книги из ГПНТБ / Соголовская А.Г. Прогрессивные методы горячего цинкования

В тех случаях, когда облагораживание металла легирова­ нием неэкономично, а применение протекторной или катод­ ной защиты невозможно, приходится обращаться ко второ­ му способу — к обработке коррозионной среды. Для этой цели служат вещества, известные под названием ингибито­ ров (замедлителей) коррозии.

Находясь в коррозионной среде, ингибиторы могут тор­ мозить анодный или катодный процессы при работе микрогальванических элементов или связывать активный кисло­ род, а также образовывать нерастворимые пленки на метал­ ле, защищающие его от дальнейшего окисления.

Ингибиторы атмосферной коррозии чаще всего применя­ ются при хранении или длительной транспортировке ме­ таллических изделий.

Замедлители коррозии в жидких коррозионных средах служат для предохранения различных металлических емко­ стей от разрушающего действия рабочих жидкостей.

Но облагораживание металлов легированием, протек­ торная и ингибиторная защита могут применяться лишь в определенных условиях эксплуатации и хранения из­ делий.

Третий способ защиты — полная изоляция металла от коррозионной среды — является наиболее универсальным. В этом случае на защищаемый металл наносятся самые разнообразные по своей природе и внешнему виду пле­ ночные покрытия, прочно сцепленные с металлической основой.

Защита металлов покрытиями делает их не только стой­ кими в самых различных коррозионных средах, но прида­ ет металлическим изделиям красивый вид. Наиболее широ­ ко для защитно-декоративных и специальных покрытий применяются такие металлы как цинк, кадмий, хром, же­ лезо, никель, олово, свинец, медь, серебро и золото.

12

В последние годы у нас и за рубежом появился большой,, интерес к покрытиям из двойных и даже тройных сплавов. Эти покрытия обладают новыми ценными свойствами.

Рис. б. Иллюстрация процесса коррозионного разрушения в зависимо­ сти от свойств металла основы и покрытия:

/ — покрытие (никель); 2 — покрытие (цинк); 3 — основной металл (сталь); 4 — продукты коррозии.

олово, цинк — олово, олово — никель, цинк — кадмий, се- ребро—свинец, железо — цинк и др.

По характеру защиты от коррозии все покрытия можно разделить на катодные, анодные и механические.

Предположим, что одна стальная пластинка покрыта никелем (рис. 6,а), а другая — цинком (рис. 6,6).

Допустим, что на обеих пластинках .образовалось ло­ кальное нарушение покрытий. Цинк, растворяясь, защищает стальную пластинку от коррозии. В паре никель — сталь покрытие служит катодом и лишь усиливает коррозионное разрушение основы.

13

Таким образом, более благородный металл может слу­ жить надежной защитой для менее благородного только при отсутствии царапин и пор, доходящих до основы.

Кмеханическим покрытиям можно отнести те, которые

вэлектрохимическом отношении инертны и не могут об­ разовать более или менее сильной гальванопары с метал­ лом основы.

Такими покрытиями являются, например, непигментированные лаковые пленки.

Наиболее надежными являются анодные покрытия, поэтому они широко применяются для защиты черных металлов. Существует несколько способов нанесения метал­ лических покрытий, каждый из которых имеет свою спе­ цифику и область применения. В частности, цинкование может производиться одним из следующих способов: элект­ ролитическим, металлизационным, диффузионным и горячим.

Электролитическое цинкование осуществляется путем электролиза водных растворов, содержащих простые или комплексные’ ионы цинка. Процесс ведут при комнатной или повышенной температуре, используя постоянный ток низкого напряжения. При этом катодами являются цин­ куемые детали, в качестве анодов используются цин­ ковые пластины. Электролитическое цинкование более или менее крупных деталей осуществляется на специальных катодных подвесках, а массовое покрытие мелких изделий, типа крепежа и фурнитуры,— в барабанных и колокольных устройствах.

емые кислые электролиты, интенсифицируют процесс цин­

14

кования. При этом скорость осаждения цинка увеличива­ ется до нескольких микрон в минуту. Однако покрытия из этих электролитов имеют крупнокристаллическую струк­ туру, пористы и недостаточно равномерны по толщине на деталях сложного профиля.

Комплексные электролиты менее производительны, чем кислые, но дают плотные беспористые и равномерные по­ крытия, очень прочно сцепленные с основой.

При помощи специальной обработки электролитиче­ ским цинковым покрытиям можно придавать блеск, сохра­ няющийся длительное время на объектах, эксплуатируе­ мых в сухих, не загрязненных промышленными газами, помещениях.

Электролитическое цинкование является универсаль­ ным, так как оно применяется для покрытия деталей самых разнообразных размеров и форм при значительной степени автоматизации,причем покрытия получаются равномерными, расход цинка — более экономичный по сравнению с горя­ чим цинкованием.

К недостаткам электролитического цинкования следует отнести невозможность покрытия изделий, имеющих негер­ метичные швы, а также недостаточно высокую производи­ тельность по сравнению, например, с горячим цинкованием. Кроме того, при цинковании этим способом тонкостенных деталей или пружин повышается хрупкость последних за счет поглощения основным металлом водорода, выделяю­ щегося на катоде вместе с цинком.

Цинкование методом металлизации распылением за­ ключается в том, что при помощи струи сжатого газа рас­ плавленный цинк в капельножидком состоянии наносится на покрываемый объект. Механизм образования покрытия состоит в том, что частицы жидкого металла, имеющие раз­ мер 10—20 мк, выбрасываются из специального аппарата-

15

распылителя. Попадая на покрываемую поверхность, они расплющиваются, наслаиваются друг на друга и образуют чешуйчатое покрытие.

Металлизируемая поверхность должна быть сухой и ше­ роховатой. В противном случае сцепление покрытия с ос­ новой будет недостаточным. Наилучшей подготовкой перед металлизацией считается пескоструйная или дробеструй­ ная обработка.

Металлизационные аппараты, или пистолеты-распыли­ тели по принципу работы и конструктивным особенностям делятся на тигельные, работающие с расплавленным ме­ таллом, газовые, распыляющие проволоку с помощью кис­ лородно-ацетиленового или водородного пламени, и элек­ трические, распыляющие проволоку с помощью переменного электрического тока.

Наиболее распространены электрические аппараты. Прин­ цип работы их следующий. Две цинковые проволоки, находя­ щиеся под напряжением переменного тока промышленной частоты, соединяясь, образуют вблизи воздушного сопла вольтову дугу, расплавляющую цинк. Концы проволоки непрерывно подаются специальным механизмом к месту возникновения вольтовой дуги.

Основным преимуществом металлизационного способа следует считать транспортабельность металлизационной аппаратуры и возможность покрывать цинком готовые конструкции любых габаритов и форм.

К недостаткам нужно отнести слабое сцепление цинка с основой, недостаточную плотность и компактность покры­ тия, а также значительные потери цинка при распылении его на ажурные (несплошные) поверхности.

Диффузионное цинкование заключается в том, что цинк в виде мелкодисперсного порошка, находящегося в непосред­ ственном контакте с покрываемым объектом, при определен-

16

ных условиях внедряется в кристаллическую решетку ста­ ли. При этом, в отличие от описанных выше способов, меж­ ду покрытием и основой нет резкой физической границы раздела. Диффузионное покрытие представляет собой ряд химических соединений железа с цинком, которые по своим свойствам резко отличаются от свойств образующих его чистых металлов.

Практически процесс осуществляется следующим обра­ зом. Детали, очищенные от жиров и окислов, погружаются в порошкообразную смесь, состоящую из металлического цинка и окиси цинка или алюминия. Последняя предотвра­ щает цинковый порошок от спекания. Детали, засыпанные порошком, в специальных контейнерах загружаются в му­ фельные печи и при температуре 400 ± 50° С выдерживают­ ся в течение нескольких часов. С увеличением температуры и времени процесса слой диффузионного покрытия стано­ вится более толстым. Однако получение диффузионных покрытий остается еще весьма трудоемким процессом, меха­ низация и автоматизация которого затруднены. Этим, по-видимому, и объясняется его ограниченное применение.

Горячее цинкование является самым старым, наиболее распространенным и, вместе с тем, самым высокопроизводи­ тельным способом покрытия цинком кровельной жести, про­ волоки, ленты, различных бытовых и специальных емкостей. Для цинкования различной сшивной посуды (ведер, корыт, баков и т. п.) горячий способ является единственно возмож­ ным. Поэтому при описании особенностей и технологии го­ рячего цинкования основное внимание в книге уделено цинкованию сшивных бытовых емкостей.

2 1652

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО­ ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЯЧЕГО ЦИНКОВАНИЯ

Горячее цинкование стали и изделий из нее состоит из очистки поверхности от окалины и жировых загрязнений, нанесения слоя цинка погружением стали в цинковый ра­ сплав и обработки цинкового покрытия. Технологическая схема процесса горячего цинкования выглядит так: обез­ жиривание * -> травление -> промывка -* декапирование -> ->■ флюсование цинкование -> охлаждение.

Подготовка поверхности металла

Расплавленный цинк хорошо смачивает только совер­ шенно чистую сталь. Но обычно поверхность стали покры­ та слоем окалины, которая образуется при прокатке и отжи­ ге листов. Листовая сталь в зависимости от способа произ­ водства делится на холоднокатаную и горячекатаную. Для получения холоднокатаных листов сталь прокатывают в горячем состоянии лишь до толщины 2—2,5 мм и дальней­ шую прокатку до нужной толщины ведут уже в холодном состоянии. Холоднокатаные листы затем отжигают в ней­ тральной атмосфере при температуре 680—700° С. Этот от­ жиг приводит к получению мелкозернистой стали, поверх-

*.Обезжиривание применяется в тех случаях, когда на деталях или изделиях имеются заметные жировые загрязнения.

18

ность которой получается гладкой и имеет небольшой по толщине слой окалины.

Горячекатаная сталь делится на декапированную и кро­ вельное железо. В обоих случаях прокатка этой стали про­ изводится в горячем состоянии до нужной толщины листов. В зависимости от условий производства (температуры кон­ ца прокатки, механизации процесса) структура и качество листов получаются различные. Отжиг кровельного железа производится при температуре 800—850° С. При изготовле­ нии декапированной стали горячекатаные листы подвер­ гают травлению для снятия прокатной окалины, которая легко растворяется в кислоте. После травления следует отжиг при температуре 800—850° С. В результате получа­ ют декапированную сталь светло-серого цвета с небольшим слоем окислов. Листы кровельного железа подвергаются более длительному отжигу, поэтому на поверхности их об­ разуется плотный слой окалины, которая впоследствии уда­ ляется с большим трудом. Из-за большого количества окали­ ны поверхность листов кровельного железа получается шероховатой и имеет темный цвет. Толщина слоя окалины на листовой стали колеблется от 0,018 до 0,052 мм. Образование окалины при отжиге зависит от качества поверхности листа. Для одной и той же стали, отжигаемой в одинаковых усло­ виях, при гладкой поверхности получается окалины 50 г/м2, при глубоко шероховатой — 400 г/м2 [29].

Таким образом, качество поверхности листовой стали одной и той же марки при одинаковом химическом составе может быть различным в зависимости от технологии про­

и магнетит — труднорастворимые при травлении. Следо­ вательно, наилучшей сталью для цинкования является хо­ лоднокатаная, но из-за более высокой стоимости эта сталь при горячем цинковании не применяется. Для изготовления оцинкованной кровельной стали применяется наиболее дешевое кровельное железо (ГОСТ 1393—47). Для изготовле­ ния сшивной оцинкованной посуды также применяется поч­ ти всегда кровельное железо, хотя применение декапиро­ ванной (более дорогой) стали позволило бы улучшить качество посуды, уменьшить расход кислоты на травление, увеличить пропускную способность травильных ванн за счет уменьшения времени травления.

Обезжиривание поверхности стали. При изготовлении из стальных листов различных изделий способом вырубки или штамповки, при сборке изделий из отдельных деталей, при волочении проволоки или холодной прокатке стальной лен­ ты возможно загрязнение поверхности различными смазоч­ ными материалами или маслами. Поскольку загрязненные жирами участки поверхности при травлении не будут сма­ чиваться кислотой, необходимо провести обезжиривание этих участков.

Обезжиривание можно производить химическим или электрохимическим способом в щелочных растворах [2], путем отжига на воздухе или в парах аммония, а также по­ средством протирки загрязненных жирами участков рас­ творителями: трихлорэтиленом и тетрахлорэтиленом.

Травление металла. Травление перед цинкованием про­ изводится для очистки поверхности стали от прочно при­ ставшей окалины или ржавчины. Травление производится, в основном, в водных растворах серной и соляной кислот. За рубежом в последнее время широко применяется травле­ ние в фосфорной кислоте и некоторых органических кис­ лотах.

20

Процесс травления основан на химическом взаимодей­ ствии между кислотой, окалиной и металлом. Помимо про­ цессов химического растворения (см. уравнения реакций) при травлении протекают процессы, связанные с переносом электрических зарядов, в которых участвует выделяющийся в реакциях водород [1 ]:

FeO + H2S04 —»FeS04 -f- H20 ;

Fe30 4 + 4H2S04 - FeS04 + Fe2 (S04)3 + 4H20 ;

Fe20 3 + 3H2S04 ->■ Fe2 (S04)3 + 3H20 ;

Fe + H2S04 -» FeS04 + H t .

(Реакции взаимодействия окалины и железа с соляной кисло­ той аналогичны; в результате их в растворе накапливается двухлористое железо).

Водород, выделяющийся под слоем окалины, своим дав­ лением отслаивает последнюю; кроме того, водород в момент выделения способен восстанавливать высшие окислы железа до FeO, т. е. переводить их в растворимое состояние (как указывалось выше, FeO легко растворяется в кислотах, Fe30 3 — значительно труднее).

По мере растворения окалины обнажается железная основа и начинается интенсивное растворение ее. В первую треть времени, затрачиваемого на травление, освобождает­ ся от окалины 80% поверхности, а в последующее время растворяется лишь 20% окалины и 80% железной основы.

Механизм травления стали в соляной и серной кислотах различен. В 10%-ной и более соляной кислоте* происходит химическое растворение окислов железа; при этом поверх­ ность железа не растравливается. В соляной кислоте концен-

'* Во всем тексте брошюры концентрации растворов, содержания металлов и их примесей, а также составы железо-цинковых сплавов даны в весовых процентах.

21