Kodėl cinkuotas plienas atsparus korozijai?

Cinkavimo procesas: kaip taikoma ir sujungiama cinko danga

Cinkuoto plieno apibrėžimas ir jo pramoninė reikšmė

Cinkuota plienas yra anglies plienas, padengtas cinku, paprastai naudojant karštojo panardinimo būdą. Šis procesas užtikrina ilgaamžį korozijos atsparumą, būtiną infrastruktūrai, automobilių dalims ir žemės ūkio technikai. Daugiau nei 80 % konstrukcinio plieno, naudojamo pakrantės statybose, yra cinkuojama, kad atlaikytų drėgmę ir druską, todėl palyginti su neapdorotu plienu ilgalaikės priežiūros išlaidos sumažėja 60 %.

Karštojo Panardinimo Cinkavimo Etapai: Valymas, Fliusuodinimas, Panardinimas Į Lydytą Cinką ir Aušinimas

Pirmiausia jie valo metalą naudodami šarma, kad pašalintų visus erzinančius tepalus ir purvą paviršiuje. Tada seka rūgšties prausimo etapas, kuriame druskos rūgštis pašalina gamybos metu susidarantį metalo oksidą. Kai viskas tinkamai nuplauta, atėjo laikas fluksui, kuriam dažniausiai naudojama cinko ir amonio chlorido mišinys. Šis žingsnis padeda užkirsti kelią oksidacijai ir rengia plieną kitam etapui. Tikras veiksmas vyksta tuomet, kai detalė panardinama į apie 450 laipsnių pagal Celsijų (maždaug 842 pagal Farenheitą) karštį turintį skystą cinką. Priklausomai nuo storio ir kitų veiksnių, panardinimo procesas paprastai trunka nuo keturių iki dešimties minučių. Šiuo metu molekuliniu lygiu vyksta kažkas stebuklingo – susidaro stiprus ryšys tarp cinko ir plieno. Galiausiai leidžiant detalei natūraliai atvėsti ore baigiamas procesas, kuris padeda stabilizuoti kristalines struktūras apsauginėje dangoje, dėl ko karštoji cinkavimo metodika tampa tokia veiksminga korozijos apsaugos priemonė.

Cinko-geležies lydinių sluoksnių susidarymas cinkavimo metu

Panardinus, cinkas reaguoja su geležimi, sudarydamas tarpmetalinio lydinio sluoksnius:

1. Gama sluoksnis (75 % Zn, 25 % Fe) – artimiausias pagrindinei plieno medžiagai
2. Delta sluoksnis (90 % Zn, 10 % Fe) – tarpinė fazė
3. Zeta sluoksnis (94 % Zn, 6 % Fe) – šalia išorinio gryno cinko sluoksnio

Šie sluoksniai sukuria 5–7 kartus didesnį kietumą nei grynas cinkas, užtikrindami puikų atsparumą dilimui, išlaikant lankstumą.

Cinko danga: storio ir prilipimo standartai (ASTM, ISO)

ASTM A123 ir ISO 1461 nustato minimalų dengimo storį, kuris priklauso nuo plieno storio:

Lietavos stiprumas tikrinamas pagal ASTM B571, reikalaujant, kad dangos išlaikytų 2–6 N/mm² šlyties apkrovą, nesiskirdamos. Šie standartai užtikrina tarnavimo laiką nuo 25 iki 50 metų vidutinėse aplinkose.

Barjerinė apsauga: kaip cinko danga apsaugo plieną nuo aplinkos poveikio

Užkertamas kelias drėgmei ir deguoniui, kad būtų užkirstas kelias korozijos atsiradimui

Cinko dangos veikia kaip barjeras tarp plieno ir rūdijimą sukeliančių veiksnių, tokių kaip drėgmė, deguonis ir įvairūs teršalai. Kai šis kontaktas yra užblokuotas, cheminės reakcijos, inicijuojančios rūdijimą, tiesiog nevyksta. Tyrimai taip pat rodo realius rezultatus. Pagal ASTM A123-24 standarte pateiktas nuostatas, cinkuotas plienas drėgnoje aplinkoje korozuoja maždaug dvigubai lėčiau nei įprastas plienas. Tai daro didelį skirtumą praktinėse aplikacijose, kur metaliniai paviršiai nuolat kovoja su aplinkos veiksniais.

Barjerinės apsaugos veiksmingumas ankstyvojo korozijos atsparumo etape

Pirmuosius 5–15 metų barjerinė apsauga sudaro daugiau nei 90 % cinkuoto plieno našumą. Nepažeista danga efektyviai atspari miesto teršalams ir lietaus poveikiui. Druskos miglos bandymai parodo, kad pradiniais eksploatacijos etapais ji veikia geriau nei organinės dažų dangos 3–5 kartus.

Apribojimai esant mechaniniams pažeidimams ar ilgalaikiam oro poveikiui

Kai danga nusitrina, susidėvi dėl trinties arba ilgą laiką veikiama stiprių UV spindulių, jos apsauginė barjero funkcija pradeda silpti. Tai tampa tikra problema pakrantėse, kur jūros vanduo neša chlorido jonus, kurie prasiskverbia į pažeistas vietas ir tuo pačiu pagreitina korozijos procesą konkrečiose vietose. Paimkime kelių saugą kaip pavyzdį: cinkuotos apsauginės tvoros šalia intensyviai naudojamų magistralių paprastai rodo nusidėvėjimo požymius apie 23 procentais greičiau, lyginant su panašiomis konstrukcijomis, esančiomis saugesnėse vietose, toliau nuo eismo. Todėl ypač svarbu reguliariai tikrinti pastatus ir infrastruktūrą, esančią sunkiomis sąlygomis, taip pat prasmė turi papildomos apsaugos sluoksnių naudojimas, kai tenka dirbti su tokiais sudėtingais aplinkos veiksniais.

Pagrindinė išvada: nors barjerinė apsauga lemia pradinį efektyvumą, jos veiksmingumas priklauso nuo dangos vientisumo ir aplinkos žalingumo laipsnio.

Aukojamoji (katodinė) apsauga: kodėl cinkas korozuoja pirmas, kad išsaugotų plieną

Galvininė jungtis: cinko kaip aukos anodo elektrocheminis pagrindas

Cinkas yra elektrochemiškai aktyvesnis nei plienas – apie 0,32 V labiau anodinis – todėl jungiant abudu metalus susidaro natūrali galvaniška grandinė. Korozijai palankiose sąlygose cinkas tampa aukos anodu, kuris korozijai suteikiamas pirmiausia, taip apsaugodamas esamą plieną per elektronų perdavimą.

Apsaugos nuo pjūvių kraštų ir įbrėžimų dėka elektronų perdavimo

Cinkas toliau apsaugo plieną net jei danga pažeista. Vyksta tai, kad elektronai juda iš aplinkinio cinko link atskiro plieno paviršiaus, sukurdamas tam tikrą apsaugą nuo korozijos. Pagal 2023 m. NACE pateiktus naujausius duomenis, mažas 2 mm gylio įbrėžimas cinkuotame pliene po penkerių metų praranda apie 85 procentais mažiau medžiagos lyginant su įprastu neužtikrintu plienu. Apsaugos efektas trunka tol, kol šalia dar yra cinko, kuris gali tęsti savo funkciją.

Apribojimai aukštos varžos aplinkose, tokiomis kaip sausos arba rūgščios dirvos

Sausose dirvose, kurių varža viršija 5 000 Ω·cm, katodinė apsauga sumažėja 70 % dėl nepakankamos elektrolito laidumo (ASTM G162). Panašiai, labai rūgštingos sąlygos (pH > 12) sukelia pasyvumą, ant cinko susidaro nevaržomas sluoksnis, kuris sustabdo elektronų srautą ir palieka plieną pažeidžiamą duobelių korozijai.

Atvejo tyrimai: kada katodinė apsauga nepavyksta – korozija agresyviose rūgštingose sąlygose

2022 m. atlikto tyrimo metu buvo nustatyta, kad cinkuoto armatūros strypo, esančio betone su pH 13,5, cinkas nustojo tirpti per 18 mėnesių, o tai sukėlė plieno korozijos greitį 0,8 mm/metus – aštuonis kartus didesnį nei neutraliose aplinkose. Tokiais atvejais reikalingos papildomos apsaugos strategijos, tokios kaip epoksidiniai denginiai arba nerūdaujančių lydinių naudojimas.

Cinko karbonato patina: savisaugantis sluoksnis ilgalaikiam ilgaamžiškumui

Atmosferinės korozijos stadijos: nuo cinko oksido iki cinko hidroksido

Atmosferos poveikyje cinko paviršius greitai oksiduojasi, per 48 valandas susidarydamas ploną cinko oksido (ZnO) sluoksnį storio 2–4 μm, kaip nurodyta 2023 m. atmosferos reakcijų tyrimo metu. Esant drėgmei, jis virsta į cinko hidroksidą (Zn(OH)₂), kuriant sąlygas tolesnei stabilizacijai.

Palaipsniui vyksta virtimas į stabilų cinko karbonato patiną

Cinko hidroksidas palaipsniui reaguoja su atmosferos CO₂, virsta į tirpų cinko karbonatą (ZnCO₃). Vidutinei drėgmei (santykinė drėgmė 60–75 %), šis virsmas pasiekia 90 % baigtumo per šešis mėnesius. Gautas patinas yra tankus, cheminės prigimties stabilus ir gebantis savijau remontuotis, atsparumo išorėje bandymuose pranašumas siekia 8–12 metų lyginant su laikinais dengimo būdais, pvz., dažais.

Kaip patinas padidina ilgalaikę korozijos atsparumą

Cinko korozija pastebimai sulėtėja temperatuose regionuose, kur patina susidaro natūraliai. Tyrimai parodo, kad korozijos greitis sumažėja iki apie 0,1 mikrono per metus, kai bandymai atliekami simuliuotomis oro sąlygomis. Tai ypač svarbu dėl to, kaip apsauginis sluoksnis veikia net tada, kai pažeistas. Aplinkui esantis cinkas iš tikrųjų juda link bet kokių atskleistų vietų, apsaugodamas plieną perduodamas elektronus. Ši dviejų dalių apsaugos sistema reiškia, kad priežiūros išlaidos per 25 metų laikotarpį išlieka apie 92 procentais žemesnės nei įprastinio, visiškai be dengimo, plieno atveju.

Veiksniai, darantys įtaką patinos susidarymui (CO₂, drėgmė, teršalai)

Optimaliam patinos susidarymui reikia:

• CO₂ koncentracija : ≥ 400 ppm (tipiškas miesto lygis)
• Drėgmė : Kaitaliavimas tarp drėgnų ir sausų periodų (santykinė drėgmė 40–85 %)
• Žuvininkai : Sieros dioksidas žemiau nei 50 μg/m³

Jūros aplinkose su dideliais chloridų nuosėdų kiekiais (>1 000 mg/m²) patinos susidarymas vėluoja 18–24 mėnesius, o pramonės zonose rūgštus lietus (pH <4,5) gali sluoksnį ištirpinti anksčiau laiko.

Cinkuoto plieno našumas sudėtingose aplinkose ir realiose taikymo srityse

Chloridų jonų poveikis cinkuotam plienui jūros ir pakrančių zonose

Nors chloridų poveikis yra didelis, cinkuotas plienas gerai veikia jūros aplinkose. Cinko danga reaguoja su chloridais, susidaro cinko hidroksichloridas – apsauginis junginys, kuris sulėtina medžiagos ardymąsi. Eksploatacijos trukmė pakrančių zonose siekia 20–50 metų, kas žymiai viršija neapdoroto plieno 5–10 metų tarnavimo laiką panašiomis sąlygomis.

Atsparumo korozijai palyginimas: cinkuotas plienas, dažytas plienas ir nerūdijantis plienas

Cinkuota plienas išsiskiria palyginti su dažytu plienu, kuris linkęs greitai trupėti ir gali turėti požeminio korozijos problemų, arba nerūdijančiu plienu, kuris dažnai susiduria su duobėjimu, veikiamas chloridų. Cinkavimo procesas sukuria vientisą apsauginį sluoksnį, tvirtai surištą su metalo paviršiumi. Laboratorinių druskos purškimo bandymai parodo, kad šie dengiami sluoksniai paprastai tarnauja apie tris – penkis kartus ilgiau nei jų epoksidiniai dažyti atitikmenys. Nerūdijantys plieno lydiniai tikrai gerai atlaiko tam tikras chemines medžiagas, tuo nesiginčijama. Bet pažvelkime į skaičius: gamintojai dažniausiai turi mokėti nuo dviejų iki keturių kartų didesnę kainą už toną panašioms konstrukcinėms aplikacijoms. Tai daro didelį poveikį biudžeto planavimui daugelyje statybos projektų.

Atvejo analizė: cinkuoto plieno ilgaamžiškumas automagistralės infrastruktūroje

2023 m. analizuojant Floridos I-95 apsauginio barjero sijas buvo nustatyta tik 12 % paviršinio rūdžiavimo po 25 metų veikimo kelių druskomis, drėgme ir temperatūros kaita. Negalvanizuoti variantai turėjo būti pakeisti per 8–12 metų, kas parodo galvanizavimo ekonominę ir eksploatacines pranašumus transporto infrastruktūroje.

Vis didesnis naudojimas tvariąja statyba dėl mažų techninės priežiūros reikalavimų

Cinkuota plienas daugelyje vidutinės klimato zonos regionų tarnauja nuo 50 iki 75 metų, kas tikrai atitinka ilgalaikio priežiūros minimaliai reikalaujančių ir aplinkai draugiškų statybinių medžiagų kriterijus. Tai, kad šiems konstrukcijoms nereikia dažnai naujai dengti apsauginio sluoksnio, reiškia, jog laikui bėgant jos sukelia apie 40 procentų mažiau emisijų, palyginti su pastatais, kuriuos reikia reguliariai perdažyti. Žaliąją infrastruktūrą tiriantys gyvavimo ciklo tyrimai tai patvirtina gana nuosekliai skirtingose aplinkose. Kadangi cinkuotas plienas yra ilgaamžis ir gali būti perdirbtas kelis kartus, daugelis architektų jį nurodo savo LEED sertifikuotuose projektuose, kur jie nori rėmų sistemų, kurios po kelių dešimtmečių nesusidėvėtų.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Kokia yra plieno cinkavimo paskirtis?

Plieną cinkuojant jis padengiamas cinku, kad būtų užtikrinta ilgaamžė korozijos atsparumas, kas būtina išlaikant konstrukcijų ir įrangos vientisumą bei ilgą tarnavimo laiką.

Kaip cinkas taikomas plienui cinkavimo procese?

Cinkas padengiamas karštu panardinimu, kai plienas išvalomas, apdorojamas fluksu, panardinamas į lydytą cinką ir leidžiamas atvėsti, sudarydamas stiprią metalinę jungtį.

Kodėl cinkas apsaugo plieną net tada, kai danga yra subraižyta?

Cinkas veikia kaip aukojamasis anodas, toliau apsaugodamas plieną elektronų perdavimu, kuris apsaugo plieną nuo korozijos net tada, kai danga pažeista.

Ar cinkuotas plienas gerai veikia pakrantės zonose?

Taip, nepaisant didelio chlorido poveikio, cinko danga suformuoja apsauginius junginius, kurie sulėtina degradaciją, todėl pakrantės zonose tarnavimo laikas siekia 20–50 metų.

Kodėl cinkuotas plienas naudojamas tvariame statybe?

Jis naudojamas dėl ilgo tarnavimo laiko (50–75 metai), mažesnių techninės priežiūros reikalavimų ir mažesnio išmetamo kiekio, palyginti su kitomis medžiagomis, todėl yra idealus tvorų statybų projektams.