Сравнение горячецинковых и диффузионных цинковых покрытий

Практический интерес представляет рассмотреть во взаимосвязи и сопоставить строение, свойства и эксплуатационные характеристики горячецинковых и диффузионных цинковых покрытий.

Структура цинковых покрытий, полученных горячим цинкованием многофазна, и верхняя фаза состоит из слоя цинка, состав которого аналогичен расплаву цинка, из которого наносят покрытие.

Диффузионные цинковые покрытия, полученные в порошковых смесях, состоят из нескольких последовательно расположенных железоцинковых слоев (фаз), которые образуются в результате взаимной диффузии атомов цинка и железа в процессе диффузионного цинкования (химико-термической обработки). Обычно в классическом диффузионном цинковом покрытии, полученном путём химико-термической обработки в порошковых смесях на основе цинка чётко наблюдаются в основном две фазы: Г-фаза («гамма-кэпитал» - фаза), представляющая собой тонкий (2-4 мкм) слой, расположенный непосредственно на поверхности покрываемого изделия и следующая за этим слоем-фаза («дельта» - фаза).

Фаза Г - представляет собой интерметаллическое соединение и может содержать до 28% железа. Фаза – также является интерметаллическим соединением, содержание железа в ней от 7 до 11,5%. Структура фазы на травленом шлифе выглядит в виде вытянутых (столбчатых) кристаллов.

Известно, что способ нанесения цинковых покрытий определяет их свойства. В связи с этим цинковые покрытия, полученные горячим цинкованием и цинковые покрытия, полученные диффузионным методом значительно отличаются как по структуре, так и по химическим и физико-механическим свойствам (степени сцепления с поверхностью покрываемого металла, твёрдости, пористости, коррозионной стойкости и др.).

Одним из важнейших свойств цинковых покрытий является прочность сцепления их с поверхностью покрываемого изделия.

Сцепление цинкового покрытия, полученного в расплаве цинка, определяется главным образом температурой расплава цинка и продолжительностью взаимодействия расплавленного цинка с поверхностью покрываемого изделия. Эти параметры определяют степень проникновения атомов цинка в стальную подложку покрываемого изделия и, в конечном итоге, степень сцепления покрытия с подложкой. Известно, что время контакта стальных изделий при горячем цинковании составляет от 30 секунд до 2,0 минут (в зависимости от вида и размеров изделий), следовательно, атомы цинка взаимодействуют лишь с поверхностью стальной подложки не проникая глубоко внутрь, и степень сцепления образующегося цинкового покрытия с подложкой невелика.

Диффузионный метод цинкования изделий в отличие от горячего цинкования представляет собой процесс, происходящий при температуре 350-480 0С и продолжительности от 2 до 5 часов (в зависимости от требуемой толщины покрытия). При этом методе, в результате диффузии, цинк внедряется в кристаллическую решетку защищаемого металла, поэтому прочность связи покрытия с основным (покрываемым) материалом резко возрастает.

Таким образом, сцепление диффузионного цинкового покрытия, основанное на диффузионной связи, значительно превосходит степень сцепления цинковых покрытий, наносимых из расплава цинка (горячим цинкованием).

Важной характеристикой физико-механических свойств цинковых покрытий является их твёрдость (микротвёрдость). Она определяет стойкость покрытия к воздействию агрессивной среды. Такому воздействию оцинкованные изделия подвергаются в различных эксплуатационных условиях (атмосферные влияния с дождём и ветром, движущиеся водные среды и др.). Твёрдость диффузионных цинковых покрытий значительно превосходит твёрдость цинковых покрытий, полученных горячим цинкованием. Особенно это относится к верхним слоям покрытия, которые в первую очередь контактируют с коррозионно-эрозионными средами. Микротвёрдость верхних слоёв горячецинковых покрытий сравнительно невелика и составляет не более 600-900 МПа.

Диффузионные цинковые покрытия на всю толщину покрытия состоят из железоцинковых интерметаллических соединений, обладающих большой твёрдостью 3360-5200 МПа, что обеспечивает покрытию достаточно высокую сопротивляемость различным агрессивным средам.

Говоря о защитных функциях цинковых покрытий, следует отметить такую важную их характеристику как пористость. Диффузионный способ обеспечивает получение диффузионных цинковых покрытий абсолютно беспористых и в связи с этим появляется возможность наносить на изделия коррозионностойкие диффузионные цинковые покрытия небольшой толщины, например, 25-30 мкм. Это является большим преимуществом по сравнению с другими видами цинковых покрытий.

При нанесении тонких покрытий (25 - 30 мкм) методом горячего цинкования требуется очень тщательная подготовка поверхности изделия перед цинкованием и, тем не менее (особенно при цинковании длинномерных изделий, а также изделий сложной формы) появляется большая вероятность образования в покрытии различных несплошностей, что способствует доступу агрессивной среды к основному металлу и возникновению процесса коррозии под покрытием.

Необходимо отметить еще одно важное свойство диффузионных цинковых покрытий - это способность образовывать плотные защитные слои из продуктов коррозии. На диффузионно-оцинкованных изделиях в эксплуатационных условиях при воздействии агрессивной среды образуются плотные слои из продуктов коррозии, которые обладают защитными свойствами и предохраняют нижележащие слои покрытия от разрушения (эффект самозащиты).

На цинковых покрытиях, полученных горячим цинкованием, электролитическим способом или методом металлизации в эксплуатационных условиях образуются рыхлые, легко удаляемые (дождём, ветром, струйками воды и др.) продукты коррозии, что способствует дальнейшему протеканию коррозионного процесса и разрушению слоя покрытия.

Таким образом, коррозия диффузионных цинковых покрытий во времени имеет затухающий характер, т.е. уменьшается, а коррозия цинковых покрытий, полученных другими методами, со временем увеличивается.

Сравнение основных свойств и результатов коррозионных испытаний различных цинковых покрытий позволяет сделать вывод, что диффузионные цинковые покрытия не склонны к старению, обладают высокой твердостью, износостойкостью, а диффузионная связь обеспечивает высокую степень сцепления с поверхностью покрываемого изделия, к тому же эта технология при сопоставимых затратах позволяет нанести уникальное по свойствам покрытие, которое по совокупности качеств для большинства применений существенно превосходит покрытия полученные методом горячего цинкования, а во многих случаях является единственным приемлемым решением. Особенно это очевидно, если перейти от сравнения стоимости услуги к сравнению стоимости и сроков эксплуатации изделий.

Результаты многочисленных лабораторных, стендовых и промышленных испытаний диффузионных цинковых покрытий показывают, что они наиболее подходят для защиты от коррозии металлоизделий и конструкций, эксплуатирующихся в осложнённых условиях, которыми характеризуются нефтедобывающая отрасль, судостроение и морской флот, коксохимическая, нефтеперерабатывающая и горнорудная промышленность.

Говоря о технологии диффузионного цинкования необходимо отметить, что до настоящего времени метод использовался в основном для цинкования изделий небольших размеров с использованием громоздкого малопроизводительного оборудования.

В последние годы российскими и украинскими специалистами был выполнен значительный объём научно-практических работ в области диффузионной металлизации, что позволило усовершенствовать технологию диффузионного цинкования и применяемое при этом оборудование. Усовершенствованные процессы металлизации дали возможность получать защитные диффузионные цинковые покрытия с улучшенными физико-механическими и химическими свойствами. Это позволило расширить области применения цинковых покрытий и использовать их для защиты различных длинномерных металлических изделий и конструкций, эксплуатация которых проходит в жёстких коррозионно-эрозионных условиях.