Powłoka cynkowa - właściwości

Powłoka cynkowa powstaje w procesie cynkowania ogniowego poprzez zanurzenie wyrobów metalowych lub żeliwnych w roztopionym ciekłym cynku.

Powłoka cynkowa powstaje w wyniku reakcji pomiędzy żelazem, a cynkiem i tworzy się po obydwu stronach stali oraz na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni profili zamkniętych.

Powłoka cynkowa powstała przy zanurzeniu wyrobu metalowego w kąpieli cynkowej ma budowę warstwową. Grubość warstw nie jest stała i jest zależna od parametrów procesu cynkowania ogniowego, a więc głównie od temperatury kąpieli i czasu zanurzenia.

Wpływ na przebieg reakcji między cynkiem, a żelazem w szczególności wywierają:

pierwiastki towarzyszące zawarte w wyrobie stalowym lub żeliwnym (głównie krzem i fosfor),
temperatura kąpieli cynkowej,
czas trwania reakcji zachodzącej podczas kąpieli,
pierwiastki towarzyszące zawarte w kąpieli,
struktura i topografia powierzchni (chropowatość powierzchni),
grubość wyrobu przeznaczonego do cynkowania ogniowego.

(w zależności od wyżej wymienionych czynników, utworzone mogą zostać powłoki cynkowe, które w sposób znaczący różnić się będą budową i grubością)

Cynk przystaje do stali w procesie wytwarzania stopu pomiędzy stalą a cynkiem. Tworzy się w ten sposób trwała, nieprzepuszczalna i mechanicznie wytrzymała powłoka, która chroni stal dzięki specjalnemu układowi elektochemicznemu.

Reakcja cynku ze stalą w procesie cynkowania ogniowego ma zazwyczaj miejsce w temperaturze 445 - 455 °C. W tej temperaturze żelazo i cynk szybko wchodzą w reakcję ze sobą, we związku z tym wyroby stalowe przeznaczone do cynkowania ogniowego mogą być zanurzone w kąpieli cynkowniczej tylko przez kilka minut.

Ocynkownia ogniowa w Owadowie oprócz najbardziej popularnej technologii cynkownia w temperaturze 445 - 455 °C, wykorzystuje przy nakładaniu powłok cynkowych poprzez zanurzenie w roztopionym cynku inną technologię nazywaną często cynkowaniem ogniowym wysokotemperaturowym, gdzie temperatura kąpieli cynkowej w znaczny sposób przewyższa wymieniony zakres i wynosi > 500°C.

W trakcie cynkowania ogniowego następuje stopniowa dyfuzja roztopionego płynnego cynku w powierzchnię wyrobu stalowego lub żeliwnego , co powoduje powstanie warstw stopowych. Na górnej powierzchni wyrobu wyciągniętego z kąpieli cynkowej zostaje powłoka (warstwa) czystego cynku.

Wygląd i budowa powłoki

Powłoka cynkowa nie jest jednolitą powłoką. Jej struktura jest dosyć skomplikowana ponieważ zbudowana jest w sposób warstwowy.

Pierwszą warstwą, która występuje na powierzchni ocynkowanego elementu stalowego, jest warstwa w której występuje prawie czysty cynk - Zn (minimalna zawartość żelaza).

Kolejne warstwy to tzw. warstwy stopowe, a więc Zeta, Delta i Gamma.

Warstwa zeta zawiera około 6 % żelaza (Fe), kolejna warstwa Delta zawiera ok. 10 % żelaza , a ostatnia warstwa Gamma jest stopem żelaza i cynku, który zawiera około 25 % żelaza.

Powłoka cynkowa ma zazwyczaj wygląd błyszczący, lecz niekiedy jej wygląd od momentu ocynkowania jest szary i matowy. Dzieje się tak zazwyczaj w wyniku cynkowania niektórych gatunków stali, a także dosyć często przy wysokotemperaturowym cynkowaniu ogniowym detali stalowych i żeliwnych, gdzie temperatura kąpieli cynkowej wynosi > 500°C.

Pamiętać należy również o tym, że w miarę upływy czasu (kilku miesięcy) powłoka cynkowa zmienia swój wygląd z błyszczącej w szarą i matową. Dzieje się tak w wyniku reakcji, jaka zachodzi pomiędzy cynkiem a powietrzem. Nie powoduje to obniżenia lub pogorszenia innych własności powłoki cynkowej.

Trwałość powłoki

W miarę upływy czasu powłoka cynkowa ulega utlenieniu, co prowadzi bezpośrednio do ubytków a nawet zaniku warstwy czystego cynku, a tym samym do odsłonięcia warstwy stopowej cynku i żelaza. Oczywiście warstwa stopowa również zapewnia ochronę przed korozją, ponieważ występuje w niej cynk.

Trwałość powłoki cynkowej zależy przede wszystkim od tzw. obciążenia korozyjnego środowiska, w którym ocynkowane elementy są eksploatowane. Nie bez znaczenia pozostaje również sama grubość powłoki cynkowej.

Zgodnie z PN-EN ISO 12944-2 istnieje pięć kategorii odporności korozyjnej:

C1 (bardzo słaba) - np. wnętrza budynków klimatyzowanych - roczny ubytek powłoki cynkowej to < 0,1 µm, co daje ochronę przed korozją na > 100 lat,
C2 (słaba) - atmosfera z niewielką zawartością zanieczyszczeń i suchym klimatem, np. obszary wiejskie - roczny ubytek powłoki cynkowej to 0,1 ÷ 0,7 µm, co daje ochronę przed korozją na około 100 lat,
C3 (średnia) - np. atmosfera miejska o średnim zanieczyszczeniu, a także umiarkowany klimat nadmorski - roczny ubytek powłoki cynkowej to 0,7 ÷ 2,1 µm, co daje ochronę przed korozją na 35 ÷ 100 lat,
C4 (silna) - np. obszary przemysłowe, tereny nadmorskie o umiarkowanym zasoleniu - roczny ubytek powłoki cynkowej to 2,1 ÷ 4,2 µm, co daje ochronę przed korozją na 18 ÷ 35 lat,
C5 (bardzo silna) - np. tereny silnie uprzemysłowione o wysokiej wilgotności powietrza i agresywnej atmosferze, również tereny nadmorskie o wysokim zasoleniu.

W celu obliczenia trwałości powłoki cynkowej korzysta się z prostej metody (zgodnie z PN-EN ISO 147130). Wynik tego działania da nam ochronę wyrażoną w latach:

Grubość powłoki cynkowej wyrażona w µm / Zużycie powłoki cynkowej wyrażone w µm na rok

Odporność na uszkodzenia mechaniczne

Powłoka cynkowa jest odporna na uszkodzenia mechaniczne (uderzenia mechaniczne). Jest to spowodowane tym, że budowy powłoki, jak już wiemy, nie ma charakteru jednolitego i jest zbudowana w sposób warstwowy. Pierwsza warstwa na zewnątrz ocynkowanego elementu składa się głównie z czystego cynku (skład chemiczny tej warstwy powłoki cynkowej jest odzwierciedleniem składu kąpieli cynkowej), jest to więc dosyć miękka i plastyczna warstwa, która pozwala na zamortyzowanie uderzenia i a tym samym absorbuje większość nacisków. Kolejne warstwy stopowe, które wykazują się stosunkowo dużą twardością, chronią podłoże przed uszkodzeniem.
Przy poważnym uszkodzeniu powłoki, gdzie może dojść do odpadnięcia pierwszej miękkiej warstwy cynku, pozostaje nienaruszona warstwa stopowa powłoki cynkowej, która pozwala na tzw. ochronę elektrochemiczną.

Ochrona elektrochemiczna

Powłoka cynkowa jest jedyną powłoką antykorozyjną, która w przypadku miejscowego uszkodzenia nie traci swojej właściwości. Jest możliwe dzięki tzw. ochronie elektrochemicznej, która często nazywana jest ochroną ofiarną. Przedstawione powyżej zdjęcie ukazuje uszkodzenia powłoki cynkowej i jak można zaobserwować, mniejsze uszkodzenia (np. zadrapania) nie ulegają korozji, ponieważ wypełnione zostały tlenkami i węglanami powstałymi z cynku. Oczywiście taka ochrona skuteczna jest tylko na pewnym obszarze powłoki cynkowej.

Grubość powłoki

Za pomocą cynkowania ogniowego otrzymywane są na wyrobach stalowych i żeliwnych powłoki cynkowe o grubości : od 70 do 150 mikrometrów (µm). Taka grubość powłoki cynkowej pozwala na zabezpieczenie antykorozyjne ocynkowanego wyrobu na szereg długich lata (w środowisku o umiarkowanym obciążeniu korozyjnym szacuje się, że jest to przedział od 30 do 50 lat).

Zgodnie z normą PN-EN ISO 1461 grubość powłoki cynkowej mierzy się w mikrometrach (µm), za pomocą specjalnych urządzeń (np. ultrametrów) lub podaje się masę powłoki cynkowej w g/m2.

Skuteczność zabezpieczenia stali przed korozją w procesie cynkowania ogniowego, zależy przede wszystkim od struktury oraz grubości powłoki cynkowej.

Grubość powłoki zależy od następujących czynników:

grubości stali,
składu chemicznego stali (głównie chodzi tutaj o zawartość fosforu i krzemu),
temperatury kąpieli cynkowej,
czasu w czasie którego element przetrzymywany jest w kąpieli cynkowej,
chropowatości powierzchni.

Określenie grubości powłok w zależności od grubości materiału, z którego wykonane zostały elementy przeznaczone do cynkowania (zgodnie z PN-EN ISO 1461):

Określenie grubości powłoki na stalowych elementach gwintowanych, które zostały ocynkowane w procesie cynkowania ogniowego z odwirowaniem:

Naprawa powłoki cynkowej

Nawet przy zachowaniu największej staranności w czasie procesu cynkowania często dochodzi do powstania miejscowych usterek w powłoce cynkowej. Jest to zazwyczaj spowodowane błędami konstrukcyjnymi powstałymi przy projektowaniu elementów stalowych przeznaczonych do ocynkowania, a także w wyniku nie przestrzegania wymagań technologicznych i konstrukcyjnych jakie muszą zostać spełnione przed przekazaniem elementów lub konstrukcji stalowych do ocynkowania (np. niewłaściwe zaprojektowanie otworów odpowietrzających w profilach zamkniętych - za małe średnie, otwory umieszczone na niewłaściwej wysokości, w niewłaściwym miejscu, zastosowanie w konstrukcjach powierzchni zakładkowych lub innych miejsc, w których zbiera się kwas, pozostałości po powłoce malarskiej, pozostałości po anty-rozpryskowej farbie silikonowej używanej przy spawaniu konstrukcji przed ocynkowaniem ogniowym).

Suma poszczególnych miejsc naprawy nie może przekroczyć około 0,5% łącznej powierzchni ocynkowanego elementu.

Pojedynczy obszar bez powłoki nie może przekraczać wielkości 10 cm2. (co jest równoważne kwadratowi o boku ok. 31 mm).

Należy pamiętać, że ochrona elektrochemiczna (czyli wpływ elektrochemiczny cynku na stal) jest wystarczająca do ochrony przed korozją małych powierzchni uszkodzonych w sposób niezamierzony, przypadkowy.

W przypadku dużych uszkodzeń powłoki, które powstały w wyniku błędów konstrukcyjnych przy przygotowywaniu konstrukcji do cynkowania, w wyniku nie przestrzegania wymagań technologicznych i konstrukcyjnych zalecanych przez ocynkownię, jak również w przypadku spawania lub cięcia elementu cynkowanego, konieczna jest naprawa uszkodzonej powłoki cynkowej.

Sposoby naprawy.

Zgodnie z zaleceniami normy PN-EN ISO 1461 naprawę wadliwej powłoki cynkowej należy wykonywać:

za pomocą natryskiwania cieplnego cynkiem (EN 22063),
przez odpowiednie pokrycie farbą bogatą w cynk,
zastosowanie stopów lutowniczych na bazie cynku.

Naprawa powinna obejmować usunięcie zanieczyszczeń oraz niezbędne czyszczenie i przygotowanie powierzchni uszkodzonego miejsca dla zapewnienia wymaganej przyczepności.

Najbardziej popularną (najczęściej stosowaną) naprawy uszkodzeń i ubytków w powłoce cynkowej jest metoda druga, gdzie oczyszcza się uszkodzoną powierzchnię i nakłada kilka warstw, aż do uzyskania o 30 µm więcej niż grubość pierwotnej powłoki.

Jeżeli ocynkowane elementy, konstrukcje będą następnie pokrywane dodatkową powłoką (np. malarska lub pokrycie proszkowe), to zleceniodawca powinien o tym fakcie poinformować ocynkownię, pozwoli to na zastosowanie odpowiedniej metody naprawy wadliwych miejsc w powierzchni ocynkowanego elementu, konstrukcji.

Grubość powłoki na naprawianym obszarze powinna wynosić co najmniej 30 µm więcej niż jest wymagana grubość miejscowa powłoki cynkowej (patrz tabela przy - "Grubość powłoki").
W przypadku kiedy ma być nanoszona dodatkowa powłoka (malarska lub pokrycie proszkowe), grubośc powłoki w miejscu naprawianym powinna być taka sama jak powłoki cynkowej.

Naprawienie powłoki cynkowej w miejscu podwiązywania elementów do trawersy. Podczas obróbki, po usunięciu drutu zostaje widoczny ubytek cynku. W celu odpowiedniego zabezpieczenia antykorozyjnego, takie miejsca szlifuje się i zabezpiecza farbą bogatą w cynk (zgodnie z PN-EN ISO 1461).

Malowanie powłoki cynkowej

W przypadku, gdy elementy i konstrukcje stalowe przeznaczona są do późniejszego malowania lub pokrycia proszkowego, należy o tym fakcie poinformować Ocynkownię w momencie przekazywania elementów lub konstrukcji stalowych do cynkowania.

Trzy główne powody dla których maluje się powłokę cynku:

Zmiana wyglądu (kolorowe wykończenie w przypadku wymagań klienta, np. dopasowanie konstrukcji do kolorów firmowych),
Wydłużenie trwałości (powłoka malarska na powierzchni ocynkowanej ma za zadanie osłonić powłokę cynku przed czynnikami atmosferycznymi. W ten sposób powłoka cynkowana chroniona jest przed erozją i zachowuje swoją grubość tak długo, jak istnieje powłoka malarska),
Ochrona części ocynkowanej konstrukcji przed działaniem kwasu

Ważne uwagi:

Każda stal ocynkowana ogniowo może być malowana,
Jeżeli chcemy pomalować ocynkowną stal, to należy w tym celu zastosować pokład o składzie chemicznym przystosowanym do powłok cynkowych,
Jeżeli chcemy pokryć proszkowo ocynkowany element, należy zwrócić uwagę na wybór podwykonawcy, który musi przestrzegać wymagań przygotowania elementu, jeżeli powłoka proszkowa ma poprawnie przylegać do ocynkowanej powierzchni.

Wpływ krzemu na jakość powłok cynkowych - jaką stal można cynkować

Wszystkie rodzaje stali przedstawione w DIN 17100 oraz PN-88/H-84020 i PN-86/H-84018 można ocynkować ogniowo.
Uzyskiwana na nich jakość powłok cynkowych, przede wszystkim: połysk, gładkość, grubość, przyczepność, jest różna i zależy od składu chemicznego tych stali, w szczególności od zawartości w nich węgla (C), fosforu (P) i krzemu (Si). Zawartość węgla (C) i krzemu (Si) w stali nie powinna przekraczać łącznie 0,5%.
Przy stalach zawierających krzem, istnieje ryzyko, że reakcja żelazo-cynk przebiegnie szczególnie silnie i udział stopu żelazowo-cynkowego w powłoce cynkowej będzie wyższy, niż normalnie. W skrajnym przypadku może zdarzyć się, że powłoka cynkowa może składać się ze stopu żelazowo-cynkowego.
Zjawisko to można zaobserwować zwłaszcza, gdy zawartość krzemu w stali zawiera się w przedziale: od 0,03% do 0,12% (tzw. efekt Sandelina), jak również przy zawartości krzemu powyżej 0,3%. (patrz wykres po spodem).

W takich przypadkach powłoka cynkowa jest najczęściej matowo-szara, chropowata, nierównomierna, bardzo krucha i co z tym bezpośrednio związane, wrażliwa na silne odkształcenia i uderzenia (uszkodzenia mechaniczne). Opisane wyżej zjawisko powoduje zmniejszenie przyczepności grubych powłok do stali.
Ze względu na wyżej wymieniony efekt nie zaleca się cynkować ogniowo stali zawierających krzem w przedziałach stężeń określonych wyżej. Zaleca się natomiast stal o zawartości krzemu poniżej 0,03% lub w przedziale od 0,15% do 0,25%.

Ocynkowane elementy z "dużą" zawartością krzemu (Si)

Obszerne badania dowiodły, że technologiczne własności stali nie ulegają pogorszeniu przy cynkowaniu ogniowym, gdzie roztopionego cynku wynosi zazwyczaj od 450 do 460°C.

Wpływ krzemu w stali na grubość uzyskiwanej powłoki cynkowej w µm przy temperaturze kąpieli cynkowej 460 °C