Покрытие болтов цинком: способы, виды и альтернативы

Содержание

Покрытие болтов слоем цинка для защиты от коррозии

В число наиболее актуальных задач, которые должны решать производители крепежных деталей, входит обеспечение их долговечности при эксплуатации. Наиболее эффективным способом увеличения срока использования метизов является покрытие их поверхности защитным слоем на основе цинка. Элемент Zn характеризуется отрицательным потенциалом. Поэтому крепеж, покрытый слоем, содержащим этот металл, устойчив к воздействию агрессивных сред. А замедление процесса коррозии стали, из которой, произведены соединительные детали, обусловлено, практически, моментальным восстановлением поврежденной защитной пленки естественным путем.

Применяемые технологии

Результаты многочисленных испытаний показали, что оцинкованный крепеж может эксплуатироваться порядка 30 лет. Метизы без такого защитного слоя приходят в негодность значительно быстрее. Использование соединительных деталей с цинковым покрытием способствует сокращению затрат на ремонт оборудования, компоненты которого они скрепляют, а также на его периодическое сервисное обслуживание.

Сегодня нанесение защитного слоя с элементом Zn обычно выполняется тремя методами. Рассмотрим их более подробно.

Горячее цинкование

Данная технология предусматривает прохождение ряда этапов.

Обезжиривание металла, промывка заготовок в растворах со специальным составом. Затем производится травление их поверхности. Проводится эта операция в растворах, показатель кислотности которых рН

Подготовка керамической ванны с расплавом цинка. Его температура достигает отметки 465°С.

Загрузка заготовок в барабан с его последующим окунанием в подготовленную ванну.

Барабан подвергается вращению. Это обеспечивает равномерное распределение жидкого цинка по поверхности крепежа. В результате происходит заполнение металлом всех углублений.

Барабан извлекается из ванны и подвергается центрифугированию. Так с изделий удаляется избыточный цинк.

Охлаждение. Производится в воде либо на открытом пространстве атмосферным воздухом.

Плюсы и минусы

У технологии горячей оцинковки имеются как положительные, так и отрицательные стороны. К преимуществам можно отнести:

наряду с антикоррозионной, деталям обеспечивается еще и механическая защита;

сцепление цинкового слоя с основным металлом болта осуществляется на молекулярном уровне. Поэтому удалить покрытие, практически, невозможно;

быстрое восстановление защитного слоя естественным образом после его повреждения без участия человека;

покрытие, сформированное горячим оцинкованием, обладает хорошей устойчивостью к сколам.

Из недостатков этого метода стоит выделить:

резьба на болтах должна быть высаженной с учетом толщины защитного слоя. Данный фактор усложняет производство такого крепежа;

горячему оцинкованию не подлежат соединительные детали с резьбой до M8;

со временем происходит изменение цвета покрытия с блестяще-серебристого на просто серебристый с матовым оттенком. Причина данного явления – контакт цинка с кислородом и углекислым газом сопровождается образованием на поверхности защитного слоя вещества с формулой ZnСО ₃ . Это карбонат цинка. Его цвет близок к серому.

Гальваническое цинкование

Galvanicheskoe cinkovanie.png

Метод гальванического оцинкования получил едва ли не наибольшее распространение. В его основе находится явление электролиза. Суть этого способа кратко можно описать так (см. рис.): в емкость с электролитом погружают стальную заготовку и цинковую пластину.

Затем их подключают к источнику постоянного тока: обрабатываемое изделие к минусовой, а пластину – к плюсовой клемме. В электролите протекает постоянный электроток. В результате положительно заряженные ионы цинка Zn 2+ оседают на поверхности стального метиза, формируя таким образом защитный слой. Его толщина (обозначение Т) может принимать значения из следующего диапазона: 5 мкм≤Т≤25 мкм.

Виды электролита

При гальваническом оцинковании применяются несколько видов электролита.

Кислотные ванны

Особого внимания заслуживают ванны, содержание кислот в которых относительно невысоко. Готовые изделия полностью покрыты цинком и имеют весьма привлекательный внешний вид. Применяется такой электролит при оцинковке не только стальных метизов, но изготовленных также из алюминия (Аl) и меди (Сu). Очень часто данным способом производится крепеж, используемый для фиксации на фасаде постройки декоративных элементов.

Щелочные ванны

В состав этих ванн входит не больше 20-ти грамм элемента Nа и не больше 2 грамм окисла цинка (ZnО) в перерасчете на 1 литр электролитического раствора. У этого метода оцинкования имеются следующие минусы:

Читайте также ГОСТы цинкового покрытия

обрабатывать можно исключительно стальные болты;

готовая продукция становится хрупкой;

оцинковка теряет блеск и привлекательность.

Из плюсов щелочных ванн эксперты выделяют безопасность для экологии окружающей среды. Особенно по сравнению с цианидными, о которых речь пойдет ниже.

Цианидные ванны

Состоят эти ванны из очень токсичного соединения под названием цианид натрия (формула NаСN). Благодаря наличию данного компонента эффективность защитного слоя повышается. Цианидные ванны характеризуются высокой текучестью. Это предоставляет возможность проводить обработку изделий очень сложной конфигурации со множеством рабочих граней. Наиболее существенные минусы – наличие в составе опасного для окружающей среды и здоровья человека вещества NаСN и обретение обработанными деталями хрупкости.

Особенности гальванического оцинкования

Чтобы обеспечить стальные детали привлекательным внешним видом, их поверхность перед оцинкованием нужно подвергнуть хорошей обработке. Речь идет, прежде всего, об удалении следов ржавчины. А после завершения процедуры оцинкования результат закрепляют, осветляя изделия хроматированием либо нанесением вещества с формулой НNО ₃ – азотная кислота. Благодаря этой операции, увеличится также срок службы крепежа.

В случае использования болтов для фиксации декоративных элементов фасада после нанесения цинксодержащего слоя на нем формируется методом пассивации дополнительное покрытие. Оно может иметь самые разные оттенки, начиная с черного, включая белый с голубым отливом и заканчивая светло-желтым. Но при работе с изделиями, имеющими такой наружный слой, нужно проявлять осторожность. Причина – большинство заводов, специализирующихся на производстве метизов, использовали до 2007 года ядовитое вещество 6-валентный хром. Именно в этом году были запрещены пленки с металлом Сr (VI). Но и в настоящее время болты с таким покрытием встречаются в автомобилях более ранних годов выпуска. На смену опасным пленкам пришли пленки хромитные, основой которых является 3-валентный металл Сr (III).

Чтобы убедиться в целесообразности оцинковки, достаточно изучить ниже представленное изображение. Отметим, что метод испытания путем помещения метизов в камеру с распыляемым 5-процентным веществом NаСl – хлорид натрия – регламентирован нормами ГОСТа 30630.2.5-2013.

Osobennosti galvanicheskogo ocinkovaniya.jpg

Оцинкование термодиффузионное

Данный метод предусматривает формирование покрытия обеспечением:

контактного взаимодействия очищенной поверхности металлической основы с частицами цинксодержащего сплава;

взаимодействия железа (элемент Fе) с паровой фазой элемента Zn, которая образуется в контейнере при высоких температурных показателях рабочей среды– до 4500°С.

Будучи нагреты до такой отметки, детали теряют ломкость и подверженность разрушениям. К тому же, они становятся устойчивыми к воздействию негативных факторов окружающей среды.

Толщина цинкового слоя может принимать любые значения. Это определяется выдержкой в технологической печи. Но обычно величина данного показателя колеблется возле отметки 50 мкм, что заметно больше в сравнении с гальваническим способом.

К плюсам термодиффузионного оцинкования стоит отнести равномерное нанесение элемента Zn, без потеков. Таким образом, обрабатывать этим способом можно болты и, в целом, крепеж любого типа, имеющий большое количество граней. Особую выгоду данная технология представляет при покрытии высокопрочных изделий, которые по определению должны быть нехрупкими. Для ее реализации нет необходимости проводить подготовку деталей травлением кислотой, окунанием в специальные растворы. Именно после этих операций в металле появляется водород (элемент Н), наличие которого наделяет сплав хрупкостью.

Оцинкование этим методом крупных партий болтов до недавнего времени не производилось ввиду небольших габаритов применяемого оборудования. Но сейчас ситуация поменялась. Уже разработаны большие по объему формы, «выдающие на-гора» за один цикл до тонны крепежных деталей. О такой технологии речь пойдет несколько ниже.

Из минусов можно выделить обретение изделиями после термодиффузионного оцинкования темного непривлекательного цвета. Поэтому использовать их в декоративных целях нельзя. Между тем, цвет не является основной характеристикой крепежа. Главное, чтобы болты удовлетворяли требованиям, выдвигаемым при использовании в конструкциях, работающих под воздействием высоких нагрузок.

Метод «Шерарадайзинга»

Вернемся к разговору об оцинковке крупных партий метизов. Эта технология получила название метод «Шерардайзинга». При ее разработке была сконструирована специальная система, обеспечивающая защиту от пыли, состоящей из частиц цинка. Ее основными элементами являются герметичные емкости-барабаны, которые не дают возможности выйти этой пыли в окружающее пространство. Такое конструктивное решение вывело метод Шерардайзинга в категорию наиболее экологичных технологий оцинковки.

Начальный этап ее реализации – очистка поверхности метизов. Затем в емкости загружают готовые к обработке изделия одновременно с инертным материалом и порошкообразным цинком. После этого барабаны начинают непрерывно вращаться, за счет чего частицы элемента Zn соприкасаются со стальной поверхностью крепежа и проникают в нее – то есть диффундируют. Процесс происходит при температуре 420° С≤Т≤450°С.

В целом, главной особенностью термодиффузионного метода является возможность формирования защитного слоя с толщиной (обозначение W), изменяющейся в пределах 25 мкм≤ W≤110 мкм.

Метод цинкламельного покрытия

Нанесение защитного слоя данным способом проводится с использованием специальных растворов. Содержание цинка в них колеблется возле отметки 80%, остальные 20% приходятся на алюминий (Аl) и связующие компоненты. Покрытие может наноситься такими методами:

с использованием галтовочных:

центробежных машин, имеющих конфигурацию колокола;

путем окунания корзины с крепежом в раствор.

Защитный слой свободен от 6-валентного хрома и иных вредных для здоровья человека тяжелых металлов.

В состав цинкламельного покрытия входит базовый слой, и, если это необходимо по условиям технологической карты, еще и дополнительные слои. Последние предназначены для придания покрытию специальных качеств:

фрикционных – способность противодействовать скольжению;

декоративных – определяют внешний вид покрытия;

упругости и пластичности;

устойчивости к воздействию нагрузок:

носящих тепловой характер;

химическую стойкость при контакте с агрессивными средами.

Строение базового слоя представляет собой совокупность чешуек элементов Zn и Аl. Расположены они параллельно одна к другой и так же ориентированы по отношению к обрабатываемой поверхности заготовки. Толщина чешуек составляет всего несколько десятых долей микрометра. Соединяет их электропроводящий связующий компонент.

Толщина же всего покрытия – параметр производный от требований к коррозионной устойчивости. Минимальное значение 4,0 мкм, а максимальное – 100,0 мкм и даже больше.

Цинкламельному защитному слою присуща коррозионная устойчивость высокого уровня. После испытаний в соляном тумане была получена такая цифра: в данной среде это покрытие толщиной 9,0 мкм ≤W≤10,0 мкм способно полноценно выполнять свои функции свыше 700 часов.

Заслуживает внимания еще один момент: цинкламельное покрытие производится в широкой цветовой гамме. Поэтому крепеж с таким внешним слоем применяется для фиксации объектов, выполняющих декоративные функции при обустройстве фасадов зданий и несущих конструкций внутренних помещений.

Отличается это покрытие и хорошей термостойкостью. При температуре, колеблющейся возле отметки 2000°С, работоспособность деталей не утрачивается на протяжении 2000 часов. Процессу его нанесения характерно отсутствие выделения элемента водород. Таким образом, обрабатываемы метизы не наводораживавются. Благодаря пластичности защитного слоя резьба сохраняется, собственно, как и символы маркировки.

Заключение

По степени стандартизации технологий оцинковки мы заметно уступаем западноевропейским государствам и США. Там уже давно приняты нормативные документы как на нанесение защитного слоя горячим методом, так и на методику проектирования деталей, подходящих для обработки по данной технологии. В нашей стране действует только один Государственный стандарт в этой сфере, и то – доставшийся по наследству от СССР. Это ГОСТ за номером 9.307 от 1989 года. Аналогично обстоят дела с напылением металлопокрытий – данный процесс регламентируют положения ГОСТа 28302-89 советских времен. Основная нагрузка по вопросам нормирования толщины защитного слоя возложена на СНиПы, да и то применяемые там понятия весьма размыты и допускают разную трактовку (например, СНиП.2.03.11-85).

Покрытие болтов цинком: способы, виды и альтернативы

Цинкование представляет собой нанесение слоя цинка на металлический крепеж. Главная функция такого покрытия – защита от коррозии. Принцип действия основан на окислении цинка при взаимодействии с воздухом. Вследствие этого на поверхности болтов образуется пленка, не пропускающая кислород к металлу.

Цинк защищает болты от коррозии в средних условиях эксплуатации – при температуре до +70 °С и без воздействия агрессивных сред. При повышении температуры антикоррозионные свойства теряются и крепеж защищается только механически.

Метод нанесения цинкового покрытия и его толщина зависят от цели использования и условий функционирования крепежа.

Для работы в легких условиях, то есть в теплом сухом помещении, достаточно нанести слой в 5-8 мкм.

При работе в условиях образования конденсата покрытие должно быть толщиной от 8 до 12 мкм.

При эксплуатации в умеренном климате толщина достигает 25 мкм.

В очень жестких условиях, таких как морской климат и агрессивные среды, наносится слой более 25 мкм.

При проведении теста в соляном тумане по стандарту DIN EN ISO 9227 цинковое покрытие показало результат в 120 часов защиты от коррозии.

Оцинкованный болт

Рис.1. Оцинкованный болт

Покрытие болтов цинком: основные методы нанесения

Гальваническое цинкование, его еще называют холодным способом, представляет собой нанесение цинкосодержащего состава стандартными методами окрашивания.

Данный способ дает возможность обработать крепеж любого размера, позволяет наносить краску на защищенную поверхность. Толщина полученного слоя составляет около 5- 30 мкм, что не обеспечивает эффективную защиту от коррозии.

Горячее цинкование – погружение предварительно подготовленных болтов в цинк, нагретый до +450 °С. Вследствие этого образуется покрытие толщиной от 40 мкм, обладающее высокими антикоррозионными свойствами.

Недостатком данного способа является неравномерность полученного слоя. Горячее цинкование не применяется к крепежу, имеющему точные допуски, а также если высокие температуры меняют свойства обрабатываемых деталей.

Диффузионное покрытие болтов цинком (шерардизация) представляет собой обработку болтов в цинковом порошке при нагреве до +300-450 °С, или в парах цинка при температуре до +900 °С.

Данный метод позволяет создать покрытие любой толщины от 6 до 110 микрометров. Коррозионная стойкость в несколько раз выше предыдущих способов. Покрытие наносится равномерно и точно повторяет форму детали.

Однако такая процедура требует больших затрат, поэтому используется достаточно редко.

Альтернатива покрытию цинком

Эффективной альтернативой цинковому покрытию является применение антифрикционных твердосмазочных покрытий компании «Моденжи». MODENGY 1011 и MODENGY 1014 изготавливаются на основе политетрафторэтилена.

Покрытие болтов цинком для увеличения их ресурса: способы и альтернативы

a295f93410bf4213b72e13472ca97bd6

Цинковое покрытие является самым популярным методом защиты крепежа от коррозии и механических повреждений. Различные способы нанесения материала позволяют создавать необходимую толщину покрытия и менять его свойства.

Покрытие болтов цинком заключается в нанесении на крепежные изделия состава, содержащего цинк. Он окисляется при взаимодействии с кислородом и образует на металлической поверхности устойчивый слой, состоящий из продуктов коррозии.

Стандартное цинковое покрытие толщиной около 10 микрометров защищает болты от коррозии в легких и средних условиях эксплуатации: в сухом помещении при температуре до +70 °С. В условиях влажности и более высоких температур детали защищены только от механических повреждений.

Для усиления защитных характеристик цинкового покрытия увеличивают его толщину. В сложных условиях эксплуатации она может превышать 100 микрометров. Это значительно сказывается на конечных размерах детали.

Оптимальная толщина и способ нанесения покрытия определяются исходя из целей, условий эксплуатации, материала болтов.

Оцинкованные болты

Рис. 1. Оцинкованные болты

Методы нанесения цинкового покрытия

Гальваническое покрытие болтов цинком подразумевает нанесение цинкового состава на болты в растворе электролита. Цинк оседает на металле ровным слоем толщиной примерно 5-20 микрометров.

Горячее цинкование производится путем погружения деталей в цинк, нагретый до +400 °С. В результате создается покрытие толщиной около 40 микрометров с высокими антикоррозионными свойствами.

Однако данный метод не подходит для деталей с точными допусками, так как защитный слой является неравномерным. Также не рекомендуется применять горячее цинкование для обработки металлов, меняющих свои свойства при высоких температурах и для крупногабаритных элементов.

Диффузное цинкование представляет собой обработку деталей горячим цинковым порошком или парами цинка, нагретыми до +900 °С. Данный способ позволяет создавать равномерное покрытие любой толщины, не меняя при этом технологический процесс.

Диффузный метод требует больших затрат для его проведения, поэтому используется достаточно редко.

Покрытие болтом цинком: преимущества и недостатки

Среди положительных характеристик покрытия цинком выделяют его невысокую стоимость и возможность усиления антикоррозионных свойств в зависимости от задач.

Но у такого покрытия есть и минусы:

Вредные испарения при обработке крепежа
Риск водородного охрупчивания деталей при горячем и гальваническом цинковании – попадание водорода в структуру металла, что ведет к растрескиванию крепежных изделий
Ежегодное разрушение защитного слоя
Сложное нанесение

Альтернативы цинку: хромирование, антифрикционные покрытия, никелирование

Антифрикционные твердосмазочные покрытия разработаны с учетом сложных условий эксплуатации болтов. Материалы MODENGY 1014 и MODENGY 1011 обладают повышенной несущей способностью, широким диапазоном рабочих температур (до +255 °С), высокими антикоррозионными и противозадирными свойствами. В отличие от цинкового покрытия, составы MODENGY обеспечивают возможность многократной сборки-разборки соединения.

Фундаментный крепеж до и после нанесения антифрикционного покрытия

Рис. 2. Фундаментный болт с покрытием MODENGY 1011

Никель обладает хорошими антикоррозионными и декоративными функциями, повышает устойчивость деталей к механическим повреждениям. К тому же он не выделяет вредных испарений.

При химическом никелировании получается ровное и прочное покрытие, устойчивое к воздействию некоторых кислот и щелочей.

Покрытие хромом обеспечивает антикоррозионную защиту болтов даже при малой толщине – 5 микрометров. Такой способ обработки деталей отличается эстетичным внешним видом.

Однако очень существенный минус хромирования – высокая цена крепежа с таким покрытием.

Независимо от выбора покрытия важна предварительная подготовка поверхности. Необходимо очистить и обезжирить детали, удалить ржавчину, соли и окалину при их наличии. Например, перед гальваническим цинкованием производят процедуру травления металла соляной кислотой, а перед нанесением антифрикционных твердосмазочных покрытий проводят пескоструйную обработку поверхности.