Оцинковка стали:«шокирующая» защита от окисления

Зачем выбирать оцинкованную сталь, а не нержавеющую?

Мы говорим, что «воодушевлены», когда что-то побуждает нас к действию. Так что же это означает, когда мы используем термин оцинкованная сталь или металл?

Оказывается, все дело в шоке.

Черные металлы содержат железо и составляют 90% мирового производства металлов. Железо плотное, прочное (при смешивании с углеродом превращается в сталь), в изобилии и легко очищается. Эти свойства делают его самым важным металлом для промышленности и строительства.

Однако железо и многие его сплавы также сильно подвержены ржавчине при воздействии воздуха и воды. Защита от коррозии является частью проектирования черных металлов. Иногда эта защита может исходить от типа сплава; нержавеющие стали, например, содержат хром и другие элементы для химической защиты от коррозии. Однако эти добавки могут изменить механические свойства. Они также могут быть дорогими. Иногда используется герметик, такой как порошковое покрытие, краска или обработка маслом.

Оцинкованная сталь еще более распространена, но менее изучена. Как сделать оцинкованную сталь? Подстегивает ли это черных металлов к действию? Ржавеет ли оцинкованная сталь? Когда вы используете оцинкованную сталь, алюминий или нержавеющую сталь?

Что такое оцинкованная сталь?

Гальванизация — это процесс, при котором цинковое покрытие наносится на сталь или железо, создавая барьер, защищающий черный металл от коррозии. Слой цинка работает физически, блокируя попадание воды и воздуха на поверхность стали, и химически, обеспечивая катодную защиту. Эта защита электрохимическая… как метафорическая «гальванизация», побуждающая нас к действию. Слово происходит от имени ученого 18 века Луиджи Гальвани, который был пионером в области биоэлектромагнетизма.

Гальванизация обычно выполняется при высокой температуре. Хотя слой цинка можно добавить с помощью покраски или гальванического покрытия, любой из этих способов создает только тонкий слой — блестящую поверхность толщиной всего 3 микрона. Подобное местное применение уязвимо при наружном применении, где важна коррозионная стойкость.

Настоящая гальванизация происходит при высокой температуре и зависит от химического взаимодействия между цинком, кислородом и углекислым газом. Эти три вещества вступают в реакцию при температуре, образуя темно-серый слой карбоната цинка, который обычно имеет толщину 50 микрон и гораздо более долговечен на открытом воздухе.

Ржавеет ли оцинкованная сталь?

Вы можете спросить себя:«Ржавеет ли оцинкованная сталь?» Ответ - да... до некоторой степени и в зависимости от условий. Степень ржавения оцинкованной стали зависит от толщины защитного цинкового покрытия (о котором мы поговорим подробнее ниже) и типа агрессивной среды.

В каких условиях ржавеет оцинкованная сталь? Наиболее распространенные из них включают высокую влажность, влажную или пропитанную среду, соль в воздухе или воде, мох и кислоты. Но гальванизация также обеспечивает хорошую устойчивость к контакту с бетоном, раствором, свинцом, оловом, цинком и алюминием.

Оцинковка помогает продлить борьбу с нарастанием ржавчины. Он основан на окислении цинка для защиты от окисления стали или железа. При правильных условиях оцинкованная сталь устойчива к ржавчине до 50 лет. Ржавчина или окисление черных металлов останавливается. Тем не менее, в цинке все еще происходит окисление (просто это не называется ржавчиной).

Когда цинк, наконец, полностью превратится в результате окисления, он больше не будет защищать, и сталь будет разгрызена.

Горячее цинкование

Горячее цинкование является наиболее распространенным методом цинкования. В этом методе стальные или железные детали очищают от мусора и прокатной окалины, а затем опускают в ванну с цинком или цинковым сплавом при температуре около 840°F. Сталь оставляют в ванне до тех пор, пока она не достигнет той же температуры, после чего ее поднимают и охлаждают. Это охлаждение может быть быстрым или медленным, в зависимости от предполагаемого вида конечного продукта.

Гальваника — это процесс цинкования в ванне цинка с добавкой алюминия. Пока металл еще горячий, все изделие подвергается термообработке, в результате чего образуется несколько слоев сплавов цинка и железа. Добавление алюминия и последующая термообработка придают полученной стали лучшую свариваемость. Оцинкованная сталь, как правило, покрывается красноватой патиной, похожей на ржавчину, но не подвергается коррозии, как незащищенные сплавы железа.

Сухое цинкование

Менее распространенным методом цинкования является сухое цинкование. Этот процесс также известен как Sherardizing, названный в честь металлурга Шерарда Каупера-Коулза, который разработал этот метод. В этом методе небольшие стальные детали нагреваются в закрытом вращающемся барабане вместе с цинковой пылью и песком до тех пор, пока температура и вращение не заставят цинк химически сплавиться с поверхностью стали. Затем деталь закаливают. Он часто используется для мелких деталей и деталей с внутренними поверхностями, недоступными для горячего погружения.

Блестки

Одной из традиционно узнаваемых черт оцинкованной стали являются блестки на ее поверхности. Весь металл застывает в кристаллической форме, как ряд плотно сложенных снежинок. Для большинства металлов эти кристаллические зерна слишком малы, чтобы их можно было увидеть, или границы зерен не очевидны без травления. Гальванизация цинковым сплавом позволяет увидеть картину кристаллизации, которая образуется при замерзании металла.

Форма и размер блесток могут дать представление об условиях охлаждения после горячего цинкования. Чем медленнее замерзает поверхность, тем крупнее кристаллические зерна, часто имеющие форму перьев или листьев. Быстрая закалка при более низких температурах может привести к получению более мелкого, более регулярного или квадратного зерна.

Большая часть самых привлекательных блесток часто создается с небольшим количеством свинца или олова в сплаве цинка. Эти добавки позволяют создавать дендритоподобные зерна - процесс замораживания, который способствует вытягиванию перьевых форм по поверхности. Развитие бессвинцовой гальванизации привело к созданию цинковых покрытий, которые замерзают от стали вверх. Эти бессвинцовые сплавы могут создавать более круглые блестки, которые могут быть меньше 0,5 мм в поперечнике. Взаимодействие между сплавом и условиями замораживания означает, что опытный гальваник может влиять на размер и форму блесток в конечном продукте.

Гальваническая коррозия и расходуемые аноды

Процесс гальванизации — это не просто создание оболочки из цинка вокруг металла для создания физического барьера. Если бы это было так, можно было бы использовать другие металлы. Скорее, цинк защищает посредством химического процесса, называемого «катодной защитой».

Когда два металла с очень разными электрическими потенциалами помещают вместе в ванну с электролитом, они начинают действовать как анод и катод в электрохимической реакции, создавая ток. Самый «активный» из двух металлов, анод, будет подвергаться коррозии быстрее, чем если бы он был один, потому что он выделяет электроны. Молекулы, лишенные электронов, внутри этого анода химически нестабильны и стремятся образовать стабильные молекулы с химическими веществами в окружающей среде, образуя оксиды и другие продукты коррозии. Батареи используют эту форму гальванической коррозии для выработки тока.

Металлы классифицируют по их реакционной способности в анодном индексе. Золото, самый инертный или пассивный из металлов, используется в качестве эталонного материала. Всем другим металлам присваивается число, которое представляет их напряжение в электролитной ванне с золотом. Этот показатель является основой для гальванической шкалы, которая сортирует металлы от самых пассивных до самых активных:

При гальванизации цинк, анодный металл, покрывает сталь или железо. Он работает как герметик, но если в покрытии есть небольшие отверстия, электрохимическая жертва цинка означает, что он будет подвергаться коррозии первым, как более активный из двух металлов. Это свойство более анодного металла, защищающего более катодный, целенаправленно используется на корпусах лодок, которые при погружении в морскую воду подвержены риску коррозии. Эти жертвенные аноды, также называемые просто цинками, обычно прикручиваются к корпусу. Часто цинковые детали входят в конструкцию гребного винта или другого устройства.

Цинк жертвует быстро, но не слишком быстро, в присутствии железа. Глядя на гальваническую шкалу, становится ясно, что алюминий, магний и бериллий также могут быть «более активными» и, следовательно, защитными. Однако алюминий сложнее соединить со сталью, он более дорогой и слишком близок по анодному показателю, чтобы функционировать в качестве расходуемого анода. С другой стороны, магний будет растворяться намного быстрее и, кроме того, может быть более реактивным во многих средах. Цинк также обладает тем преимуществом, что защищает от органического или бактериального распада. Бериллий редок, дорог и очень нестабилен.

Отделка оцинкованной стали

Белая ржавчина может образовываться на оцинкованной стали, когда цинк распадается на гидроксид цинка. Эта «ржавчина» действительно является продуктом коррозии цинка, но в нормальных условиях она происходит гораздо медленнее, чем окисляется незащищенная сталь. Чтобы еще больше замедлить этот процесс, иногда оцинкованный металл смазывают маслом или пассивируют хромом, чтобы создать окончательный герметизирующий слой. Этот промасленный или пассивированный металл нельзя красить или обрабатывать каким-либо другим способом, но во многих климатических условиях он будет хорошо выглядеть в течение десятилетий и еще дольше оставаться структурно прочным. Оцинкованная сталь подходит для промасленных рабочих частей, на которых может быстро стираться краска.

В тех случаях, когда предпочтительна эстетика краски или порошкового покрытия, оцинкованную сталь можно не покрывать. Тем не менее, чаще всего элемент либо оцинковывается, либо окрашивается, а не и то, и другое одновременно, чтобы сохранить экономию средств при каждом подходе.

Оцинкованная сталь, алюминий, нержавеющая сталь

Гальванизация — это экономичный способ защитить металл, который будет подвергаться воздействию потенциально агрессивных элементов. Алюминий и нержавеющая сталь также используются в тех случаях, когда требуется прочный, устойчивый к коррозии металл. Они являются лучшим выбором для кухонной посуды, посуды и медицинских услуг, так как слишком много цинка может быть токсичным, а кислоты и тепло могут мобилизовать цинк. В местах, где тускло-серые блестки оцинкованной стали не идеальны, они представляют собой более блестящую и более адаптируемую эстетику.

Алюминий и нержавеющая сталь стоят дороже, а их механические свойства не идентичны стали. Для приложений, где важны механические свойства, эстетика или вес металла, оптимальным выбором могут быть более дорогие материалы. В других местах, где желательна функциональность стандартной стали, процесс цинкования идеально подходит для защиты от атмосферных воздействий по низкой цене.