TECHNOLOGIE, STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI WARSTW OSADZONYCH TECHNIKAMI GALWANICZNYMI- CYNKOWANIE

Warstwy wytworzone chemicznie i elektrochemicznie, nazywane też powłokami, są jedynym ze sposobów modyfikacji właściwości, użytkowych wyrobów gotowych. Tego typu warstwy są wytwarzane na powierzchni gotowych wyrobów w celu poprawienia ich właściwości mechanicznych, zwiększenia odporności na korozję lub też są stosowane jako wykończenie dekoracyjne. Metodami chemicznymi i elektrochemicznymi wytwarzane są powłoki metalowe oraz powłoki niemetalowe. Technika wytwarzania powłok metalowych i niemetalowych w procesach elektrochemicznych jest nazywana GALWANOTECHNIKĄ, zaś otrzymane warstwy noszą nazwę powłok galwanicznych.

Powłoki z metalu lub stopu otrzymuje się w wyniku osadzania na powierzchni wyrobu atomów metalu , powstających w procesie redukcji jonów tego metalu z roztworu elektrolitu. W procesach elektrochemicznych jony metalu redukowane są na katodzie przy udziale prądu elektrycznego, natomiast w procesach chemicznych- bez prądowo- w wyniku reakcji chemicznej.

Warstwy niemetalowe wytwarzane metodami chemicznymi i elektrochemicznymi noszą nazwę powłok konwersyjnych. Powłoki konwersyjne wytwarzane są na powierzchni metalu lub stopu i składają się ze związków metalu podłoża. Do powłok tych zalicza się:

• Powłoki fosforowane

• Powłoki chromowane

• Tlenkowe

• Szczawianowe

Powłoki tego typu powstają w wyniku reakcji atomów warstwy powierzchniowej metalu z anionami odpowiedni dobranego środowiska.

Warstwy powierzchniowe wytwarzane na gotowych wyrobach w procesach technologicznych metodami chemicznymi i elektrochemicznymi mają budowę krystaliczną, natomiast warstwy bardzo cienkie mogą być bezpostaciowe.

Do najważniejszych korzyści wynikających ze stosowania metody elektrolitycznego osadzania metali w porównaniu z innymi metodami należą:

• Duża równomierność otrzymanych powłok

• Możliwość otrzymania powłok o żądanej grubości( w stosunkowo szerokim zakresie)

• Niska temp. Pracy kąpieli

• Stosunkowo mała porowatość otrzymanych powłok

• Duża czystość nakładanych powłok

• Możliwość ścisłej kontroli przebiegu procesu osadzania

• Małe straty osadzanego metalu

• Możliwość osadzania wielu metali i stopów jako powłok jedno- i wielowarstwowych

• Możliwość otrzymywania powłok o różnych twardościach i o różniej odporności korozyjnej

• Dobra przyczepność powłok

• Duża szybkość nakładania powłok

• Możliwość automatyzacji procesu

1. Wady powłok galwanicznych i ich usuwanie

1. Cynkowanie ogniowe

Cynkowanie ogniowe to metoda zanurzeniowa. Oznacza to, że zarówno przygotowanie powierzchni, jak też powlekanie cynkiem odbywa się poprzez zanurzenie elementów konstrukcji w wannach, które zawierają kąpiele o odpowiednim składzie chemicznym. Taka technologia zapewnia możliwość dotarcia do każdej szczeliny, oczyszczenia jej i zabezpieczenia przed korozją. Końcowym etapem procesu cynkowania jest nałożenie powłoki cynkowej na czyste elementy stalowe, które zanurza się w roztopionym cynku. Temperatura robocza kąpieli cynkowej wynosi ok. 450°C. Następuje wtedy szybka reakcja między żelazem i cynkiem, która prowadzi do powstania na powierzchni stali powłoki cynkowej. Jej budowa i właściwości zależą od składu chemicznego podłoża stalowego, a także od jego grubości i konstrukcji. Otrzymuje się powłoki antykorozyjne wytrzymałe na uszkodzenia mechaniczne, ścieranie, erozję, udary, wolne od porowatości, wykazujące doskonałą przyczepność do podłoża. W procesie cynkowania ogniowego otrzymuje się powłoki o grubości średnio od 70 do 150 mikrometrów. Minimalne grubości powłok są zalecane zależnie od grubości materiału, z którego wykonane są cynkowane elementy. Technologia cynkowania ogniowego wykorzystuje zjawisko dyfuzji, które polega na "wnikaniu" atomów cynku w zewnętrzną warstwę stali podczas "kąpieli" w roztopionym cynku. Powłoka cynkowa otrzymywana w procesie cynkowania ogniowego ma strukturę warstwową. Składa się z faz stopowych, żelazowo-cynkowych oraz warstwy czystego cynku. Obecność warstw stopowych sprawia, że powłoka cynkowa jest nierozdzielnie związana ze stalowym podłożem. Do cynkowania stosuje się kilka typów kąpieli galwanicznych, zależnie od wymaganych własności i zastosowania powłoki. Są to kąpiele kwaśne, słabo kwaśne oraz alkaliczne – cyjankowe i bezcyjankowe. Szerokie zastosowanie znalazły kąpiele kwaśne do ciągłego pokrywania taśm, blach, drutów i rur stalowych.

1. Właściwości ochronne powłok cynkowych

Ogniowa(zanurzeniowa) powłoka cynkowa należy do ochronnych powłok metalowych, łatwo pasywujących się z wytworzeniem warstwy produktów korozji, które ograniczają znacznie jej postęp. Powłoka wykonana jest z metalu mniej szlachetnego niż podłoże stalowe i w związku z tym posiada charakter anodowy. Tak więc powłoka cynkowa będzie chronić wyrób stalowy nawet gdy zostanie lokalnie uszkodzona. Właściwości ochronne powłoki cynkowej mają związek z następującymi reakcjami chemicznymi

• Zn+1/2 O₂ -> ZnO

• ZnO + H20->Zn(OH)₂

• ZnO+CO2-> ZnCO3

• ZnCo3+3Zn(OH)2->ZnCO3*3Zn(OH)2

Zn₄(OH)₆CO₃ – zasadowy węglan cynku

W ostatecznym wyniku przebiegu przedstawionych reakcji powstaje zasadowy węglan cynku, który mając szczelną budowę bardzo skutecznie chroni głębsze warstwy powłoki i tym samym wyrób stalowy przed korozją.

WŁAŚCIOWŚCI

Antykorozyjne właściwości powłok cynkowych polegają na tym, że cynk może tworzyć niezwykle odporne i trudno rozpuszczalne powłoki kryjące. Tworzą się one podczas kontaktu z powietrzem i wodą. Składają się głównie z zasadowego węglanu cynku i to one są odpowiedzialne za właściwą ochronę przed korozją. Wprawdzie z biegiem lat są w niewielkich ilościach znoszone przez wiatr i wpływy atmosferyczne, jednak z uwagi na znajdujący się pod nimi cynk, powstają na nowo. Ogniowa powłoka cynkowa zapewnia ochronę elektrochemiczną, ponieważ cynk jako metal bardziej aktywny sam ulega utlenieniu, chroniąc przed tym stal. Średnia trwałość powłoki cynkowej wynosi 30-50 lat. Większą odporność korozyjną galwanicznych powłok cynkowych można uzyskać przez wprowadzenie do kąpieli galwanicznej np. soli chromu i kobaltu, które wbudowują metaliczny kobalt i tlenek chromu do powłoki, podczas jej osadzania.

Wytrzymałość mechaniczna – Powłoka jest zbudowana warstwowo.

W kierunku od podłoża stalowego występują następujące fazy międzymetaliczne:

• τ (Fe5Zn21)- faza zawierająca 17-22% FE

• δ (FeZn7-FeZn10) o zawartości 7-12% Fe

• ς (FeZn13) zawiera 5-6% Fe

• η( roztwór stały żelaza w cynku) zawiera od 0,008-0,03 % Fe.

Przy powierzchni elementu powstają bardzo twarde warstwy stopowe cynku z żelazem, twardsze od stali zawierające 17-22% Fe

Zewnętrzna warstwa powłoki ma skład chemiczny zbliżony do składu chemicznego kąpieli cynkowej, twardość jej odpowiada twardości cynku. Taka budowa powłoki cynkowej czyni ją odporną na uszkodzenia mechaniczne, gdyż zewnętrzna miękka warstwa absorbuje naciski i uderzenia, a wewnętrzna twarda chroni podłoże przed uszkodzeniem.

Szczególny obraz powłoki cynkowej zależny jest id temperatury kąpieli cynkowniczej, czasu cynkowania, składu chemicznego kąpieli i cynkowanej stali, jak również grubości, jakości powierzchni materiału stalowego i topografii

1. Przygotowanie powierzchni stali do cynkowania

Podstawowym warunkiem otrzymania powłok odpowiedniej jakości i przyczepności do podłoża jest właściwe przygotowanie powierzchni pod powłokę. Takie przygotowanie polega na usunięciu wszelkich uszkodzeń i nadaniu odpowiedniego ukształtowania powierzchni podłoża oraz na dokładnym oczyszczeniu jego powierzchni ze wszystkich obcych substancji. Przed nałożeniem powłoki należy usunąć z powierzchni podłoża wszelkie zanieczyszczenia mechaniczne, oleje, smary i tłuszcze oraz produkty korozji. Nawet minimalne pozostałości tłuszczów powodują złuszczenie się nakładanych powłok. Nie usunięte dokładnie produkty korozji mogą nie tylko znacznie obniżyć przyczepność warstwy do podłoża, lecz również być przyczyną powstawania ognisk korozyjnych pod nałożoną powłoką. Chropowatość powierzchni oraz jej głębokie różnorodne uszkodzenia(głębokie rysy) mogą stanowić przyczynę różnych nieciągłości i porów w warstwie oraz mogą wpływać na pogorszenie jej połysku i stopnia gładkości

Do usuwania produktów korozji z pow. Metalowych najczęściej używa się roztworów kwasu solnego, siarkowego oraz fosforowego.

Podstawowym warunkiem cynkowania ogniowego nieciągłego, czyli jednostkowego jest staranne przygotowanie elementów przeznaczonych do cynkowania. Elementy stalowe zanurza się najpierw w kąpieli odtłuszczającej, w której z ich powierzchni usówane są resztki smarów i olejów. W następnej kąpieli- wytrawiajacej, za pomocą rozcieńczonego kwasu mineralnego, na powierzchni stali rozpuszcza się chemicznie rdzę i zgorzelinę, aż stal uzyska czystą i metaliczną powierzchnię. Po wytrawieniu, elementy przeznaczone do cynkowania zanurza się w kapieli płuczącej, aby uniknąć wynoszenia cieczy trawiającej. W kapieli topnikowej, na elemnty nanoszona jest cieńka warstwa z wodnego roztworu topnika, która później wspomaga reakcję między powierzchnią stali a roztopionym cynkiem. Suszarka osusza elementy zanim zostaną one zanurzone w roztopionym cynku.

Przygotowanie podłoża do malowania

Powierzchnie ocynkowane ogniowo są trudne do oczyszczenia i malowania ze względu na reaktywność cynku. Zmiany na powierzchni zaczynają się już w drugim dniu po procesie cynkowania i praktycznie do roku stan powierzchni nie ulega stabilizacji. W pierwszym roku konieczne jest w związku z tym odpowiedni przygotowanie powierzchni i zastosowanie właściwych wyrobów lakierowych. Po roku na powierzchnię ocynkowaną można już nakładać większość farb, gdyż wykazują ode dostateczną przyczepność do podłoża.

Zgodnie z normą przygotowanie powierzchni ocynkowanych ogniowo zależy od tego, czy są to powierzchnie niesezonowane(świeże) czy sezonowane.

Jeśli obecna jest na powierzchni „biała rdza” musi ona zostać usunięta szczotkami na mokro przy użyciu 1-2% roztworu amoniaku. Grubsze warstwy wymagają zastosowania słabo kwaśnego roztworu. Roztwór amoniaku lub kwasu usuwa się ciepła wodą.

• Do usuwania tłuszczu i brudu zalecane są wodne lub alkaliczne środki czyszczące które po zastosowaniu należy spłukać gorącą wodą i wysuszyć.

Kolejnym etapem przygotowania powierzchni ocynkowanych przed malowaniem jest naprawa uszkodzeń powłoki cynkowej np. farby organiczne pigmentowane cynkiem.

• Zanieczyszczenia mechaniczne jak również produkty korozji należy usunąć przez szczotkowanie szczotkami nylonowymi, szczotkami z twardego włosia, naturalnego lub sztucznego, szlifowaniem papierem ściernym.

Ostatnim etapem jest obróbka powierzchniowa która wykonuje się już na stanowisku montażu konstrukcji i jest nią: jest chromowanie lub fosforowanie- stosowane najczęściej przed malowaniem farbami proszkowymi, nałożenie gruntu reaktywnego, pasywacja akrylowa i lekka obróbka strumieniowa ścierna, tzw. Omiatanie ścierniwem.

Przygotowane do malowania podłoże powinno być suche i pozbawione wszelkich zanieczyszczeń.

1. Powłoki metalizacyjno malarskie typu DUPLEX

DUPLEX - Zabezpieczenie antykorozyjne w systemie duplex polega na nałożeniu na ogniową powłokę cynkową specjalnej powłoki malarskiej(powłoka z farby proszkowej), co stanowi dodatkową ochronę przed korozją oraz umożliwia osiąganie zamierzonych efektów kolorystycznych. Powłoka malarska chroni cynk przed utlenianiem i przedłuża jego trwałość.

Zalety systemu duplex to:

• wzajemne uzupełnianie się dwóch rodzajów powłok: powłoka cynkowa zapobiega korozji podpowłokowej w przypadku uszkodzenia powłoki malarskiej, a powłoka malarska chroni cynk przed szkodliwym wpływem czynników atmosferycznych lub chemicznych;

• podwyższone walory estetyczne konstrukcji uzyskane dzięki możliwości doboru odpowiedniego koloru powłoki ochronnej,

• obniżenie nakładów na konserwację w okresie użytkowania obiektu poprzez znaczne przedłużenie okresu odporności na korozję.

Powłoki typu DUPLEX- metalizacyjno malarskie powłoki są stosowane coraz częściej w ochronie przed korozją wyrobów i konstrukcji stalowych. Praktyczne doświadczenia wykazały że powłoki tego typu gwarantują uzyskanie optymalnej i długotrwałej ochrony na działanie warunków atmosferycznych. Czas ochrony stali zależy od warunków środowiska, które oddziałuje na daną konstrukcję.

1. Dobór farb do malowania stali ocynkowanej

Do malowania cynku według obecnego stanu techniki zaleca się farby:

• Na kopolimerach PVC

• Na kopolimerach akrylowych (AY)

• Epoksydowe utwardzane poliaminami (EP)

• Poliuretanowe

Wymienione farby mogą być rozpuszczalnikowymi lub wodnymi. Do uszczelniania cynku bezpośrednio po czyszczeniu zaleca się dwuskładnikową farbę epoksydową. Oprócz farb płynnych do malowania cynku stosuje się również farby proszkowe które mają wiele zalet a mianowicie:

• Przeważnie wystarcza jednokrotne pokrywanie, uzyskując grubość powłoki ok. 80 um

• Brak rozpuszczalników

• Prawie całkowite wykorzystanie materiału

Ograniczeniem stosowania jest konieczność stapiania i utwardzania powłoki w temp. Powyżej 160stC, co powoduje że tylko przedmioty mieszczące się w suszarkach są poddawane tego typu malowaniu

Dobrą ochronę powierzchni ocynkowanej wykazuje farba silikonowa pigmentowana aluminium i cynkiem. Nawet do 7 lat powłoka wykonana z takiej farby nie wykazuje żadnych objawów degradacji.

Do malowania powierzchni ocynkowanej nie zaleca się stosowania farb alkidowych.

KOLOS II

Nanoszenie powlok malarskich:

• zanurzeniowe,

• natryskowe.

Zwykle powloki zanurzeniowe są wytwarzane przy małym nakładzie kosztów, wysoką jakoś powłok uzyskuje się przy odpowiednich kształtach przedmiotów np. narzędzi , odlewów itp. Części lub przedmioty można malować zanurzeniowo przy wielokrotnym zanurzaniu. Jakość powłoki zależy od prędkości zanurzania przedmiotu.

Forezowe powloki zanurzeniowe są wytwarzane przez wykorzystanie zjawiska forezy, czyli ruchu cząstek fazy rozproszonej zawiesiny lub układu koloidowego względem fazy rozpraszającej. W zależności od przyczyny wywołującej ruch cząstek wyróżniamy: elektroforezę (w której przyczyna ruchu cząstek naładowanych elektrycznie jest pole elektryczne, w wyniku czego wodorozcieńczalny materiał powłokowy osadza się na malowanym przedmiocie.

Autoforeza- w której osadzanie powłoki odbywa się bez użycia prądu tylko na zasadzie reakcji chemicznej materiału powłokowego z podłożem. Materiałami powłokowymi są roztwory polimerów.
Powloki malarskie: hydrodynamiczne, elektrostatyczne, pneumatyczne, rozsmarowaniowe (sa nanoszone pedzlem,Walkiem lub gabka), polerowane(otrzymuje się przez polerowanie farbawyplywajaca z wielu dysz), zwykle, forezowe.
Farby rozp w wodzie, farby emulsyjny, wyroby lakierowe bezrozpuszczalnikowe, o duzwej zaw substancji stalych, antykorozyjne, przeciwporostowe, ognioodporne, elektroforetyczne, autoforetyczne, proszkowe, wyroby lakierowe chemoutwardzalne.