Что такое цинк ламельное покрытие

Что такое цинк ламельное покрытие

Хилбт Сабрина (Hilbt Sabrina) специалист отдела маркетинга и связей
Dorken MKS-System GmbH & Co. KG
Меркин Д. Н., директор
Компания «Durer-инжиниринг»

Цинк-ламельное покрытие

Цинк-ламельное покрытие относится к типу неэлектролитических и обеспечивает очень хорошую защиту от коррозии. Покрытие состоит из смеси чешуек (ламелей) цинка и алюминия, соединённых неорганическим связующим компонентом.
Российский стандарт ГОСТ Р ИСО 10683-2013 устанавливает требования к цинк-ламельному покрытию для соединительных элементов с резьбой. Европейский стандарт DIN EN 13858 определяет требования к цинк-ламельному покрытию для соединительных элементов без резьбы и других конструктивных элементов.
Цинк-ламельные покрытия подразделяются на две группы:
1. Покрытия, содержащие Cr (VI) шестивалентный хром. Поверхности с таким покрытием обеспечивают повышенную коррозионную стойкость при незначительной толщине слоя, однако Cr (VI) опасен для окружающей среды. Директивы ЕС запрещают применение покрытий, содержащих Cr (VI), в частности, директива EG 2000/53 об утилизации старых автомобилей, вступившая в действие 01.07.2007 г., и директива EG 2002/95 об ограничении использования опасных веществ при производстве электрического и электронного оборудования. В других отраслях такие покрытия ещё допускаются.
2. Покрытия, не содержащие Cr (VI). Такие покрытия намного более экологичны, поэтому автомобильная промышленность развитых стран полностью отказалась от применения содержащих Cr (VI) покрытий. Производители автомобилей и их поставщики разработали собственные спецификации и технические условия на поставку изделий с цинк-ламельным покрытием, для выработки чётких требований к таким системам покрытий.
«Цинк-ламельное покрытие» является общим определением для данной технологии покрытия, тогда как различные производители предлагают данный способ покрытия под собственной торговой маркой. Предприятия зачастую выступают в качестве лиц, выдавших лицензию отдельным заводам по нанесению покрытий.

История
Поверхности, покрытые электролитическим способом, обеспечивают сравнительно низкую коррозионную стойкость. При гальваническом цинковании высокопрочных сталей (на крепеже класс прочности выше 8.8) существует опасность водородного охрупчивания. Таким образом, в промышленности возникла потребность в применении другой системы антикоррозионной защиты. Высокопрочные стальные детали (болты, гайки, шпильки), детали конструкций с пределом прочности более 1000 Н/мм² или с твёрдостью более 320 HV восприимчивы к водородному охрупчиванию. Методы нанесения гальванических покрытий и травление при подготовке поверхности способствуют появлению условий для возникновения хрупкого излома, вызываемого насыщением поверхности водородом.
В 70-х годах прошлого века в США была разработана новая система покрытий: цинк-ламельное покрытие (патент № 1376067). Благодаря малой толщине слоя, обычно 8-12 мкм, данная технология обеспечивала высокую степень антикоррозионной защиты и позволяла избегать водородного охрупчивания.
В 80-х и 90-х годах данная технология начала активно применяться в автомобильной промышленности. Высокие требования по коррозионной стойкости в автомобильной промышленности позволили рассматривать цинк-ламельные покрытия как альтернативу гальваническим покрытиям в критических местах, а отсутствие водородного охрупчивания позволило расширять сферы применения высокопрочного крепежа.

Свойства
Крепёж и другие элементы конструкции с цинк-ламельными покрытиями имеет ряд следующих преимуществ:
— эстетичный внешний вид с возможностью выбора цвета;
— очень высокая коррозионная защита (240-1500 часов в камере соляного тумана, по требованиям);
— стойкость к перепадам температур;
— высокая стойкость к воздействию химикатов;
— экологичность;
— контролируемый коэффициент трения;
— отсутствие опасности водородного охрупчивания на высокопрочных изделиях;
— заданная электропроводность;
— другие свойства для улучшения скручиваемости.
Помимо автомобильной промышленности данная технология покрытия находит применение также в производстве ветроэнергетических установок, в строительной отрасли, производстве электрооборудования, транспортном машиностроении, производстве горно-шахтного оборудования, нефтегазовой отрасли, железнодорожной, агропромышленной и пищевой промышленности и в других отраслях.
Цинк-ламельные покрытия создают так называемую катодную защиту, когда менее благородный цинк «жертвует» собой с целью защиты покрываемого металла. Толщина слоя покрытия составляет обычно 5-15 мкм, в особых случаях слои могут быть и большей толщины. На деталях с метрической резьбой необходимо соблюдать допуски, установленные стандартом ГОСТ Р ИСО 4759-1-2009, с тем чтобы обеспечить скручиваемость резьбовых деталей и соблюдать заданные параметры коэффициента трения. Другие способы нанесения покрытий толщиной более 60 мкм обычно требуют дополнительной обработки резьбы после покрытия.
В отличие от лакокрасочных покрытий, у которых существует опасность разрушения защищаемой поверхности вследствие повреждения сплошности покрытия, в системе цинковых ламелей данное явление предупреждается за счёт «жертвенного» действия цинка. Проводимые испытания стойкости цинк-ламельных покрытий в солевом тумане показывают лучшую антикоррозионную защиту по сравнению с типовым гальваническим цинковым покрытием, которое при испытании в соляном тумане (по стандарту ГОСТ 9.308-85 метод 1) обеспечивает антикоррозионную защиту зачастую лишь на протяжении 96-140 часов.

Технология нанесения покрытия
Состав для цинк-ламельного покрытия поставляется в жидком виде, перед применением исходный материал покрытия должен пройти подготовку для обеспечения свойств покрытия в соответствии с требованиями заказчика, т.к. важную роль играют его вязкость, температура и гомогенность. Материал покрытия можно наносить разными способами, среди них:
• Распыление. Материал покрытия наносится на поверхность подготовленных деталей с помощью пистолета-распылителя. Это можно выполнять вручную или на полностью автоматизированной распылительной установке. Размер деталей ограничивается только возможностями условий подготовки и дальнейшей термообработки.
• Погружение с центрифугированием. Детали загружаются в корзину. Покрытие осуществляется путём погружения корзины в ёмкость с материалом покрытия. После погружения производится центрифугирование для удаления остатков покрывающего состава. Применяется для мелких и массовых деталей.
• Погружение с центрифугированием на оснастке. Детали размещаются на оснастке или фиксируются, погружаются с последующим центрифугированием и перемещением через печь в той же оснастке. Применяется для особо ответственных деталей средних размеров.
• Погружение с вытягиванием. Детали погружаются в жидкую среду покрытия, после этого плавно вынимаются. Применяется для покрытия крупных деталей.
Перед нанесением покрытия детали проходят подготовку. При травлении (серной или соляной кислотой) образуется атомарный водород, который может проникнуть в структуру стали, вследствие чего она становится хрупкой. Во избежание такого охрупчивания требуются иные способы предварительной подготовки. Традиционным способом очистки является обезжиривание поверхности с помощью щелочного водного раствора с последующей дробемётной обработкой очень мелкими стальными шариками. Очищающие средства удаляют с металлической поверхности жир, масло и загрязнения. Дробемётной обработкой удаляются окалина и ржавчина путём воздействия на поверхность деталей стальных микрочастиц в форме шариков, ускоряемых в камере с помощью турбины. При применении обоих способов водород не образуется, вследствие чего отсутствует опасность водородного охрупчивания высокопрочных деталей.
После подготовки поверхности наносится покрытие. Детали на подвесах покрывают распылением, детали в корзине окунают в бак с жидким составом и центрифугируют. На поверхности деталей образуется тончайшая плёнка материала покрытия. Для обеспечения заданных свойств цинк-ламельных покрытий далее требуется процесс сушки-спекания.
Детали с покрытием поступают в печь с контролем температурных режимов и времени их прохождения. Совокупное действие температуры и времени зависит от материала, используемого для покрытия и производителя, поскольку каждый производитель цинк-ламельных покрытий имеет собственную запатентованную формулу этих соотношений. Устанавливаемые температуры сушки-спекания – 200 °С, 240 °С и 320 °С. После спекания покрытие структурируется и образует однородный, тонкий, адгезионно-прочный и сухой слой.

Применение
Цинк-ламельные покрытия применяются во всём мире в автомобильной промышленности и строительной отрасли в качестве антикоррозионных покрытий, обеспечивающих катодную защиту. В комбинации с дополнительными тонкослойными покрытиями из материалов органического и неорганического происхождения можно получать различные цвета, обеспечивать стойкость к воздействию химикатов, снижать электропроводность (при применении органических материалов), сохранять прекрасную скручиваемость резьбовых деталей. При необходимости можно применять дополнительные смазки или стопорящие составы.
К стальным деталям, которые могут быть покрыты цинк-ламельным покрытием, относятся: болты, гайки, шайбы, шпильки, винты, саморезы, анкеры, пружины, детали из листовой стали, элементы конструкций и др.
В ветроэнергетических установках такое покрытие наносится на детали с резьбой. Системы покрытий для ветроэнергетических установок сертифицированы немецким классификационным обществом Germanischer Lloyd.
Цинк-ламельное покрытие особенно подходит для высокопрочных болтов, винтов, шпилек (класс прочности 10.9 и выше), высокопрочных гаек (класс прочности 10 и выше), деталей конструкций с пределом прочности более 1000 Н/мм² или твёрдостью по Викерсу более 320 HV с целью избежания водородного охрупчивания.

Компания ООО «БалтЭнергоКомплект» (Санкт-Петербург) предлагает крепёжные изделия с цинк-ламельным покрытием. Поставки крепежа с цинк-ламельным покрытием (болты М8, М10) осуществляются со склада в Санкт-Петербурге.

Источник

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?

В результате создается первичный барьерный эффект против воздействия влаги и кислорода.

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.

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

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