La zincatura a caldo è un trattamento anticorrosivo dell’acciaio che si applica immergendo i manufatti in un bagno di zinco fuso dopo una serie di pretrattamenti.
Nel 1741 il chimico francese Melouin scoprì che l’acciaio poteva essere protetto dalla ruggine mediante un rivestimento di zinco. Fu solo nel 1837, però, che l’ingegnere francese Sorel brevettò la tecnica della zincatura a caldo. Egli osservò come la differenza di potenziale che si instaura tra zinco e acciaio fosse in grado di proteggerlo. In tal modo si forma una protezione resistente meccanicamente e durevole nel tempo contro la corrosione 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.
Il metodo, in uso da allora, si è successivamente modificato e perfezionato tanto da costituire, attualmente, uno dei sistemi di protezione contro la corrosione tecnicamente più avanzati.
Nel confronto con il trattamento tramite vernici anticorrosive si deve osservare che, in tale caso, si tratta di una pellicola polimerica mentre nella zincatura si tratta di un metallo, lo zinco. Già questa prima differenza evidenzia prestazioni estremamente diverse: la verniciatura si può facilmente danneggiare già nelle sole e semplici operazioni di carico e scarico o di movimentazione di cantiere. Lo zinco, per la sua stessa natura metallica, ha una resistenza enormemente superiore ad urti ed abrasioni.
Altra caratteristica estremamente importante della zincatura a caldo è che protegge sia le superfici esterne che quelle interne. Questa circostanza è sempre vera perché, anche se il committente non volesse la zincatura nelle parti interne, questa deve necessariamente avvenire per ragioni tecniche correlate al processo di immersione.
La zincatura a caldo in generale generale è un processo definito batch, cioè adatto al trattamento di lotti, con produzione discontinua. Le fasi del trattamento sono le seguenti:

1. Preparazione superficiale
Per l’ottenimento di una zincatura di qualità, occorre che la superficie dell’ acciaio da zincare sia perfettamente pulita, in modo che nessuna presenza di ossido ed altri contaminanti possa frapporsi nel contatto del ferro nella sua forma metallica con lo zinco fuso del bagno al momento dell’ immersione. La formazione del rivestimento protettivo avviene durante l’immersione nello zinco fuso. In questa fase, si sviluppa sulla superficie di acciaio uno strato di rivestimento per reazione intermetallica tra la fase solida e la fase liquida .
La superficie dell’ acciaio dei pezzi grezzi in genere, all’ingresso dell’ impianto di zincatura, presenta chiazze e strati di contaminanti, quali ruggine e calamina, prodotti dell’ ossidazione ed altre sostanze estranee, come saponi, oli, vernici, scorie di saldatura e di fusione, assieme ad altri residui, prodotti dalle lavorazioni precedenti. In casi particolari, in cui i pezzi si presentino particolarmente sporchi o contaminati da sostanze che non possono essere rimosse con i trattamenti chimici, si ricorre alla pulizia meccanica. Si opera, dunque:

Lo sgrassaggio
I bagni possono avere diversa composizione. Indicativamente, possono consistere di una soluzione di idrossido di sodio 1 – 10%,con l’ aggiunta di altri reagenti alcalini come soda, silicato di sodio, fosfati alcalini condensati e borace nonché specifici tensioattivi, agenti di emulsione e di dispersione. Al trattamento di sgrassaggio alcalino segue il lavaggio per evitare il trascinamento di sostanze alcaline all’interno dei bagni di decapaggio acido. In tal caso, infatti, gli agenti di sgrassaggio alcalini, con la loro azione neutralizzante, ne abbrevierebbero il tempo di utilizzo.
I bagni di sgrassaggio acidi sono ottenuti a partire da acidi inorganici forti diluiti con additivi, emulsionanti ed inibitori della corrosione. Nel loro utilizzo c’è, tuttavia, un certo vantaggio, consistente nella possibilità di omissione del successivo step di lavaggio con conseguente riduzione del consumo di acqua. In molti casi, i sistemi di sgrassaggio vengono riscaldati tramite il recupero di calore dai fumi esausti del forno di zincatura, mediante serpentine per lo scambio di calore.

Il decapaggio
Il successivo step di processo consiste nel decapaggio in acido, che serve a rimuovere incrostazioni, ossidi e ruggine eventualmente presenti sui pezzi da sottoporre a zincatura. L’agente di decapaggio più utilizzato è l’acido cloridrico diluito, ma è possibile anche l’uso di altri acidi inorganici come l’acido solforico e, in casi molto particolari, l’acido fluoridrico.

Il lavaggio
Il lavaggio post-decapaggio è uno stadio molto importante nel processo di zincatura, dal momento che prolunga la vita dei bagni di trattamento successivi, riduce la produzione di rifiuti e incrementa il riutilizzo dei sottoprodotti. Il lavaggio ha lo scopo di impedire il trascinamento di acido, ferro e sali di ferro dal decapaggio all’interno dei bagni di flussaggio ed oltre, fino alla vasca di zincatura.

Il flussaggio
Il flussaggio rappresenta uno stadio di processo peculiare per la zincatura a caldo. Esso si compone:

• nella zincatura a secco, il processo di gran lunga più utilizzato, i manufatti vengono immersi in una soluzione flussante costituita da sali quali il cloruro di zinco, il cloruro di ammonio e sali doppi del tipo ZnCl2·NH4Cl·2H2O, in modo tale che la concentrazione dei sali della soluzione si porti ad un valore ottimale. La zincatura a secco prevede necessariamente la fase successiva di essiccazione e preriscaldamento.
• nella zincatura ad umido gli stessi agenti di flussaggio formano uno strato di sale fuso, più o meno spesso, galleggiante sulla superficie del bagno di zincatura.

2. Essiccazione e preriscaldamento
L’essiccazione viene ottenuta in un forno apposito, situato in prossimità del forno di zincatura. In effetti, il forno recupera in parte il calore dei fumi di combustione, anche se nella maggior parte dei casi occorrono bruciatori supplementari per consentire il funzionamento di questa apparecchiatura. L’ essiccazione completa del manufatto permette di ridurre gli spruzzi ed le eiezioni di metallo nel momento in cui il pezzo viene immerso nel bagno di zinco.

3. Immersione nello zinco fuso
I pezzi fuoriusciti dai forni per l’ essiccazione vengono lentamente introdotti nella vasca di zinco fuso. L’insieme dei pezzi sospesi alle traverse viene detto calata. Durante l’ immersione della calata, la superficie del ferro lentamente si libera dai sali di flussaggio che, reagendo con il bagno per le alte temperature, scorificano. Il tempo di immersione nel bagno varia da qualche minuto per manufatti d’ acciaio relativamente poco spessi, fino a 15 minuti per oggetti assemblati con profili di spessore maggiore.

Dal punto di vista pratico, l’avvenuta zincatura coincide con il placarsi della superficie del bagno dal caratteristico moto turbinoso dello zinco, determinato dallo sviluppo di gas e vapori. Oggetti assemblati con lamiere d’ acciaio più spesse possiedono una maggiore inerzia termica. Ciò implica che impiegano tempi più lunghi per portarsi alla temperatura del bagno. Ciò, a parità di altre condizioni, dato il più lungo tempo di permanenza alle alte temperature, fa sì che a spessori maggiori dell’acciaio corrispondano spessori maggiori del rivestimento.

Lo zinco fuso in vasca viene tenuto usualmente ad una temperatura di 440-460°C. Per applicazioni speciali, il bagno di zincatura può essere gestito a temperature più elevate, fino a 530°C ed oltre. Ciò viene richiesto nel trattamento di alcune categorie di acciai e di alcuni tipi specifici di componenti.

4. Estrazione dei manufatti
Dopo che la reazione di formazione dello strato si compie, avviene l’ estrazione dal bagno. Si tratta di una operazione delicata in cui, con l’aiuto di movimenti adatti, si favorisce il drenaggio del metallo liquido. Ad estrazione avvenuta, quando i pezzi sono ancora sospesi sul bagno si eliminano gli ultimi residui dello zinco in eccesso, colpendo o, in alcuni casi, scuotendo i manufatti.
Successivamente si provvede alla pesatura per determinare il peso del rivestimento e valutarne il costo. Infine viene valutata la qualità del rivestimento che deve rispettare prescrizioni normative riguardo ai valori minimi dello spessore ed ai requisiti di aspetto.

5. Rifinitura
Durante l’ estrazione dei pezzi dalla vasca, può accadere che lo zinco fluido, gocciolando, indurisca formando leggeri ispessimenti o gocciolature.
Generalmente, se tali difetti hanno dimensioni modeste, non creano problemi al manufatto. Tuttavia, qualora le parti zincate debbano essere assemblate o montate in maniera precisa, in caso di difficoltà, i sovraspessori e i piccoli accumuli possono essere rimossi per abrasione. Similmente, se si zinca una struttura in acciaio cui sono saldati elementi filettati, è necessario rimuovere lo zinco in eccesso dalla filettatura per renderla nuovamente efficiente. Per quanto riguarda i filetti maschi, il metodo più efficace, semplice e rapido consiste nel fondere il rivestimento con una fiamma e spazzolare via lo zinco fluidificatosi. Per le filettature femmina la protezione dei filetti per impedire il contatto con lo zinco deve essere comunque praticata a monte della zincatura.
Se dovessero causare qualche problema, in relazione a specifici utilizzi, per eliminarli sarà sufficiente impiegare una spazzola metallica.
E’ parimenti sufficiente l’ utilizzo della spazzola metallica per la rimozione di residui di schiumature eventualmente depositate sulla superficie del manufatto per un difetto nell’operazione di spalettatura. L’inclusione di ceneri è innocua per la protezione offerta all’acciaio. Essa interviene a zincatura già formata ed interessa gli strati più esterni del rivestimento, da dove può essere rimossa senza danno.

Durata della protezione anticorrosiva
Se comprendiamo il meccanismo che «consuma» lo strato di zinco è più facile valutarne la durata. Lo strato di zinco, se esposto direttamente alle sostanze inquinanti ed agli agenti atmosferici, si trasforma progressivamente in composti ossidati, di cui una parte partecipa all’azione protettiva ed una parte viene asportata dall’azione meccanica delle piogge. Questo fenomeno si ripete in continuazione per molti anni fino a che lo zinco non si sarà completamente consumato; va però detto che, quando ciò si sarà verificato, le strutture in acciaio saranno ancora perfettamente integre non essendo mai state attaccate dalla corrosione che inizia solo quando effettivamente l’acciaio resterà scoperto. Per capire quanto tempo impiega lo strato di zinco a consumarsi bisogna conoscerne lo spessore e la velocità di corrosione. Lo spessore dello zinco in genere è funzione dello spessore dell’acciaio e può variare, per gli acciai strutturali superiori a 5-6 millimetri, tra 85 e 150 micron e oltre. La velocità di corrosione può variare tra 0,1 e 2 micron per anno negli scenari d’uso più comuni mentre, in condizioni estreme su può anche andare oltre tale limite.

Fonti:
https://www.ecoferro.it
http://www.ing.unitn.it/~colombo/zincatura_a_caldo/zincatura/capitoli/cap3.html
https://www.olfez.it
https://www.ingenio-web.it/3013-la-zincatura-a-caldo-cose-e-perche-sceglierla

 Ing. Marco A. Tazzi – ZED PROGETTI srl

Hot-dip galvanizing is an anti-corrosion treatment of steel that is applied by immersing the products in a bath of molten zinc after a series of pre-treatments.
In 1741 the French chemist Melouin discovered that steel could be protected from rust by a zinc coating. It was only in 1837, however, that the French engineer Sorel patented the technique of hot dip galvanizing. He observed how the difference in potential between zinc and steel could protect it. This forms a mechanically resistant and durable protection against corrosion thanks to the formation of a very hard Fe-Zn surface alloy and the establishment of electrochemical protection phenomena between the zinc and the substrate to be protected.
The method, which has been in use ever since, has since been modified and perfected to such an extent that it is now one of the most technically advanced corrosion protection systems.
In comparison with the treatment with anticorrosive paints, it should be noted that, in this case, it is a polymeric film while in galvanizing it is a metal, zinc. This first difference already shows extremely different performances: the paint can be easily damaged even in the sole and simple operations of loading and unloading or handling of the site. Zinc, due to its metallic nature, has a much higher resistance to shocks and abrasions.
Another extremely important feature of hot-dip galvanising is that it protects both external and internal surfaces. This circumstance is always true because, even if the customer does not want the galvanizing in the internal parts, this must necessarily occur for technical reasons related to the process of immersion.
Hot-dip galvanising in general is a batch process, i.e. it is suitable for batch treatment with discontinuous production. The treatment phases are as follows:

1. Surface preparation
In order to obtain a quality zinc plating, it is necessary that the surface of the steel to be zinc-plated is perfectly clean, so that no presence of oxide and other contaminants can interfere in the contact of the iron in its metallic form with the molten zinc of the bath at the time of ‘immersion. The formation of the protective coating occurs during immersion in molten zinc. In this phase, a coating layer develops on the steel surface by intermetallic reaction between the solid phase and the liquid phase.
The steel surface of the raw parts in general, at the entrance of the galvanizing plant, has patches and layers of contaminants, such as rust and scale, oxidation products and other foreign substances, such as soaps, oils, paints, welding and melting slag, along with other residues, produced by previous processes. In particular cases, where the pieces are particularly dirty or contaminated by substances that cannot be removed with chemical treatments, mechanical cleaning is used. Therefore, the work is carried out:

Degreasing
Bathrooms may have different compositions. Indicatively, they can consist of a solution of sodium hydroxide 1 – 10%, with the addition of other alkaline reagents such as soda, sodium silicate, condensed alkaline phosphates and borax as well as specific surfactants, emulsion and dispersion agents. The alkaline degreasing treatment is followed by washing to avoid dragging alkaline substances into the acid pickling baths. In this case, in fact, the alkaline degreasing agents, with their neutralizing action, would shorten the time of use.
Acid degreasing baths are obtained from strong inorganic acids diluted with additives, emulsifiers and corrosion inhibitors. However, in their use there is a certain advantage, consisting in the possibility of omitting the next step of washing with a consequent reduction in water consumption. In many cases, the degreasing systems are heated by recovering heat from the exhaust fumes of the galvanising furnace, using coils for heat exchange.

Pickling
The next step in the process is acid pickling, which removes any incrustations, oxides and rust that may be present on the pieces to be galvanised. The most commonly used pickling agent is diluted hydrochloric acid, but it is also possible to use other inorganic acids such as sulphuric acid and, in very special cases, hydrofluoric acid.

Washing
Post-decapage washing is a very important stage in the galvanising process, since it prolongs the life of subsequent treatment baths, reduces waste production and increases the reuse of by-products. The purpose of washing is to prevent the entrainment of acid, iron and iron salts from pickling inside the flushing baths and beyond, to the galvanizing tank.

Flushing
Flushing is a special process stage for hot-dip galvanising. It is composed of:

In dry galvanizing, by far the most widely used process, the products are immersed in a flux solution consisting of salts such as zinc chloride, ammonium chloride and double salts of the type ZnCl2-NH4Cl-2H2O , so that the concentration of salts of the solution leads to an optimal value. Dry galvanizing necessarily involves the next phase of drying and preheating.
In wet galvanising, the same fluxing agents form a more or less thick layer of molten salt floating on the surface of the galvanising bath.
2. Drying and preheating

Drying is carried out in a drying oven located near the galvanising oven. In fact, the furnace partly recovers the heat of the combustion fumes, although in most cases additional burners are required to allow the operation of this equipment. The complete drying of the product allows to reduce the splashes and ejections of metal when the piece is immersed in the zinc bath.

3. Immersion in molten zinc
The pieces coming out of the drying ovens are slowly introduced into the molten zinc tank. The set of pieces suspended from the crossbars is called the lowering. During the immersion of the downpipe, the surface of the iron is slowly freed from the flux salts that, reacting with the bath for the high temperatures, discourage. The immersion time in the bath varies from a few minutes for relatively thin steel products, up to 15 minutes for objects assembled with thicker profiles.

From a practical point of view, the zinc coating coincides with the placating of the surface of the bath by the characteristic turbulent motion of zinc, determined by the development of gases and vapors. Objects assembled with thicker steel plates have a greater thermal inertia. This means that they take longer to reach bath temperature. This, all other things being equal, given the longer residence time at high temperatures, means that greater thicknesses of steel correspond to greater thicknesses of the coating.

The zinc melted in the tank is usually kept at a temperature of 440-460°C. For special applications, the galvanising bath can be operated at higher temperatures, up to 530°C and above. This is required in the treatment of certain categories of steels and certain specific types of components.

4. Extraction of manufactured products
After the layer formation reaction has taken place, extraction from the bath takes place. This is a delicate operation in which, with the help of suitable movements, the drainage of the liquid metal is favoured. After extraction, when the pieces are still suspended on the bath, the last residues of the excess zinc are eliminated, hitting or, in some cases, shaking the pieces.
Weighing is then carried out to determine the weight of the coating and assess its cost. Finally, the quality of the coating is assessed, which must comply with regulatory requirements regarding minimum thickness values and appearance requirements.

5. Finishing
During the extraction of the pieces from the tank, it can happen that the fluid zinc, dripping, hardens forming light thickenings or drippings.
Generally, if these defects are small in size, they do not create problems for the product. However, if the galvanised parts need to be assembled or mounted precisely, in case of difficulty, the excess thicknesses and small accumulations can be removed by abrasion. Similarly, if you galvanize a steel structure to which threaded elements are welded, it is necessary to remove excess zinc from the thread to make it efficient again. As far as male threads are concerned, the most effective, simple and fastest method is to melt the coating with a flame and brush away the fluidized zinc. For female threads, the protection of the threads to prevent contact with zinc must be carried out upstream of the zinc plating.
If they should cause any problems, in relation to specific uses, to eliminate them it will be sufficient to use a wire brush.
It is also sufficient to use the wire brush to remove any residues of foaming deposited on the surface of the product due to a defect in the spreading operation. The inclusion of ashes is harmless for the protection offered to the steel. It intervenes with already formed galvanisation and affects the outer layers of the cladding, from where it can be removed without damage.

Duration of anti-corrosion protection
If we understand the mechanism that “consumes” the zinc layer, it is easier to evaluate its duration. If the zinc layer is directly exposed to pollutants and atmospheric agents, it progressively transforms into oxidised compounds, part of which participates in the protective action and part of which is removed by the mechanical action of the rains. This phenomenon is repeated continuously for many years until the zinc is completely consumed, but it must be said that, when this occurs, the steel structures will still be perfectly intact as they have never been attacked by corrosion that begins only when the steel actually remains exposed. To understand how long it takes for the zinc layer to wear out, you need to know its thickness and the rate of corrosion. The thickness of zinc generally depends on the thickness of the steel and can vary, for structural steels over 5-6 millimeters, between 85 and 150 microns and more. The rate of corrosion can vary between 0.1 and 2 microns per year in the most common scenarios of use, while in extreme conditions it can even go beyond that limit.