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Aspetti tecnologici

Le procedure operative relative alla tecnologia della zincatura a caldo sono riconducibili a due fasi principali: la preparazione superficiale dei pezzi da trattare e il vero e proprio processo metallurgico in cui avviene la reazione intermetallica tra fase solida (acciaio) e fase liquida (zinco fuso).


Trattamenti superficiali

Innanzitutto, i manufatti da trattare vengono suddivisi in modo da avere carichi omogenei per natura e dimensioni, al fine di semplificare le operazioni successive.

Per ottenere rivestimenti protettivi contraddistinti da livelli di qualità elevati è necessario pulire perfettamente le superfici che devono supportare la zincatura. Normalmente il metodo di pulizia chimica adottato nelle zincherie prevede un decapaggio acido, preceduto da un leggero trattamento di grassaggio. L'acciaio può, infatti, presentare strati superficiali contaminanti da sostanze dovute alla natura stessa della lega, quali ruggine e calamina causate dall'ossidazione, e da composti estranei, come oli, grassi, saponi, vernici, prodotti di precedenti lavorazioni e così via. In tal caso è indispensabile che i manufatti subiscano un opportuno pre-trattamento, poiché gli strati estranei vengono eliminati con grande difficoltà e talvolta solo parzialmente dagli acidi decapanti. L'intervento più facile e conveniente è quello eseguito in fase di costruzione, evitando che i pezzi entrino in contatto con le sostanze estranee o, in caso di contaminazione, impiegando solventi specifici o riscaldamento con torcia e spazzolatura meccanica. Un'azione di rimozione dalle sostanze estranee durante le fasi di zincatura comporterebbe inevitabilmente l'arresto del processo produttivo con ingenti conseguenze economiche.

Normalmente, viene quindi consigliato di proteggere le superfici da zincare ed evitare marcature effettuate con vernici non idrosolubili.

Per quanto riguarda i contaminanti inorganici, utilizzando elettrodi rivestiti si possono produrre scorie di natura vitrea al di sopra della trama di saldatura. Quando è possibile, è quindi meglio ricorrere a sistemi di saldatura continua con elettrodi nudi (atmosfera, arco sommerso ecc.), in cui le zone contaminate da prodotti poco solubili sono molto minori.

Saldando con il sistema a gas protetto non si genera lo strato di scorie, tuttavia, possono presentarsi piccoli resti di colore bruno, costituiti da silicati di manganese, poco visibili ma assai tenaci. Inoltre, tale metodo di saldatura causa scintille che potrebbero danneggiare la superficie d'acciaio. Per evitare questo inconveniente si ricorre spesso a prodotti spray, che rivestendo di una sottile pellicola il substrato di acciaio, ne impediscono l'attacco. Le particelle depositatesi, appena percettibili dall'occhio umano, sono però in grado di causare difetti al rivestimento di zinco nella zona dell'orlo di saldatura. Sarebbe dunque opportuno rinunciare a tali spray, ma, se indispensabile, vanno impiegati unicamente prodotti privi di grassi e silicone. Scorie di saldatura , tracce di vernici ecc. vanno accuratamente eliminate con metodi meccanici quali sabbiatura , limatura e, in casi particolari, con l'uso della fiamma, poiché si dimostrano completamente inerti all'attacco chimico dei normali decapanti.

Problemi particolarmente rilevanti si presentano per giunzioni articolate o punti di difficile raggiungimento, o nel caso di restauro di componenti storici, che richiedono trattamenti minuziosi e dunque più costosi.

Residui di grassi e oli vengono invece puliti con un bagno di sgrassaggio , per il quale sono impiegate soluzioni alcaline o acide diluite in acqua. Ad esso segue una breve immersione dei pezzi in acqua per sciacquare le superfici dalle soluzioni di sgrassaggio.

Il manufatto è successivamente sottoposto al decapaggio, normalmente eseguito a temperatura ambiente, per eliminare gli strati contaminanti propri dell'acciaio. Generalmente, a tale scopo viene utilizzato acido cloridrico diluito, la cui durata dipende dalla concentrazione del bagno e dal grado di ossidazione del pezzo da zincare.

Il manufatto è quindi nuovamente immerso in acqua per togliere resti di sali e acidi dalla superficie.

L'ultima fase della pulizia è costituita dal flussaggio, che riveste la superficie di una pellicola protettiva che impedisce l'ossidazione del pezzo finché quest'ultimo viene immerso nello zinco fuso e migliora la reazione tra il ferro della superficie d'acciaio e lo zinco. In base al materiale e al prodotto trattati viene scelto il flussaggio adeguato, tuttavia, solitamente, si utilizza una soluzione di cloruri di zinco e ammonio. E' possibile spruzzare la superficie da zincare con la soluzione di flussaggio, in forma liquida o in polvere, oppure immergere il pezzo nello zinco fuso sul quale galleggi uno strato di flusso schiumoso.

Terminate le procedure di pulizia, il manufatto è sottoposto a una fase di preriscaldamento ed essiccamento, in cui la pellicola protettiva fornita dal flussaggio viene essiccata. In tal modo, oltre a eliminare l'umidità superficiale, si riduce il salto termico, favorendo ulteriormente la reazione zinco-ferro e abbreviando i tempi di immersione nello zinco fuso.

Per ottenere risparmio energetico, con conseguente vantaggio economico, il riscaldamento dei bagni di sgrassaggio e dei forni di essiccamento è ottenuto sfruttando il calore dei gas di scarico proveniente dal riscaldamento del bagno di zincatura.

Conclusesi tutte le operazioni preparatorie si passa al vero e proprio processo di zincatura in cui il manufatto è immerso in un bagno di zinco fuso.


La fase metallurgica

Lo zinco ha una temperatura di fusione intorno ai 419°C, per cui il bagno di zincatura ha una temperatura di esercizio che varia tra i 440 e i 460°C. Tuttavia, in situazioni particolari, si possono superare anche i 530°C e, in tal caso, si parla di zincatura ad alta temperatura. Secondo le normative in uso, il contenuto di zinco del bagno di fusione non deve scendere al di sotto del 98,5%.

Nel corso della zincatura si crea, sulla superficie dell'acciaio, uno strato di lega ferro-zinco. I manufatti vengono lasciati nel bagno finché hanno raggiunto la medesima temperatura. A questo punto, dopo che la superficie dello zinco fuso è stata ripulita da ossidi e residui di flusso depositatisi, è possibile estrarre i pezzi. Durante l'estrazione si forma un ulteriore rivestimento di zinco puro la cui composizione corrisponde a quella dello zinco di fusione. I pezzi zincati vengono lasciati raffreddare all'aria o in acqua e successivamente sono pesati per determinare per determinare l'entità del rivestimento di zinco e valutarne il costo.

Infine, viene verificato il livello qualitativo del manufatto. La zincatura deve infatti sottostare a norme tecniche che stabiliscono i valori minimi che lo spessore del rivestimento deve avere in base allo spessore del materiale zincato. Tale parametro è misurato in mm o, più raramente, in g/m2.

Se necessario, i manufatti sono sottoposti a un'ulteriore pulitura per eliminare eventuali impurità e difetti del rivestimento, attraverso metallizzazione termica a spruzzo o stratificazione di polvere di zinco.


Morfologia del rivestimento

La struttura della ricopertura ottenuta con la zincatura a caldo è alquanto complessa. Al di sopra della superficie di acciaio si sono creati più strati di lega corrispondenti alle fasi omogenee del diagramma di stato ferro-zinco, che determinano le proprietà tipiche della zincatura.

Partendo dalla superficie di acciaio si incontra dapprima lo strato Gamma (G) dello spessore di circa 1 m, costituito da una lega di acciaio e zinco, in cui quest'ultimo elemento è presente per circa il 25%. Proseguendo vi è lo strato Delta (d), che contiene una quantità di ferro dell'ordine del 10%, al di sopra del quale si trova lo strato Zeta (z). In esso è presente il 7% di ferro ed è possibile vedere i cristalli orientati verso l'alto. Lo strato più esterno, denominato Eta (h), può essere considerato zinco pressoché puro, in quanto, a temperatura ambiente ha un contenuto massimo di ferro pari allo 0,008%. Acciaio, strati di lega e zinco puro determinano quindi una struttura complessa con una gamma di differenti proprietà.

Per quanto riguarda la durezza meccanica, misurata come Vickers (Hv), gli acciai dolci hanno generalmente durezze intorno ai 160 Hv. Gli strati di lega sovrastanti sono invece più duri e raggiungono valori intorno a 240. Lo zinco superficiale, infine, è più "morbido" e pertanto è in grado di assorbire eventuali colpi. Se i colpi dovessero essere molto violenti, a proteggere l'acciaio interverrebbero gli strati sottostanti di maggiore durezza.

Poiché, come già affermato, gli strati di lega sono intrinsecamente legati al supporto di acciaio, è assai difficile rimuovere completamente il rivestimento. Ma soprattutto, anche in caso di grave danneggiamento e scrostamento totale della copertura, lo strato inferiore fornirebbe ancora la protezione elettrochimica. Quando gli spessori non superano gli 80-100 mm, si ottengono i rivestimenti più aderenti, in grado di sopportare maggiori sollecitazioni, specialmente di carattere impulsivo, rispetto agli spessori più elevati.


Fattori influenzanti

Poiché l'acciaio è una lega costituita principalmente da ferro e carbonio, ma secondariamente da numerosi altri elementi, la quantità e la tipologia di questi ultimi influenzano i processi di formazione e accrescimento degli strati variandone la composizione e di conseguenza le proprietà. Pertanto, al termine della zincatura di un elemento costruttivo realizzato impiegando acciai diversi è possibile osservare la formazione di un rivestimento non omogeneo, causato dal differente comportamento chimico delle varie parti nel corso della reazione ferro-zinco. E' questo il caso, ad esempio, di manufatti in acciaio edile che contengono elementi di acciaio inossidabile o addirittura altri metalli.

Anche la ruvidezza delle superfici può influire in maniera rilevante sullo spessore del rivestimento. Se il supporto di acciaio è molto ruvido, come avviene nel caso di pezzi sabbiati con mezzi particolarmente spigolosi, la superficie è in grado di trattenere una maggiore quantità di zinco fuso, aumentando l'ampiezza dello spessore. Un comportamento opposto si osserva trattando parti vecchie che presentano tracce di corrosione. La disomogeneità superficiale e la ruggine determinano rivestimenti parziali e comunque insufficienti.

In generale, tutti gli acciai comunemente utilizzati possono essere tranquillamente sottoposti a zincatura. Tuttavia, è stato osservato che la presenza di silicio in quantità comprese tra 0,03 e 0,12% o superiori allo 0,3% è in grado di accelerare la reazione ferro-zinco determinando il cosiddetto effetto Sandelin. Il rivestimento che si forma ha uno spessore visibilmente maggiore, dall'aspetto grigiastro uniforme o a macchie, anche localizzate in zone precise. In alcuni acciai può addirittura verificarsi il caso estremo in cui l'intero rivestimento è composto da strati di lega ferro-zinco, mancando completamente lo strato più esterno di zinco puro. In tal caso si ottiene una copertura di spessore elevato che, se protegge più efficacemente l'acciaio sottostante, ha però con esso una minore aderenza.

Recentemente è stato dimostrato che in acciai che presentano percentuali di silicio nella norma, è bene valutare la quantità di fosforo, talvolta appositamente aggiunto per aumentare la resistenza dell'acciaio. In composizioni con valori di silicio inferiori allo 0.03% o compresi tra 0.12 e 0.3%, l'effetto combinato di silicio e fosforo può infatti influenzare il processo di zincatura, estendendo, per così dire, l'effetto Sandelin. Una formula empirica utile per stabilire l'adeguatezza degli acciai è la seguente:

Si + 2.5 P ≤ 0.09%

ossia il contenuto complessivo di fosforo moltiplicato per 2.5 e silicio deve risultare inferiore o tutt'al più uguale allo 0.09%.

Da evidenze sperimentali risulta che il fosforo ostacola la formazione dello strato Delta a favore della fase Zeta. Lo strato Gamma diviene invece discontinuo.

In alcuni acciai, come quelli sottoposti a taglio automatico, possono esistere concentrazioni di zolfo superiori allo 0.2%. Quantità tanto elevate possono accelerare la reazione di zincatura al punto da trasformare il processo in un'aggressione dell'acciaio da parte dello zinco. Similmente, anche manganese, cromo, nichel, niobio, titanio e vanadio possono accrescere la velocità di reazione. Tuttavia, alle normali concentrazioni l'effetto è del tutto irrilevante.

Ulteriori fattori in grado di influenzare le fasi di zincatura sono: la temperatura del bagno, la durata dell'immersione e la composizione dello zinco fuso. Come precedentemente affermato, la temperatura tipica del bagno di zinco è intorno ai 450°C. Nella zincatura ad alta temperatura, in cui vengono raggiunti i 550°C, non ha luogo la formazione dello strato Zeta e, pertanto, il rivestimento è composto da una miscela di cristalli della fase Delta e zinco. Difficilmente a tali temperature si ottengono rivestimenti di spessore superiore a 100 mm.

Il tempo di immersione dei pezzi è generalmente compreso nell'intervallo tra 1,5 e 5 minuti, in funzione della forma più o meno lineare dei manufatti. E' infatti in questi primi minuti che si verifica la maggiore crescita di spessore. Elementi particolarmente complessi possono tuttavia richiedere di prolungare l'immersione anche oltre i 10 minuti.





FONTE: Associazione Italiana Zincatura