Гальванизация: как цинковые покрытия продлевают срок службы металлических деталей

Гальванизация — это процесс нанесения цинкового покрытия на поверхность стали или железа. Поскольку цинк выступает в роли жертвенного покрытия, он защищает сталь или железо под ним и может таким образом продлить срок службы металлических деталей.

Но гальванизация — сложный процесс, который можно проводить несколькими способами. Существуют разные формы гальванизации, включая горячее оцинкование и термодиффузионное оцинкование, и эти вариации предлагают свои особенные преимущества и недостатки. Поэтому полезно понимать разные формы гальванизации перед включением их в прототипирование или производственный проект.

Оцинкованный металл встречается чаще, чем вы можете подумать. Конструкции вроде строительных каркасов, металлических скамеек, балконов, лестниц и пожарных лестниц могут быть сделаны из оцинкованного металла для обеспечения более долгого срока службы и адекватной защиты от коррозии и повреждений. Другие примеры можно найти в автозапчастях и электроприборах.

Кроме того, оцинкованная сталь и оцинкованное железо можно использовать с разными производственными процессами — от фабрикации листового металла до ЧПУ-обработки — что делает его основополагающим процессом в производственном мире.

Эта статья охватывает основы гальванизации, отвечая на вопросы: что такое гальванизация, какие металлы можно оцинковать, для чего она используется, какие типы гальванизации существуют и как гальванизация улучшает металлические детали.

Что такое гальванизация?

Гальванизация (или оцинкование) — это процесс добавления слоя цинка на внешнюю поверхность металла, а именно стали или железа. Цель этого — добавить защитное покрытие к базовому металлу, снижая вероятность коррозии или ржавления.

Процесс гальванизации варьируется в зависимости от точной техники. Однако самая важная часть процесса — это то, что он обычно включает окружение стали или железа цинком, который может быть в жидком или пылеобразном состоянии. Когда цинк вводится, железо в окруженном металле реагирует с цинком, создавая прочно связанное сплавное покрытие.

Полный процесс гальванизации можно разделить на три этапа:

1. Подготовка поверхности стали или железа
2. Сама гальванизация
3. Пост-гальванизационная обработка поверхности

Гальванизация — относительно простой процесс покрытия, и он производит довольно толстое покрытие поверхности, обычно около 80 мкм — примерно в три раза толще покрытия, создаваемого гальваническим осаждением (электролизом).

Материалы для гальванизации

Основными субстратными материалами, которые можно гальванизировать, являются сталь и железо. Однако другие ферристые металлы также могут быть оцинкованы.

Покрывающий материал при гальванизации всегда цинк. Однако похожий процесс — оловянное покрытие (tinning) — заменяет цинк на олово. Оловяное покрытие подходит для простых приложений вроде хранения пищи, но менее надежно, чем гальванизация: если покрытие повреждено, олово начнет разъедать базовое железо.

Типы гальванизации

Две самые популярные формы гальванизации — горячее оцинкование и электролитическое оцинкование (электрогальванизация). Эти два метода и другие обсуждаются ниже. Знание того, какой тип гальванизации выбрать, может потребовать помощи эксперта.

Горячее оцинкование (Hot-dip galvanizing)

При горячем оцинковании металл погружают в ванну горячего цинка при около 450 °C. Когда его извлекают, покрытая поверхность реагирует с кислородом, образуя оксид цинка, а затем с углекислым газом, образуя карбонат цинка. Перед гальванизацией металл должен быть очищен щелочным раствором, затем декапирован в кислотном растворе; хлорид цинка и аммония также можно нанести для предотвращения преждевременного окисления металла до гальванизации.

Электролитическое оцинкование (Electrogalvanizing)

Электрогальванизация сочетает гальванизацию с гальваническим осаждением: ток электричества пропускается через ванну с цинком с цинковым анодом и стальным проводником. Процесс производит более тонкое покрытие, чем горячее оцинкование, и также создает более яркую поверхность, подходящую для косметических приложений.

Шерадизация (Sherardizing)

Эта форма гальванизации известна под несколькими именами: шерадизация, термодиффузионное оцинкование, паровое оцинкование и сухое оцинкование. Она включает нагрев стальных деталей до 500 °C в закрытом вращающемся барабане, содержащем цинковую пыль. Испаренный цинк диффундирует в поверхность стальной детали, образуя прочно связанное покрытие. Идеально для мелких деталей и деталей, требующих покрытия внутренних участков.

Гальваннелирование (Galvannealing)

Гальваннелирование — комбинация горячего оцинкования и отжига. Процесс горячего оцинкования происходит как обычно, затем покрытый металл проходит через воздушные ножи для удаления излишков цинка. Металл затем очень кратко нагревается в отжиговой печи при 500–565 °C, заставляя слои железа и цинка диффундировать друг в друга и создавать слои сплава цинк-железо.

Преимущества гальванизации

Цель гальванизации — создать защитное цинковое покрытие поверх стальной или железной детали. Но почему это полезно и какие главные преимущества гальванизации?

• Блокирует коррозионные вещества: Цинковое покрытие на оцинкованном металле останавливает коррозионные вещества от достижения более слабого базового субстратного металла. Это может продлить срок службы субстрата, особенно если он используется в требовательном приложении.
• Предотвращает ржавление: Гальванизация значительно задерживает появление ржавчины.
• Создает жертвенный анод: Цинковое покрытие потребляется коррозионными веществами, поэтому оно защищает базовый металл, пока не будет полностью израсходовано. Даже если царапина проникает сквозь покрытие, цинк будет израсходован до железа.
• Долго служит: Цинковые покрытия, созданные гальванизацией, прочны и долговечны, часто обеспечивая десятилетия защиты базовому металлу.
• Доступна: Гальванизация — довольно простая и доступная процедура, дающая заметную выгоду при минимальных затратах.
• Создает толстое покрытие: Хотя не подходит для всех приложений, гальванизация производит более толстое покрытие, чем, например, гальваническое осаждение.

Применение гальванизации

Способность предотвращать коррозию в стали и железе делает оцинкование широко используемым в нескольких отраслях.

Самое распространенное применение — оцинкованная сталь для строительства: сотни тысяч тонн оцинкованной строительной стали производится ежегодно для фабрикации структур вроде строительных каркасов, уличной мебели, пожарных лестниц, лестниц и балконов.

Оцинкованная сталь также распространена в автомобильной промышленности, где из нее делают ржавиностойкие детали, включая большинство «тела в белом» (body in white) автомобиля: его скелетный фундамент. Бамперы, балки, рамы и шасси также могут быть сделаны из оцинкованной стали.

Предотвращение ржавления — желательная черта в телекоммуникациях, где телефонные линии и электроящики ежедневно подвергаются воздействию элементов. Гальванизация служит для увеличения срока службы таких изделий.

Производство с оцинкованным металлом

Оцинкованные материалы широко доступны как оцинкованный листовый металл, подходящий для процессов фабрикации листового металла вроде гибки и штамповки, или как оцинкованные металлические прутки, трубы и стержни, подходящие для процессов вроде ЧПУ-обработки.

Оцинкованные материалы, как правило, легко обрабатываются, так как цинковое покрытие мягче базовой стали.

Оцинкованный металл также можно сваривать, но цинк может выделять опасные дымы, поэтому хорошая вентиляция обязательна. Покраска не особенно эффективна на цинкованной стали или железе, если материал не был гальваннелирован.