Na czym polega cynkowanie?

Na czym polega cynkowanie?

Proces cynkowania polega na nałożeniu warstwy cynku na elementy metalowe, najczęściej stalowe lub żeliwne, które łatwo ulegają korozji. Cynkowanie elementów podatnych na rdzewienie i pracujących w wymagających warunkach środowiskowych ma na celu przedłużenie ich żywotności.

Wyróżnia się wiele rodzajów cynkowania, stosowanych w zależności od wielkości elementu metalowego, grubości powłoki którą chcemy uzyskać, stopnia ochrony przed korozją i odporności elementu na temperatury. Najpopularniejsze metody cynkowania to cynkowanie galwaniczne, cynkowanie ogniowe , cynkowanie proszkowe, cynkowanie natryskowe. Zostaną one omówione później, najpierw wyjaśnijmy:

Jak proces cynkowania zabezpiecza powierzchnię?

Uzyskana tak powłoka cynkowa nie jest jednolitą powłoką, jest zbudowana w sposób warstwowy. Pierwszą zewnętrzną warstwą, która występuje na powierzchni elementu metalowego jest powłoka cynku prawie czystego, o minimalnej zawartości żelaza.
Kolejne warstwy zawierają cząsteczki żelaza w coraz większej ilości to tzw. warstwy stopowe: zeta, delta i gamma. Warstwa zeta zawiera około 6 % żelaza, głębsza warstwa delta zawiera ok. 10 % żelaza, a ostatnia warstwa gamma zawiera stop cynku i żelaza o zwartości około 25 % żelaza.

Pierwsza warstwa składająca się głównie z czystego cynku, jest dosyć miękka i plastyczna co pozwala na zamortyzowanie uderzenia i absorbuje większość nacisków. Kolejne warstwy stopowe, wykazują się stosunkowo dużą twardością (większą nawet od chronionej stali), więc zabezpieczają podłoże przed uszkodzeniem.

Sama warstwa ochronna cynku wchodzi w reakcję z wilgocią i powietrzem, a powstająca na niej warstewka tlenków dodatkowo chroni jej powierzchnię. Nawet jeśli powłoka cynkowa zostanie miejscowo przerwana (zadrapania, drobne uszkodzenia mechaniczne) dalej hamuje powstawanie rdzy – zjawisko to ma nazwę ochrony elektrochemicznej (protektorowej).

Chroniony metal czyli zwykle stal jest w niej katodą powstającego ogniwa galwanicznego, natomiast anodą jest cynk, zwany protektorem. Cynk zabezpiecza chroniony przedmiot, rozpuszczając się i wypełniając ubytki przez związki cynku: tlenki i węglany.

Trwałość procesu cynkowania

Wytrzymałość ochronnej warstwy cynku zależna jest od grubości warstwy i od warunków środowiskowych, w których dany element pracuje. Stworzono specjalną skalę warunków środowiskowych, która pozwala określić długość ochronnego działania warstwy cynku.

Warstwę cynku o grubości wynoszącej 70 μm w środowisku, w którym panuje kategoria korozyjności C1, (minimalne zagrożenie korozją, dotyczy głównie zamkniętych, klimatyzowanych pomieszczeń) można utrzymać powyżej 100 lat.

Jednak gdy metalowy element o tej samej grubości warstwy cynku, umieści się w środowisku w którym kategoria korozyjności wynosi C5 (duża wilgotność i duże zasolenie – tereny nadmorskie, tereny przemysłowe o agresywnej atmosferze) wówczas warstwa cynku może wytrzymać tylko od 8 do 17 lat.

Zastosowania procesu cynkowania

Cynkowanie elementów stosowane jest w wielu gałęziach przemysłu, między innymi w przemyśle motoryzacyjnym, budowlanym, elektrycznym czy energetycznym. Wszędzie tam stosowane są stalowe elementy, które należy zabezpieczyć przed korozją.

W przemyśle samochodowym cynkowaniu poddaje się min. elementy nadwozia i karoserie, w przemyśle budowlanym konstrukcje stalowe, rynny, dachy, rury grzewcze i inne elementy. W przemyśle energetycznym szczególnie istotne jest zabezpieczanie instalacji elektrycznych i przed rdzą, która może powodować przerwy w dostawie prądu. Także rurociągi i armatura w instalacjach grzewczych może być zabezpieczana przez cynkowanie.

Korzyści z ochrony dzięki procesowi cynkowania dotyczą nie tylko dużych firm i przemysłu. W każdym domu znajduje się szereg przedmiotów ocynkowanych min.: śrub i wkrętów, drabin ogrodniczych, siatek ogrodzeniowych wokół ogrodów i posesji, barierek balkonów i innych.

Przebieg procesu cynkowania

Wszystkie metody cynkowania przed samym procesem nakładania warstwy cynku, wymagają specjalnego przygotowania powierzchni aby poprawić przyczepność między warstwą nakładanego cynku i powierzchnią metalu.

Cynkowanie – przygotowanie powierzchni elementów do procesu

Najpierw konieczne jest usunięcie starych powłok galwanicznych lub malarskich (jeśli były wykonane na elemencie). Stosowana jest do tego obróbka strumieniowo-ścierna lub obróbka wibrościerna w zależności od gabarytów i kształtów elementów.

Następnie poddaje się materiał wykonania procesu cynkowania myciu i trawieniu. Cały ten proces wykonywany jest w kilku etapach. Każdy etap polega na zanurzeniu elementu w kąpielach o różnym składzie chemicznym. Metal przechodzi przez etap odtłuszczania, trawienia, topnikowania oraz suszenia. Odtłuszczenie chemiczne metali usuwa wszystkie zanieczyszczenia powstałe na etapie produkcji, transportu i magazynowania elementu. Trawienie w kwasach (np.: w kwasie solnym) pozwala na usunięcie z powierzchni cząsteczek niemetalicznych takich jak: rdza, zgorzelina i innych powstałych w procesie produkcji.

W dalszej kolejności stosuje się topnikowanie. Polega ona na zanurzeniu elementów w roztworze wodnym chlorku cynku i innych. Zadaniem topników (chlorku cynku i chlorku amonu) jest oczyszczenie powierzchni stalowych z pozostałych śladowych ilości tlenków i minimalizowanie ryzyka utlenienia stali. Przed samym cynkowaniem konstrukcja jest osuszana, następnie można rozpocząć proces cynkowania.

Rodzaje cynkowania – metody nakładania powłok cynkowych

Jak wspomniano na początku cynkowanie występuje w kilku odmianach, różniących się sposobem nakładania warstwy ochronnej cynku.

Cynkowanie ogniowe

Cynkowanie ogniowe polega na zanurzeniu elementu metalowego w ciekłym cynku rozgrzanym do temperatury 450–500 ᵒC. Cynk oraz żelazo wchodzą ze sobą w reakcję, co prowadzi do powstania powłoki z ich stopów na powierzchni stali. Element metalowy po kąpieli w stopionym cynku jest trwale zabezpieczony przed korozją. Skład stopowy stali ma wpływ na grubość uzyskiwanej powłoki cynkowej oraz jakość jej wykonania (połysk, gładkość).

Proces cynkowania ogniowego pozwala nałożyć grubą i wytrzymałą warstwę cynku, która może przetrwać w zależności od warunków środowiska, od 7 do 100 lat. Jej grubość w tej metodzie wynosi średnio od 45 do 150 µm. Warstwa cynku ściśle przylega do powierzchni elementu i nie pozostawia żadnych przerw. Cynkowanie ogniowe wykazuje dużą odporność na uszkodzenia mechaniczne i korozję.

Proces cynkowania ogniowego ma też wady. W przypadku cynkowania ogniowego po kąpieli powstaje nierówna warstwa cynku, na której możliwe są zacieki i zgrubienia. Po wyschnięciu zastygają one na powierzchni elementu i mogą być widoczne pod warstwą farby. Aby tego uniknąć konieczne jest wykonanie dodatkowej obróbki polegającej na usunięciu zacieków oraz przewierceniu zalanych otworów.

Cynkowania ogniowego nie można stosować w przypadku konstrukcji wrażliwych na wysoką temperaturę, ze względu na ryzyko odkształcenia się elementów. Dodatkową wadą jest konieczność wykonania otworów technologicznych przelewowych i odpowietrzających w cynkowanych zanurzeniowo elementach.  Niestety metoda ogniowa jest też droższa niż cynkowanie galwaniczne.

Cynkowanie galwaniczne

Na czym polega cynkowanie galwaniczne? To technologia oparta na elektrolizie i osadzaniu jonów cynku. Proces cynkowania galwanicznego do nakładania cynku stosuje specjalne roztwory elektrolitowe, w których zanurza się element metalowy. Następnie przez roztwór z zanurzonym elementem przepuszczany jest prąd elektryczny. W wyniku zachodzących reakcji cząsteczki cynku osiadają na przedmiocie trwale łącząc się z powierzchnią metalu.

Po nałożeniu cynku przedmiot jest pasywowany i płukany. Pasywacja polega na wytworzeniu na powierzchni powłoki z cynku dodatkowej warstwy ochronnej, która składa się z tlenków oraz wodorotlenku cynku. Po cynkowaniu można jeszcze zabarwić powłokę, najczęściej na czarno, choć możliwa jest również pasywacja żółta czy oliwkowa.

Powstająca galwaniczna powłoka z cynku jest równa, gładka i pozbawiona zgrubień, w porównaniu do cynkowania ogniowego, ale cienka i mało odporna na uszkodzenia. Dodatkowym minusem cynkowania galwanicznego jest efekt klatki Faradaya, który sprawia że w miejscach trudno dostępnych (wewnętrzne zakamarki wyrobu, spawy) element może nie zostać ocynkowany właściwie. Dlatego ważne jest dodatkowe zabezpieczenie warstwy cynku przez nałożenie powłok lakierniczych. Stosuje się je do ochrony elementów pracujących w trudnych warunkach.

Cynkowaniu galwanicznemu często poddaje się elementy ozdobne. Jednolita warstwa ocynku poprawia estetykę elementów, a dodatkowo pokryta farbą pozwala uzyskać różnorodne efekty kolorystyczne. To szczególnie istotne, jeśli chodzi o elementy które stanowią wystrój domu, biura itp. jak meble, balustrady, barierki i inne elementy ozdobne ze stali jak meble ogrodowe, miejskie.

Cynkowanie galwaniczne jest także stosowane w przemyśle, świetnie sprawdza się w przypadku drobnych i precyzyjnych elementów jak śruby, gwoździe, łączniki ciesielskie itp.

Cynkowanie natryskowe

Natryskowe cynkowanie polega na rozpylaniu stopionego cynku, za pomocą sprężonego powietrza, na pokrywaną powierzchnię. Drut cynkowy jest roztapiany za pomocą łuku elektrycznego, a następnie specjalnym pistoletem, za pomocą sprężonego powietrza, rozpylany na elemencie. Proces cynkowania natryskowego jest jedną z odmian metalizacji natryskowej

Zazwyczaj wykorzystuje się go do przedmiotów o dużych gabarytach lub mało odpornych na wpływ wysokiej temperatury, co wyklucza cynkowanie ogniowe. Natrysk nie wprowadza takich naprężeń cieplnych jak cynkowanie ogniowe. Natryskowo zabezpiecza się także zmontowane wielkogabarytowe konstrukcje stalowe, których nie można zanurzyć w wannie w której wykonuje się cynkowanie galwaniczne.

Metoda natryskowa ma swoje wady jak trudność z pokrywaniem mniej dostępnych przestrzeni, takich jak zgięcia. Tam w warstwie cynku mogą powstać ubytki, które mogą przyspieszyć powstawanie rdzy. Dlatego często ocynk natryskowy zabezpiecza się powłoką malarską. Dzięki porowatości natryskiwanej powłoki cynku, farba głęboko wnika w jej pory i impregnuje ją.

Na kompleksową usługę metalizacji natryskowej cynkiem, składają się zwykle: obróbka strumieniowo-ścierna elementów, natryskiwanie cieplne powłoki cynkowej, dodatkowe uszczelnienie zabezpieczającymi powłokami malarskimi.

Natryskiwane cieplnie powłoki z cynku, zabezpieczone odpowiednim malowaniem dają najtrwalszą ochronę wielkogabarytowych konstrukcji stalowych przed korozją atmosferyczną i wodną. W zależności od grubości nałożonej warstwy, ich trwałość wynosi od 20 do 50 lat.

Cynkowanie proszkowe

Powłoka cynkowa w tej metodzie powstaje w wyniku umieszczenia metalowego elementu w sproszkowanym cynku o zawartości 6% tlenku cynku i wygrzewaniu go w tym proszku przez kilka godzin, w temperaturze ok. 350-400 stopni Celsjusza.

Powstała w efekcie tego powłoka cynkowa wyróżnia się dużą twardością i przyczepnością, a także niską porowatością.  Pokryty nią element jest bardziej odporny na uszkodzenia i ścieranie.

Metoda znajduje zastosowanie w przemyśle samochodowym (zabezpiecza felgi), lotniczym, budowlanym – zwykle w produkcji jednostkowej i małoseryjnej. Niestety jest mało wydajna i wymaga dużego nakładu pracy. Dlatego w produkcji masowej chętniej stosuje się cynkowanie galwaniczne i ogniowe.

Cynkowanie usługi – cynkowanie ogniowe i cynkowanie galwaniczne

Cynkowanie to najbardziej trwały, bezpieczny i ekonomiczny sposób zabezpieczenia stali przed korozją. To przyjazna dla środowiska metoda tworzenia powłok antykorozyjnych o wysokich walorach technicznych i estetycznych. Systemowy Park Technologiczny MetalTop.pl pomoże w znalezieniu firmy wykonującej cynkowanie najlepiej dopasowane do Państwa potrzeb.