Защитное цинковое покрытие для крепежа

Дата публикации: 19.09.2019

Один из самых важных вопросов при производстве крепежа – его долговечность и надежность. Наиболее действенным и распространенным способ для увеличения срока является нанесение цинкового покрытия.  Цинк имеет отрицательный потенциал, поэтому в отличие от стали, изделия покрытые цинком более стойкие к агрессивным средам, за счет электролитов процесс коррозии замедляется, так как происходит регенерирование цинковой пленки при повреждении. Главное предназначение цинкового покрытия – защитить основную ферритную подложку от деформации.

Цинковое покрытие имеет широкую сферу применения при покрытии метизов, крепежа, а так же других производственных изделий. В ходе множества испытаний было выявлено, что срок эксплуатации крепежа с цинковым покрытием составляет около 30 лет, что значительно выше по-сравнению с изделиями без цинкового покрытия. Такие метизы и крепеж позволяют сократить расходы  на постоянное сервисное обслуживание и замену расходных материалов на узлах. Покрытие из цинка может быть нанесено разными методами, в зависимости от заявленных характеристик.

Современные цинковые покрытия можно разделить на следующие виды:

• Гальваническое цинкование;
• Термодиффузионное цинкование;
• Горячее цинкование;
• Цинкламельное цинкование;
• Механическое цинкование.

При нанесении цинкового покрытия крепеж становится надежно защищенный от коррозии за счет своим анодным свойствам почти ко всем материалам, кроме алюминия и изделий с содержанием магния. Цинк оказывает сопротивление в агрессивных средах, таких как морская вода, кислоты и щелочи, поэтому крепеж с цинковым покрытием широко применяют в промышленности, при строительстве, а так же судостроительной сфере. Благодаря цинку сталь не подвергается коррозии, так как слой цинка его защищает.

Главным показателем надежности является большой срок службы. Существуют специальные методы проверки цинкового покрытия, один из таких – «климатические испытания», за счет убыстрения влияния окружающей среды и выявления появления коррозии на изделиях. Результатом такого испытания считается полученное значение коэффициента ускорения, которое имеет средние значения от 17-20%, от этого и вычисляется срок эксплуатации. Для крепежа, который предназначен для декорации, то коэффициент надежности покрытия считается 5-10%, для крепежа, который устанавливается в профессиональное оборудование или используется при строительстве, такой коэффициент составляет до 50%.

Метод гальванического цинкования

Давайте немного поговорим о методе – гальваническое цинкование. Этот метод считается наиболее распространенным. Химический процесс гальванического цинкования называется – электролиз. Суть метода в том, что в подготовленную ванночку с электролитом опускают стальную делать и платину из цинка, дальше в ванну проводят ток и при постоянном токе происходит процесс электролиза. Под действием тока, анодная пластина из цинка распадается на мелкие ионы, которые попадают на поверхность стальной детали, за счет этого происходит формирование гальванического покрытия. Толщина такого покрытия может варьироваться от 5 до 25 мкм.

Внешне изделия, покрытые методом гальванической оцинковке, имеют привлекательный вид с блеском, но одним из минусов считается небольшая стойкость к адгезии. За счет того, что происходит массовая оцинковка данным методом, поверхность крепежа может иметь масляную пленку, которая ухудшает цинковое покрытие, а так же негативно влияет на нанесения покрытия при увеличении расстояния между ними. В качестве электролита при гальваническом методе покрытия используются:

• Цианидные ванны. Такие ванны имеют в составе цианид натрия, что является очень токсичным веществом. При добавлении в состав ванн цианида, изделия получают свойства высокой эффективности покрытия, хорошая текучесть, за счет нее можно обработать даже самые сложные изделия, которые имеют множество граней, а так же при помощи такой ванны можно создать больше покрытий, чем в других. Самым значительным минусов считается, что цианид опасное вещество для окружающей среды и человека, а так же стальные изделия становятся хрупкими, что снижает прочность высокопрочной стали.
• Щелочные ванны. Такие ванны содержат не более 2 граммов оксида цинка, а так же не более 20 грамм натрия на 1 литр химического раствора. Значительным плюсом по-сравнению с цианидными ваннами, можно назвать большую безопасность для окружающей среды. Так же ванны из щелочи, имеют ограничения, в таких ваннах можно оцинковывать только стальной крепеж, процесс нагревания происходит до 30 градусов, так же стальные изделия становятся более хрупкими, за счет этого внешний вид утрачивает свой блеск и изящность.
• Кислотные ванны. Наиболее внимательно стоит рассмотреть кислотные ванны с низким содержанием кислот, что позволяет изделиям выглядеть привлекательнее, а поверхности быть полностью покрытой цинком. Так же значительным плюсом можно отнести стойкость стали к хрупкости при нанесении цинкового слоя для изделий, которые имеют многогранность. Поэтому данный метод применим к чугуну, а так же к сплаву из алюминия и меди. Наиболее часто данный метод позволяет изготовить изделия, который имеют разноцветный внешний вид и применяется для декора фасадов и конструкций. 

Для того, чтобы все изделия имели привлекательный внешний вид, поверхность стали необходимо хорошо обработать. Перед оцинковкой, все листы стали проходят предварительную очистку от неровностей или следов коррозии. После происходит процесс оцинковки. Для закрепления результата, изделия осветляют за счет нанесения азотной кислоты, а так же хроматированием, чтобы изделия служили дольше. Дополнительное покрытие – называется пассивацией, которая может быть разных цветов: ярко-желтой, белой или с голубым отливом, а так же может быть черной. Но стоит быть острожным с такими покрытиями, так как на большинстве предприятий производящих метизы и крепеж, используют ядовитые вещества (шестивалентный хром) в виде пленки. Стоит обратить внимание, что такие покрытия теряют стойкость к коррозии при повышении температуры более 100 градусов. С 2007 года такие пленки из хрома является запрещенным в широкой линейке крепежа для автомобилей.

С течением времени, такие опасные пленки были заменены на хромитные (трехвалентный), без содержания опасного хрома, которые решили множество проблем. С недавних пор, такой крепеж стали использовать в автомобильном производстве, так как он стал более защищенным от влияния окружающей среды, но не решил всех проблем. За счет того, что при обработке стали для нанесения цинкового покрытия при помощи разных ванн, применяются опасные химические вещества, которые негативно влияют на окружающую среду. Поэтому производствам, которые занимаются оцинковкой гальваническим методом необходимо непрерывно вести разработку и усовершенствование системы защиты окружающей среды от попадания вредных химических веществ, которые используются при электролизации. На данные сооружения предприятия отчисляют большие суммы, которые влияют на стоимость крепежа.

Не смотря на это, гальванический метод самый часто используемый метод для оцинковки крепежа, так как это наработанная схема, изделия которой пользуются высоким спросом. Гальванические ванны постоянно усовершенствуются, за счет появления новых технологий и разработок, что позволяет наносить цинковое покрытие на резьбу, а так же имеет привлекательный внешний вид. Негативными факторами можно назвать то, что при электролизации сталь становится более хрупкой, что делает невозможным использование этого метода для высокопрочной стали.

Метод горячей оцинковки

Метод горячей оцинковки производится в несколько этапов: 1. Сначала металл обезжиривают, промывают в специальных растворах, а так же травят в кислотном растворе и снова моют. 2. Подготавливают керамическую ванну с расплавленным цинком, температура которого достигает до 465 градусов, в которую окунают изделия в специально подготовленном барабане. 3.  Барабан вращательными движения прокручивают, за счет этого горячий цинк равномерно распространяется по крепежу, что гарантирует наибольшее заполнение даже самых маленьких щелей. 4. После всего вышеописанного, барабан убирают из ванны и убирают лишний цинк.

Одной из отрицательных сторон данного метода – это то, что резьба не сохраняется и ее необходимо прокручивать заново. При этом, стойкость к коррозии таких изделий значительно снижается. Не смотря на это гайки, которые не имею покрытия, зачастую применяются совместно с болтами или шпилькой, которая горячеоцинкованная, благодаря такой системе, значительно снижается возможность разрыва изделия при установке, а так же покрытие будет более надежное, если гайка и болт будет не более чем на 2 мм дальше друг от друга. Такое возможно из-за того, что, к железу, цинк имеет более высокую анодность. Если же вы решите совместить крепеж, обработанный разными методами, то он долго не прослужит и покрытие быстро сотрется и изделие станет не защищенным от коррозии и потеряет свои свойства.

Метод горячей оцинковки оказывает большую защиту от коррозии, чем метод гальванической оцинковки. За счет этого, наиболее часто горячеоцинкованный крепеж используется при проведении электрики (установки оборудования на высоковольтных столбах), а так же разных вышек приемы/передачи, а так же для крепления дорожных знаков и ограждений. Стоит обратить внимание, что горячеоцинкованный крепеж имеет хорошие защитные свойства покрытия при повреждении, защитная оболочка регенерирует все повреждения не вызывая коррозию. Особую прочность имеет крепеж с классом прочности 8.8.

Наиболее непривлекательным моментом можно назвать высокую стоимость изделий, так как стоимость значительно выше стоимости при нанесении покрытия гальваническим методом, приблизительно на 30%. Стоимость выше за счет того, что по технологическому процессу емкости необходимо всегда поддерживать на высоких температурах, без возможности снизить температуру, когда цинкование не производится. Так же перед началом горячей оцинковки необходимо обработать резьбу, чтобы обеспечить припуск для цинка и исключить появления лишнего цинка. Допустимая норма цинка 40-60 мкм, из-за этого метод гальванического цинкования используют только для изделий с диаметром более 8 мм, так как резьба слишком маленькая. Метод горячей оцинковки не применяется в декоративных целях, так как цвет преобладает серых оттенков. Крепеж, который оцинковывается методом горячей оцинковки, не используется при строительстве автомобилей и рабочих машин.  

Метод горячей оцинковки имеет свой особенности, которые подходят для определенного вида крепежа: гвозди, изделия из проволоки, потому что данный метод имеет погрешности при нанесении резьбы.

Метод термодиффузионного цинкования

Термодиффузионное цинкование широко применяется при обработке стали и имеет свои преимущества и недостатки, как и другие методы. Для данного метода цинкования, применяются специальные колбы, которые полностью изолированы от окружающего мира и не производят испарения, что позволяет производствам, значительно экономить средства. Технологический процесс применяет повышенные температуры вплоть до 4500 градусов, за счет которой изделия закаляются и не подвержены разрушению или ломкости, поэтому таким методом можно обрабатывать и изделия из высокопрочной стали. Имеют улучшенную стойкость к влиянию окружающей среды.  

При применении метода термодиффузионного цинкования толщина цинкового покрытия достигает 50 мкм, что значительно выше, чем у гальванического метода. Стоит обратить внимание, что срок службы при соприкосновении с морской водой составляет около 15 лет. Так же стоит учесть, что покрытие может быть любой толщины, в зависимости от выдержки в специальной печи.

Положительно характеризует данный метод то, что при нанесении покрытия, цинк распределяется равномерно без подтеков, что позволяет покрывать данным методом сложный крепеж, который имеет много граней, а так же он отлично заполняет щели, полости в изделии. Для данного метода нет необходимости подготавливать изделия при помощи растворов, травления кислотой, чтобы не появилось высокое содержания водорода, что может привести к хрупкости, которую нельзя допустить для высокопрочного крепежа.

К отрицательным свойствам данного метода, можно отнести несколько особенностей, которые заключаются в том, что изделия покрытые данным методом нельзя использовать в декоративном плане, так как при термодиффузионном методе изделия приобретают темный непривлекательный цвет. Данный крепеж используется в конструкциях, которые несут существенные нагрузки, поэтому цвет зачастую неважен. Данный метод еще недавно не позволял изготовить сразу большие партии изделий, так как формы для оцинковки имели небольшие габариты, но сейчас уже изобретены большие формы, которые способны производить до 1 тонны крепежа единоразово.

При разработке данного метода была создана специальная система защиты от цинковой пыли. За счет специальных колб, которые не выпускают созданную цинковую пыль, данный метод считается наиболее защищенным и экологичным, по-сравнению с другими методами. Данная технология была описана и разработана в методе «Шерардайзинга».

Особенности данного метода заключается в том, что стальную поверхность сначала очищают от излишков металла и пыли, после чего частицы цинка начинают оцинковывать поверхность за счет соприкосновения с поверхностью железа и легирующими элементами, которая под воздействием высоких температур создает защитное покрытие. Полученное покрытие при помощи напыления закрепляется по всей поверхности изделия, включая резьбу, пробу.

При нанесении цинкового покрытия происходит диффузия цинка, которая влияет на заполнение повреждений в цинке при повреждении, такие повреждения могут влиять на увеличения напряжения, которое может сильно повлиять на деформацию крепежа из высокопрочной стали. Для создания такого процесса «заживления» необходимо, чтобы произошло взаимодействие между атомами цинка и стали. Для создания такой возможности, перед нанесением покрытия, необходимо произвести  полную очистку металла, который будет цинковаться, а так же подготовить специальный раствор, изолируют короб, в котором будут производить восстановление. Такой процесс проходит при температурном режиме от 370 до 600 градусов, что значительно ускоряет диффузию и восстановительные свойства детали. Стоит обратить внимание, что такие созданные свойства влияют на покрытие и делают его ненадежным, что приводит к хрупкости металла и возникновению коррозии за непродолжительное время. Цинковые покрытия стоит наносить при средних температурах до 420 градусов. Так как за счет диффузии цинк занимает 1/3 толщины покрытия, что показывает на высокую стойкость к адгезии, а так же хорошую защиту от появления коррозии.

Толщина покрытия при термодиффузионном методе составляет от 25 до 110 мкм, это главное отличие данного метода, так как при термодиффузионном покрытии необходимо соблюдать четкие пропорции для толщины. Такие методом цинкуются маленькие шайбы и маленькие гайки, винты, которые имеют маленькую резьбу, которые защищены от влияния коррозии, а так же подходит для высокопрочного крепежа.

Стоимость таких изделий значительно ниже, чем при нанесении цинка при помощи других методов. На цену влияет отсутствие опасных для здоровья человека и окружающей среды отходов, что позволяет экономить средства на строительство и разработку технологий по защите окружающей среды.

Большим недостатком считается, что данные изделия получаются непривлекательными, не блестят и не могут служить декоративными элементами, но за счет дополнительного сплава, данный минус можно доработать и дополнить.

Термодиффузионный метод используется для нанесения покрытия в широкой сфере производства, промышленности, в машиностроении, где не применяются другие методы цинкования. Так же данный метод цинкования отлично применяется при строительстве больших сооружений, которые несут значительные нагрузки и для них важна надежная защита от коррозии, а так же стойкость к водородной хрупкости и т.п.

Метод механического цинкования

Механическое цинкование происходит при помощи водного раствора, в который опускают детали со стеклянными изделиями в виде шаров, а так же цинковый раствор. Данные растворы опускаются в специальный барабан или колоколообразный сосуд, который осуществляет вращательные движения. Стеклянные шары служат неким посредником, которые помогают цинковому раствору распространить цинк по всей поверхности изделия. Получившийся слой бывает двух типов:

• Тонкий слой до 10 мкм;
• Толстый слой до 20 мкм.

Раствор не подвергается повышенным температурам и весь процесс осуществляется при обычной температуре, что позволяет экономить бюджет.

Данный метод так же хорош, как и термодиффузионный метод, за счет того, что не происходит влияние на сталь, и она не становится хрупкой. Данный метод позволяет создать изделия, которые имеют отличные внешний вид и служат декоративными элементами при сборке мебели и фурнитуры. Срок эксплуатации таких изделий не более 2 лет, что очень незначительно. Поэтому данный метод оцинковки не применяется для изделий, которые будут установлены на производстве, машиностроении  и т.п., так как они не будут обладать нужными свойствами.

Такие крепежные изделий покрытые методом механической оцинковки предназначены только для декоративной цели, поэтому изделия не имеют антикоррозионной защиты от появления ржавчины. Стоимость таких изделий самая привлекательная, так как нет затрат на сложные технические процессы, электроэнергию и нет необходимости беспокойства об окружающей среде и парах, которые попадают в воздух, воду. Данный метод применяется в небольших цехах.

Метод цинкламельного цинкования

Данный цинкламельный метод применяется при помощи добавления алюминия в цинковый раствор. Нанесение цинкового покрытия, может быть нанесено несколькими способами:

• При помощи опускания деталей в специальный, статический спрей без добавления неэкологичного шестивалентного хрома;
• При помощи специальных барабанов и колоколов.

Метод цинкламельного покрытия заключается в нанесении основного слоя, который покрывается параллельными полосами цинка с добавлением специального электропроводящего слоя, а поверх наносится несколько цинковых слоев, в зависимости от того, что необходимо от изделия. Верхними покрытиями можно добиться, что детали будут обладать привлекательным внешним видом, гибкостью, фрикционными свойствами, а так же стойкость к средам, где щелочи и кислоты.

Толщина подбирается по необходимым выходным параметрам, толщина которого может составлять до 100 мкм. Цинкламельное покрытие имеет разные сроки эксплуатации, если толщина до 10 мкм, то срок службы не более 700 часов. Если изделия закаляются при температуре более 2000 градусов, значит они способны служить более 2000 часов. В данном методе не возникает хрупкость при обработке, поэтому данный метод подходит для высокопрочного крепежа. Пластичность достигается путем добавления дополнительных элементов, что позволяет обеспечить сохранность резьбы. Так же при добавлении дополнительных элементов, можно получить разные цвета детали, что позволяет использовать их в декоративных целях.

Не смотря на все плюсы, цинкламельное покрытие хуже обеспечивает сохранность покрытия, чем гальваническое цинкование, об этом говорит ряд испытаний. Если Вы видите красивый метиз, то значит он декоративный, если же метиз черный или серый, то скорее всего метиз имеет более надежные свойства и стойкость к коррозии.

В отличии от других методов, детали оцинкованные цинкламельным методом, подходит для производства деталей для автомобильного производства. Цинкламельное покрытие надежно защищает крепеж от появления коррозии. Так же данное покрытие можно сравнить с гальваническим нанесение покрытия, но считается, что цинкламельное имеет более надежные свойства.

Если говорить в целом о покрытиях, то стоит обратить внимание на их свойства, которые появляются в ходе обработки элемента. При добавлении тех или иных металлов, свойства покрытия меняются и способны служить дольше или выдерживать высокие температуры эксплуатации, при этом защитный слой будет служить дольше, а так же при повреждениях сможет надежно защитить себя от появления коррозии. Поэтому, при выборе крепежа, необходимо четко понимать, где будет служить метиз, какие цели выполнять.

Методы нанесения покрытия имеют разные технологические процессы, а так же дополнительные вложения, для защиты окружающей среды от попадания вредных веществ. Главной целью большинства производителей, которые обрабатывают крепеж гальваническим методом, это обеспечить безопасность, с этим стремлением, появляются расходы на обеспечение этой безопасности, которая влияет на стоимость изделия. При нанесении покрытия методом горячей оцинковки происходят затраты на поддерживание постоянной температуры, что так же значительно влияет на стоимость изделия.