В настоящее время крепежные изделия без покрытий применяются все меньше и меньше, т.к. кроме механического воздействия, могущего вызвать разрушение крепежа, металлы, из которых изготовлены крепежные детали, разрушаются при взаимодействии с окружающей средой – этот процесс называется коррозией. В зависимости от окружающих металл условий (температура, влажность, химический состав окружающей среды и т.д.) условия эксплуатации по подразделяются на легкие, средние, жесткие и очень жесткие.
Для защиты металлов от коррозии на них наносят различные покрытия. Кроме того, покрытия наносят для придания изделиям декоративного вида или создания специальных поверхностных свойств. Покрытия могут быть металлическими, неметаллическими неорганическими, порошковыми, лакокрасочными, пластмассовыми, резиновыми. Защитные свойства покрытий зависят от возможности взаимодействия материалов покрытий и детали.
Различаются две разновидности способов защиты – механический и электрохимический. Механическая защита достигается за счет изолирования материала от внешней среды и эффективна только при отсутствии пор, задиров и др. повреждений покрытия. Электрохимическая защита обеспечивается в том случае, если материал покрытия является анодным по отношению к защищаемому материалу и не зависит от пористости. Основным видом коррозии металлов является электрохимическая, возникающая в зоне контакта двух металлов, имеющих разный электрохимический потенциал. Возникающая при наличии влаги гальваническая пара приводит к постепенному растворению металла имеющего меньший потенциал. Покрытия, выполненные из материала, потенциал которого в данных условиях более отрицателен чем потенциал защищаемого металла, называются анодными. Анодными покрытиями для железа и его сплавов (сталь, чугун) являются покрытия из магния, алюминия, цинка, хрома. Такие покрытия при наличии пор и задиров разрушаются сами, а защищаемый металл нет. Катодными называются покрытия, у которых потенциал более положителен, чем у защищаемого металла, для стали такими покрытиями будут: медное, никелевое, оловянное, свинцовое, серебряное, золотое. Понятно, что анодные покрытия обеспечивают как механическую, так и электрохимическую защиту, а катодные только механическую.
Цинк – самое распространенное антикоррозионное покрытие хорошо анодно защищает сталь в атмосферных условиях и в пресной воде при нормальных и низких температурах, но при высоких температурах, в агрессивных средах его потенциал меняется в сторону увеличения и может превысить потенциал железа. Кадмий образует катодное покрытие по отношению к железу в атмосфере или в пресной воде, но в морской воде кадмиевое покрытие является анодным. Следует помнить, что не всякое анодное покрытие и не во всех случаях оказывается удовлетворительным, т.к. оно само также не должно слишком быстро разрушаться. Так, например, цинковое покрытие, широко применяемое для защиты от коррозии в средних географических широтах, оказывается нестойким в тропическом климате. Причиной этого служит интенсивное растворение и смывание водой и влагой воздуха слоя солей цинка, образующегося на поверхности при коррозии. В результате этого происходит обнажение глубинных слоев металла, и скорость коррозии не замедляется.
Рассмотрим особенности и способы применения наиболее распространенных видов покрытий крепежных изделий. Для крепежных изделий применяются металлические (цинковые, кадмиевые, медные и т.д.), неметалические неорганические (окисные, фосфатные), лакокрасочные покрытия. Из металлических покрытий в мировой практике наиболее широко в мировой практике применяются цинковые. Их широкое применение для защиты стальных и чугунных изделий обусловлено в основном двумя причинами. Первая – высокая природная стойкость самого цинка вследствие образования на цинке в коррозионной среде защитных пленок из продуктов коррозии, вторая – высокая анодность защиты при температуре до 70°С. При более высоких температурах цинк защищает сталь только механически. Защитные свойства цинковых покрытий определяется как их толщиной, так методом их нанесения. Цинковые покрытия, полученные различными методами, отличаются по равномерности, строению, плотности, составу и т.п. Горячий способ позволяет получить покрытие большой толщины (50...150 мкм), но эта толщина колеблется в значительных пределах и точная регулировка его невозможна. Отсюда высокие потери металла, порой недостаточное качество покрытия. На параметры основного металла (самой крепежной детали) горячая оцинковка практически не влияет, но размеры детали могут заметно измениться.
Экономия металла при электролитическом методе покрытия составляет до 50%, при этом повышается твердость покрытия (500...600 Н/мм2) и его однородность, обеспечивается высокая степень чистоты осажденного цинка и повышенная химическая стойкость, но толщина покрытия невелика (5...35 мкм). Кроме того, при электролитическом цинковании происходит наводороживание и как следствие охрупчивание основного защищаемого металла. Оба метода являются экологически вредными, и перед производителями постоянно стоит проблема утилизации отходов. Всех недостатков лишен метод шерердизации, применяемый, к сожалению, производителями крепежа пока достаточно редко. Для повышения коррозионной и механической стойкости цинковые покрытия часто подвергают хроматированию (пассивированию) или фосфатированию. Для желтого (хроматного) пассивирования оцинкованные изделия погружают в растворы хромовой кислоты или ее солей. Образующаяся хроматная пленка представляет собой соединения хрома и цинка, защитные свойства которой практически не изменяются даже при наличии на ней механических повреждений (царапин, рисок и т.п.). После хроматного пассивирования покрытия приобретает желтую или зеленовато-желтую окраску с радужным оттенком. Фосфатирование цинковых покрытий применяется на крепежных изделиях редко в основном при необходимости их последующего окрашивания. Крепежные изделия с цинковым покрытием полученным горячим или электролитическим способом без хроматирования или фосфатирования пригодны для использования в легких или средних условиях эксплуатации, с дополнительной обработкой или окрашенные – в любых. Шерардированные крепежные изделия работают в любых условиях.
Кадмирование крепежных изделий производится редко. Кадмий и его соединения очень токсичны, и во многих странах кадмирование запрещено. Цвет, механическая прочность и ряд других показателей кадмиевых покрытий близки к цинковым. Покрытия кадмием также могут подвергаться хроматированию и фосфатированию. Защитные свойства кадмиевых покрытий в обычных условия ниже цинковых, но в морских условиях и при сильной конденсации водяного пара такие покрытия применяются и поныне. Никелевое покрытие является катодным по отношению к стали и защищает ее только механически. Для никелирования крепежных деталей применяют колокольные ванны или ванны с вращающимися барабанами с электролитом, основным компонентом которого является сернокислый никель. Никелевые покрытия имеют привлекательный декоративный вид (хотя со временем тускнеют), но снижают механические свойства стали и имеют малую коррозионную стойкость. В этой связи никелированные крепежные изделия – редкость, хотя и используется например в мебельной промышленности. Так крайне редко применяется для крепежных изделий хромирование, которое, имея высоэстетичный вид, почти вдвое снижает предел выносливости покрытой им стали без специальных операций предварительной подготовки металла. Хроматирование применяется либо как декоративное, либо как износостойкое, в связи с низким коэффициентом трения хрома. Для декоративных целей также может применяться на крепежных изделиях латунирование, в частности для деталей мебельного крепежа (шурупы, винтовые стяжки и др.), антикоррозионные свойства которого крайне низки.
Среди неметаллических покрытий для крепежных изделий (в том числе стальных шурупов) широко применяются оксидирование и фосфатирование. Фосфатирование используется для стальных изделий, не требующих декоративного вида, и заключается в обработке последних специальным химическим составом (соль Мажеф), в результате которой на поверхности стали образуется фосфатная пленка (фосфат железа) с высокими защитными свойствами. В зависимости от качества подготовки поверхности детали пленка может иметь разную кристаллическую структуру. Наиболее высокими защитными свойствами обладают мелкокристаллические пленки. Фосфатная пленка очень хорошо связана с основным защищаемым металлом (на молекулярном уровне), обладаем отличной адгезией лакокрасочных и др. покрытий (хорошо окрашивается), имеет высокую маслоемкость. Дополнительная обработка повышает защитные свойства фосфатных пленок. Такая обработка производится в растворах хрома, промасливанием, гидрофобизированием или окраской. Промасливание обычно производится веретенным или авиационным маслом при температуре 100 °С, при этом существенно повышаются антикоррозионные и антифрикционные свойства детали. Гидрофобизирование заключается в создании дополнительно на поверхности деталей тонкой водоотталкивающей (гидрофобной) пленки. В зависимости от технологии подготовки поверхностей деталей, подвергаемых фосфатированию, и технологии самого процесса толщина покрытия может быть 2...15 мкм, а цвет детали – от светло-серого до черного.
Оксидирование заключается в формировании на поверхности изделия или детали пленки окислов. Оксидное покрытия по многим свойствам (антикоррозионным, адгезионным, мослоемким) близко к фосфатному. Цвет стального изделия после оксидирования в зависимости от режима процесса меняется от темно-серого до блестяще-черного. Считается, что по собственной антикоррозионной стойкости фосфатные покрытия превышают оксидные. Фосфатированные или оксидированные изделия могут применяться только в легких условиях эксплуатации, если эти покрытия подвергнуты промасливанию или гидрофобизированию – в средних и жестких. Для использования их в любых условия эксплуатации необходимо окрашивание.
Практически все крепежные изделия могут окрашиваться всеми распространенными красками, хотя качество адгезии может оказаться различным в зависимости от типа покрытия крепежа, вида краски, степени загрязненности окрашиваемого изделия и т.д. Среди шурупов, которые изготавливаются и предлагаются потребителю в окрашенном виде следует выделить кровельные саморезы, окраска которых должна сочетаться с цветом кровли и отвечать условиям высокой атмосферостойкости. Для окрашивания кровельных саморезов в настоящее время используются порошковые краски, которые наилучшим образом отвечают предъявляемым к окраске требованиям. Порошковая окраска – экологически чистая, безотходная технология получения высококачественных декоративных и декоративно-защитных полимерных покрытий. Покрытие формируют из полимерных порошков, которые наносят на окрашиваемую поверхность изделия. Затем изделие нагревают и выдерживают при заданной температуре несколько минут. Из-за относительно высокой температуры полимеризации окрашивают в основном металл и стекло. Последнее десятилетие происходит быстрое проникновение технологии порошкового окрашивания в сферы традиционных способов нанесения лакокрасочных покрытий. В мире сегодня окрашивают с использованием этой технологии примерно 15 % всех изделий подлежащих окраске, и это число увеличивается.
Для удобства производителей и потребителей цвета саморезов кодируются по одной из существующих систем обозначения цвета.
В мире существует несколько систем обозначения цветовых оттенков. Одной из распространенный в России систем является система цветов финской фирмы Rannila (RR), специализирующейся на производстве металлочерепицы и других кровельных материалов.
В связи со специализацией фирмы номенклатура известной системы RR сравнительно невелика. Более мощной и универсальной системой обозначений цветовых оттенков является система RAL. Ее разработал Немецкий Институт Гарантий Качества и Сертификации RAL. В 1927 году институт установил стандарт на цветовое пространство, разделив его на диапазоны и обозначив каждый цвет четырехзначным цифровым индексом, понятным разным областям промышленности. С тех пор по мере появления новых красителей стандарт неоднократно расширялся.