Zinco

Lo zinco è un metallo di colore bianco azzurrognolo che incupisce lasciandolo esposto all’aria. A temperatura ambiente presenta un reticolo esagonale compatto (HCP). Il metallo puro ha una bassa temperatura di fusione (419 °C). In vicinanza del punto di fusione lo zinco brucia formando leggeri fiocchi di ossido che gli alchimisti hanno chiamato lana filosofica.

Lo zinco ha una resistenza e una durezza maggiore di stagno e piombo, ma minore di quelle di alluminio e di rame. Il metallo puro ha una bassa resistenza al creep; lo zinco è fragile alle temperature ordinarie, ma diviene duttile già verso i 100 °C per ritornare fragile a circa 200 °C.

L’ossidazione naturale dello zinco lo protegge da attacchi in profondità: per tal motivo è usato per trattamenti protettivi di altri metalli. Si scioglie con facilità in acido liberando idrogeno gassoso e si scioglie pure in soluzioni alcaline formando anche in questo caso idrogeno gassoso.

Tracce di cadmio, arsenico, piombo e antimonio, che si trovano sovente disciolte nel metallo, sono tanto tossiche da rendere lo zinco comune abbastanza pericoloso. Contenitori di zinco possono essere usati per l’acqua da bere, ma non per i cibi, pur essendo lo zinco un componente essenziale a molti organismi sia animali sia vegetali.

Usi

Circa il 35% dello zinco prodotto nel mondo è utilizzato per la zincatura del ferro, i1 20% trova impiego nella produzione di ottoni, i1 25% in quella di altre leghe, il 10% come zinco in lastre, mentre il rimanente 10% è assorbito in applicazioni diverse.

Lo zinco è prodotto in varie qualità secondo il grado di purezza che può variare dal più puro, 99,995% al 98%. Le norme di qualità variano da paese a paese e differiscono tra loro solo per alcuni particolari. Le norme UNI prevedono 6 qualità di zinco. Le prime due, di maggior purezza (il 99,995 e il 99,99), sono usate per la preparazione di leghe, le più importanti delle quali sono destinate alla colata o pressocolata.
Gli elementi di lega sono in genere Al, Mg, Cu. Queste leghe, che fondono a temperatura relativamente bassa (circa 380-480 °C), hanno grande fluidità e bassissimo ritiro. Queste caratteristiche permettono fusioni anche molto complicate.

Lo zinco al 99,99% è impiegato anche per la preparazione di leghe destinate alla lavorazione a freddo: laminati, profilati, barre estruse, anodi sacrificali. È, inoltre, utilizzato nella produzione di filo e di polvere per vernici.
Lo zinco 99,95%, per il suo contenuto di impurezze relativamente elevato, è usato per produrre ottoni, bronzi e nella zincatura a caldo.
Lo zinco 99,9% è utilizzato per fusioni. Infine la qualità 98,5% ha il maggior campo d’impiego nella zincatura a caldo. Nell’edilizia, l’impiego del laminato di zinco ha una lunga tradizione tanto da renderlo il materiale non ferroso, per coperture e rivestimenti. di più largo utilizzo. I tetti in laminato di zinco garantiscono una lunga durata nel tempo.

Al giorno d’oggi sono sul mercato laminati costituiti da una lega Zn-Cu-Ti che, oltre ad assicurare un’elevata resistenza alla compressione, presentano ottima resistenza a trazione e al creep. Lo zinco si utilizza anche in elementi non strutturali: pluviali, grondaie, pannelli decorativi.

Lo zinco come protezione dell’acciaio

Fatta eccezione per la verniciatura, la zincatura è il metodo di ricoprimento protettivo più usato per le leghe ferrose.
Il ricoprimento di zinco costituisce una protezione della lega ferrosa contro gli effetti corrosivi dell’ossigeno atmosferico e del vapore acqueo. In primo luogo esso impedisce il contatto fisico dell’acciaio con l’aria; poi, se lo strato di zinco si rompe fino a esporre la lega ferrosa sottostante, lo zinco è meno nobile dell’acciaio protetto per cui le discontinuità del rivestimento perdono il loro carattere di pericolosità, in quanto è lo zinco del rivestimento che assume funzionamento anodico, proteggendo l’acciaio (protezione catodica dell’acciaio).

La zincatura della lega ferrosa è ottenuta con tecniche differenti:

  • zincatura a caldo;
  • metallizzazione a spruzzo;
  • vernici ricche di zinco;
  • protezione catodica;
  • zincatura laminare a freddo;
  • zincatura elettrolitica;
  • sherardizzazione.

La zincatura a caldo è il metodo più impiegato. Gli altri metodi sono utilizzati quando, per necessità impiantistiche, per problemi dimensionali e costruttivi, per eccessivi costi di trasporto, non è possibile usare la zincatura a caldo.

Zincatura a caldo

Questo processo, consistente nel rivestire i manufatti di ghisa o acciaio immergendoli in un bagno di zinco fuso, prende anche il nome di galvanizzazione. Costituisce il procedimento più antico, semplice e diffuso di rivestimento di zinco su ferro. Esso ha avuto una grande evoluzione in questi ultimi anni, soprattutto grazie all’innovazione della zincatura coninua dell’acciaio laminato in nastro. Impianti automatici si hanno anche per la zincatura di tubi, di tondini per calcestruzzo, per carpenterie in generale e per fili.

I manufatti, prima di essere sottoposti al processo, devono essere puliti da residui di olio, grassi e di vernici e scorie di saldatura presenti in conseguenza delle precedenti lavorazioni. Dopo sgrassatura, i manufatti sono decapati in acido cloridrico diluito in modo che gli ossidi di ferro siano trasformati in cloruro di ferro, solubile. Alcune ghise e acciai al silicio sono difficoltosi da galvanizzare.

Prima di venire a contatto con lo zinco fuso, i manufatti passano attraverso uno strato di condizionamento, costituito da sale doppio di zinco e ammonio che galleggia sopra lo zinco fuso. Esso ha una duplice funzione: eliminare ogni impurezza sul ferro (per esempio cloruro di ferro rimasti aderenti dopo il decapaggio) ed evitare che lo zinco fuso sottostante si ossidi. In tale modo la superficie del materiale ferroso è pronta a combinarsi con lo zinco formando un rivestimento con spesssore di 70-120 µm costituito da leghe diverse. Queste variano in composizione man mano che si allontanano dal ferro divenendo sempre più ricche in zinco. Queste leghe si ottengono a temperature superiori a quella del punto di fusione dello zinco puro e non sono, perciò, presenti negli oggetti rivestiti elettrolicamente.
La zincatura a caldo assicura, oltre la protezione galvanica, anche protezione fisica. Il rivestimento protettivo ha notevole resistenza alle azioni meccaniche e alle abrasioni.

La temperatura del bagno di zincatura influenza l’aspetto dei manufatti e la riuscita di tutto il procedimento. Una temperatura troppo elevata favorisce la formazione di scorie e dà luogo a un deposito ruvido e opaco. Una temperatura troppo bassa lascia, invece, sul manufatto uno spessore di zinco diseguale, fragile, che si sfalda. Il tempo d’immersione varia in funzione dello spessore che si vuole ottenere.

L’estrazione dal bagno deve compiersi in modo che sia favorita al massimo la colatura dello zinco, così che le superfici siano il più possibile lisce e uniformi. Gli oggetti cavi devono possedere aperture sufficientemente grandi in modo da consentire una facile entrata e uscita dello zinco fuso.

Metallizzazione a spruzzo

La metallizzazione consiste nel proiettare, con un getto di aria compressa, sulla superficie metallica da proteggere, zinco finemente polverizzato, partendo da un filo di zinco di alta purezza. Sono usate speciali pistole dove lo zinco è fuso ad alta temperatura mediante una miscela ossigeno-acetilene. La preparazione della superficie deve essere molto accurata in modo da eliminare ogni traccia di grassi, vernici, ossidi di ferro. Lo scopo si raggiunge sabbiando la superficie con abrasivi. È necessario che la superficie dopo sabbiatura risulti rugosa per migliorare l’ancoraggio dello zinco.

I vantaggi di tale metodologia si possono così riassumere:

  • semplice tecnologia con apparecchiature maneggevoli e leggere, utilizzabili in cantiere e in officina;
  • possibilità di trattare pezzi di qualsiasi dimensione;
  • riscaldamento moderato (80-85 °C max) del pezzo trattato, per cui non si hanno deformazioni;
  • depositi con spessori variabili.

La zincatura a spruzzo realizzata con strati da 40 a 200 µm conferisce una protezione contro la corrosione di lunga durata. Con questa tecnica si possono proteggere ponti, carpenterie varie, particolari di macchine termiche o elettriche, strutture saldate ecc.

Vernici ricche in zinco

Le vernici con elevato contenuto di zinco metallico (minimo 93% sul secco) danno ottimi risultati per la protezione dell’acciaio. Hanno un aspetto opaco, essiccano e induriscono in breve tempo. Dopo essiccamento, lo strato protettore è costituito da una pellicola formata dallo strato secco del veicolo contenente le particelle di zinco. In questo modo, le vernici proteggono catodicamente l’acciaio sottostante. Anche in questo caso è indispensabile, prima dell’applicazione della vernice, effettuare un’ottima pulizia della superficie del manufatto da proteggere.

Protezione catodica

Questa protezione si basa sulla differenza di potenziale che esiste tra lo zinco e l’acciaio, lo zinco essendo l’anodo sacrificale e l’acciaio il catodo. Questa protezione non richiede energia esterna e necessita di poca manutenzione.

Zincatura laminare a freddo

La zincatura laminare a freddo consiste nel ricoprire la superficie da proteggere con un sottile nastro di zinco a elevata purezza dello spessore di 80 = 100 µm. Il nastro è fatto aderire alla struttura mediante un collante dotato di alta conduttività elettrica. In tale modo è possibile ottenere una protezione combinata passiva e attiva.

Zincatura elettrolitica

Questo processo consiste nell’ottenere un rivestimento di zinco per elettrolisi. I bagni utilizzati sono costituiti da soluzioni acide o alcaline di sali di zinco. Gli anodi sono di zinco (in genere al 99,99%) e i manufatti da rivestire, sgrassati e decapati, funzionano da catodi. E possibile effettuare questo trattamento in continuo per lamiere e fili. Gli spessori di zinco depositato sono modesti e oscillano tra i 2 e i 20 µm. Dato il loro limitato spessore non hanno vita lunga negli ambienti esterni.

Sherardizzazione

È un processo di diffusione dello zinco nell’acciaio (cementazione). Con questo procedimento si possono rivestire manufatti con uno strato uniforme di zinco a temperatura inferiore a quella di fusione dello zinco stesso. Si pongono gli oggetti insieme con polvere di zinco (grigio di zinco) entro un cilindro chiuso girevole, scaldato dall’esterno a circa 400 °C. L’operazione dura da una a dieci ore a seconda degli oggetti, che in genere sono di piccole dimensioni e di forma varia.

Si ottiene un rivestimento grigio costituito da strati di lega Fe-Zn i cui spessori sono funzione del tempo di trattamento. Secondo la norma UNI 5464-69 si hanno tre classi di sherardizzazione: con spessore 5-10 µm, 10¬30 µm e oltre 30 µm. Al maggior spessore corrisponde maggior resistenza alla corrosione. La misura dello spessore può essere effettuata con metodi micrografici, chimici o magnetici.
Questo trattamento è molto adatto per le bullonerie, in quanto lo spessore ottenuto è uniforme in tutti i punti del pezzo.

Saldatura

Nella saldatura di manufatti zincati, il rivestimento di zinco evapora perciò occorre, a saldatura effettuata, ripristinare lo strato con vernici allo zinco.

Corrosione

Corrosione in atmosfera

L’attacco più grave si riscontra in atmosfera industriale. La velocità di corrosione diminuisce con il tempo, poiché lo strato dei prodotti di corrosione si aggiunge alla protezione assicurata dallo zinco. In ambiente rurale la corrosione dell’acciaio zincato è molto lenta. L’aria marina, invece, satura di umidità con un alto contenuto di cloruri, ha elevato effetto corrosivo. Anche la sabbia, con il vento, contribuisce alla corrosione con un effetto erosivo. Nelle aree industriali si ha la corrosione atmosferica più aggressiva. Gli ossidi di zolfo, sempre presenti nei fumi dei combustibili, trasformano lo zinco in solfato di zinco che è solubile in acqua. Tuttavia è da tenere presente che l’acciaio, in atmosfera contenente composti dello zolfo, si corrode rispetto a un rivestimento zincato con velocità maggiore, da 10 a 20 volte.

Corrosione in acqua

Per quanto riguarda le acque convogliate in tubazioni, la corrosione è influenzata dall’ossigeno e dalla durezza dell’acqua stessa. All’inizio, per la presenza nell’acqua di bicarbonati (durezza temporanea) si forma Zn(OH)2. L’idrato di zinco si trasforma successivamente in carbonato basico di zinco, con un ottimo effetto protettivo. Ne deriva che le acque dolci sono molto più aggressive di quelle dure.

Il quadro è diverso nel caso d’acqua calda, giacché il bicarbonato si decompone in carbonato di calcio e in acido carbonico. L’acido carbonico e l’ossigeno possono dar luogo a una forte corrosione se lo strato d’incrostazione del contenitore zincato (boiler o caldaia) si fessura. Nella pratica, il fenomeno si rivela consistente oltre 60 °C ed è in funzione del tipo d’acqua. In caso di acque aggressive, è consigliabile, oltre alla zincatura del contenitore, anche l’uso di anodi sacrificali di zinco o magnesio.

Misure antincendio e acciaio zincato

Se l’acciaio zincato è coinvolto in un incendio, non si crea alcun pericolo, in quanto non si liberano fumi tossici. Il rivestimento zincato, tuttavia, non può essere considerato una misura antincendio perché, anche se non prende parte al processo di combustione, non ha funzione simile a quella delle vernici isolanti verso il fuoco.
Se avviene un incendio in un edificio con una struttura di acciaio zincato, o se è presente in ogni caso acciaio zincato, gli effetti dell’incendio sulla struttura saranno come se la zincatura non fosse presente. Se l’incendio è intenso, la zincatura fonde ed evapora. Essendo le condizioni nell’incendio ossidanti, lo zinco si trasforma subito in ossido di zinco, una polvere bianca fine che diventa parte del fumo generale.