Цинк-ламельные покрытия. Краткий обзор
Автор: Максим Крепак
Цинк-ламельные покрытия обычно выполняют несколько функций. Основная функция цинк-ламельного покрытия заключается в обеспечении коррозионной защиты металлических изделий. С этой задачей данное покрытие справляется значительно лучше аналогов. Демонстрируемая стойкость цинк-ламельных покрытий в соляном тумане превышает 2000 часов. Для сравнения, детали, оцинкованные гальваническими методами, дают красную коррозию уже после 96 часов таких испытаний. По антикоррозионной стойкости к цинк-ламельному крепежу приближается горячеоцинкованный крепёж со стойкостью 850 часов, но в данном случае толщина защитного слоя от 50 мкм и выше против толщины 10-15 мкм цинк-ламельного покрытия.
Что такое цинк-ламельное покрытие?
Цинк-ламельное покрытие металла — это слой, состоящий из чешуек (ламелей) цинка и алюминия, связанных трехмерной решеткой оксида титана или хрома. Толщина такого слоя в среднем составляет 10-15 мкм.
Ключевым словом в вышесказанном является слово «хлопья». В нём выражена новаторская идеология данного вида покрытия. Микрохлопья цинка и алюминия укладываются многослойными стопками внахлёст во всех направлениях по горизонтали. Такая укладка хлопьев (чешуек) плюс их склейка связующими веществами обеспечивает плотный непроницаемый для воздуха и влаги электропроводный слой. Другими словами, цинк-ламельное покрытие обладает высокой барьерной и электрохимической (катодной) защитой.
В отличие от хлопьев цинка, гранулы сферической формы (это другая идеология) в популярных цинк-наполненных красках не дают такой плотной укладки металла в покрытии и достаточного контакта для обеспечения электропроводности. Чтобы получить сопоставимую коррозионную стойкость, слой краски, заполненный гранулами цинка, должен достигать 80-100 мкм.
Технология нанесения цинк-ламельных покрытий и проста, и сложна, одновременно. Простота заключается в малом количестве стадий техпроцесса и конструктивных особенностях необходимого оборудования. Детали нужно обезжирить стандартными методами, сбить окалину/ржавчину (одновременно активировав поверхность металла) в дробемётной машине, высыпать в центрифугу, покрутить, запечь в печи при 230 °С. Сложность, как всегда, кроется в деталях. Вязкость нужно подобрать под свои детали из довольно широкого диапазона рекомендуемых значений, обороты и время центрифугирования для получения нужной толщины покрытия — вообще, исключительно эмпирический процесс. Например, комбинации этих двух переменных позволяют играть толщиной-вязкостью для минимизации слипания шайб.
Подготовка поверхности и соблюдение её чистоты в течение всего технологического цикла — это процесс, весьма чувствительный к внешним факторам. Например, достаточно слегка прикоснуться пальцем к детали, — и, в месте касания, адгезии между покрытием и основой не будет.
Что тогда говорить об остатках масел на деталях, поддонах, корзинах, перчатках, наконец? И многие другие нюансы начинаешь выявлять, только непосредственно занявшись нанесением этого покрытия.
Практическое применение цинк-ламельных покрытий
Исходя из основной функции данного вида покрытий, они (покрытия), в первую очередь, должны применяться там, где противопоказана коррозия. Поэтому основные отрасли, где «цинк-ламель» стала стандартом коррозионной защиты (правда, пока ещё не в России), это автопром, судостроение, электроэнергетика (в части ветрогенераторов как морских, так и сухопутных).
Болты, гайки, шайбы, саморезы, шпильки и прочий крепёж, который не должен быть съеден ржавчиной, — прямые «клиенты» для данной технологии.
Коррозионную стойкость цинк-ламельных покрытий в экстремальных условиях эксплуатации ярко иллюстрирует опыт производителей морских ветрогенераторов. Гарантийный срок защиты от красной коррозии цинк-ламельных шпилек, которыми крепятся лопасти генераторов, составляет 100 лет в режиме эксплуатации (не хранения). Для автопрома разработаны специальные топовые (наружные) слои покрытия, содержащие смазывающие вещества, которые обеспечивают общий коэффициент трения в резьбовых соединениях в довольно узких пределах от 0,12 до 0,15.
Стойкость на истирание цинк-ламельных покрытий меньше, чем у аналогов, но и эту характеристику нельзя назвать слабым местом данной технологии. По требованиям автопроизводителей, количество свинчиваний болтов и гаек должно быть не менее 50. Сколько раз за экономическую жизнь автомобиля мы отвинчиваем колёсные болты? — Столько раз наше покрытие должно выдержать выкручивание-закручивание с помощью ключа.
Важным практическим приложением данной технологии является возможность покрытия крупногабаритных изделий методом распыления. Уже разработаны композиции, которые могут полимеризоваться (застывать) даже при комнатной температуре.
Например, возьмём для рассмотрения какие-нибудь мостовые конструкции или опоры электропередач. Их изготавливают по частям, покрывают цинком, красят и т. д., а потом свозят на место монтажа. На месте монтажа их стыкуют, свинчивают, сваривают и пр. Заметим, что при этом обязательно повреждают антикоррозионное покрытие. А собранный мост в гальваническую ванну не окунёшь для восстановления целостности покрытия.
В нашем же случае, детали, покрытые цинк-ламелью, допускают повреждения, т. к. прямо на месте монтажа специалист, имея запас композиции, застывающей на воздухе, восстановит повреждённые участки. Такой практически неограниченной ремонтопригодностью не обладает ни одно антикоррозионное покрытие.
Качество цинк-ламельного покрытия, в основном, зависит от двух ключевых факторов: качества наносимой композиции и качества подготовки поверхности детали. Что касается сырья для цинк-ламельных покрытий, то на нашем рынке сейчас доминируют два производителя — Atotech и Dörken MKS. Эти компании-разработчики цинк-ламельных покрытий и технологических процессов уже давно зарекомендовали себя новаторами и экспертами в области коррозионной защиты. Качество исходных материалов от этих компаний стало стандартом для большинства фирм-потребителей цинк-ламельных покрытий в Европе. Если не нарушать технологию приготовления композиций, правильно их наносить и создавать условия для полимеризации, то, можно сказать, качество — гарантировано.
Подготовка поверхности деталей перед нанесением цинк-ламельного покрытия — фактор, который может свести на нет любое высочайшее качество исходного сырья. Если цинк-ламельное покрытие отслаивается от основы, никакие имена и сертификаты качества сырья не помогут. Но подготовка поверхности — это отдельная и весьма ёмкая тема, достойная отдельного обзора. Опираясь на практический опыт работы с цинк-ламельными покрытиями, хочется внести одну небольшую ремарку. Иногда клиенты списывают на качество покрытия нюансы самого изделия, на которое это по крытие наносится. Микронный слой цинк-ламельного покрытия с абсолютной точностью повторяет все мельчайшие детали поверхности изделия. В том числе и дефекты. Другими словами, если резьба болта/гайки до покрытия имеет дефекты, то и с покрытием эти дефекты не дадут качественного свинчивания. Если поверхность имеет каверны и сколы, то и с покрытием ситуация не улучшится. Т. е. нужно уметь разделять: качество самого покрытия и качество изделия с покрытием.
В заключении хочется отметить, что цинк-ламельные покрытия, как и многие другие полезные вещи, не являются панацеей. Да, коррозионная стойкость — «на высоте». Но для кого-то более важна металлическая прочность горячего цинка. Или блестящие хромированные поверхности цинк-ламель пока даже отчасти не может заменить. В общем, в зависимости от того, что от покрытия требуется, таков должен быть и спрос. Цинк-ламельное покрытие — это, в первую очередь, защита от коррозии на десятилетия.
Источник
Цинк-ламельные покрытия для защиты от коррозии — вчера, сегодня, завтра
Долговечность, гибкость и постоянное совершенствование лежали в основе успеха цинк-ламельной технологии с 1970-х годов. Во многих отраслях использовали это эффективное покрытие для стальных компонентов, а непрерывные исследования обеспечивали соответствие постоянно растущим требованиям к коррозионной защите. Одно их важнейших достижений: с появлением цинк-ламельных систем, которые затвердевают при комнатной температуре, стало возможно покрывать не только мелкие детали, но и крупные, тяжелые детали, которые нельзя нагревать в печи, а это большое преимущество в таких областях, как электромобильность и мостостроение.
ЧТО ТАКОЕ ЦИНК-ЛАМЕЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ?
Цинк-ламельные покрытия — это так называемые дисперсионные покрытия, которые можно наносить различными способами. Для небольших деталей, как правило, используется погружение с центрифугированием. После погружения в жидкое покрытие излишки материала отделяют и используют повторно. Оставшееся покрытие поперечно сшивается с деталью в печи; полученный в результате слой содержит примерно 60-70% цинка и до 10% алюминия. При работе с мелкими деталями этот процесс, как правило, повторяется. Это делается для того, чтобы точки агломерации после нанесения первого слоя были надежно покрыты. Чешуйки цинка, как правило, располагаются в полимерной пленке параллельно друг другу и поверхности.
В результате создается первичный барьерный эффект против воздействия влаги и кислорода.
По сравнению с обычными промышленными покрытиями, цинк-ламельные покрытия особенно отличают тем, что тончайшие слои толщиной примерно 8-20 мкм обеспечивают превосходную высокоэффективную защиту от коррозии. Благодаря этому они идеально подходят, например, для покрытия тонких краев гаек и болтовой резьбы без ущерба для посадки деталей. Еще одно преимущество — это неорганические системы связующих, которые сводят к минимуму воздействие отверждения на головки винтов и болтов.
Поскольку при использовании цинк-ламельных систем не генерируется водород, а значит, исключается проблема водородного растрескивания под напряжением, что характерно для других покрытий, эти системы применяются, в частности, для защиты от коррозии высокопрочных болтов и пружинной стали. Помимо мелких деталей (“навалом”), цинк-ламельная технология в настоящее время все больше используется для защиты от коррозии крупных компонентов.
ЧЕШУЙКИ ЦИНКА — ИСТОРИЯ УСПЕХА
Изобретение берет свое начало в небольшой начинающей компании в США, которая продала свою разработку японской фирме Dacral в 1970 году. В 1974 году компания Dacral, входящая в состав Nippon Oil Fat Comp (NOF), приступила к поискам подрядчика для нанесения покрытий в Америке и нашла в итоге Magni. Специалисты Dörken взяли на себя адаптацию технологии Magni в соответствии с требованиями Европейского рынка. В то время уже использовали неорганические системы связующих на основе титаната, хотя для катодной защиты применяли цинковую пыль.
С момента изобретения системы цинковые чешуйки применяли в покрытиях в качестве пигмента. Благодаря “самовосстановлению” или пассивирующему действию ранее успешно применяли системы на основе хрома(VI). Они позволили получить значительно более тонкие покрытия, чем бесхромовые системы, вследствие чего хромовая система Dacromet долгое время занимала монопольное положение в сфере покрытия винтов и болтов. Однако водные системы требуют использования более высокой температуры отжига (300°C). А для бесхроматной системы Delta Tone на основе растворителя, разработанной в компании Dörken, напротив, требуется всего 180-200°C, что является неоспоримым преимуществом.
В 2000 году компании Magni и Dörken прекратили свое сотрудничество, в результате чего на рынке появилось три поставщика, причем третьим была компания Dacral. Примерно за 4-5 лет до вступления в силу директивы 2000/53/EC (которая затрагивает утилизацию автотранспортных средств, вышедших из эксплуатации), примерно в 2002 году, покрытия на основе хрома(VI) были постепенно заменены бесхроматными системами.
РАЗРАБОТКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Цинк-ламельные системы часто корректируются для применения в новых областях и продолжают совершенствоваться, чтобы удовлетворять меняющиеся требования рынка.
Болты и винты: тонкий слой является обязательным условием для покрытия деталей разных размеров. Цинк-ламельные покрытия зарекомендовали себя в этой сфере на протяжении многих лет, они обеспечивают хорошую защиту мелких винтов (
Компоненты двигателей: поскольку большинство автотранспортных средств оснащается все более компактными двигателями, требуется более высокий уровень термостойкости. В автомобильной промышленности принято предварительно выдерживать покрытие в течение 4 дней при 180°C с последующим коррозионным испытанием. В отличие от пассивированных гальванических систем, цинк-ламельные покрытия удовлетворяют этому требованию и поэтому являются предпочтительным вариантом для компонентов двигателей.
Крупные компоненты: после успешного применения для мелких деталей задача состояла в том, чтобы использовать цинк-ламельные покрытия для более крупных и тяжелых компонентов. Например, болты M14 уже слишком большие для нанесения покрытия в барабане. Собственный вес деталей (обычно 180 г для болтов M16 x 80) препятствует образованию покрытия и вызывает его повреждение. Поэтому процесс нанесения был адаптирован. В то время как болты (M24-M38), применяемые в ветроэнергетике, по-прежнему можно покрывать методом распыления, детали более сложной формы требуют усовершенствованного подхода. В результате, в 2017 году на опору двигателя (размером в квадратный метр) немецкого люксового лимузина с его сложными конструкциями, отверстиями и насечками нанесли покрытие, используя адаптированный процесс погружения с центрифугированием. Покрытие только одной детали позволило сэкономить 700 г веса по сравнению со стандартным покрытием.
Внешний вид компонентов: одним из самых важных требований производителей оригинальных деталей в автомобильной отрасли был и остается привлекательный внешний вид черных поверхностей и компонентов после рабочих нагрузок и коррозионных испытаний. Контраст черного верхнего покрытия с белым слоем оксида цинка, который образуется при коррозии, вызывает существенное беспокойство. Поскольку при нанесении покрытия на мелкие детали насыпью невозможно избежать повреждения черного верхнего слоя, химический состав цинк-ламельного базового слоя изменили, чтобы замедлить окисление. Это обеспечило два преимущества: снижение неприглядной белой коррозии и более эффективное использование цинка исключительно для катодной защиты компонентов. Это было достигнуто путем адаптации электросопротивления покрытия. В результате была получена черная поверхность, которая после длительного коррозионного воздействия демонстрировала не больше изменений, чем “белая дымка” цинк-никелевых покрытий.
Системы отверждения при комнатной температуре : при работе с некоторыми деталями для нанесения покрытия требуется очень низкая температура отжига (комнатная температура). Это касается, например, деталей в сборе с пластмассовыми компонентами. В этом случае достаточно понизить температуру всего на 20-30°C, в зависимости от характеристик пластмассы.
Обычно это достигается корректировкой технологии нанесения. С крупными компонентами дело обстоит иначе, поскольку они не помещаются в печи или не могут быть нагреты стандартными методами, например, метровые зубья, используемые в строительных кранах, или другие крупные литые стальные детали. Недавно стали применяться системы покрытий, отверждаемые при комнатной температуре, при этом они наносятся методом распыления и обеспечивают превосходную защиту.
Источник
