Новые сплавы для защиты от коррозии: преимущества, недостатки, коррозионная стойкость и особенности нанесения.

В марте 2025 г. в Москве прошла 20-я Международная конференция «Оцинкованный и окрашенный прокат: тенденции производства и потребления», которая уже 20 лет собирает профессионалов рынка для обсуждения мировых и российских тенденций развития этого вида металлопродукции. В связи с замедлением роста мировой экономики появились новые факторы, влияющие на спрос и предложение сталей с покрытиями: стало важно, какими эксплуатационными характеристиками обладает поставляемый прокат и насколько у него привлекательный внешний вид.

Эти и другие вызовы, стоящие перед отечественными производителями оцинкованного и окрашенного проката, послужили причиной для проведения еще одной Международной конференции – «Оцинкованный и окрашенный прокат: технология, оборудование, материалы».

В конференции приняли участие представители ведущих предприятий и компаний отрасли: Новолипецкого металлургического комбината, Северстали, Ташкентского металлургического завода, Челябинского цинкового завода, компаний Техностиль колор премиум, Профсталь, Казанские стальные профили, Интерхиммет, ОрелМеталПолимер, НПК ЯрЛи, НПО Процесс, ЦНИИПСК им. Мельникова, а также аналитики ИИС «Металлоснабжение и сбыт» и Центра по развитию Цинка.

Как следует из названия конференции, она затрагивает не рынок, а вопросы, касающиеся новых сплавов для защиты от коррозии и декоративных покрытий, в частности их преимущества, недостатки, коррозионную стойкость и особенности нанесения. На мероприятии также рассматривались оптимизация технологического процесса нанесения цинкового, полимерного и лакокрасочного покрытий, использование расходных материалов, подготовка поверхности, окраска, новые цинковые сплавы для непрерывного цинкования, нормативная документация и прочее.

Почему это стало актуально именно сейчас, ведь за 25 лет бурного роста этого сегмента подобные вопросы в нашей стране решались в рабочем порядке? Прекрасные защитные свойства оцинкованной стали способствовали неуклонному росту ее применения во всех областях человеческой деятельности: в строительстве, бытовой технике, автомобилестроении и др.

Все очень просто: развитие промышленности, загрязнение атмосферы, ужесточение мер регулирующими органами, вводящими более строгие меры по сохранению ресурсов и энергии, рост цен на цинк, желание снизить вес и толщину покрытия, а также выход на первое место темы «устойчивого развития» (сохранение ресурсов для будущих поколений) и «зеленая» повестка (сохранение и защита окружающей среды) привели к повышению требований к оцинкованному и окрашенному прокату. Например, в автомобилестроении резко снизился уровень допустимых выбросов СО2, что привело к снижению веса автомобилей и сокращению потребления топлива, но вместе с тем возросли требования к безопасности и сроку их службы. Повысились также требования к оцинкованному и окрашенному прокату и усилилась конкуренция на этом рынке с дешевыми предложениями из развивающихся стран и Китая. Теперь недостаточно производить оцинковку, необходимо, чтобы продукт превосходил конкурентов по максимальному числу параметров и не был дорогим в производстве.

Это привело к увеличению спроса на сталь, обладающую лучшей коррозионной стойкостью, чем традиционная оцинкованная сталь, а также лучшей штампуемостью и недорогим производством. Было предложено использовать более тонкий прокат из высокопрочных сталей, а для увеличения срока службы стали начали экспериментировать с новыми добавками в расплав цинка. Эксперименты начались еще в 1980-х годах: появились очень перспективные сплавы и технологии с добавлением в цинк алюминия, затем пытались отказаться от цинка вообще. В результате, в 2010 г. появилось решение, которое устроило всех. Однако рассмотрим ситуацию последовательно.

Покрытия на основе чистого цинка удовлетворяют требованиям защиты от коррозии в обычных условиях эксплуатации, но не в агрессивных средах, например, в морских, где влажность сочетается с высокой концентрацией хлорида натрия. С целью повышения коррозионной стойкости в цинк предлагалось добавлять различные легирующие элементы: алюминий, магний, кремний, сурьму, медь, олово, никель и др. Алюминий наиболее часто используется в качестве легирующей добавки в ванну цинкования, поскольку значительно повышает коррозионную стойкость покрытия. В конце прошлого века были разработаны два новых перспективных покрытия: в 1970 г. — Galvalume® (Zn-55Al), в 1980 г. — Galfan® (Zn-5Al).

Galvalume® — это покрытие, содержащее примерно 55% алюминия и 1,5% кремния, который добавляется с целью предотвращения экзотермической реакции на границе раздела покрытие/стальная подложка. Поверхность Galvalume® имеет характерный узор кристаллизации.

Galfan® — это цинковое покрытие с 5% алюминия, которое близко к эвтектической точке, имеет превосходную формуемость и защиту от коррозии. Сообщалось также о двух добавках к эвтектике: лантане и церии (до 0,5%), и магнии (0,5%). Добавки улучшают смачиваемость расплава в ванне, не снижая коррозионную стойкость покрытия.

С технологической точки зрения меняются операционные параметры цинкования стали, микроструктура получаемых покрытий и характеристики их коррозионной стойкости. Однако для широкого применения этих сплавов существовало много препятствий, в первую очередь технологического характера.

Если говорить о Galvalume®, то его расплав более агрессивен к погружному оборудованию, чем цинковый, что приводит к еженедельным остановкам линии для его замены. А повышенная по сравнению с цинкованием рабочая температура расплава (590—610C) делает процесс его нанесения существенно дороже.

Покрытие Galfan® обладает хорошими эксплуатационными характеристиками: сочетает высокую коррозионную стойкость и способность выдерживать большие деформации без образования трещин. Это позволяет существенно улучшить характеристики проката с полимерным покрытием и расширить области его применения: изготовление бытовой техники, стеновых панелей, изоляции газо- и нефтепроводов и др., где необходима долговременная защита от коррозии. Но и в этом случае возникают сложности: меняются температура входа полосы в ванну, температура и состав расплава в ванне и скорость охлаждения (для Galfan® — ~430C и не ниже 20C в секунду), на финише передела обязательна «дрессировка» полосы перед нанесением полимерного покрытия.

Благодаря преимуществам этих покрытий открылись новые ниши на рынках сбыта и появились свои потребители. Однако убедить производителей сделать однозначный выбор в пользу новых сплавов не удавалось: издержки производства не гарантировали 100%-ный успех при переходе на новые типы покрытий, несмотря на их преимущества.

Серьезный прорыв случился в 2007 г., когда появились листы с новыми покрытиями на основе сплавов Zn-Al-Mg.

В рамках работы, направленной на снижение расхода топлива, автомобилестроители перешли на деформационно стареющие стали, обеспечивающие требуемые параметры безопасности при меньшей толщине листа. Штамповка кузовных деталей автомобиля при 900 C безвозвратно разрушает защитное цинковое покрытие, поэтому использовалось прочное барьерное покрытие на основе Al-Si, но оно, к сожалению, не обеспечивало катодной защиты. Покрытие системы Zn-Al, в свою очередь, более устойчиво к высоким температурам, чем чисто цинковое, но оказалось, что покрытие Zn-Al-Mg еще более жаростойкое и, в отличие от цинкового, не налипает на инструмент при штамповке, что весьма важно для автомобилестроения. Наиболее известными для автомобильной промышленности стали покрытия системы Zn-Al-Mg. Внедрение этих сплавов происходило в момент очередного подорожания цинка, поэтому снижение его содержания в покрытии, уменьшение толщины и веса покрытия стали первоочередными задачами разработчиков новых сплавов. Удельный вес алюминия и магния составляет 2,7 и 1,74 г/см3 соответственно, цинка — 7,14 г/см3. Например, расход цинка для полосы толщиной 0,8 мм, толщина покрытия у которой равна 20 мкм на сторону, составляет 36,4 кг/т, а расход сплава Zn-5%-Al-3%-Mg с удельным весом 6,1 г/см3 — 31,1 кг/т. Таким образом, экономия цинка составляла примерно 5,3 кг на тонну готового листа. Практика показала, что вес нанесенного цинк-алюминий-магниевого покрытия на 30% ниже, чем у обычных цинковых и цинк-алюминиевых покрытий.

Успешными оказались также испытания покрытий цинк-алюминий-магний на коррозионную стойкость. У этих покрытий стойкость к коррозии в 10—20 раз выше по сравнению с чисто цинковыми покрытиями и в 2—5 раз — по сравнению с цинк-алюминиевыми. Магний и алюминий в слое покрытия объединяются, образуя тонкую, плотно прилегающую коррозионностойкую защитную пленку. Эта тонкая поверхностная структура подавляет коррозию покрытия, эффективно повышая общую коррозионную стойкость системы «цинк-алюминий-магниевое покрытие/сталь». Кроме того, покрытие имеет более высокую твердость и лучшую устойчивость к царапинам, чем обычный стальной лист, оцинкованный обычным сплавом.

Привлекательно и то, что, изменяя состав расплава (что технологически проще, чем переход на другой сплав), в зависимости от концентрации можно получать лист различного назначения. Так, малолегированные покрытия (с содержанием, условно, 1,5—2% магния) для последующей окраски подходят для автомобильной или бытовой техники, среднелегированные (3% магния) — для строительства или отдельных автомобильных деталей, а покрытия, содержащие 5% магния и более, могут использоваться в крайне агрессивных средах, например, в прибрежных районах.

Таким образом, использование цинк-алюминий-магниевых покрытий позволит существенно расширить области их применения, заменив нержавеющие стали и алюминиевые сплавы. Такие покрытия можно назвать ресурсосберегающим продуктом, поскольку они долговечны, обладают отличной коррозионной стойкостью при относительно небольшом весе, требуют меньшего использования ценных ресурсов и снижают воздействие на окружающую среду.

Преимущества цинк-алюминий-магниевого покрытия обеспечивают обширный и устойчивый рынок сбыта при сравнительно небольшой себестоимости. Однако существует много вопросов в отношении технологий и практики производства, а также несовершенства отечественных нормативных документов, не позволяющих применять такие покрытия в нашей стране. Именно эти проблемы обсуждали специалисты на 2-й Международной конференции «Оцинкованный иокрашенный прокат: технология, оборудование, материалы».

Помимо чисто технических вопросов о практике применения, внедрения и производства новых цинковых покрытий типа Zn-Al-Mg, много внимания уделялось и другим актуальным проблемам отрасли, в частности белой коррозии, являющейся причиной споров между производителями и потребителями оцинкованного проката. Состоялась дискуссия относительно природы ее образования, причин, способов борьбы и предотвращения ее появления. Особое внимание участники обратили на практику применения нормативной документации при работе с рекламациями на прокат с белой коррозией, а также на примеры ответов потребителям. Отмечалась потребность в создании единого нормативного документа, где конкретизировалась бы ответственность и проводились меры по предотвращению образования белой коррозии и борьбе с ней.

На конференции также подробно обсуждалась возможность упрощения внесения изменений в существующие стандарты (в частности, в СП 28) для быстрого внедрения в строительную и инженерную практику новых сплавов для цинкования. Дело в том, что практически все нормативные документы приводят данные о коррозионной стойкости чисто цинкового покрытия, в то время как новые типы антикоррозионных покрытий по стойкости в агрессивной среде на порядок превосходят цинковые. В соответствии с нормами, проектировщики закладывают избыточную толщину конструкций, снижают нормативные сроки эксплуатации или предлагают дополнительные меры защиты, что, в свою очередь, приводит к удорожанию проектов, переоценке коррозионного воздействия на конструкцию и, соответственно, к лишним расходам при строительстве.

По итогам дискуссии было принято решение о подготовке специалистами НКП «Центр по развитию Цинка» и ЦНИИПСК им. Мельникова проекта дорожной карты по проведению сравнительных испытаний и получению корреляционных коэффициентов, которые позволят «узаконить» и использовать инновационные покрытия.

Обсуждение новинок технологий, поиск решений технических проблем и оптимизация нормативной документации обеспечат отрасли, производящей оцинкованный и окрашенный прокат, развитие и успех как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

Владислав Полькин,

Генеральный директор НКП «Центр по развитию цинка»

Источник: 7-8 номер журнала “Металлоснабжение и сбыт” за 2025 год.