Выбор покрытия на крепеж

Выбор защитных покрытий для высокопрочных крепёжных изделий

Высокопрочный крепёж (болтокомплекты: болт, гайка и шайбы), применяемый для изготовления металлических строительных конструкций имеет ряд специфических особенностей, вытекающих из условий применения этого крепежа. Основными из них являются повышенные требования к надёжности и способность создавать расчётное предварительное натяжение при монтаже.

По сложившейся практике строительства мостовых сооружений устройство их монтажных соединений выполняется за счёт фрикционных сил, возникающих при обжатии монтажных поверхностей на расчётное усилие высокопрочными болтокомплектами. Расчёт фрикционных соединений ведётся согласно требованиям СНиП 2.05.03 «Мосты и трубы».

Расчётные усилия натяжения болтокомплектов достигаются с помощью контроля момента затяжки болтового соединения, рассчитываемого по значению коэффициента закручивания.

Поставка высокопрочных болтов и гаек на строительные площадки до настоящего времени осуществляется без защитных покрытий. Поэтому единственным способом защиты метизов от коррозии на период до монтажа является консервационная смазка, дальнейшее использование которой при затяжке крепёжных изделий в процессе сборки недопустимо из-за снижения усилия затяжки у смазанных болтов и растекания смазки по поверхности монтажных соединений, что приведёт к потере адгезии штатного лакокрасочного покрытия. В соответствии с СТП 006-97 для удаления консервационной смазки и загрязнений крепёжные изделия подвергаются перед монтажом мойке в горячих щелочных растворах с последующей смазкой в 10-20 % растворе масла в бензине. Срок хранения подготовленных таким образом болтокомплектов не превышает 10 суток. Отмеченные вспомогательные технологические операции затратны и трудоёмки для их выполнения в условиях строительной площадки, в особенности в зимнее время.

Для исключения указанных операций по предмонтажной подготовке крепёжных изделий целесообразно на заводском этапе изготовления метизов нанести на них защитные покрытия, к которым предъявляются следующие требования:
● покрытие должно сохранять защитную способность по крайней мере на период до их монтажа, включая транспортировку и хранение;
● толщина покрытия должна обеспечивать свободное навинчивание гайки на болт без предварительного обнижения резьбы, чтобы сохранить прочность резьбового соединения;
● покрытие должно обеспечить нормативное значение коэффициента закручивания в диапазоне Кзакр. = 0,11- 0,20;
● технология нанесения покрытия на крепёжные изделия не должна вызывать наводораживание стальной подложки крепежа, способствующее последующему непредсказуемому её охрупчиванию и разрушению.

Отдельно следует остановиться на защитных покрытиях для длительной противокоррозионной защиты крепёжных изделий, к которым можно предъявить следующие требования:
● покрытие должно сохранять защитную способность на длительный срок эксплуатации при воздействии различных агрессивных сред;
● обеспечить нормативное значение коэффициента закручивания в диапазоне Кзакр. = 0,11- 0,20;
● технология нанесения покрытия, не должна требовать обнижения резьбы;
● технология нанесения покрытия на крепёжные изделия не должна вызывать наводораживание стальной подложки крепежа, способствующего последующему непредсказуемому её охрупчиванию и разрушению.

Практика применения защитных покрытий для крепёжных изделий показала, что наилучшим средством для их противокоррозионной защиты является цинкование. Однако при применении данного вида покрытия из технологического процесса оцинковки следует исключить операцию по подготовке стальной поверхности путём кислотного травления, т.к. оно способствует процессу наводораживания стали. По этой причине гальваническое покрытие не может быть применено для защиты высокопрочных крепёжных изделий. Горячее цинковое покрытие может быть применено с условием применения технологии, исключающей риск наводораживания.

Следует также отметить, что применению высокопрочного крепежа, оцинкованного горячим методом, препятствует значительная толщина покрытия, не позволяющая наносить его на болтокомплекты с допусками резьбового соединения 6g/6H. В связи с этим при применении крепёжных изделий с горячецинковым покрытием приходится ослаблять допуск на наружный диаметр резьбы. Во вступающих в действие с июля 2015 г. ГОСТ 32484.1÷32484.6-2013 «Болтокомплекты высокопрочные для предварительного натяжения конструкционные» предусмотрено поле допуска резьбы гаек 6az для применения их в болтокомплектах с горячим цинковым покрытием. При этом резьба на гайке нарезается, когда на заготовку уже нанесено горячецинковое покрытие. Только при таких условиях применение горячего цинкового покрытия оправдано для длительной противокоррозионной защиты высокопрочных крепёжных изделий.

Горячему цинковому покрытию конкурентом может только быть термодиффузионное цинковое (ТДЦ) покрытие соответствующей толщины. Следует, однако, заметить, что для крепёжных изделий с горячецинковым покрытием и ТДЦ покрытием характерны неприемлемо завышенные значения коэффициента закручивания, в результате чего при затяжке в болтах не достигается нормативный уровень усилия натяжения. Указанную проблему решает применение антифрикционных покрытий, известных как «дуплекс-системы».

При этом подчеркнём, что, в отличие от мостостроения, в строительстве, машиностроении и судостроении широко применяется высокопрочный крепёж с горячецинковым покрытием в пределах прав и ответственности, определяемых проектной документацией и законом.

Из имеющихся видов цинкования для противокоррозионной защиты высокопрочных болтокомплектов наиболее целесообразно применение термодиффузионного цинкования 2 или 3 классов и цинкнаполненных лакокрасочных покрытий ламельного типа (рис. 1). Оба метода предполагают применение при подготовке поверхности метизов под покрытие лёгкого абразивно-струйного бластинга для удаления продуктов коррозии и окисной плёнки, возникшей в процессе их изготовления, что исключает необходимость его кислотного травления.

ТДЦ покрытие Ламельное покрытие

Рис. 1. Высокопрочные болты с разными покрытиями:
а) болт с ТДЦ покрытием;
б) болт с ламельным покрытием

Существующее уже более 100 лет ТДЦ покрытие традиционно выполняется по следующей технологии: цинкуемые детали помещаются в реторту с порошковой смесью, состоящей из порошкового цинка, глинозёма и активатора (хлористого аммония или активированного угля). Путём радиационного нагрева реторта прогревается до температуры плавления цинка (420 oС), и за счёт температурной диффузии атомы цинка из твёрдой и паровой фазы внедряются в кристаллическую решётку железа. В свою очередь активные атомы железа движутся в сторону цинка. В результате этого процесса образуется интерметаллидное покрытие Zn-Fe, состоящее из нескольких слоёв-фаз. Первый, собственно диффузионный α-слой толщиной 10-12 мкм, представляет собой твёрдый раствор цинка в железе, содержащий до 4,5 % Zn. За счёт него последующие слои прочно закрепляются на стальной основе. Следующий Г-слой как раз и обеспечивает диффузию цинка и железа во встречных направлениях. Г-слой толщиной 4-5 мкм содержит до 28 % железа и очень хрупкий. Поверх этих слоёв образуется также интерметаллидный δ-слой, имеющий столбчатую структуру и содержащий кроме цинка от 11.5 до 7 % железа. Именно он за счёт большего содержания цинка начинает выполнять протекторные (защитные) свойства для стали. Поскольку это интерметаллид, он имеет высокую микротвёрдость (до 4800 МПа) по сравнению с чистым цинком, имеющим микротвёрдость не более 900 Мпа. Толщина δ-слоя составляет 30-40 мкм. Затем при более длительном нагреве (более 3 ч) образуется ζ-слой, представляющий почти чистое цинковое покрытие, имеющее микротвёрдость, сопоставимую с цинком, и обеспечивающее наиболее высокие защитные свойства. Толщина ζ-слоя в зависимости от выдержки в печи может достигать 40 и более мкм. Таким образом, хорошую защитную способность ТДЦ покрытие на крепеже может иметь при общей толщине не менее 30-40 мкм. Указанная толщина покрытия ТДЦ вписывается в величину общего межрезьбового зазора между резьбовыми поверхностями болта и гайки с допуском 6g/6H, который для наиболее распространённого типоразмера мостовых высокопрочных метизов М22 составляет 113 мкм, что не мешает свинчиваемости указанного резьбового соединения при условии достаточной пластичности цинкового покрытия.

Загрузка реторты ТДЦ покрытия Охлаждение реторты ТДЦ покрытия

Рис.2. Установка для нанесения ТДЦ покрытия:
а) загрузка реторты, вмещающей 1,2 т крепёжных изделий, в печь;
б) охлаждение реторты после выполнения цинкования.

Среди достоинств метода ТДЦ следует назвать следующие:
● детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому процесс диффузионного цинкования экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений;
● получаемое покрытие не имеет пор и за счёт диффузионного слоя в виде твёрдого раствора цинка в железе имеет прочную адгезионную связь со стальной подложкой;
● защитная способность покрытия в 2-4 раза выше, чем у гальванических и несколько выше, чем у горячецинковых покрытий;
● диффузионный цинк покрывает детали равномерным слоем без наплывов, точно повторяя профиль цинкуемой поверхности, включая глухие отверстия, элементы сложной конфигурации, щели, полости, резьбу и т.п.;
● отходы производства не требуют захоронения.

В то же время традиционный способ ТДЦ с использованием радиационного нагрева имеет следующие недостатки:
● невозможность получения качественного покрытия при толщинах покрытия менее 30 мкм из-за высокого содержания в верхних слоях интерметаллида цинка с железом, что вызывает высокую микротвёрдость покрытия, а, значит, и высокое значение коэффициента закручивания;
● относительно небольшая производительность метода ТДЦ, лимитируемая объёмами реторт для цинкования и длительностью прогрева реторты с порошковыми смесями и цинкуемыми деталями;
● значительный расход электроэнергии и цинкового порошка, выгорание цинка при радиационном нагреве;
● необходимость наличия массивного металлоёмкого теплоизолированного корпуса печи.
Исходя из указанных недостатков, более рационально для цинкования высокопрочных крепёжных изделий применить новый способ ТДЦ – с индукционным нагревом, который позволяет:
● получить по всей площади цинкуемой поверхности равномерное гомогенизированное защитное покрытие требуемой толщины с высокой коррозийной стойкостью, как содержащее до 98 % цинка;
● сократить время цинкования с 2,5 ч до 5-20 минут, т.е. в 12-48 раз быстрее;
● сократить в 2 раза расход цинкового порошка для покрытия поверхности металлоизделий за счёт уменьшения степени выгорания цинка;
● сократить в 4 раза расход электроэнергии за счёт уменьшения длительности производственного цикла цинкования;
● сохранить при цинковании резьбовых соединений геометрию, профиль и диаметр резьбы;
● восстанавливать цинковое покрытие в случае его повреждения путём проведения повторного цинкования;
● существенно сократить капитальные вложения на создание промышленной установки, использующей предлагаемый способ ТДЦ, по сравнению с установкой, выполненной по традиционному способу.

В настоящее время имеется опытно-промышленная установка для оцинковки деталей методом ТДЦ с индукционным нагревом, имеющая рабочую камеру диаметром 300 мм и длину 4 м. Производительность такой установки до 30 кг метизов в час.

Альтернативой вышеперечисленным методам защиты крепёжных изделий может служить цинк-алюминиевое ламельное покрытие типа Dacromet или Delta. Это фактически лакокрасочные покрытия, наполненные чешуйчатыми частицами цинка и алюминия толщиной не более 10-15 мкм, имеющие прекрасные декоративные свойства (серебристый цвет) и долговечность не менее двух лет – на весь период транспортировки и хранения метизов до выполнения монтажных операций. Технология нанесения ламельного покрытия исключает вероятность наводораживания, т.к. при его применении нет контакта с кислотами. Суспензия основы покрытия наносится на изделия в три слоя методом их окунания в центрифуги, наполненные суспензией, и последующей сушки в течение 5-10 минут в проходных печах при температуре 200 и 300 оС. Диффузии цинка в стальную подложку при этом не возникает.

Как показали наши исследования, покрытия и ТДЦ, и Dacromet для обеспечения по условиям сборки монтажных поверхностей мостовых конструкций требуемого значения коэффициента закручивания (в диапазоне Кзакр. = 0,11 – 0,15) предполагают применение специальных смазок на полимерной основе. В этом случае возникает проблема совместимости этих смазок со штатными лакокрасочными покрытиями для мостовых конструкций. Поставщики лакокрасочных материалов (ЛКМ) в этом случае не дают гарантии по стойкости штатных покрытий в узлах болтовых соединений.

Перспективным было бы формирование на высокопрочных болтах покрытия, обеспечивающего одновременно необходимый коэффициент закручивания (0,11 – 0,15), антикоррозионную защиту и совместимость с покровными ЛКМ. Универсальное покрытие решало бы сразу несколько проблем по разным направлениям: исключение предмонтажной подготовки крепёжных изделий, обеспечение необходимой долговечности противокоррозионной защиты, обеспечение требуемых усилий обжатия крепёжных изделий, что вызвало бы обоюдный интерес и у изготовителей высокопрочных метизов и в мостостроительных организациях. В качестве такого универсального покрытия видится ламельное цинкнаполненное покрытие со смазками на полимерной основе.