Защитные покрытия на основе цинка для высокопрочных крепёжных изделий

20.03.2017

Агеев В.С., генеральный директор

Кабанов Е.Б., д.т.н., главный научный

Специалист Дерновой А.Н., инженер

ОАО «НПЦ мостов»


Защитные покрытия на основе цинка для высокопрочных крепёжных изделий

Защита от коррозии высокопрочных крепёжных изделий для обеспечения проектной долговечности собираемых с их помощью металлических строительных конструкций становится всё более актуальной, поскольку даже смонтированные болтовые соединения остаются проницаемыми для атмосферной влаги, несмотря на применение смазок, герметиков, лакокрасочных покрытий (рис. 1). Проницаемость болтовых соединений может способствовать ухудшению декоративного вида конструкций из-за появления потёков ржавчины и даже вызывать разуплотнение соединений, а наличие продуктов коррозии на крепеже до монтажа требует проведения для него специальной предмонтажной подготовки для обеспечения необходимых монтажных натягов. Ликвидация указанных недостатков может быть выполнена путём применения для высокопрочных крепёжных изделий защитных покрытий на цинковой основе, поскольку цинк является активным протектором стальных конструкций, обычно эксплуатируемых в промышленной атмосфере, содержащей влагу и различные электролиты.

В соответствии с полями допусков для высокопрочного крепежа межрезьбовой зазор у пары «болт-гайка» для типоразмера М22 (наиболее широко применяющегося при монтаже строительных конструкций и требующего нормативной точности исполнения 6g) составляет от 26 до 42 мкм в зависимости от шага резьбы — от 1 до 2,5 мм [1]. Отсюда для обеспечения собираемости данного крепежа толщина цинкового покрытия не должна превышать 12 –18 мкм. Сформировать цинковое покрытие такой толщины можно на основе различных технологий. Ограничением может выступать только необходимость исключения технологических процессов, требующих для подготовки поверхности цинкуемых изделий кислотного травления, т.к. в этом случае возникает опасность наводораживания стали, что в перспективе может привести к непреднамеренному охрупчиванию материала крепежа при напряжённом состоянии во время эксплуатации. К таким опасным технологиям можно отнести, например, гальваническое цинкование. Наиболее подходящими для высокопрочных крепёжных изделий являются ламельные, горячецинковые и термодиффузионные покрытия [3].

1.png

Рис. 1. Коррозия металла мостовой конструкции из-за водопроницаемости высокопрочных крепёжных соединений


Из ламельных покрытий достаточно широкое применение нашло покрытие Dacromet. По этой технологии трёхслойное покрытие формируется как лакокрасочное, методом окунания в центрифугу с металлополимерной композицией на основе цинка и последующей горячей сушки. Покрытие получается общей толщиной около 15 мкм, имеет блестящий декоративный вид, не требует последующей смазки перед сборкой резьбового соединения. Долговечность покрытия при складском хранении составляет 2 года, что соответствует необходимому сроку предмонтажного периода. Собираемость крепёжных изделий с покрытием Dacromet также отвечает необходимым монтажным требованиям. Коэффициент закручивания находится в пределах 0,15 – 0,20, что соответствует нормативам — 0,11 – 0,17 [4]. Из недостатков следует отметить многостадийность технологии нанесения 3-х слойного покрытия и определённую зависимость коэффициента закручивания от климатических условий при сборке болтокомплектов, а также отсутствие сохранности покрытия после сборки, что заставляет считать возможным использование покрытия Dacromet только в качестве предмонтажного.

Горячецинковое покрытие [5] формируется на крепёжных изделиях путём окунания их в расплав цинка с последующим центрофугированием для удаления наплывов и формирования покрытия толщиной не более 40 мкм. Для крепежа, применяемого в машиностроении, такое качество покрытия является удовлетворительным. Однако для высокопрочного крепежа указанное требование заставляет применять болты с заниженной резьбой, что не всегда приемлемо по условиям прочности резьбовых соединений. Кроме того, требуется гарантия исключения наводораживания металла высокопрочного крепежа при подготовке его поверхности под горячецинковое покрытие путём кислотного травления.

Термодиффузионное цинковое покрытие (ТДЦП) — наиболее подходящее для защиты высокопрочных крепёжных изделий, т.к. за счёт термической диффузии атомы цинка внедряются в структуру цинкуемого металла, образуя беспористое покрытие, соединённое с основой на уровне сплава и точно повторяющее сложную поверхность резьбового соединения. Данное покрытие представляет собой сложную структуру интерметаллидов системы Zn-Fe. ТДЦП, полученное по классической технологии путём радиационного нагрева изделий, помещённых в реторту с цинковой шихтой, имеет повышенную твёрдость, благодаря чему коэффициент закручивания крепёжных изделий с ТДЦП завышен до 0,24, и потому требуется смазка при выполнении их сборки, что сказывается на качестве выполнения последующих окрасочных работ. Кроме того, классическая технология ТДЦП — длительный, многочасовой и потому малопроизводительный процесс, что не рентабельно для массового производства крепёжных изделий. Последний недостаток может быть устранён путём применения технологии ТДЦП с электроиндукционным нагревом, когда за счёт токов Фуко нагрев идёт от цинкуемых изделий благодаря почти мгновенному тепловому импульсу, посылаемому индукторами. При этом процесс цинкования сокращается с долгих часов до нескольких минут.

В последнее время для термодиффузионного цинкования крепёжных изделий стали использовать технологию «Левикор». Особенностью данной технологии является низкий температурный режим (до 300 °С). Формирование покрытия при такой температуре достигается за счёт применения специальной шихты, в состав которой помимо порошкового цинка входят низкоплавкие стёкла. Покрытие получается достаточно тонким, а длительность технологического процесса относительно невысока. Однако наличие стёкол в покрытии способствует его повышенной пористости, в связи с чем после проведения цинкования требуется пассивация покрытия составами на основе ортофосфорной кислоты. В этом случае также требуется гарантия исключения наводораживания поверхности изделия. Проверка покрытия, нанесённого на высокопрочный крепёж по технологии «Левикор», в условиях воздействия климата Санкт-Петербурга показала его невысокую долговечность.

Исходя из материалов приведённого обзора, видно, что в настоящее время нет оптимального покрытия для противокоррозионной защиты высокопрочных крепёжных изделий, имеющего высокую защитную способность, низкую пористость и обладающего коэффициентом закручивания в пределах 0,11 – 0,17 (рис. 2). Более того, фактически нет и нормативного документа, регламентирующего технологический процесс нанесения защитных покрытий на высокопрочный крепёж. Сравнительно недавно была попытка разработать такой документ ООО «Термишен Рус» — ГОСТ Р «ЕСЗКС. Диффузионная обработка цинком металлоизделий из высокопрочных сталей. Общие требования к технологическому процессу», взяв за основу технологию «Левикор». Выше уже была рассмотрена неприемлемость применения такого покрытия для высокопрочного крепежа.

ГОСТ Р 52643–52646 [2] просто требует нанесения металлических и неметаллических покрытий на крепёжные изделия по ГОСТ 9.306 и 9.316–2006, не оговаривая технологию их нанесения. ГОСТ 9.306 [6] имеет в виду только металлические гальванические покрытия и неорганические типа хроматирования и фосфатирования, что не пригодно для

2.png

Рис.  2.  Коэффициент закручивания резьбовых соединений с различными покрытиями

высокопрочного крепежа, как уже упоминалось выше. ГОСТ 9.316–2004 [7] фактически репродуцирует классическую технологию термодиффузионного цинкования, справедливо отмечая, что покрытие по этой технологии получается многофазным с различным содержанием цинка в каждой фазе. Достаточными защитными свойствами в промышленной атмосфере такое покрытие обладает только при толщине более 40 мкм, что также неприемлемо для высокопрочного крепежа.

Международный стандарт ISO 17668:2016 (Е) [8] рекомендует тонкие термодиффузионные цинковые покрытия толщиной 5 и 10 мкм только в качестве грунтовок под последующее окрашивание, т.к. они имеют недостаточные защитные свойства. Покрытия большей толщины (15, 30 и 40 мкм) рекомендуются для различного широкого применения, но при наличии требований высокой долговечности, что соответствует требованиям к мостовым конструкциям, документ предлагает предпочтительно применять толстослойные покрытия, что не годится для собираемости высокопрочных крепёжных изделий. В связи с этим стандарт [8] вообще не распространяется на крепёжные изделия и отсылает пользователей к другому международному стандарту ISO 14713– 3:2009 [9], который прямо (в таблице 1) рекомендует для резьбовых изделий при толщине термодиффузионного цинкового покрытия толщиной 15–30 мкм предусматривать величину межрезьбового зазора не менее 180 мкм, что совершенно неприемлемо для высокопрочных крепёжных изделий. Таким образом, проведённый анализ технической документации ещё раз подтверждает отсутствие чётких рекомендаций по противокоррозионной защите высокопрочного крепежа.

На основании изложенного у авторов сложилось мнение, что представляется необходимым разработать новое покрытие для защиты высокопрочных крепёжных изделий, представляющее собой синтез ламельного и термодиффузионного цинковых покрытий. В качестве такового авторам видится покрытие, формируемое из цинконаполненного шликера, наподобие лакокрасочных грунтовок. Уже имеется положительный опыт формирования ТДЦП из грунтовки «Цинол». Однако в связи с тем, что грунтовка «Цинол» состоит на 97 % из порошкового цинка, получаемое после термической обработки термодиффузионное покрытие имеет толщину, соответствующую толщине грунтовки, нанесённой на цинкуемые изделия путём их окунания (около 120 мкм), что не пригодно для резьбовых соединений. Очевидно, следует обратиться к разработчику Цинола — ООО «БМП» (г. Екатеринбург) на предмет разработки металлополимерной композиции,

аналогичной Цинолу, но имеющей более жидкое состояние, обеспечивающее возможность получения ТДЦП толщиной порядка 15 мкм.

Достоинствами создания такого универсального покрытия было бы следующее:

  1. Возможность получения диффузионного покрытия взамен лакокрасочного, что обеспечило бы его сохранность на длительный период после монтажа резьбовых соединений.

  2. Технология его нанесения во многом соответствовала бы технологии нанесения покрытия Dacromet, при том, что уже имеется необходимое оборудование для его нанесения. Более того, многостадийность нанесения покрытия Dacromet была бы заменена на одноцикловый способ нанесения.

  3. Получение ТДЦП из жидкого шликера полностью исключает применение опасной и вредной пылевидной цинковой шихты при цинковании.

  4. Собираемость резьбовых соединений с новым покрытием соответствовала бы нормативным требованиям на их монтаж.

Необходимые для этого исследования ООО «НПЦ мостов» мог бы выполнить совместно с заинтересованными организациями, занимающимися строительством мостов и изготовлением высокопрочных крепёжных изделий, применительно к проекту любого ныне строящегося моста. При положительных результатах итогом этих исследований должен быть нормативный документ по технологии нанесения данного покрытия на высокопрочные крепёжные изделия.

Литература

  1. ГОСТ 16093–2004 Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Допуски.   Посадки с   зазором.

  2. ГОСТ 52643–52646–2006 Болты   и   гайки высокопрочные и шайбы для металлических конструкций.

  3. Кабанов Е.Б., Агеев В.С., Дерновой А.Н. Обзор защитных покрытий для высокопрочного крепежа // Стройметалл, № 2 (21), 2011.

  4. СТП 006–97, М., Корпорация «Трансстрой», 1997.

  5. ISO 10684–2015 Изделия крепежные. Покрытия, нанесенные методом горячего цинкования.

  6. ГОСТ 9.306–85 ЕСЗКС. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Обозначения.

  7. ГОСТ 9.316–2006 Покрытия термодиффузионные. Общие требования и методы контроля.

  8. ISO 17668:2016 (Е) Шерардизация — термодиффузионное цинкование на черных металлах.

  9. ISO 14713–3:2009 Цинковые покрытия. Руководство и рекомендации по противокоррозионной защите железных и стальных конструкций, часть 3 — Шерардизация.