Contro la corrosione, uno strano di zinco
Buongiorno, sono lo zinco. È vero, sono meno nobile di quell’acciaio a cui rivolgi costantemente i tuoi pensieri, eppure posso esserti molto utile.
Ti immagini una storia che inizia così?
E poi non è mica tanto una “storia”! Lo zinco è in effetti meno elettronegativo dell’acciaio. a differenza di potenziale che si instaura tra zinco e acciaio fa in modo che quando si verificano rotture o porosità del film protettivo, lo zinco svolge una funzione protettiva, diventando l’anodo sacrificale nella corrosione elettrolitica .
Dalla “zincatura a fuoco” fino ad oggi
Di cosa sto parlando? Vorrei dedicarmi a quei processi nei quali lo zinco ha un ruolo significativo, e diventa un tuo alleato contro la corrosione dell’acciaio. Lo zinco non protegge in eterno, ma prolunga in maniera molto consistentemente la vita del materiale.
Le condizioni ambientali, naturali o tecniche (quelle cioè che si determinano negli ambienti di lavorazione), possono diminuire la durata della protezione, ma esiste un’amplissima quantità di situazioni in cui l’efficacia della verniciatura supera i trent’anni di vita del pezzo.
Parliamo quindi dell’opportunità di rivestire oggetti in ferro o acciaio con uno strato di zinco. Questo risultato si ottiene immergendo i pezzi in un bagno di zinco fuso, per cui si chiama anche zincatura a caldo, o galvanizzazione.
In passato si chiamava invece “zincatura a fuoco” per i fuochi di carbone che si accendevano attorno al recipiente dello zinco fuso. Si tratta del più antico, semplice e diffuso di rivestimento di zinco su ferro: già nel 1741 il chimico francese Melouin aveva scoperto che l’acciaio poteva essere protetto dalla ruggine mediante un rivestimento di zinco. Ma solo nel 1837, osservando come la differenza di potenziale tra zinco e acciaio fosse in grado di proteggere quest’ultimo, l’ingegnere francese Sorel brevettò la tecnica della zincatura a caldo.
In Italia il primo impianto di zincatura a caldo viene aperto nel 1883 a Milano da Luigi Origoni, che per primo intuì la necessità di preservare l’acciaio dalla corrosione per aiutare l’industria lombarda a svilupparsi. Per riuscire nel progetto dovette chiamare dall’Inghilterra tecnici in grado di avviare un impianto primo nel suo genere a Milano.
Oltre a zincare strutture e oggetti metallici, Origoni iniziò anche la produzione di lamiere piane in acciaio pre-zincate, estendendo progressivamente la propria gamma di produzione e commercializzazione a tutti i metalli resistenti alla corrosione, destinati ai mercati della lattoneria e dell’idraulica in genere
Una notevole evoluzione è stata registrata grazie all’invenzione dell’ingegnere americano, di origini polacche, Tadeusz Sendzmir, che per primo nel 1937 mise a punto un laminatoio per la fabbricazione in continuo di laminati d’acciaio come rotoli e grandi fogli. Il “procedimento Sendzmir” prevede il passaggio della lamiera in un bagno di zinco fuso a 700 °C contenuto in una vasca ceramica. Al bagno si aggiungono, di solito, il piombo come elemento fluidificante e l’alluminio che favorisce l’aderenza dello zinco all’acciaio. I vari tipi di acciaio zincati a caldo in continuo ottenuti con questo processo sono elencati nelle normative UNI EN 10042 e UNI EN 10147 che indicano inoltre caratteristiche meccaniche e vari spessori di rivestimento ottenibili.
Il ciclo della zincatura a caldo
Applicare un rivestimento di zinco su un manufatto metallico, generalmente di acciaio, significa proteggerlo dalla corrosione galvanica. Lo zinco, infatti, limita la formazione di micro-celle elettrolitiche ad azione anodica nei bordi di grano.
Nel tempo, il metodo si è modificato e perfezionato e viene declinato in varie modalità. È possibile effettuare infatti diversi tipi di zincature, che qui elenco brevemente:
- zincatura a caldo;
- zincatura a caldo continua.
- zincatura elettrolitica;
- zincatura a freddo;
- zincatura a spruzzo.
La zincatura a caldo, in particolare, ha un mercato solido in Italia. Il nostro Paese è da anni ormai il primo produttore europeo, con una grande molteplicità dei campi di applicazione della zincatura: dalle costruzioni in generale, all’ arredo stradale, dalle utility (trasporto e produzione di energia elettrica, linee aeree per trasporti ferroviari) ai mezzi di trasporto, dalle insediamenti industriali alle installazioni agricole.
Vale quindi la pena di approfondire questo processo, a partire dalle modalità di effettuazione fino a vederne, sotto la lente d’ingrandimento, i vantaggi.
Prima di zincare, ci sono gli step d’obbligo
Posso zincare qualsiasi pezzo di acciaio? Immergere i manufatti in un bagno di zinco fuso sembra un’idea semplice e geniale… ma è un’impressione ingannevole. A suggerire qualche cautela c’è la complessità delle reazioni metallurgiche che stanno alla base della costituzione del rivestimento.
Ci sono, insomma, delle condizioni da rispettare, dei prerequisiti da soddisfare.
Posto di avere a disposizione il bagno di zinco fuso – tenuto mediamente alla temperatura di 450 °C – bisogna tenere presente che non basta immergerci un manufatto per ottenere che l’acciaio venga ricoperto da un sottile e resistente strato di zinco.
Questo avviene solo se immergo un pezzo di acciaio perfettamente pulito e già predisposto per un corretto drenaggio dello zinco fuso. Il pezzo deve essere stato “pensato” in modo da far scorrere lo zinco sulla superficie senza ostacoli. Fori di drenaggio e corrette sagomature si rendono quindi necessari per evitare zincature imperfette e altri rischi di lavorazione.
E poi, il pezzo deve essere completamente privo di contaminazione da ruggine, da grassi, da morchia, da residui di lavorazione o da altri agenti estranei. Come fare per disporre di una superficie chimicamente pulita? Ci sono i trattamenti pre zincatura, gli step d’obbligo che introducono al cuore del nostro processo! Poiché si tratta di fasi che ci mettono in salvo dal commettere errori come rovinare i pezzi, e possiamo immaginare bene il seguito, meritano di esser viste bene e nel dettaglio.
L’acciaio può presentare strati superficiali contaminati da sostanze dovute alla natura stessa della lega, come ruggine e calamina causate dall’ossidazione, e da composti estranei, come oli, grassi, saponi, vernici, prodotti di precedenti lavorazioni e così via. Poiché gli strati estranei vengono eliminati con grande difficoltà e talvolta solo parzialmente dagli acidi decapanti, si rende indispensabile quello che può complessivamente essere indicato come trattamento chimico, e che si articola in:
- Sgrassaggio
I pezzi in acciaio vengono immersi in vasche contenenti soluzioni acquose di tensioattivi a una concentrazione indicativa del 10%. Lo scopo è eliminare dalla superficie eventuali presenze di oli/grassi residuati dalle precedenti lavorazioni meccaniche. - Decapaggio
I pezzi vengono immersi in una soluzione acquosa di acido cloridrico diluito a temperatura ambiente, con la quale si eliminano gli strati contaminanti propri dell’acciaio, come gli ossidi di ferro generati dal processo di produzione e lavorazione. La durata della fase dipende dalla concentrazione del bagno e dal grado di ossidazione del pezzo da zincare. - Lavaggio
I pezzi vengono immersi in vasche contenenti acqua, con la quale si asportano dalla superficie residui della soluzione di decapaggio. Il fine è ridurre il trascinamento di cloruro ferroso, prodotto dalla dissoluzione degli ossidi di ferro, nella fase flussaggio. - Flussaggio
L’ultima fase della pulizia è il flussaggio, mediante il quale la superficie si riveste di una pellicola protettiva che impedisce l’ossidazione del pezzo in attesa che venga immerso nello zinco fuso. Il trattamento, che viene sempre adeguato al materiale e al prodotto da trattare, migliora la reazione tra il ferro della superficie d’acciaio e lo zinco. I pezzi vengono immersi in una vasca contenente una soluzione acquosa arricchita con sali di cloruro di zinco e cloruro d’ammonio. È però possibile anche spruzzare la superficie da zincare con la soluzione di flussaggio, in forma liquida o in polvere, o immergere il pezzo nello zinco fuso su cui galleggia uno strato di flusso schiumoso.
Quando il trattamento chimico è concluso, tocca ad una nuova fase:
- Preriscaldamento ed essicamento
Il manufatto viene a questo punto sottoposto ad una fase in cui la pellicola protettiva fornita dal flussaggio viene essiccata. Si elimina l’umidità superficiale, si riduce il salto termico, si favorisce ulteriormente la reazione zinco-ferro, con una sensibile contrazione dei tempi di immersione nello zinco fuso. Per effettuare questa operazione, si sfrutta il calore dei gas di scarico proveniente dal riscaldamento del bagno di zincatura: si risparmia energetica, e di conseguenza denaro.
Siamo pronti, lo zinco è caldo: butta i pezzi (in vasca)!
Dopo aver esaurito i passaggi del trattamento chimico e essersi accertati che i pezzi sono puliti e liberi da contaminazioni, si può passare alla zincatura a caldo vera e propria, che come sappiamo consiste nell’immersione dei pezzi in una vasca il cui livello della vasca è corretto costantemente aggiunta di zinco e leghe la cui qualità è in accordo alla UNI EN ISO 1461 e ai relativi rimandi.
Ferro e ghisa arrivano in stato di pulizia al bagno di zinco fuso, che li attende in una vasca di acciaio speciale rivestita di refrattario. Ma prima di venire a contatto diretto con lo zinco, i pezzi devono passare attraverso uno strato di condizionamento costituito da sale doppio di zinco e ammonio (ZnCl2.NH4Cl.2H2O) e che galleggia sopra lo zinco in fusione.
A cosa serve lo strato di condizionamento? La sua funzione è duplice:
- eliminare ogni impurezza sul ferro (ad esempio, i cloruri di ferro rimasti aderenti dopo il decapaggio)
- evitare che lo zinco sottostante si ossidi. In tale modo la superficie del materiale ferroso è pronta a legarsi con lo zinco. Questa lega si ottiene unicamente a temperature superiori a quella del punto di fusione dello zinco e non è perciò presente negli oggetti rivestiti elettrolicamente.
Lo spessore del rivestimento è eseguito, di solito, in conformità alla norma UNI EN ISO 1461:2009. Grazie alla formazione di una lega superficiale Fe-Zn molto dura e all’instaurarsi di fenomeni di protezione di tipo elettrochimico tra lo zinco ed il substrato da proteggere, si ottiene una protezione meccanicamente molto resistente e durevole nel tempo contro la corrosione
Una volta estratto dalla vasca il manufatto zincato, il rivestimento si è già formato, la reazione procede, però, negli strati più interni della struttura, finché l’oggetto raggiunge temperature dell’ordine dei 200ƒC.
Operazioni successive alla zincatura
Per concludere, il materiale viene rimosso dall’attrezzatura, e posizionato in postazioni idonee all’effettuazione delle operazioni di finitura. Eccole:
- pulizia del materiale da eventuali residui di flusso bruciato,
- spianamento di eventuali eccessi di zinco,
- ripristino di eventuali zone non zincate.
Se necessario, i manufatti possono essere sottoposti a un’ulteriore pulitura per eliminare eventuali impurità e difetti del rivestimento, attraverso metallizzazione termica a spruzzo o stratificazione di polvere di zinco.
In questa fase vengono eseguiti i controlli finali: si controllano cioè gli spessori di zincatura in accordo con il piano di campionamento previsto dalla normativa di riferimento.
Cos’è la zincatura a caldo continua
Forse hai sentito parlare di questo processo, simile in tutto alla zincatura a caldo, ma con la particolarità che permette di trattare in maniera continua e rapida grosse quantità di materiale. Per questa ragione, la zincatura a caldo continua è da preferire quando ci sono da trattare nastri o fili d’acciaio.
Una volta srotolato, il materiale vien fatto passare in vasche ove si svolgono i cicli di preparazione. Di seguito, lo si introduce in un forno per portarlo a una temperatura uniforme ed infine è collocato in una vasca contenente una lega di zinco. Nel liquido è disciolto anche l’alluminio, in percentuale dello 0,17-0,20%.
Questa vasca può essere riscaldata in tre diversi modi:
- con le resistenze elettriche,
- con una cappa e la fiamma a contatto dello zinco,
- con dei bruciatori immersi.
Rimuovere il materiale in eccesso e uniformare la distribuzione dello zinco si può fare seguendo uno o l’altro di questi due metodi:
- con dei tamponi in cui viene schiacciato il filo, lasciando un sottile strato di rivestimento,
- con delle “lame d’aria“, il filo passa attraverso delle “busette” e con l’azoto o con l’aria si rimuove l’eccesso di materiale. La tecnica è anche nota come “tripla zincatura”.
Il materiale viene successivamente raffreddato e riavvolto in bobine (per il filo) o coils (per il nastro). La continuità del processo viene ottenuta saldando la coda di un nastro alla testa del successivo.
Nei pezzi zincati, continuità di rivestimento e altre notevoli proprietà
I rivestimenti ottenuti con la zincatura a caldo sono costituiti da più strati di leghe di zinco e ferro. Ed è contenuta in questa caratteristica la garanzia dell’eccezionale continuità che tutela l’integrità dei pezzi in acciaio, ricoprendo tanto le superfici esterne quanto le interne. Un risultato davvero molto interessante e impossibile da conseguire con metodi diversi, come la verniciatura.
I pezzi zincati a caldo vantano molte straordinarie proprietà. Vediamole in dettaglio:
- resistenza all’abrasione
la caratteristica unica dei rivestimenti galvanici è l’essere metallurgicamente legati all’acciaio sottostante. Questo conferisce loro una straordinaria aderenza. A renderli particolarmente resistenti agli urti ed all’abrasione c’è il fatto che sono costituiti da uno strato esterno di zinco piuttosto duttile e da più strati di leghe zinco-ferro, di durezza anche superiore a quella dell’acciaio. - resistenza alla corrosione
la protezione che i rivestimenti galvanici offrono all’acciaio è triplice:- protezione per effetto barriera: il rivestimento isola l’acciaio dall’ambiente corrosivo esterno.
- protezione catodica o di sacrificio: lo zinco viene a costituire la parte anodica nella pila di corrosione e si corrode lentamente, proteggendo l’acciaio. Finché vi sarà zinco in superficie, l’acciaio non subirà corrosione alcuna.
- sigillatura delle zone scoperte: i prodotti di corrosione dello zinco, insolubili, compatti ed aderenti, vanno a sigillare le zone dell’acciaio che, per una qualsiasi ragione (urti, graffi ecc.), accidentalmente vengono a contatto con l’ambiente esterno.
Il substrato risulta, dunque, protetto rispetto alle minacce insite nell’atmosfera, nelle diverse casistiche:
- corrosione atmosferica: la durata della protezione che offrono i rivestimenti galvanici di fronte alla corrosione atmosferica è molto elevata e dipende, oltre che ovviamente dallo spessore del rivestimento, dalle condizioni climatologiche del luogo e dalla presenza più o meno spinta di agenti aggressivi nell’atmosfera, come ossido di azoto (che si origina per attività urbane ed industriali) e cloruri (solitamente presenti nelle zone costiere)
Velocità di corrosione dello Zn in varie condizioni atmosferiche (norma ISO 9223)
| Categorie di corrosione | Ambiente | Perdita media annuale dello spessore di Zn (µm) |
| C1 – Molto bassa | Interni: Secchi. | 0,1 |
| C2 – Bassa | Interni: condensazioni occasionali. | |
| C3 – Media | Interni: umidità elevata e talune contaminazioni dell’aria. Esterni: urbano non marittimo e marittimo a bassa salinità. |
0,1 a 0,7 |
| C4 – Alta | Interni: piscine, impianti chimici ecc.. Esterni: industriale non marittimo e urbano marittimo. |
2,1 a 4,2 |
| C5 – Molto alta | Esterni: industriale molto umido o con elevato tasso di salinità. | 4,2 a 8,4 |
- corrosione in acqua dolce: l’acciaio galvanizzato resiste generalmente bene all’azione corrosiva delle acque naturali, ed anche all’anidride carbonica e ai sali di calcio e di magnesio che in queste sono generalmente disciolti. Tali acque favoriscono infatti la passivazione dello zinco superficiale, ossia la formazione di uno strato di ossido di zinco inerte ed insolubile che protegge lo zinco stesso da un conseguente contatto con l’acqua.
- corrosione in acqua marina: i rivestimenti galvanici resistono abbastanza bene all’aggressività dell’acqua di mare. Ciò è dovuto al fatto che la presenza degli ioni di calcio e di magnesio presenti nell’acqua inibiscono l’azione corrosiva degli ioni cloruro e favoriscono la formazione di strati protettivi.
Per un elenco completo delle proprietà dei pezzi zincati a caldo non si possono dimenticare:
- durata eccezionale,
- resistenza meccanica elevata,
- protezione integrale (interno ed esterno) dei pezzi,
- interventi di manutenzione molto rari, se non assenti.
Zincatura a caldo per 10 buone ragioni
Nella combinazione tra acciaio e zinco, il secondo si ossida in favore del primo, fungendo da pellicola protettiva. Il principale vantaggio della zincatura consiste nell’aumentare la durata dei tubi nel tempo senza richiedere ulteriori costi di manutenzione: i tubi zincati infatti sono particolarmente resistenti alla corrosione e resta garantita anche nel caso in cui il rivestimento si scalfisca.
- costo iniziale competitivo: per molte applicazioni il costo della zincatura a caldo è inferiore a quello di molti altri rivestimenti, perché le alternative, soprattutto la verniciatura, sono molto più laboriose. La zincatura a caldo è altamente automatizzata tramite un processo strettamente controllato. Il basso costo oltretutto si mantiene lungo la vita utile del manufatto, e questo fa della galvanizzazione il metodo più versatile ed economico per progetti a lungo termine.
- bassi costi in esercizio: praticamente non serve (o serve molto raramente) manutenzione. È evidente il vantaggio quando sono presenti nel pezzo aree difficili da raggiungere, terreni difficili o costruzioni molto ravvicinate. Non solo: questo aspetto fa la differenza anche quando sussistono restrittive ragioni di sicurezza (per esempio, con i piloni dell’elettricità).
- vita utile più lunga: anni di esperienza ben documentati hanno mostrato che i manufatti zincati a caldo durano 20-40 anni in ambienti industriali o marini, 50-100 anni in atmosfere meno aggressive.
- tre tipi di protezione: primo, il rivestimento si corrode molto lentamente dando al manufatto una vita lunga e prevedibile. Secondo, il rivestimento corrode preferenzialmente per proteggere catodicamente (sacrificalmente) ogni piccola area di acciaio esposta all’ambiente a causa di trapanature, tagli o qualsiasi danno accidentale; tali aree sono sigillate dai prodotti di corrosione dello zinco stesso. Terzo, se l’area danneggiata si ingrandisce, la protezione catodica previene il dilagare della ruggine sotto la verniciatura.
- veloce da applicare: un rivestimento di protezione totale costituito da 4 strati di vernice può essere applicato in una settimana, e indipendemente dal tempo atmosferico.
- facilità di ispezione: la natura del processo è tale che se il rivestimento appare continuo e solido, vuole dire che lo è. Gli spessori (i pesi) semplicemente specificati attraverso EN-ISO 1461 sono regolari, prevedibili e semplicemente specificati. Gli standard nazionali della galvanizzazione possono essere facilmente verificati con una prova magnetica o sottoponendoli ad altri semplici test non distruttivi.
- affidabilità: il processo è relativamente semplice e sempre strettamente controllato. Gli spessori dei rivestimenti sono tra le proprietà completamente ed esaurientemente definibili da DS/ISO 1461, NS 1978, SFS 2765 o SS 3583.
- costruzioni più veloci: l’acciaio galvanizzato non richiede ulteriori passaggi di preparazione superficiale, verniciatura, ritoccaggio o ispezione. Una volta messo in opera, è pronto per l’uso, accelerando parecchio i programmi di costruzione.
- resistenza del rivestimento: nessun altro processo, oltre alla galvanizzazione, produce un rivestimento legato metallurgicamente all’acciaio. Durante trasporto, immagazzinamento e messa in opera, l’acciaio galvanizzato oppone ai danni meccanici la più grande resistenza. La proprietà si fa molto apprezzare, vista l’esigenza di trasportare continuamente i lavori in acciaio in tutto il mondo.
- copertura completa: essendo il rivestimento ottenuto per immersione nello zinco fuso, tutta la superficie dell’acciaio è interamente rivestita. Rivestire interno, esterno, angoli scomodi e buchi molto stretti potrebbe risultare estremamente difficile con altri processi protettivi.
Proteggere è bene, zincare con l’esperto è meglio!
Se per le numerose ragioni che ho fin qui elencato, pensi che la zincatura faccia al caso tuo, procedi. Magari passando in SteelBetter, io ti aspetto sempre! Ma senza dimenticare, però, che il successo di ogni cosa dipende dal modo in cui la facciamo. Ogni tecnica svilupperà con esattezza i risultati attesi se chi l’avrà applicata avrà potuto esprimere un alto grado di competenza.
Per la vecchia ragione che ogni mestiere ha i suoi segreti, eccomi qui a metterti la classica pulce nell’orecchio… ma niente paura. Per ogni dubbio c’è una risposta, e le risposte noi di SteelBetter tendenzialmente le abbiamo. A te metterci alla prova.
Tanto per dire: ma hai mai pensato che….? Ti butto lì qualche osservazione, senza la pretesa di esaurire ogni punto di domanda, ma solo per ricordarti cosa può significare confrontarsi con l’interlocutore giusto.
Nella zincatura a caldo, ad esempio, la temperatura del bagno di zincatura è un fattore che incide non poco sull’aspetto dei manufatti e sulla riuscita dell’intero procedimento. Se è troppo elevata, darà luogo a scorie e a deposito ruvido ed opaco. Troppo bassa, lascerà uno spessore di zinco ineguale, fragile, facile a sfaldarsi. facilmente se si sottopone l’ oggetto zincato a qualsiasi lavorazione successiva. Mentre per la lamiera sottile consiglierei di stare tra i 455 e 465 °C, se c’è più spessore le temperature devono scendere.
Ogni manufatto in acciaio va protetto dalla corrosione sempre e comunque. Tocca poi a noi che lavoriamo con il metallo scegliere il miglior metodo di protezione, avendo cura che non “offenda” troppo le nostre tasche. E allora, se l’ultimo è il tasto “dolente”, la zincatura è la prima soluzione che può saltarci in testa. E in effetti si distingue, e non poco, per la leggerezza dei suoi costi.
Ma tengo a precisare che la zincatura a caldo non rappresenta per questa sola ragione una buona opportunità. Poiché siamo soliti esaminare l’efficienza del sistema protettivo in termini di qualità e durata, è pacifico che un argomento come il costo basso non vince da solo. Mi spiego con un esempio: se scegli un’antiruggine a poco prezzo, ma di scarsa efficacia e durata insufficiente, metti in forse l’integrità dell’opera e ne pregiudichi la fruibilità continuativa nel tempo.
La zincatura a caldo garantisce risultati durevoli perché rende le strutture in acciaio capaci di resistere agli agenti climatici e atmosferici allungando considerevolmente il tempo di vita del materiale. Come esperto mi sento di ricordarti che ricorrere a tecniche di protezione non durevoli, fossero pure più convenienti, ti espone invariabilmente a sostenere i costi della reintegrazione della protezione in situ. E se, peggio che andar di notte, si arriva al fermo operativo? Non c’è neppure bisogno di spiegare perché vogliamo evitarlo con ogni forza: è la più seria tra le cause di mancato introiti… una prospettiva da incubo.
Vediamo bene che il mercato della zincatura, in Italia, è decisamente solido. Il nostro Paese è da anni ormai il primo produttore europeo, con una grande molteplicità di ambiti di applicazione della zincatura: dalle costruzioni in generale, all’arredo stradale, dalle utility (trasporto e produzione di energia elettrica, linee aeree per trasporti ferroviari) ai mezzi di trasporto, dagli insediamenti industriali alle installazioni agricole.