Что такое оцинкованная сталь? – РТК — «Вопросы качества»

Подробный разбор по теме в нашем закрытом телеграмм канале ВЭД Логика. В чате можно задать вопрос, посоветоваться с экспертами, поделиться новостью.

Оцинкованная сталь — это сталь, покрытая цинком для предотвращения ржавчины и коррозии, что делает ее очень прочной для различных применений. Слой цинка действует как защитный барьер и жертвует собой, чтобы защитить сталь, даже если она поцарапана. Этот процесс, называемый гальванизацией, широко используется в строительстве, автомобилестроении и других отраслях промышленности. Исследования показывают, что цинкование значительно продлевает срок службы стали, хотя эффективность зависит от используемого метода и условий окружающей среды. Ниже мы рассмотрим типы, применение, преимущества и химические процессы, связанные с гальванизацией.

Что такое оцинкованная сталь?

Оцинкованная сталь создается путем нанесения цинкового покрытия на сталь, обычно с помощью таких методов, как горячее цинкование или электроцинкование. Это покрытие предотвращает появление ржавчины из-за влаги и кислорода, гарантируя, что сталь остается прочной в суровых условиях, таких как дождь или соленый воздух.

Виды цинкования

• Горячее цинкование: Сталь погружают в расплавленный цинк, образуя толстое, прочное покрытие со слоями сплава цинк-железо.
• Электроцинкование: Цинк наносится с помощью электрического тока, создавая более тонкое и гладкое покрытие.
• Шероховатость: Сталь нагревается с цинковой пылью, образуя однородный слой сплава цинк-железо.
• Цинковое напыление: Расплавленный цинк распыляется на сталь, образуя защитный цинковый слой без образования сплава.

Общее использование

Оцинкованная сталь используется в строительстве (например, кровля, ограждения), автомобильных деталях (например, кузовах автомобилей), сельском хозяйстве (например, сельскохозяйственное оборудование), инфраструктуре (например, мосты) и предметах домашнего обихода (например, бытовая техника).

Основные преимущества

• Коррозионная стойкость: Цинк защищает сталь от ржавчины, продлевая срок ее службы.
• Долговечность: Может прослужить 20-50 лет без технического обслуживания, в зависимости от условий окружающей среды.
• Экономичность: Снижение долгосрочных затрат за счет сокращения расходов на техническое обслуживание.
• Пригоден для вторичной переработки: Как цинк, так и сталь полностью пригодны для вторичной переработки, что способствует экологичности.

Подробное руководство по оцинкованной стали: виды, применение, преимущества и химические процессы

Оцинкованная сталь, краеугольный камень современного машиностроения, — это сталь, покрытая цинком для предотвращения коррозии, что повышает ее долговечность в различных областях применения. В процессе цинкования создается защитный слой цинка, который защищает сталь от воздействия факторов окружающей среды, таких как влага и кислород, вызывающих ржавчину. В этом посте в блоге дается всестороннее исследование оцинкованной стали, рассказывается о ее типах, применениях, преимуществах, а также о сложных химических процессах и реакциях, связанных с ней. Независимо от того, являетесь ли вы домовладельцем, инженером или профессионалом отрасли, понимание свойств и технологических процессов оцинкованной стали подчеркнет ее ценность при создании долговечных и надежных изделий.

Понимание оцинкованной стали

Оцинкованная сталь производится путем нанесения на сталь цинкового покрытия, обычно с помощью таких методов, как горячее цинкование, электроцинкование, шероховатость или цинковое напыление. Цинк действует как барьер и расходуемый анод, подвергаясь коррозии раньше стали, если покрытие повреждено. Этот механизм двойной защиты делает оцинкованную сталь идеальной для сред, подверженных коррозии, таких как прибрежные районы или промышленные предприятия. По данным Американской ассоциации гальванизаторов, оцинкованная сталь может прослужить до 50 лет в сельской местности и 20-25 лет в более суровых городских или прибрежных условиях, демонстрируя свою прочность.

Типы процессов цинкования

Гальванизация включает в себя несколько методов, каждый из которых характеризуется различными процессами, химическими реакциями и областями применения. Ниже приведен подробный обзор основных типов:

1. Горячее цинкование

• Обзор процесса:
  • Подготовка поверхности: Сталь очищается путем обезжиривания (для удаления масел), травления (с использованием соляной или серной кислоты для удаления окалины) и флюсования (хлоридом аммония цинка для предотвращения окисления).
  • Погружение: Сталь погружают в ванну с расплавленным цинком при температуре 445-465 °C (833-869 °F) на несколько минут, в зависимости от размера и толщины стали.
  • Охлаждение: Сталь извлекается и охлаждается, часто в пассивирующем растворе для предотвращения раннего окисления, или на открытом воздухе.
• Химические реакции:
  • Во время погружения происходит процесс диффузии, при котором атомы цинка проникают через стальную поверхность, а атомы железа диффундируют в цинк, образуя интерметаллические слои цинк-железо. Эти слои включают в себя:
    • Гамма (Γ) слой: Fe₃zn₁₀ (приблизительно 75% цинка, 25% железа), наиболее близкий к стальному.
    • Дельта (δ) слой: fezn₇ (90% цинка, 10% железа), промежуточный слой.
    • Слой Дзета (ζ): fezn₁₃ (94% цинка, 6% железа), богатый цинком.
    • Слой Eta (η): Чистый цинк, самый внешний слой.
  • Эти слои образуются в результате металлургической реакции, а не простого химического уравнения, поскольку цинк и железо взаимно диффундируют при высоких температурах. Слои gamma, delta и zeta тверже, чем базовая сталь, что повышает стойкость к истиранию, в то время как слой eta обеспечивает пластичность.
• Применение: Используется для наружных конструкций, таких как мосты, ограждения, кровля и инженерные столбы, благодаря своему толстому и прочному покрытию.
• Преимущества: Обеспечивает надежную защиту от коррозии и полное покрытие, включая внутренние поверхности полых конструкций.

2. Электроцинкование

• Обзор процесса:
  • Подготовка поверхности: Аналогично горячему цинкованию, включающему очистку для обеспечения гладкой поверхности.
  • Гальваническое покрытие: Сталь действует как катод в растворе электролита (например, сульфата цинка или цианида). Электрический ток восстанавливает ионы цинка, образуя тонкий слой цинка на стали.
• Химические реакции:
  • На катоде (сталь): Zn2⁺ + 2e⁻ → Zn
  • На аноде (часто цинковом): Zn → Zn2⁺ + 2e⁻
  • В результате этого электрохимического процесса получается чистое цинковое покрытие без интерметаллических слоев, обеспечивающее более гладкую и тонкую отделку.
• Применение: Идеально подходит для автомобильных деталей, бытовой техники и электроники, где требуется полированный внешний вид.
• Преимущества: Образует однородное, эстетически приятное покрытие, пригодное для покраски или дальнейшей обработки.

3. Шерардизация

• Обзор процесса:
  • Стальные детали помещают в герметичный контейнер с цинковой пылью и нагревают до 350-400°C (662-752°F). Цинк испаряется и диффундирует на стальную поверхность, образуя однородное покрытие.
• Химические реакции:
  • Подобно горячему цинкованию, цинк проникает в сталь, образуя интерметаллические соединения, такие как fezn₇ и fezn₁₃.. Точный состав зависит от температуры и продолжительности приготовления.
• Приложения: Используется для небольших, сложных деталей, таких как болты, шурупы и фитинги, где важно равномерное покрытие.
• Преимущества: Обеспечивает равномерное покрытие сложных форм без необходимости погружения.

4. Цинковое напыление (металлизация)

• Обзор процесса:
  • Расплавленный цинк распыляется на стальную поверхность с помощью пульверизатора, затвердевая при контакте с образованием защитного слоя.
• Химические реакции:
  • Никакой химической реакции не происходит; процесс является чисто физическим, при этом цинк прилипает к стальной поверхности.
• Применение: Подходит для крупных сооружений, таких как мосты, трубопроводы, или для ремонта в полевых условиях, где погружение нецелесообразно.
• Преимущества: Гибкое применение для изделий большого размера или неправильной формы, хотя при этом отсутствует металлургическое соединение, присущее другим методам.

Применение оцинкованной стали

Коррозионная стойкость и долговечность оцинкованной стали делают ее незаменимой во многих отраслях промышленности:

• Конструкция: Используется в кровле, сайдинге, ограждениях и конструктивных элементах, таких как балки и колонны. Его способность противостоять атмосферным воздействиям делает его идеальным для жилых и коммерческих зданий.
• Автомобильная промышленность: Используется в кузовах автомобилей, шасси и деталях ходовой части для защиты от коррозии, вызванной дорожной солью и влагой. Национальная компания по производству материалов отмечает, что 80% белого кузова автомобиля (неокрашенная рама) изготавливается из оцинкованной стали.
• Сельское хозяйство: Используется в сельскохозяйственном оборудовании, резервуарах для хранения, силосах и ограждениях для скота, обеспечивая долговечность в суровых наружных условиях.
• Инфраструктура: Критически важна для мостов, опор инженерных коммуникаций, уличных знаков и ограждений на шоссе, где требуется минимальное техническое обслуживание.
• Предметы домашнего обихода: Используются в бытовой технике (например, стиральных машинах), скобяных изделиях (например, гвоздях, шурупах) и предметах повседневного обихода, таких как ведра, обеспечивая долговечность.

Преимущества оцинкованной стали

Оцинкованная сталь обладает многочисленными преимуществами, что делает ее предпочтительным материалом:

• Устойчивость к коррозии: Цинковое покрытие действует как барьер и расходуемый анод, защищая сталь даже от царапин. Ассоциация гальванизаторов объясняет, что электрохимическая активность цинка обеспечивает его коррозию раньше, чем сталь.
• Долговечность: По данным Американской ассоциации гальванизаторов, может прослужить 50 лет в сельской местности и 20-25 лет в городских или прибрежных районах без технического обслуживания.
• Экономическая эффективность: Хотя первоначальные затраты выше, уменьшенная потребность в ремонте или замене снижает затраты на жизненный цикл по сравнению с окрашенной сталью.
• Возможность вторичной переработки: Как цинк, так и сталь на 100% пригодны для вторичной переработки, что соответствует целям устойчивого развития.
• Эстетическая гибкость: Может быть окрашен или оставлен с естественной отделкой в виде блесток для придания современного вида.
• Стойкость к истиранию: Слои из сплава цинк-железо (гамма, дельта, дзета) прочнее стали, что обеспечивает защиту от механических повреждений.

Химические процессы и реакции

Процесс цинкования включает в себя сложные химические и металлургические взаимодействия, особенно при горячем цинковании:

• Горячее цинкование:
  • Подготовка поверхности: Обезжиривание удаляет масла, травление (например, соляной кислотой) устраняет накипь, а флюсование (хлорид аммония цинка) предотвращает окисление.
  • Погружение: При температуре 445-465°C цинк диффундирует в сталь, образуя интерметаллические слои в процессе диффузии. Слои (гамма: fe₃zn₁₀, дельта: fezn₇, дзета: fezn₁₃, эта: чистый цинк) создают прочное, скрепленное покрытие.
  • Охлаждение: Сталь охлаждают, часто в пассивирующем растворе, с образованием патины из карбоната цинка (znco₃), повышающей коррозионную стойкость.
• Электроцинкование:
  • Включает электрохимическое восстановление: Zn2⁺ + 2e⁻ → Zn на стальном катоде с нанесением слоя чистого цинка без интерметаллидов.
• Разрушающий:
  • Цинк диффундирует в сталь при температуре 350-400°C, образуя интерметаллические соединения, аналогичные тем, что образуются при горячем цинковании.
• Цинковое напыление:
  • Физический процесс без химической реакции, при котором цинк затвердевает на стальной поверхности.

Исторический контекст

Впервые гальванизация была предложена французским химиком Полем Жаком Малуэном в 1742 году и запатентована Станисласом Сорелем в 1836 году. Названное в честь Луиджи Гальвани, который изучал электрохимические процессы, цинкование превратилось в стандартный метод защиты от коррозии, причем горячее цинкование является наиболее распространенным с 19 века.

Потенциальные недостатки

• Первоначальная стоимость: Выше, чем у необработанной стали, из-за процесса цинкования.
• Воздействие на окружающую среду: Использование химических веществ и потребление энергии требуют ответственного управления, хотя возможность вторичной переработки смягчает это.
• Проблемы при сварке: Пары цинка во время сварки требуют принятия мер предосторожности.

Заключение

Оцинкованная сталь — жизненно важный материал, обладающий непревзойденной коррозионной стойкостью благодаря различным методам цинкования. Химические процессы, в частности образование интерметаллических слоев цинк-железо при горячем цинковании, обеспечивают прочное и долговечное покрытие. Его применение охватывает строительство, автомобилестроение, сельское хозяйство, инфраструктуру и товары для дома, что обусловлено такими преимуществами, как долговечность, экономическая эффективность и возможность вторичной переработки. Поскольку отрасли уделяют приоритетное внимание экологичности и долговечности, роль оцинкованной стали будет продолжать расти, опираясь на проверенные веками эксплуатационные характеристики.

Ключевые цитаты

• Обзор гальванизации – Википедия
• Процесс горячего цинкования – Википедия
• Структура оцинкованного покрытия – Ассоциация гальванизаторов Великобритании
• Детали для нанесения покрытий методом горячего цинкования — Американские гальванизаторы
• Интерметаллиды железа и цинка в гальваническом покрытии – SpringerLink
• Интерметаллиды в горячем цинковании – ResearchGate
• Интерметаллические фазы в цинковании – ResearchGate
• Характеристики оцинкованного железа и стали – GSA
• Обработка цинка и цинкование – Britannica

Требования к толщине цинкования в соответствии с AS 4680