеров. Посадочные поверхности, крепёж, детали под сборку — гальваническое или термодиффузионное цинкование. Горячий цинк потребует калибровки витков.
3. Прочность стали. Закалённые детали, пружины, крепёж 10.9 и 12.9 — термодиффузионное цинкование или гальваническое с обязательным обезводороживанием. Сталь прочнее 1380 МПа гальванически не цинкуют.
4. Среда и срок. В помещении достаточно 6–9 мкм электролитического цинка, на улице в городе — 15–24 мкм под окраску или горячий цинк, в промышленной и морской атмосфере — горячее цинкование, напыление или цинк под окраску.

Если деталь проходит по двум методам, решают внешний вид и последующие операции. Гальванический цинк гладкий и блестящий, его хроматируют в нужный цвет. Горячий цинк — матовый или с кристаллическим рисунком, с наплывами на кромках. Под порошковую окраску подходят все металлические способы, но поверхность готовят по-разному. Для труб выбор разобран отдельно — на странице о цинковании труб.

Гальваническое цинкование в технопарке ЗЭМ

Гальванический участок технопарка выполняет цинкование металла электролитическим методом — для деталей машин, корпусов, кронштейнов и крепежа, где важны точные размеры и ровная поверхность.

• Толщина до 30 мкм на стальных деталях длиной до 1000 мм — от Ц6 для помещений до Ц24–Ц30 для жёстких условий по ГОСТ 9.303-84.
• Болты и винты с хроматированием — слоем до 15 мкм, чтобы болт остался в допуске.
• Пассивация в цвет по чертежу: бесцветное и радужное хроматирование, фосфатирование, цинкование под изоляцию — обозначения Ц, Цхр, Цфос, Цхр.бцв.
• Обезводороживание той же партии — для закалённых деталей и прочного крепежа, без перевозки между подрядчиками.

В заявке укажите марку стали и твёрдость, обозначение покрытия из чертежа (например, Ц9.хр), размеры и количество деталей — технолог подтвердит процесс и толщину.