бесплатно по России 8 800 700-14-31
Справочник

Холодное цинкование металла

Теория и практика

В данной статье рассматриваются теоретические основы и преимущества практического использования холодного цинкования, как наиболее эффективного метода (альтернативного горячему цинкованию) для защиты металлоконструкций от коррозии.

Цель статьи: привлечь внимание предприятий организаций, ведомств, отраслевых проектных и научно-исследовательских институтов, эксплуатационников и специалистов к перспективному методу холодного цинкования для более широкого внедрения его в практику антикоррозийной защиты черных металлов.

Суть и преимущества метода

Хорошо известно, что наиболее длительную (до 20-25 лет) защиту стали от коррозии обеспечивают цинковые покрытия. Однако, нанесение их традиционными методами, такими, например, как горячее цинкование или электрохимическое осаждение, на крупногабаритные металлоконструкции технически трудноосуществимо и на практике не используется.

В сравнении с традиционным методом наиболее доступным, дешевым, а иногда и единственно возможным, оказывается метод холодного цинкования металла.

Холодное цинкование — это нанесение на подготовленную поверхность приемами, используемыми в работе с обычными красками, специального цинксодержащего состава, в результате чего образуется покрытие, обладающее теми же антикоррозийными свойствами, что и полученное методом горячего цинкования.

Цинк и его основные свойства

Прежде, чем перейти к описанию имеющихся сегодня на Российском рынке составов для холодного цинкования, необходимо рассмотреть некоторые теоретические основы самого метода, и в частности, те свойства цинка, которые определяют эффективность его применения для антикоррозийной защиты стали.

Цинк — серебристо-белый, в нормальных условиях довольно хрупкий металл плотностью ~ 7.1 г/см3 и температурой плавления около 420 °C. Так же, как и железо, цинк относится к группе металлов повышенной термодинамической нестабильности, имеющей значение электродного потенциала меньше, чем потенциал водородного электрода при pH=7 (-0.413 В). Однако вода почти не действует на цинк. Это объясняется тем, что при взаимодействии цинка с водой на его поверхности образуется гидроксид, который практически не растворим и препятствует дальнейшему течению реакции. Даже в слабокислой среде коррозия чистого цинка замедлена, что связано с достаточно высоким значением перенапряжения выделения водорода на цинке (~1 В).

При содержании в цинке сотых долей процента примесей таких металлов, как, например, медь и железо, имеющих меньшее значение перенапряжения выделения водорода (соответственно 0.6 и 0.5 В), скорость взаимодействия цинка с кислотами увеличивается в сотни раз.
На воздухе цинк окисляется, покрываясь тонкой, но прочной пленкой оксида или основного карбоната цинка. Эта пленка надежно защищает его от дальнейшего окисления и обуславливает высокую коррозийную стойкость. В противоположность этому ржавчина, например, не образует сплошной пленки на поверхности железа и между отдельными кристаллами гидратированного оксида трехвалентного железа, имеются большие просветы, наличием которых и объясняется склонность железа к прогрессирующей коррозии.

Высокие противокоррозионные свойства цинка при нанесении его на железо (сталь) обусловлены еще и тем, что цинк имеет электрохимический потенциал ниже, чем железо (-760 и -440 мВ, соответственно), поэтому в электрохимической паре цинк-железо, возникающей в присутствии воды (влаги), цинк выполняет роль анода и растворяется, а металлическая подложка (железо) роль катода:

Zn – 2e ↔ Zn2 + H2O + ½O2 + 2e ↔ 2OH¯

В результате чего, имеет место пассивация стали за счет подщелачивания. Ионы цинка реагируют с диоксидом углерода, находящимся в воздухе. Это сопровождается образованием плотных слоев нерастворимых карбонатов цинка, тормозящих дальнейшее развитие коррозионного процесса.

Два типа защиты

Из перечисленных выше свойств цинка следует, что при нанесении на железо (сталь) цинк защищает его как по барьерному (изоляционному) типу, (что более характерно для горячего цинкования, где цинк сразу образует сплошное влагонепроницаемое покрытие), так и по электрохимическому (протекторному) типу, где цинк, в присутствии влаги выполняя роль анода по отношению к железу, расходуется для его защиты, а образующиеся при этом соединения цинка «залечивают» дефекты покрытия, предотвращая коррозию железа.

Протекторный тип защиты более характерен для холодного цинкования, особенно в стадии первоначального формирования покрытия, когда оно еще имеет определенную пористую структуру, через которую возможен доступ влаги к поверхности стали, приводящий к образованию электрохимической пары «цинк-железо». В процессе дальнейшей эксплуатации происходит уплотнение структуры покрытия и переход  его защитного действия от протекторного к барьерному.

Таким образом, покрытие, полученное методом холодного цинкования, по истечении определенного времени, зависящего от условий эксплуатации (в основном влажности), защищает сталь по тому же механизму, что и покрытие, нанесенное горячим способом.
Дальнейшее действие цинка по электрохимическому типу защиты (также как и для горячеоцинкованных поверхностей) происходит только тогда, когда по тем или иным, в т.ч. механическим причинам нарушается целостность нанесенного покрытия и влага проникает к поверхности стали.

Требования и их реализация

Согласно стандартам ISO 3549 (DIN 55969,) составы для холодного цинкования, обеспечивающие активную электрохимическую защиту по всей поверхности (повсеместную и свободную передачу электронов как между частицами цинка внутри покрытия, так и от частиц цинка к поверхности стали), должны содержать в сухом покрытии не менее 94% чистого цинка с размером частиц 12-15 мкм или не менее 88 % цинка с размером частиц 3-5 мкм.

Более высокие концентрации цинка увеличивают защитное антикоррозийное действие покрытия, а использование атоминизированной (< 5 мкм) цинковой пудры, при прочих равных условиях, способствует повышению адгезии (за счет облегчения междиффузионного взаимодействия цинка и железа), эластичности, снижению пористости покрытия и получению более гладкой (менее шероховатой) поверхности.

Цинкнаполненные (цинкосодержащие) краски, не отвечающие вышеуказанному стандарту, не относятся к составам для холодного цинкования и не образуют электропроводного цинкового покрытия, адекватного по свойствам и срокам эксплуатации с горячеоцинкованному. Цинк, присутствующий в них, выполняет роль специального (в т.ч. цветообразующего) пигмента, усиливающего лишь барьерную (пленочную) защиту за счет своего окисления и «закупоривания пор» в слое краске.

В приведенной таблице рассмотрены основные технические характеристики одноупаковочных органоразбавляемых составов для холодного цинкования производства двух Российских материалов, в т. ч. UR-100 «Жидкий цинк», а также хорошо известной специалистам Бельгийской компании ZINGA METALL. Также указаны основные приемы и рекомендации по предварительной подготовке поверхности и нанесению покрытий.

Одноупаковочные составы для холодного цинкования металлоконструкций

Zinga
Компания Zinga Metall

 (Бельгия)

UR-100 «Жидкий цинк»
(«Liquid Zinc»)
ГОСТ Р 51693-2000

(Россия)

(ТУ 2313-012-12288779-99) 

(Россия)

1. Основные требования к подготовке поверхности перед нанесением покрытия

Для обеспечения наилучшего контакта металла с цинком необходимо максимальное удаление с поверхности ржавчины, окалины, старой краски, грязи, пыли и масел (Обезжиривание).

Наиболее эффективным способом является абразивно-струйная (пескоструйная, дробеструйная, гидроабразивная) обработка поверхности. Для небольших поверхностей можно использовать ручной или механизированный способ очистки. Оптимальная степень шероховатости поверхности 15-20 мкм. (При тонкослойном нанесении для Zinga и UR-100 достаточно 8-10 мкм). Допускается наличие на поверхности незначительных вкраплений (остатков) плотной ржавчины.

2. Цвет: Серый (серебристо-серый), матовый

3. Характеристика (гранулометрический состав) применяемого цинка в составах для холодного цинкования

Атомизированная цинковая пудра с размером частиц

3-5 мкм

Цинк марки ПЦВД (с размером частиц от менее 4 мкм до более 20 мкм, но не менее 55 % фракции 4-12 мкм.

4. Массовая доля нелетучих веществ в исходном материале (сухой остаток)

80 %

82-85 %

73-78 %

5. Содержание цинка в сухом слое покрытия

96 %

95±0,5 %

95-96 %

6. Рекомендуемая толщина сухого покрытия, обеспечивающая прогнозируемые защитные свойства на срок от 25 до 50 лет в зависимости от условий эксплуатации

80-100 мкм

80-100 мкм

100-120 мкм

7. Расход материала для достижения толщины сухого слоя 40 мкм: ≈ 0.25 кг/м2

8. Высыхание до ст. 3 при t +20±2 °С, и вл. воздуха 70±5 % (после чего можно наносить следующий слой)

1 час

1 час

1 час

9. Исходная вязкость при t +20 °С по ВЗ - 4

60 с

40 – 60 с 

16 - 25 с

10. Нанесение:

Температура при нанесении: минимальная -20 °С; рекомендуемая +5 - +40 °С

Максимальная относительная влажность воздуха: 90 %

Допускается нанесение на влажную (без капель и конденсатов) поверхность

11. Методы нанесения:

Составы для холодного цинкования наносятся кистью, валиком, пневматическим или безвоздушным распылением, окунанием.

Существенное различие в плотности цинка, с одной стороны и связующего вещества и растворителя с другой, требует перед нанесением и в процессе работы добиваться получения абсолютно однородного состава путем тщательного перемешивания. В противном случае, в сухом слое покрытия может содержаться менее требуемого количества цинка, и оно не будет обеспечивать активную катодную защиту по всей поверхности.

12. Стойкость:

Термостойкость от -40 до +150 °С с кратковременным повышением температуры до +160 °С и выше:

Химстойкость

Высокая,

в пределах pH 5-10

Высокая,

в пределах pH 5.5-9

Высокая,

в пределах pH 6-8.5

Водостойкость – Высокая, в т.ч. для эксплуатации покрытий под водой.

Бензостойкость – убывает в ряду UR-100 - Zinga - ЦИНОЛ.

При необходимости получения покрытий с более высокими показателями по химической и бензостойкости, рекомендуется применять систему покрытия с нанесением поверх цинкового слоя специальных ЛКМ.

13. Совместимость с другими ЛКМ, наносимыми поверх цинкового слоя

С любыми, в т.ч. вододисперсионными ЛКМ, (ограниченно с алкидными, вследствие возможного «омыления» алкидных смол и преждевременного отслаивания поверхностного покрытия).

Применение холодного цинкования в качестве предварительного грунтования в сочетании с поверхностными, химически стойкими ЛКМ существенно расширяет области применения метода, особенно в условиях повышенной агрессивности среды, и гарантирует общий срок эксплуатации такой двойной защитной системы, равный сумме сроков эксплуатации каждого из покрытий, умноженный на коэффициент 1.5 - 2.5.

14. Экономика. В сравнении со стоимостью горячего цинкования при получении адекватного по стойкости покрытия и толщине цинкуемых металлоконструкций 6-8 мм (без учета транспортных издержек, связанных с доставкой металлоконструкций к месту горячего цинкования и обратно).

Покрытие Zinga сопоставимо по стоимости с горячеоцинкованным покрытием

Покрытие UR-100 и покрытие ЦИНОЛ дешевле горячеоцинкованного в 4-5 раз

 

В настоящее время на Российском рынке представлены и другие составы для холодного цинкования, где в качестве связующего используются «жидкое стекло» (цинксиликатные краски), эпоксидные или кремнийорганические смолы. Однако, одним из факторов, сдерживающих внедрение этих материалов в широкую практику антикоррозийной защиты, является их двух- и даже трехупаковочность: (связующее + порошок цинка + отвердитель), (связующее + порошок цинка) или, в лучшем случае (связующее с цинком + отвердитель). Понятно, что это не всегда устраивает потребителя в виду непродолжительной жизнеспособности состава после смешивания.

Помимо этого, возникают определенные сложности, связанные с необходимостью работы с пылящим высокодисперсным цинковым порошком при смешивании компонентов непосредственно на рабочей площадке и применением дополнительных устройств для диспергирования (перемешивания). В этом плане готовые к применению одноупаковочные составы выгодно отличаются от двух- и трехупаковочных.

Еще раз о преимуществах метода

Использование метода холодного цинкования эффективно, как для получения самостоятельного покрытия и предварительного грунтования, так и для межоперационной защиты стали и ремонта ранее оцинкованных поверхностей.

Применение метода имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с горячим цинкованием это:

  • Отсутствие ограничений по размерам цинкуемых поверхностей;
  • Возможность производить подготовку поверхности на месте;
  • Легкая свариваемость конструкций, покрытых составом для холодного цинкования;
  • Возможность на месте оцинковывать сварные швы;
  • Простота  ремонта поврежденных (в т.ч. при транспортировке и монтаже) участков цинкового покрытия
  • Возможность оцинковывать в широком диапазоне температур от -20 до +40 °С;
  • Получение эластичного покрытия, выдерживающего как механическую деформацию, так и термическое расширение и сжатие в широком диапазоне температур;
  • Высокая адгезия цинкового покрытия с ЛКМ, в т. ч. с порошковыми красками;
  • Возможность оцинковывать собственными силами и любым способом (погружением в состав, кистью, валиком, распылителем).

Уже сегодня перечисленные составы для холодного цинкования металла, как самостоятельно, так и в системах покрытий, успешно используются на практике в России и за ее пределами. Они служат для защиты от коррозии мостовых сооружений, тоннелей, строительных металлоконструкций, городских столбов освещения, опор ЛЭП, металлических кровель, резервуаров, трубопроводов, арматуры зданий, для антикоррозионной обработки агрегатов и деталей кузовов автомобилей и мн. др.

Пользователи отмечают эффективность метода, его простоту, относительно невысокую стоимость и весьма быструю эксплуатационную окупаемость.

И в заключении необходимо еще раз сказать, что более широкое внедрение в практику современных и перспективных методов антикоррозионной защиты, в частности таких, как — холодное цинкование, позволит резко сократить ущерб, приносимый в результате коррозии металлов, который в промышленно развитых странах достигает 5 % национального дохода.

В справочник