Zincatura

La zincatura è un processo chimico industriale di protezione contro la corrosione (corrosione galvanica), in cui viene applicato un rivestimento di zinco su un manufatto metallico, ostacolando la formazione di micro-celle lettrolitiche ad azione anodica nei bordi di grano.

La zincatura garantisce una lunga durata contro gli agenti atmosferici, senza necessità di manutenzione periodica. Il manufatto zincato al termine della sua vita utile è completamente riciclabile (Life Cycle Assesment).

Inoltre, rispetto ad altri trattamenti di protezione come la verniciatura, il processo di zincatura è più economico; infatti il quantitativo di manutenzioni e di interventi necessari per proteggere e conservare efficiente un pezzo d’acciaio verniciato determinano costi e rischi di usura decisamente maggiori rispetto al costo della zincatura. L’azione dello zinco non avviene soltanto a livello superficiale, ma anche grazie quella differenza di potenziale fra zinco e ferro: la protezione elettrochimica preserva l’acciaio dalla corrosione anche in presenza di microfratture della superficie di zinco.

Processi e metodi di zincatura

I principali processi di zincatura vengono effettuate secondo queste metodologie:

  • zincatura a caldo e a caldo continua;
  • zincatura a freddo: zincatura elettrolitica;
  • zincatura a spruzzo.

Zincatura a caldo

La zincatura a caldo si ottiene con l’immersione di manufatti in acciaio in un bagno di zinco fuso tenuto mediamente alla temperatura di 450 °C. Tale processo può essere suddiviso nelle seguenti fasi, separate una dall’altra:

  • sgrassaggio, decapaggio (pre-trattamento della superficie per asportare impurità e strati di ossido): ottenuti con tensioattivi e acido cloridrico.
  • flussaggio: immersione in soluzione di ammonio cloruro e zinco cloruro;
  • zincatura: immersione, dopo preriscaldamento a 100 °C, in vasca di zinco fuso a 450 °C per il tempo necessario a che l’acciaio raggiunga la stessa temperatura dello zinco. In questa fase, si sviluppa sulla superficie di acciaio uno strato di rivestimento per reazione intermetallica tra la fase solida e la fase liquida (tra zinco e ferro dell’acciaio). Lo zinco diffonde all’interno della superficie dell’acciaio, formando una serie di leghe zinco/ferro a tenore di zinco crescente verso l’esterno.
  • raffreddamento: in aria od in acqua a cui può seguire un trattamento di passivazione.

Sgrassaggio

Il pre-trattamento inizia con dei bagni di sgrassaggio per eliminare oli (refrigeranti, antiossidanti, lubrificanti) e grassi deposti sulla superficie durante la produzione e l’assemblaggio dei manufatti in acciaio.

I bagni di sgrassaggio alcalini contengono idrossido di sodio, carbonati, fosfati, silicati, tensioattivi superficiali che rimuovono l’olio ed i grassi dalla superficie del metallo attraverso l’emulsione. La concentrazione, la temperatura del bagno e il tempo di immersione dei pezzi determinano l’efficienza del bagno di sgrassaggio. Il normale intervallo di temperature di esercizio per bagni di sgrassaggio riscaldati è 30÷70°C. I bagni possono avere diversa composizione. Indicativamente, possono consistere di una soluzione di idrossido di sodio 1÷10%, con l’aggiunta di altri reagenti alcalini come soda, silicato di sodio, fosfati alcalini condensati e borace nonché specifici tensioattivi, agenti di emulsione e di dispersione.

Al trattamento di sgrassaggio alcalino segue un lavaggio per evitare il trascinamento di sostanze alcaline all’interno dei bagni di decapaggio acido. In tal caso, infatti, gli agenti di sgrassaggio alcalini, con la loro azione neutralizzante, ne abbrevierebbero il tempo di utilizzo.

I bagni di sgrassaggio acidi sono ottenuti a partire da acidi inorganici forti (come acido cloridrico e/o acido fosforico) diluiti con additivi, emulsionanti ed inibitori della corrosione. Gli agenti dello sgrassaggio acido formano di solito emulsioni di olio stabili, che possono creare qualche difficoltà nella manutenzione del bagno per la loro scrematura e separazione. Nel loro utilizzo c’è, tuttavia, un certo vantaggio, consistente nella possibilità di omissione del successivo step di lavaggio con conseguente riduzione del consumo di acqua.

L’energia necessaria per determinare il riscaldamento dei bagni alla temperatura di esercizio proviene da olio combustibile o da gas, a seconda delle condizioni locali di ogni impianto. In molti casi, i sistemi di sgrassaggio vengono riscaldati tramite il recupero di calore dai fumi esausti del forno di zincatura, mediante serpentine per lo scambio di calore. La durata massima di attività della soluzione sgrassante è di solito di circa 1-2 anni ma, in taluni casi particolari, può superare i 5 anni.

Decapaggio

Il successivo step di pre-trattamento consiste nel decapaggio in acido, che serve a rimuovere incrostazioni, ossidi e ruggine eventualmente presenti sui pezzi da sottoporre a zincatura. L’agente di decapaggio più utilizzato è l’acido cloridrico diluito, ma è possibile anche l’uso di altri acidi inorganici come l’acido solforico e, in casi molto particolari, l’acido fluoridrico (ad esempio, per il decapaggio delle ghise). Un impianto di zincatura generale di solito comprende una serie di bagni di decapaggio con concentrazione di acido variabile. L’acido cloridrico normalmente viene acquistato in soluzione al 28÷33% circa e diluito fino al 12÷16%. Per prevenire un decapaggio eccessivo dei pezzi d’acciaio e per proteggere le vasche, si aggiungono al bagno inibitori di decapaggio che diminuiscono l’aggressività nei confronti del metallo. Si possono utilizzare anche inibitori di evaporazione. Durante l’esercizio delle vasche il contenuto di ferro del bagno di decapaggio aumenta mentre la quantità di acido libero diminuisce, rendendo necessario il rabbocco occasionale del bagno, attraverso l’aggiunta di acido fresco. Il decapaggio diviene impossibile in presenza di concentrazioni eccessive di FeCl2, ma di solito il bagno di decapaggio viene sostituito o rigenerato prima di raggiungere questa condizione. Il decapaggio presso l’impianto con sezione di pretrattamento aperta viene effettuato a temperatura ambiente. In tal caso, il consumo medio di acido è di circa 20 kg per tonnellate di prodotto, ma è molto variabile in funzione delle condizioni superficiali dell’acciaio: un intervallo realistico è 10÷40 kg/ton.

Per temperature superiori a quella ambiente (ma non oltre i 40 °C), è possibile l’applicazione dei sistemi a tunnel chiuso, in cui le vasche di pretrattamento sono racchiuse in uno spazio più o meno isolato, a costituire una sorta di cappa aspirante. L’uso di questi sistemi riscaldati rende possibili tempi di trattamento minori e richiede una minore quantità di acido. Inoltre, innalzando la temperatura del bagno di decapaggio, si può renderne possibile l’uso a concentrazioni relativamente alte di FeCl2, ad esempio 175÷200g/l con il bagno a 35°C. Uno svantaggio è dato dal fatto che le emissioni ed i vapori generati dalle vasche di acido sono maggiori in termini relativi e, quindi, sono raccolti e, in alcuni casi, purificati da apparecchiature di abbattimento adeguate.

Il lavaggio post-decapaggio è uno stadio molto importante nel processo di zincatura, dal momento che prolunga la vita dei bagni di trattamento successivi, riduce la produzione di rifiuti e incrementa il riutilizzo dei sottoprodotti. Dopo lo sgrassaggio ed il decapaggio, l’acciaio assemblato viene lavato-immerso in bagni d’acqua, che talvolta vengono riscaldati. Il lavaggio ha lo scopo di impedire il trascinamento di acido, ferro e sali di ferro dal decapaggio all’interno dei bagni di flussaggio ed oltre, fino alla vasca di zincatura. L’effetto del trascinamento del ferro dissolto consisterebbe in un incremento della generazione di mattes e, conseguentemente, in aumento di consumo di zinco, a parità di spessore di rivestimento applicato sui pezzi.

Flussaggio

Il flussaggio rappresenta uno stadio di processo peculiare per la zincatura a caldo. Per capire a cosa serve realmente il flussaggio occorre osservare ciò che accade nella vasca di zincatura durante la successiva fase di immersione: nello zinco fuso, a temperature superiori a 200°C, il cloruro di ammonio del flussante si decompone in ammoniaca (NH3) e acido cloridrico (HCl), il quale produce un effetto di decapaggio aggiuntivo e elimina l’ ossido che residua eventualmente dalla fase di decapaggio o che si forma nel tragitto sui pezzi verso la vasca di zincatura.

Inoltre, i sali di flussaggio abbassano la tensione superficiale nel bagno, consentendo una migliore bagnabilità tra zinco fuso e superficie di acciaio. Nel caso della zincatura a secco, il sottile film di sali (cloruro di zinco in particolare) contribuisce a proteggere dall’ ossidazione la superficie metallica dell’ acciaio, finché il manufatto non viene immerso nello zinco fuso, preservando le parti ad alta temperatura, non ancora immerse, dalle interazioni con l’ atmosfera. Questo è particolarmente importante quando il tempo di essiccazione è lungo.

La concentrazione totale di sali di flussaggio (la somma di cloruro di zinco, cloruro di ammonio e sale doppio) e il rapporto tra cloruro di zinco e cloruro di ammonio sono entrambi molto importanti. Il cloruro di ammonio in un buon bagno di flussaggio, spesso rappresenta il 40÷60% del sale di flussaggio. Il cloruro di ammonio assicura una veloce essiccazione ed una migliore rimozione degli ossidi di ferro dalla superficie dei pezzi, ma provoca anche più fumo, schiumature (ceneri) e mattes durante il processo di rivestimento. Quando il pretrattamento dei manufatti è insufficiente occorre una maggiore quantità di cloruro di ammonio. Nella zincatura a secco la vasca di flussaggio viene mantenuta alla temperatura di 25÷50 °C. Il valore del pH dei bagni di flussaggio è normalmente tenuto approssimativamente a 4,5. Il pH del bagno di flussaggio può comunque variare tra 1 e 5. Onde non riscontrare variazioni di acidità, in alcuni casi, si utilizzano sali costituenti un sistema tampone. Si può riscontrare l’ uso di additivi che servono a conferire una maggiore bagnabilità e fluidità al sale doppio, ottenendo una maggiore scorrevolezza del sale ed un migliore comportamento durante l’ immersione nella vasca dello zinco fuso. In genere, il bagno di flussaggio viene tenuto in condizioni ottimali attraverso impianti di rigenerazione in continuo.

Per la realizzazione di questa fase vi sono due diverse soluzioni tecnologiche:

  1. a secco: il processo di gran lunga più utilizzato, i manufatti vengono immersi in una soluzione flussante costituita da sali quali il cloruro di zinco (ZnCl2), il cloruro di ammonio (NH4Cl) e sali doppi del tipo ZnCl2·NH4Cl·2H2O (in soluzione è, talora, presente anche una piccola quantità di potassio cloruro – KCl – che limita l’ emissione di fumi), in modo tale che la concentrazione dei sali della soluzione si porti ad un valore ottimale. La zincatura a secco prevede necessariamente la fase successiva di essiccazione e preriscaldamento.
  2. ad umido: gli stessi agenti di flussaggio formano uno strato di sale fuso, più o meno spesso, galleggiante sulla superficie del bagno di zincatura. Le parti in acciaio da zincare vengono fatte passare attraverso lo strato di flussante all’ interno del bagno di zinco. Ad immersione ultimata (dopo la reazione metallurgica dello zinco con il ferro), lo strato di sale fuso viene spostato dalla superficie del bagno e raccolto da un lato per mezzo di palette, per permettere l’ estrazione dal bagno di zinco senza ulteriore contatto con il flussante. In questo caso non è necessario eseguire una fase di essiccazione e preriscaldamento. Questo sistema è vetusto e destinato a cadere in disuso, perché non consente una produttività ottimale della vasca di zincatura.

Zincatura elettrolitica

La zincatura elettrolitica si differenzia dagli altri tipi di zincatura in quanto più che di un rivestimento di zinco si tratta di un vero e proprio processo di verniciatura: con questo procedimento, infatti, si va ad applicare sul pezzo una speciale vernice a base di resine sintetiche, contenente anche zinco.

La zincatura elettrolitica a freddo fa parte dei trattamenti galvanici finalizzati a offrire la giusta protezione catodica a componenti metallici di vario tipo, garantendo una migliore resistenza alla corrosione e agli agenti esterni. In particolare, tuttavia, la zincatura per elettrolisi a freddo è consigliata per i materiali ferrosi: qui, infatti, lo zinco esplica al meglio il suo effetto di protezione catodica, corrodendosi per primo e impedendo che il ferro venga danneggiato.

Nel processo di zincatura elettrolitica il materiale da trattare viene adeguatamente sgrassato e preparato per poi essere immerso in una soluzione elettrolitica, acida o alcalina, contenente sali di zinco. Viene infine creato un passaggio di corrente tra il pezzo e la soluzione che fa depositare lo zinco metallico sulla superficie del pezzo stesso. Dopo la zincatura il particolare trattato entra in un bagno di passivazione che crea un film sottile protettivo che, una volta asciugato, aumenta la resistenza alla corrosione atmosferica e ne migliora l’aspetto. È possibile applicare un ulteriore sigillante post-passivazione per incrementare resistenza alla corrosione e scorrevolezza. L’aspetto estetico è di tipo metallico e la colorazione dipende dalla passivazione applicata dopo lo strato di zinco.

Il trattamento può avvenire con un ciclo a telaio o rotobarile in caso di minuterie: la valutazione viene in genere fatta dal cliente in base alle necessità tecniche ed estetiche. Allo stesso modo viene valutato il tipo di passivazione necessaria. La zincatura elettrolitica a freddo permette un controllo di riporto a livello micrometrico, un buon risultato estetico e un ottimo rapporto di qualità e prezzo. Un ulteriore vantaggio del trattamento è la sua reversibilità: può essere rimosso e applicato nuovamente senza compromettere alcuna caratteristica del substrato.

I materiali da trattare possono spaziare da qualsiasi lega ferrosa fino ad alluminio od ottone rendendo il rivestimento abbordabile quindi da qualsiasi settore merceologico implicato nell’utliizzo dei metalli. Carpenteria, imballaggio, oleodinamica, automotive sono solo alcuni esempi di settori che ne fanno ampio utilizzo.

La zincatura elettrolitica è uno dei trattamenti galvanici maggiormente indicati e particolarmente efficaci in tutte quelle condizioni climatiche considerate “difficili”, come per esempio negli ambienti industriali o marini. Inoltre può essere utilizzata anche come fondo, sfruttando così le eccellenti proprietà antiossidanti del metallo, a cui segue una seconda mano di finitura con smalto colorato. Fra le diverse tipologie di zincatura, infine, quella elettrolitica è uno dei trattamenti a minor impatto ambientale.

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