Фосфатирование или цинкование что лучше
Покрытия: цинкование, фосфатирование,
хроматирование, анодирование, меднение, кадмирование
Гальваническое покрытие – это химический метод нанесения металлической пленки для защиты изделий и придания им дополнительных характеристик: устойчивости к коррозии, износостойкости, твердости и т. д.
Гальванические покрытия разделяются на несколько видов в зависимости от целей применения изделия:
-Защитно-декоративные. Целью нанесения является получение высоких эстетических характеристик и защита продукции от разрушающих факторов.
-Защитные. Изолируют металлические детали от действия агрессивных сред, механических повреждений.
-Специального назначения. Гальваническое покрытие наносится для получения новых свойств – повышенной износостойкости, увеличения характеристик твердости, получения магнитных, электроизоляционных свойств готового изделия. В некоторых случаях гальванизацию используют для восстановления первоначального вида изделия или после длительной эксплуатации.
Существуют различные покрытия изделий из металла, которые применяются с целью изоляции изделий от агрессивной среды. Опишем наиболее распространенные из них.
Основные методы цинкования:
— Окраска (холодное цинкование);
— Г орячее цинкование;
— Гальваническое (нанесение гальванических покрытий);
— Напыление цинка (газо-термическое цинкование напылением);
— Т ермодиффузионное цинкование.
Хроматирование представляет собой химическое пассивирование электролитически оцинкованных деталей, суть которого состоит в кратковременном погружении деталей в раствор сильных окислителей. В результате хроматирования на поверхности оцинкованной детали образуется прочная плотная плёнка оксидов цинка, что значительно улучшает устойчивость её к коррозии.
Анодирование — это процесс создания на поверхности металлов и сплавов оксидной плёнки при помощи их анодной поляризации в проводящей среде.
Меднение представляет собой процесс нанесения гальваническим методом медного покрытия на стальные изделия. Как правило, используется для защиты участков металлических изделий от цементации. Этому процессу подвергаются те участки металлического изделия, которые подлежат последующей обработке резанием.
Виды покрытий: оцинковка и фосфатирование
ЦИНКОВАНИЕ
Цинкование применяется для защиты черных металлов от коррозии. Осадок цинка с течением времени заметно темнеет, т.к. он покрывается с поверхности налетом основных углекислых солей. Этим объясняется невозможность использования цинка как декоративного покрытия. Цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому цинковое покрытие, обеспечивает электрохимическую защиту черных металлов от коррозии. В настоящее время наиболее распространенными способами нанесения цинка являются:
Экономия металла при гальваническом способе по сравнению с горячим способом доходит до 50%, высокая степень чистоты осажденного цинка обеспечивает повышенную химическую стойкость. В зависимости от условий эксплуатации толщина покрытия может быть от 5 до 35 мкм. Наиболее широкое применение при цинковании получили кислые, сернокислые и щелочные цианистые ванны. Сернокислые электролиты применяются для покрытия изделий простой формы: листов, ленточной проволоки и пр.
В ряде случаев наблюдается не только электрохимическая коррозия цинка, но также и химическая коррозия в результате взаимодействия последнего с парами различных летучих органических веществ. Образующиеся на цинковом покрытии продукты коррозии легко осыпаются и могут вызвать нарушение работы приборов и механизмов. Для повышения антикоррозийной устойчивости цинковых покрытий применяют процесс пассивирования в растворах хромовой кислоты или ее солей. Образующаяся хроматная пленка представляет собой ряд соединений хрома и цинка. Защитные свойства хроматной пленки практически не изменяются даже при наличии на ней механических повреждений (царапин, рисок и пр.) После хроматного пассивирования покрытие приобретает зеленовато-желтую окраску с радужным оттенком. В некоторых случаях, например, при следующем нанесении лакокрасочных покрытий, применяют фосфатирование, которое хорошо обеспечивает сцепление лакокрасочного покрытия с цинковым подслоем.
ФОСФАТИРОВАНИЕ
К неметаллическим неорганическим покрытиям, состоящим из неорганических соединений металлов, относятся фосфатные, оксидные, хроматные и другие покрытия. Фосфатные пленки, создаваемые на поверхности металлических изделий, обладают целым рядом ценных свойств, в числе которых:
Химическому фосфатированию могут подвергаться углеродистые, низколегированные и среднелегированные стали, чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, цинковые, кадмиевые покрытия и др. Сущность химического фосфатирования состоит в обработке металлов и сплавов в подкисленных растворах однозамещенных фосфатов или монофосфатов железа, марганца, цинка и др. Процесс химического фосфатирования обусловлен гидролизом однозамещенных фосфатов металлов, в результате чего устанавливается равновесие между одно-, двух-, трехзамещенными фосфатами металлов и фосфорной кислотой. Образующаяся при этом свободная фосфорная кислота в процессе фосфатирования взаимодействует с основным металлом, в результате чего образуются труднорастворимые двух-, трехзамещенные фосфаты, являющиеся основной составляющей частью фосфатных пленок. На состав фосфатных пленок большое влияние оказывает вид катионов фосфатирующего раствора. Образующийся фосфат железа не окисляется кислородом воздуха, поэтому фосфатные пленки обладают высокими защитными свойствами. В зависимости от подготовки поверхности металла, пленки могут иметь разные размеры кристаллических структур. Наиболее высокими защитными свойствами обладают мелкокристаллические пленки. Крупнокристаллические пленки имеют низкие защитные свойства. Фосфатные пленки повышают адгезию лакокрасочных, клеевых и других подобных покрытий, это свойство является основной причиной для фосфатирования крепежных деталей. Высокая прочность сцепления лакокрасочного покрытия с фосфатной пленкой и повышение ее защитных свойств связаны с о структурой фосфатных покрытий. Связь между фосфатной пленкой и металлом является молекулярной. Структура фосфатной пленки определяет ее пористость, маслоемкость и антифрикционные свойства.
Дополнительная обработка повышает защитные свойства фосфатных пленок. Такая обработка производится в растворах соединений хрома, промасливанием, гидрофобизированием и окраской.
Наличие на поверхности основного металла фосфатных пленок, наполненных маслом или парафином, резко снижает коэффициент трения. При испытании нефосфатированной, подвергнутой шлифованию стали, при напряжении 0,047Мпа схватывание наступает сразу, в то время как фосфатированная сталь в паре с такой же сталью без смазывания удовлетворительно работает в течение 95 мин. При смазывании фосфатированной стали парафином схватывание происходит не раньше, чем через 50ч. Фосфатные пленки обладают диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать фосфатирование для получения электроизоляционного покрытия на деталях трансформаторов, генераторов и т.п. Пропитка фосфатных пленок масляными и бакелитовыми лаками значительно повышает пробивное напряжение. Фосфатные пленки не смачиваются расплавленными металлами.
Для фосфатирования стальных деталей низкой и средней прочности (1400 Мпа) широко используется раствор соли Мажеф. Исходными компонентами для составления раствора является монофосфат марганца и железа, который называется препаратом Мажеф. Толщина фосфатной пленки, образующейся в растворе соли Мажеф, может достигать 7-50 мкм. Фосфатные пленки имеют большую прочность сцепления со сталью, микропористую структуру, высокие электроизоляционные свойства (пробивное напряжение достигает 1000В). Жаростойкость и электроизоляционные свойства фосфатных пленок сохраняются примерно до 500°С. После нагревания до 350°С фосфатная пленка теряет часть кристаллизованной воды, в результате чего ее структура изменяется и защитные свойства снижаются в 2-3 раза. При фосфатировании высокопрочных сталей в указанном выше растворе обнаруживается коррозионное растрескивание в области упругих растягивающих напряжений. Для избежания подобных явлений применяют цинк-фосфатные ванны. Для массового фосфатирования крепежных и мелких деталей используют ванны с вращающимися барабанами, применяемые в гальванических процессах. Загрузка барабана составляет 40-50 кг деталей.
Общие принципы выбора и нанесения покрытий
Согласно ГОСТ 9.303-84 при выборе покрытий следует учитывать:
• Назначение детали;
• Назначение покрытия;
• Условия эксплуатации деталей с покрытием (по ГОСТ 15150-69);
• Материал детали;
• Свойства покрытия и его влияние на механические и другие характеристики материала детали;
• Способ получения покрытия и его влияние на механические и другие характеристики материала детали;
• Экологичность металла покрытия и технологического процесса населения;
• Допустимость контакта металлов и металлических и неметаллических покрытий по ГОСТ 9.005-72.
Назначение основных видов покрытий дано в таблице ниже:
Алюминий и его сплавы
Защита от коррозии в не солевой среде, улучшение внешнего вида.
Обычно не применяется.
Применяется редко для улучшения свинчивания резьбовых соединений.
Защита от коррозии в солевой (морской) среде, улучшение внешнего вида.
Обычно не применяется.
Обычно не применяется.
Никель и никель-фосфор
Декоративное, износостойкое покрытие, защита от щелочей, защита от коррозии при условии беспористости, улучшение паяемости.
Защита от коррозии, декоративное, износостойкое покрытие.
Защита от коррозии, декоративное, износостойкое покрытие, улучшение паяемости.
Декоративное, высокоизносостойкое, жаропрочное покрытие, защита от коррозии при условии беспористости.
Декоративное, высокоизносостойкое, жаропрочное покрытие, защита от коррозии.
Декоративное, высокоизносостойкое, жаропрочное покрытие, защита от коррозии.
Декоративное покрытие, улучшение паяемости, декоративное, защита от цементации, обеспечение искробезопасности, улучшение электропроводности, технологический подслой.
Реставрация медных деталей, технологический подслой.
Улучшение электропроводности, декоративное покрытие, технологический подслой.
Защита от коррозии при условии беспористости, улучшение паяемости, антифрикционное, улучшение электропроводности.
Защита от коррозии, улучшение паяемости, антифрикционное, обеспечение стабильности переходного сопротивления.
Защита от коррозии, улучшение паяемости, антифрикционное, улучшение стабильности переходного сопротивления.
Аналогично олово-висмуту, лучшие антифрикционные свойства.
Аналогично олово-висмуту, лучшие антифрикционные свойства.
Аналогично олово-висмуту, лучшие антифрикционные свойства.
Декоративное покрытие, технологический подслой, улучшение адгезии к резине.
Декоративное покрытие, технологический подслой, улучшение адгезии к резине.
Декоративное покрытие, технологический подслой, улучшение адгезии к резине.
Улучшение электропроводности, защита от коррозии при условии беспористости, обеспечение высокой отражательной способности
Улучшение электропроводности, защита от коррозии при условии беспористости, обеспечение высокой отражательной способности
Улучшение электропроводности, защита от коррозии при условии беспористости, обеспечение высокой отражательной способности
Не применяется, за редким исключением
Не применяется, за редким исключением
Защита от коррозии, грунт под покраску, декоративное, износостойкое, электроизоляционное покрытие.
Защита от коррозии, грунт под покраску, декоративное покрытие.
Защита от коррозии, грунт под покраску, декоративное покрытие.
Из таблицы видно, что одно и то же покрытие может применяться для различных целей в зависимости от материала подложки. Отметим, что из основных покрытий только цинк и кадмий являются анодными по отношению к стали и являются в полном смысле защитными, т.к. защищают сталь даже при условии пористости и царапин на покрытии, доходящих до основы. Остальные покрытия будут ускорять коррозию стальной основы в порах. Для меди все покрытия, кроме благородных металлов являются анодными. Для алюминия, наоборот, практически все покрытия катодные.
Принципиальная схема нанесения покрытий. Технологический процесс.
Между операциями производится промывка в проточной или непроточной воде.
Данный исчерпывающий список операций как правило является более коротким для каждого конкретного вида покрытий.
Чаще всего схема выглядит проще:
• Обезжиривание химическое;
• Обезжиривание электрохимическое;
• Травление химическое;
• Активация;
• Покрытие;
• Постобработка.
Защитные свойства покрытий
Защитные свойства покрытий
Защитные свойства покрытий зависят от возможности взаимодействия материалов покрытий и детали (в рассматриваемом случае шурупа). Различаются две разновидности способов защиты – механические и электрохимические. Механическая защита достигается за счет изолирования материала от внешней среды и эффективна только при отсутствии пор, задиров и др. повреждений покрытия. Электрохимическая защита обеспечивается в том случае, если материал покрытия является анодным по отношению к защищаемому материалу и не зависит от пористости. Основным видом коррозии металлов является электрохимическая, возникающая в зоне контакта двух металлов, имеющих разный электрохимический потенциал. Возникающая при наличии влаги гальваническая пара приводит к постепенному растворению металла имеющего меньший потенциал.
Значения электрохимических потенциалов ряда металлов в нормальных условиях приведены в табл.1. Покрытия, выполненные из материала, значение отрицательного потенциала которого в данных условиях больше чем у защищаемого металла, называются анодными. Согласно табл.1 анодными покрытиями для железа и его сплавов (сталь, чугун) являются покрытия из магния, алюминия, цинка, хрома. Такие покрытия при наличии пор и задиров разрушаются сами, а защищаемый металл нет. Катодными называются покрытия, у которых значение положительного потенциала больше, чем у защищаемого металла. Для стали такими покрытиями будут: медное, никелевое, оловянное, свинцовое, серебряное, золотое.
Понятно, что анодные покрытия обеспечивают как механическую, так и электрохимическую защиту, а катодные только механическую. Неметаллические, лакокрасочные, пластмассовые покрытия обеспечивают только механическую защиту. Следует помнить, что электрохимический потенциал зависит не только от материала, но и от окружающей среды. Так, в условиях атмосферы и в водных растворах неорганических соединений олово по отношению к железу (стали) является катодным покрытием (луженое железо). Однако в присутствии органических веществ олово часто играет роль анодного покрытия по отношению к железу и его сплавам, поэтому луженая жесть консервов ржавеет снаружи, но не внутри. Цинк – самое распространенное антикоррозионное покрытие хорошо анодно защищает сталь в атмосферных условиях и в пресной воде при нормальных и низких температурах, но при высоких температурах, в агрессивных средах его потенциал меняется в сторону увеличения и может превысить потенциал железа. Кадмий образует катодное покрытие по отношению к железу в атмосфере или в пресной воде, но в морской воде кадмиевое покрытие является анодным.
Таблица 1. Нормальные электрохимические потенциалы металлов
Металл
Электрохимический
потенциал
Металл
Электрохимический
потенциал
Следует помнить, что не всякое анодное покрытие и не во всех случаях оказывается удовлетворительным, т.к. оно само также не должно слишком быстро разрушаться. Так, например, цинковое покрытие, широко применяемое для защиты от коррозии в средних географических широтах, оказывается нестойким в тропическом климате. Причиной этого служит интенсивное растворение и смывание водой и влагой воздуха слоя солей цинка, образующегося на поверхности при коррозии. В результате этого происходит обнажение глубинных слоев металла, и скорость коррозии не замедляется. Рассмотрим особенности и способы применения наиболее распространенных видов покрытий крепежных изделий. Для крепежных изделий (в частности шурупов) применяются металлические (цинковые, кадмиевые, медные и т.д.), неметалические неорганические (окисные, фосфатные), лакокрасочные покрытия.
Цинкование (оцинковка)
Из металлических покрытий в мировой практике наиболее широко применяются цинковые. Их широкое применение для защиты стальных и чугунных изделий обусловлено в основном двумя причинами. Первая – высокая природная стойкость самого цинка вследствие образования на цинке в коррозионной среде защитных пленок из продуктов коррозии, вторая – высокая анодность защиты при температуре до 70°С. При более высоких температурах цинк защищает сталь только механически.
Защитные свойства цинковых покрытий определяется как их толщиной, так методом их нанесения. Цинковые покрытия, полученные различными методами, отличаются по равномерности, строению, плотности, составу и т.п. Для создания цинковой пленки используется:
Горячий способ позволяет получить покрытие большой толщины (50…150 мкм), но эта толщина колеблется в значительных пределах и точная регулировка его невозможна. Отсюда высокие потери металла, порой недостаточное качество покрытия. На параметры основного металла (самой крепежной детали) горячая оцинковка практически не влияет, но размеры детали могут заметно измениться. Экономия металла при электролитическом методе покрытия составляет до 50%, при этом повышается твердость покрытия (500…600 Н/мм2) и его однородность, обеспечивается высокая степень чистоты осажденного цинка и повышенная химическая стойкость, но толщина покрытия невелика (5…35 мкм). Кроме того, при электролитическом цинковании происходит наводороживание и как следствие охрупчивание основного защищаемого металла. Оба метода являются экологически вредными, и перед производителями постоянно стоит проблема утилизации отходов. Всех недостатков лишен метод шерардизации, применяемый, к сожалению, производителями крепежа пока достаточно редко.
Для повышения коррозионной и механической стойкости цинковые покрытия часто подвергают хроматированию (пассивированию) или фосфатированию. Для желтого (хроматного) пассивирования оцинкованные изделия погружают в растворы хромовой кислоты или ее солей. Образующаяся хроматная пленка представляет собой соединения хрома и цинка, защитные свойства которой практически не изменяются даже при наличии на ней механических повреждений (царапин, рисок и т.п.). После хроматного пассивирования покрытия приобретает желтую или зеленовато-желтую окраску с радужным оттенком. Фосфатирование цинковых покрытий применяется на крепежных изделиях редко в основном при необходимости их последующего окрашивания.
Крепежные изделия с цинковым покрытием полученным горячим или электролитическим способом без хроматирования или фосфатирования пригодны для использования в легких (Л) или средних (С) условиях эксплуатации, с дополнительной обработкой или окрашенные – в любых. Шерардированные крепежные изделия работают в любых условиях.
Кадмирование
Кадмирование крепежных изделий производится редко. Кадмий и его соединения очень токсичны, и во многих странах кадмирование запрещено. Цвет, механическая прочность и ряд других показателей кадмиевых покрытий близки к цинковым. Покрытия кадмием также могут подвергаться хроматированию и фосфатированию. Защитные свойства кадмиевых покрытий в обычных условия ниже цинковых, но в морских условиях и при сильной конденсации водяного пара такие покрытия применяются и поныне.
Никелирование
Никелевое покрытие является катодным по отношению к стали и защищает ее только механически. Для никелирования крепежных деталей применяют колокольные ванны или ванны с вращающимися барабанами с электролитом, основным компонентом которого является сернокислый никель. Никелевые покрытия имеют привлекательный декоративный вид (хотя со временем тускнеют), но снижают механические свойства стали и имеют малую коррозионную стойкость. В этой связи никелированные крепежные изделия – редкость, хотя и используется, например, в мебельной промышленности.
Хромирование
Так крайне редко применяется для крепежных изделий хромирование, которое, имея высоко эстетичный вид, почти вдвое снижает предел выносливости покрытой им стали без специальных операций предварительной подготовки металла. Хроматирование применяется либо как декоративное, либо как износостойкое, в связи с низким коэффициентом трения хрома.
Латунирование
Для декоративных целей также может применяться на крепежных изделиях латунирование, в частности для деталей мебельного крепежа (шурупы, винтовые стяжки и др.), антикоррозионные свойства которого крайне низки.
Фосфатирование
Среди неметаллических покрытий для крепежных изделий (в том числе стальных шурупов) широко применяются оксидирование и фосфатирование. Фосфатирование используется для стальных изделий, не требующих декоративного вида, и заключается в обработке последних специальным химическим составом (соль Мажеф), в результате которой на поверхности стали образуется фосфатная пленка (фосфат железа) с высокими защитными свойствами. В зависимости от качества подготовки поверхности детали пленка может иметь разную кристаллическую структуру. Наиболее высокими защитными свойствами обладают мелкокристаллические пленки. Фосфатная пленка очень
хорошо связана с основным защищаемым металлом (на молекулярном уровне). Обладает отличной адгезией лакокрасочных и др. покрытий (хорошо окрашивается), имеет высокую маслоемкость. Дополнительная обработка повышает защитные свойства фосфатных пленок. Такая обработка производится в растворах хрома, промасливанием, гидрофобизированием или окраской. Промасливание обычно производится веретенным или авиационным маслом при температуре 100…110 °С, при этом существенно повышаются антикоррозионные и антифрикционные свойства детали. Гидрофобизирование заключается в создании дополнительно на поверхности деталей тонкой водоотталкивающей (гидрофобной) пленки. В зависимости от технологии подготовки поверхностей деталей, подвергаемых фосфатированию, и технологии самого процесса толщина покрытия может быть 2…15 мкм, а цвет детали – от светло-серого до черного.
Оксидирование
Оксидирование заключается в формировании на поверхности изделия или детали пленки окислов. Оксидное покрытия по многим свойствам (антикоррозионным, адгезионным, мослоемким) близко к фосфатному. Цвет стального изделия после оксидирования в зависимости от режима процесса меняется от темно-серого до блестяще-черного. Считается, что по собственной антикоррозионной стойкости фосфатные покрытия превышают оксидные. Фосфатированные или оксидированные изделия могут применяться только в легких (Л) условиях эксплуатации, если эти покрытия подвергнуты промасливанию или гидрофобизированию – в средних (С) и жестких (Ж). Для использования их в любых условия эксплуатации необходимо окрашивание.
Окрашивание
Практически все крепежные изделия могут окрашиваться всеми распространенными красками, хотя качество адгезии может оказаться различным в зависимости от типа покрытия крепежа, вида краски,степени загрязненности окрашиваемого изделия и т.д. Среди шурупов, которые изготавливаются и предлагаются потребителю в окрашенном виде следует выделить кровельные саморезы, окраска которых должна сочетаться с цветом кровли и отвечать условиям высокой атмосферостойкости.
Различаются кровельные саморезы не только по размерам и конструкции (см. ниже), но и по цвету лакокрасочного покрытия. Для удобства производителей и потребителей цвета саморезов кодируются по одной из существующих систем обозначения цвета. В мире существует несколько систем обозначения цветовых оттенков. Одной из распространенных в России систем является система цветов финской фирмы Rannila, специализирующейся на производстве металлочерепицы и других кровельных материалов. В связи со специализацией фирмы номенклатура цветов сравнительно невелика, перечень цветов и их обозначения приведены в табл.2.
Более мощной и универсальной системой обозначений цветовых оттенков является система (стандарт) RAL. Ее разработал Немецкий Институт Гарантий Качества и Сертификации RAL. В 1927 году по причине постоянных просьб немецких производителей красок институт установил стандарт на цветовое пространство, разделив его на диапазоны и обозначив каждый цвет четырехзначным цифровым индексом, понятным разным областям промышленности. С тех пор по мере появления новых красителей стандарт неоднократно расширялся. Нет возможности привести здесь весь стандарт, т.к. только базовых цветов в нем более 200, на сегодняшний день включает в себя тысячи цветов и оттенков. Некоторые наиболее распространенные обозначения цветов приведены в табл.3. В мире существуют и другие системы (стандарты) разработанные фирмами производящими краски, например, Pantone (производитель красок для полиграфии и полиграфического оборудования) и др. Эти системы не получили применения в крепежной кровельной технике, и системы RAL и RR являются основными. Надо сказать, что RAL-система является предпочтительнее, т.к. используется не только при оценке цвета кровельных саморезов, но и других крепежных изделий, например, цветных заклепок, декоративных колпачков на крепежные детали и др.
