Оцинковка стали: мощная защита от окисления для долговечной эксплуатации

Почему выбирают оцинкованную сталь, а не нержавейку?

Мы говорим «огалванизирован» когда что-то побуждает к действию. Но что значит «оцинкованная сталь»?

Дело в шоке.

Железосодержащие металлы (90% мировой металлургии) содержат железо. Железо плотное, сильное (в сплаве с углеродом — сталь), доступное, легко перерабатываемое. Это главный металл для промышленности и строительства.

Но железо и его сплавы сильно ржавеют на воздухе и воде. Защита от коррозии — часть проектирования. Иногда защита даёт состав сплава: нержавеющая сталь с хромом обеспечивает химическую защиту, но меняет механические свойства и дороже. Иногда используют герметики: порошковое покрытие, краску, масла.

Оцинкованная сталь ещё более распространена, но менее понятна. Как её делают? Побуждает ли к действию? Ржавеет ли? Когда выбирать оцинкованную сталь, алюминий или нержавейку?

Что такое оцинкованная сталь?

Оцинковка — процесс нанесения цинковых покрытий на сталь или железо, создающий барьер, защищающий феррую металлургию от коррозии. Цинковый слой работает физически (блокирует воду и воздух) и химически (катодная защита). Это электрохимическая защита — как метафорическая «гальванизация», вдохновляющая на действие. Термин происходит от имени учёного XVIII века Луиджи Гальвани, пионера биоэлектромагнетизма.

Оцинковка обычно делают при высокой температуре. Цинковый слой можно нанести покраской или гальванически, но это даёт тонкий слой — 3 микрона, уязвимый на улице.

Настоящая оцинковка происходит при высокой температуре за счёт химического взаимодействия цинка, кислорода и углекислого газа. Три компонента реагируют при температуре, образуя тёмно-серый слой цинковой карбонатной плотностью ~50 микрон, гораздо более долговечный на улице.

Ржавеет ли оцинкованная сталь?

Да, но в зависимости от условий. Степень ржавления зависит от толщины цинкового покрытия и типа коррозионной среды.

Условия, вызывающие ржавление: высокая влажность, намокание, соль в воздухе/воде, мх, кислоты. Оцинковка устойчива к контакту с бетоном, раствором, свинцом, оловом, цинком, алюминием.

Оцинковка задерживает ржавление до 50 лет в благоприятных условиях. Ржавчение (окисление железа) останавливается, но окисление цинка продолжается (это не называется ржавчиной). Когда цинк полностью израсходован, сталь начинает корродировать.

Горячее оцинкование

Самый распространённый метод. Детали очищают от шлака и накала, опускают в ванну с цинком или его сплавом при ~840 °F (449 °C). Держат до выравнивания температуры, затем извлекают и охлаждают (быстро или медленно — для вида).

Гальванирование (гальваннелирование) — оцинкование в вanne с добавлением алюминия. Пока металл горячий, его термически обрабатывают, образуя слои цинк-железных сплавов. Алюминий и термообработка улучшают сваропригодность. Гальваннелированная сталь приобретает красновато-ржавую патину, но не корродирует как незащищённые сплавы.

Сухая оцинковка (шерардизация)

Менее распространённый метод. Маленькие детали нагревают в закрытом вращающемся барабане с цинковой пылью и песком до температуры, при которой цинк химически сплавляется с поверхностью. Затем закаляют. Используется для мелких деталей и внутренних поверхностей, недоступных горячему оцинкованию.

Шпангель (кристаллический рисунок)

Узнаваемая черта оцинкованной стали — шпангель на поверхности. Все металлы кристаллизуются как снежинки. У большинства зёрна слишком малы или границы невидимы без травления. Цинковые сплавы позволяют увидеть кристаллизацию при застывании.

Форма и размер шпангеля указывают на условия охлаждения. Медленное застывание — крупные кристаллы (перьевидные, листовидные). Быстрая закалка — мелкие, регулярные, коробчатые зёрна.

Выразительный шпангель часто создают добавками свинца или олова в цинковый сплав. Они способствуют дендритному росту — перьевидным формам. Безсвинцовые сплавы застывают от стали вверх, давая более круглые шпангели <0,5 мм. Игра сплава и условий застывания позволяет мастеру влиять на внешний вид.

Гальваническая коррозия и жертвенные аноды

Оцинковка — не просто оболочка из цинка. Если бы так, подошли бы другие металлы. Цинк защищает через «катодную защиту».

Когда два металла с разными электрохимическими потенциалами помещают в электролит, они становятся анодом и катодом, возникает ток. Более «активный» металл (анод) корродирует быстрее, отдавая электроны. Окислённые ионы ищут стабильность, образуя оксиды. Батареи используют этот принцип.

Металлы ранжируют по анодному индексу. Золото — самый инертный, эталон. Остальные получают номер — напряжение в электролите с золотом. Это основа гальванической шкалы от пассивных к активным.

При оцинковке цинк (анодный металл) покрывает сталь. Работает как герметик, но если есть пористость, электрохимическая жертва цинка заставляет его корродировать первым как более активный металл. Это свойство используют на обшивках судов: жертвенные аноды (цинки) приболчивают к корпусу. Часто цинковые детали включают в дизайн пропеллера.

Цинк жертвуется достаточно быстро, но не слишком. По шкале видно, что алюминий, магний, бериллий тоже более активны. Но алюминий сложнее приклеить к стали, дороже и близок по индексу. Магний растворился бы быстрее и реагирует во многих средах. Цинк также защищает от органического/бактериального разрушения. Бериллий редок, дорог, нестабилен.

Финишная обработка оцинкованной стали

Белая ржавчина (цинковая гидроксид) образуется при разрушении цинка. Это продукт коррозии цинка, но в нормальных условиях идет медленнее, чем окисление незащищённой стали. Чтобы замедлить процесс, оцинкованный металл маслят или хроматируют (пассивируют), создавая финальный барьер. Такое покрытие нельзя красить, но в многих климатах выглядит хорошо десятилетия и сохраняет прочность дольше. Оцинкованная сталь удобна для рабочих деталей, где краска быстро стирается.

Где важна эстетика краски или порошка, оцинкованную сталь оставляют без масла. Обычно выбирают либо оцинковку, либо покраску — для экономии.

Оцинкованная сталь vs алюминий vs нержавеющая сталь

Оцинковка — дешёвый способ защиты металла в коррозионной среде. Алюминий и нержавейка тоже для прочных, коррозионно-стойких применений. Они лучше для посуды, утенилей, медицины — избыток цинка токсичен, кислоты и тепло могут вылувлять цинк. Там, где серый шпангель нежелателен, они дают блестящий, адаптивный вид.

Алюминий и нержавейка дороже, механические свойства отличаются от стали. Где важны механика, эстетика или вес — дороже материалы оптимальны. Где нужна функциональность обычной стали — оцинковка идеальна для защиты от погоды по низкой цене.