A thin layer of zinc plating has wide effect on fasteners / Un sottile strato di zincatura ha un grande effetto sugli elementi di fissaggio
A thin layer of zinc plating has wide effect on fasteners / Un sottile strato di zincatura ha un grande effetto sugli elementi di fissaggio
Segnalato dal Dott.Giuseppe Cotellessa / Reported by Dott.Giuseppe Cotellessa
Figure 1. Zinc-plated fasteners. / Elementi di fissaggio zincati. Source: Yuri Bizgaimer/Adobe Stock
Electroplating is the process of adding a thin layer of metal to a workpiece of a different base metal. It is common for jewelry, as it is an inexpensive means to improve visual beauty by adding a layer of gold or other attractive metal.
When it comes to mechanical fasteners such as bolts and nuts, electroplating a steel or iron component with zinc provides functionality and reliability that is more than surface deep. Steel is the most common base material for mechanical fasteners, and it provides adequate tensile and shear strength to assemble components in an expansive range of industries and applications.
However, when used alone, steel is susceptible to corrosion, chiefly in the form of oxidation. When the steel is exposed to moisture and oxygen, a chemical reaction occurs on the material surface that weakens the bond of the metal atoms and develops iron oxide, better recognized as rust. Rust degrades the bolt’s strength, dimensions and lifecycle.
From the corrosion perspective, it would be easiest to simply not use steel mechanical fasteners. For example, titanium, copper and stainless steel are all corrosion resistant. However, these materials are not as workable or abundant as steel.
Instead, fasteners are coated with a thin layer of zinc, typically via electroplating, in a process known as zinc plating. Zinc-plated fasteners have been common for only about 40 years. It shows that mechanical fastener technology continues to evolve to meet modern applications and expectations, despite the basic principles being over 2,000 years old.
Safe, inexpensive resistance
Zinc is the ideal fastener plating material for the vast majority of outdoor and industrial applications.
Figure 2. Cadmium-coated fasteners, such as this one, have become less popular in favor of zinc coatings. / Le chiusure rivestite al cadmio, come questa, sono diventate meno popolari a favore dei rivestimenti di zinco Source: vagawi/CC BY 2.0
As a result, zinc has become the material of first choice for corrosion protection. Zinc is abundant and workable, meaning it is relatively inexpensive to obtain and process. It is not a health risk when handled. A layer of zinc adds good lubricity to the threads of a fastener. It also adds some surface hardness to the base metal and exhibits moderate heat resistance to temperatures less than 400° F. Zinc is also a highly recyclable material, meaning it is a sustainable choice.
Zinc has just a few drawbacks. The plating alone may not provide enough corrosion resistance in wet or high-humidity environments. Zinc is also chemically susceptible to acids and alkalis. Finally, there is the challenge of hydrogen embrittlement.
Electroplating preferred
Applying a layer of zinc to a metal material is generally known as “galvanization,” although that term is arguably most applicable to the hot dip galvanization manufacturing process, wherein steel is cleaned, pickled and coated with flux before immersion in a molten, 840° F or higher zinc bath. The material is quenched and the final product emerges with a thick, zinc-carbonate layer.
A protective zinc layer can also be cold welded to the fastener surface. This is a mechanical process where the fastener is cleaned and then tumbled in an industrial tumbler with zinc powder, glass beads and chemicals. The successive, continuous impacts of the glass beads peen the fastener surface with zinc powder. Peening effectiveness is a product of tumbling agent selection and fastener geometry, so local layer thickness may vary, especially in part crevices. After tumbling, the part is dried and treated.
However, zinc plating is most common for fasteners and it closely resembles the electroplating process, albeit on a smaller scale. The base material is thoroughly cleaned and pickled before immersion in an acid zinc or alkaline zinc solution. The workpiece services as the cathode and a DC current is introduced to the solution. Current flowing from the anode to the cathode deposits a layer of zinc ions on the workpiece. The coating thickness and appearance is controlled by the current density, solution temperature and ionic concentration during the electrodeposition.
Electroplating is the best way to apply a protective zinc layer to fasteners for one key reason: electroplating creates a thinner, more uniform layer of zinc on the workpiece than hot dip galvanization or mechanical plating. Electroplating is less likely to skew the fine tolerances of fasteners than hot dip galvanization. Electroplating equipment is also generally inexpensive and requires less raw zinc than hot dip galvanizing. Electroplating provides an attractive surface appearance and is compatible with paints or finishes.
However, the thickened zinc layer applied via hot dip galvanization offers better corrosion resistance and can self-heal scratches and abrasions in the zinc. Although galvanized coatings typically need months of weathering to build a patina to deliver this level of corrosion resistance. For fasteners that need high corrosion or abrasion resistance, a chromate conversion coating is applied over the zinc plating for additional resilience. This additional layer passivates the zinc and protects it from white rust. As with cadmium, this material is toxic and its use is decreasing; safer trivalent chromium coatings are becoming commonplace.
Throughout the electroplating process, manufacturers need to be keenly aware of the perils of hydrogen embrittlement and how to minimize its likelihood.
Risk factor: Hydrogen embrittlement
Hydrogen embrittlement is a concern when a high-strength steel, such as that in many fasteners, encounters molecular or atomic hydrogen and absorbs some of it. Components plagued with hydrogen embrittlement will develop cracks and have reduced ductility and load-bearing ability. If stressed, the fastener will likely break, perhaps critically.
Figure 3. Bolts subject to hydrogen embrittlement are weak and likely to fail. / I bulloni soggetti a infragilimento da idrogeno sono deboli e possono fallire Source: Nathanael Burton/CC BY 2.0
It is difficult to assess the risk of hydrogen embrittlement and to identify if it was the cause for a component failure. The best safeguard from hydrogen embrittlement is quality manufacturing practices.
Embrittlement is only a consideration for high-strength steels, such as those with a hardness of 40 HRC or higher or tensile strength of 150,000 ksi or higher, and a few other metals. This is because the grain structure of those metals is tight enough to trap hydrogen within, weakening the metal’s internal structure. Also, when temperatures exceed 400° F, the trapped hydrogen may react with carbon from the steel alloy. This generates miniscule pockets of methane that create internal pressures in the steel, also weakening it.
Hydrogen can be introduced to the base material during the pickling process, where an acid cleaner is applied to the workpiece to remove contaminants or descale in preparation for electroplating. The electroplating process is also a source of hydrogen for potential embrittlement. The bath solution contains metal salts and ions, but is largely composed of water. Hydrogen from the water can be deposited onto the fastener surface along with the metal ions.
There are a few methods to mitigate or relieve hydrogen embrittlement. When possible, pickling should be eliminated in favor of a mechanical cleaning technique. Inhibitors can also be added to the pickling chemicals to decrease hydrogen absorption. Mechanical plating and hot dip galvanization processes do not introduce hydrogen in the plating process. Despite this, both do require cleaning or descaling steps that may introduce hydrogen.
According to ASTM F1941, embrittlement relief baking removes hydrogen from electroplated steels.
Relief baking cycle temperature and duration depends on the hardness of the fastener and is further covered by the standard.
Standardized fastener platings
Zinc-plated fasteners are ubiquitous. And due to their potential innumerable manufacturing challenges and variances, the substantial risks from unfit or unsafe fasteners are unacceptable. Standards organizations closely dictate the manufacture and performance for plated fasteners through doctrine, such as ASTM F1941 – 10, Standard Specification for Electrodeposited Coatings on Threaded Fasteners (Unified Inch Screw Threads).
The standard focuses on zinc, cadmium and zinc alloy platings for North American fasteners. Specifically:
· Important considerations for fastener customers
· Manufacturing techniques per electrodeposition
· Important specifications and test methods
· Plating tolerance accommodations
· Usage of hexavalent and trivalent chromium coatings
· General embrittlement relief baking guidelines
For example, a customer order for a fastener with a Fe/Zn-Ni 8A coating is a request for a zinc-nickel alloy coating, with a thickness of 0.0003 in and clear hexavalent chromium coating. It also specifies that a hydrogen embrittlement relief baking is recommended for eight hours, must occur within four hours of electroplating, typically at a temperature of 350° F to 450° F and be completed before a conversion coating.
ASTM F1941 is the Rosetta stone for electroplated fastener coatings. It establishes a common framework for engineers and industrial fasteners to understand technical concepts regarding the complexities of fastener coatings and ensures the quality of the products.
Selection requires expertise
Zinc platings, which are sometimes an afterthought, are actually an integral, fundamental fastener technology. Using this technology to its full potential requires the experience of an industrial hardware leader and supplier like Bayou City Bolt.
Bayou City Bolt is the premier hardware vendor in the southern U.S. and works with customers to understand their application needs and deliver the optimal fastener solution. With an extensive catalog and low minimums, Bayou City Bolt can pull any project together – literally and figuratively.
ITALIANO
Quando si tratta di elementi di fissaggio meccanici come bulloni e dadi, l'elettrodeposizione di un componente in acciaio o ferro con zinco offre funzionalità e affidabilità più che superficiali. L'acciaio è il materiale di base più comune per i dispositivi di fissaggio meccanici e fornisce un'adeguata resistenza alla trazione e al taglio per assemblare componenti in una vasta gamma di industrie e applicazioni.
Tuttavia, quando usato da solo, l'acciaio è suscettibile alla corrosione, principalmente sotto forma di ossidazione. Quando l'acciaio è esposto all'umidità e all'ossigeno, sulla superficie del materiale si verifica una reazione chimica che indebolisce il legame degli atomi di metallo e sviluppa l'ossido di ferro, meglio riconosciuto come ruggine. La ruggine degrada la forza, le dimensioni e il ciclo vitale della vite.
Dal punto di vista della corrosione, sarebbe più semplice semplicemente non utilizzare elementi di fissaggio meccanici in acciaio. Ad esempio, titanio, rame e acciaio inossidabile sono tutti resistenti alla corrosione. Tuttavia, questi materiali non sono lavorabili o abbondanti come l'acciaio.
Invece, gli elementi di fissaggio sono rivestiti con un sottile strato di zinco, tipicamente tramite elettrodeposizione, in un processo noto come zincatura. Gli elementi di fissaggio zincati sono comuni da circa 40 anni. Mostra che la tecnologia di fissaggio meccanico continua ad evolversi per soddisfare le moderne applicazioni e aspettative, nonostante i principi di base siano noti da oltre 2000 anni.
Resistenza sicura e poco costosa
Lo zinco è il materiale di rivestimento ideale per la maggior parte delle applicazioni esterne e industriali.
L'acciaio inossidabile offre una resistenza alla corrosione superiore, ma in genere è troppo costoso per le applicazioni non specializzate. Per decenni, il cadmio è stato il metallo placcatore di partenza in quanto eccezionalmente resistente alla corrosione, è galvanicamente compatibile con l'alluminio e ha buone caratteristiche di lubrificazione, finitura e aspetto. Poiché l'elevata tossicità cumulativa del cadmio è stata meglio compresa, il suo uso diffuso è cessato.
Di conseguenza, lo zinco è diventato il materiale di prima scelta per la protezione dalla corrosione. Lo zinco è abbondante e lavorabile, il che significa che è relativamente economico da ottenere ed elaborare. Non è un rischio per la salute quando viene gestito. Uno strato di zinco aggiunge buona lubrificazione ai fili di un elemento di fissaggio. Aggiunge anche una certa durezza superficiale al metallo di base ed esibisce una moderata resistenza al calore a temperature inferiori a 400 ° F. Lo zinco è anche un materiale altamente riciclabile, il che significa che è una scelta sostenibile.
Lo zinco ha solo alcuni inconvenienti. La placcatura da sola potrebbe non fornire sufficiente resistenza alla corrosione in ambienti umidi o molto umidi. Lo zinco è anche chimicamente sensibile agli acidi e agli alcali. Infine, c'è la sfida dell'infragilimento da idrogeno.
Preferibilmente elettrolitico
L'applicazione di uno strato di zinco a un materiale metallico è generalmente nota come "galvanizzazione", sebbene tale termine sia probabilmente più applicabile al processo di produzione della zincatura a caldo, in cui l'acciaio viene pulito, decapato e rivestito con flusso prima dell'immersione in un fuso, 840 ° F o superiore bagno di zinco. Il materiale è spento e il prodotto finale emerge con uno spesso strato di zinco-carbonato.
Uno strato di zinco protettivo può anche essere saldato a freddo sulla superficie del dispositivo di fissaggio. Questo è un processo meccanico in cui il dispositivo di fissaggio viene pulito e poi fatto cadere in un bicchiere industriale con polvere di zinco, perle di vetro e prodotti chimici. Gli impatti successivi e continui delle perline di vetro colpiscono la superficie di fissaggio con polvere di zinco. L'efficacia della pallinatura è un prodotto della selezione dell'agente di burattatura e della geometria del chiodo, in modo che lo spessore dello strato locale possa variare, specialmente nelle fessure parziali. Dopo la caduta, la parte viene essiccata e trattata.
Tuttavia, la zincatura è più comune per gli elementi di fissaggio e ricorda molto da vicino il processo di elettrodeposizione, anche se su scala ridotta. Il materiale di base viene accuratamente pulito e decapato prima dell'immersione in una soluzione di zinco acido o soluzione di zinco alcalino. Il pezzo in lavorazione funge da catodo e una corrente continua viene introdotta nella soluzione. La corrente che fluisce dall'anodo al catodo deposita uno strato di ioni di zinco sul pezzo. Lo spessore e l'aspetto del rivestimento sono controllati dalla densità di corrente, dalla temperatura della soluzione e dalla concentrazione ionica durante l'elettrodeposizione.
La galvanoplastica è il modo migliore per applicare uno strato protettivo di zinco agli elementi di fissaggio per un motivo chiave: la placcatura elettrolitica crea uno strato di zinco più sottile e più uniforme sul pezzo in lavorazione rispetto alla zincatura a caldo o alla placcatura meccanica. La placcatura elettrolitica ha meno probabilità di inclinare le tolleranze sottili degli elementi di fissaggio rispetto alla zincatura a caldo. Anche l'attrezzatura galvanica è generalmente economica e richiede meno zinco crudo rispetto alla zincatura a caldo. La placcatura elettrolitica offre un aspetto superficiale accattivante ed è compatibile con vernici o finiture.
Tuttavia, lo strato di zinco addensato applicato tramite zincatura a caldo offre una migliore resistenza alla corrosione e può auto-guarire graffi e abrasioni nello zinco. Sebbene i rivestimenti galvanizzati richiedano in genere mesi di esposizione agli agenti atmosferici per costruire una patina per fornire questo livello di resistenza alla corrosione. Per gli elementi di fissaggio che richiedono un'elevata resistenza alla corrosione o all'abrasione, viene applicato un rivestimento di conversione del cromato sulla placcatura di zinco per una maggiore resilienza. Questo strato aggiuntivo passa lo zinco e lo protegge dalla ruggine bianca. Come nel cadmio, questo materiale è tossico e il suo uso sta diminuendo; rivestimenti di cromo trivalente più sicuri stanno diventando comuni.
Durante il processo di elettrodeposizione, i produttori devono essere ben consapevoli dei pericoli dell'infragilimento da idrogeno e di come ridurne al minimo la probabilità.
Fattore di rischio: infragilimento da idrogeno
L'infragilimento da idrogeno è una preoccupazione quando un acciaio ad alta resistenza, come quello di molti elementi di fissaggio, incontra l'idrogeno molecolare o atomico e ne assorbe alcuni. I componenti afflitti da infragilimento da idrogeno svilupperanno crepe e ridurranno la duttilità e la capacità portante. Se sottolineato, il dispositivo di fissaggio probabilmente si romperà, forse in modo critico.
L'infragilimento è solo una considerazione per gli acciai ad alta resistenza, come quelli con una durezza di 40 HRC o superiore o con una resistenza alla trazione di 150.000 ksi o superiore, e pochi altri metalli. Questo perché la struttura del grano di quei metalli è abbastanza tesa da intrappolare l'idrogeno all'interno, indebolendo la struttura interna del metallo. Inoltre, quando le temperature superano i 400 ° F, l'idrogeno intrappolato può reagire con il carbonio della lega di acciaio. Questo genera minuscole sacche di metano che creano pressioni interne nell'acciaio, indebolendolo.
L'idrogeno può essere introdotto sul materiale di base durante il processo di decapaggio, in cui un detergente acido viene applicato sul pezzo in lavorazione per rimuovere i contaminanti o la decalcificazione in preparazione della galvanoplastica. Il processo di elettrodeposizione è anche una fonte di idrogeno per potenziali infragilimenti. La soluzione da bagno contiene sali e ioni metallici, ma è composta in gran parte da acqua. L'idrogeno dall'acqua può essere depositato sulla superficie del dispositivo di fissaggio insieme agli ioni metallici.
Esistono alcuni metodi per mitigare o alleviare l'infragilimento da idrogeno. Quando possibile, il decapaggio dovrebbe essere eliminato a favore di una tecnica di pulizia meccanica. Gli inibitori possono anche essere aggiunti ai prodotti chimici decapanti per ridurre l'assorbimento di idrogeno. I processi di placcatura meccanica e di zincatura a caldo non introducono idrogeno nel processo di placcatura. Nonostante ciò, entrambi richiedono passaggi di pulizia o di decalcificazione che possono introdurre idrogeno.
Secondo ASTM F1941, la cottura a rilievo per l'infragilimento rimuove l'idrogeno dagli acciai elettrolitici.
La temperatura e la durata del ciclo di cottura a sollievo dipende dalla durezza del dispositivo di fissaggio ed è ulteriormente coperta dallo standard.
Piastre di fissaggio standardizzate
Le chiusure zincate sono onnipresenti. E a causa delle loro innumerevoli potenziali sfide e variazioni di produzione, i rischi sostanziali derivanti da elementi di fissaggio inadeguati o non sicuri sono inaccettabili. Le organizzazioni degli standard dettano da vicino la produzione e le prestazioni degli elementi di fissaggio placcati attraverso la dottrina, come ASTM F1941 - 10, Specifiche standard per rivestimenti elettrodepositati su dispositivi di fissaggio filettati (filettature a vite in pollici unificate).
Lo standard si concentra su zinco, cadmio e piastre in lega di zinco per elementi di fissaggio nordamericani. In particolare:
· Considerazioni importanti per i clienti dei dispositivi di fissaggio
· Tecniche di produzione per elettrodeposizione
· Specifiche e metodi di prova importanti
· Placcatura di sistemazioni di tolleranza
· Utilizzo di rivestimenti in cromo esavalente e trivalente
· Linee guida generali sulla cottura a rilascio di infragilimento
Ad esempio, un ordine cliente per un elemento di fissaggio con rivestimento Fe / Zn-Ni 8A è una richiesta per un rivestimento in lega di zinco-nichel, con uno spessore di 0,0003 in e rivestimento di cromo esavalente trasparente. Specifica inoltre che una cottura a rilievo di infragilimento da idrogeno è consigliata per otto ore, deve avvenire entro quattro ore dalla elettrodeposizione, tipicamente ad una temperatura compresa tra 350 ° F e 450 ° F e essere completata prima di un rivestimento di conversione.
ASTM F1941 è la pietra di Rosetta per i rivestimenti di fissaggio elettrolitici. Stabilisce una struttura comune per ingegneri e dispositivi di fissaggio industriali per comprendere i concetti tecnici relativi alle complessità dei rivestimenti di fissaggio e garantisce la qualità dei prodotti.
La selezione richiede esperienza
Le placcature in zinco, che a volte sono un ripensamento, sono in realtà una tecnologia di fissaggio fondamentale. L'utilizzo di questa tecnologia al massimo delle sue potenzialità richiede l'esperienza di un leader e fornitore di hardware industriale come Bayou City Bolt.
Bayou City Bolt è il principale fornitore di hardware negli Stati Uniti meridionali e collabora con i clienti per comprendere le loro esigenze applicative e fornire la soluzione di fissaggio ottimale. Con un ampio catalogo e minimi minimi, Bayou City Bolt può combinare qualsiasi progetto - letteralmente e figurativamente.
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