Aiz monografia zincatura a caldo by aiz.

Associazione Italiana Zincatura

ZINCATURA A CALDO

A cura di Lello Pernice

Le Aziende di Zincatura a Caldo che si fregiano del marchio di Soci dell’AIZ sono vincolate dallo statuto a rispettare elevati Standard di Qualità e sono costantemente impegnate nella cura e soddisfazione della propria clientela. Per ulteriori informazioni visitate il nostro sito web www.aiz.it

Associazione Italiana Zincatura Via Luigi Lilio, 62 00142 Roma tel. 06 51964662 fax 06 5190771 www.aiz.it – info@aiz.it

Grafica e impaginazione Mirapromotion Srl Stampa Poligrafica Ruggiero In copertina Impianto “Piz La Villa”, Corvara (BZ)

L’Associazione Italiana Zincatura, costituita nel 1957, è un’associazione senza scopo di lucro che rappresenta l’industria di zincatura a caldo in Italia. Il suo obiettivo principale è lo sviluppo dell’uso della zincatura a caldo per la protezione dell’acciaio contro la corrosione. È tra le Associazioni europee fondatrici dell’EGGA - European General Galvanizers Association. L’AIZ è associata all’ASSOMET, Associazione Nazionale Industrie Metalli non Ferrosi. Segue le attività scientifiche e di ricerca a livello internazionale; promuove studi per la messa a punto di nuovi prodotti e il perfezionamento di quelli esistenti; collabora con varie Università Italiane; pubblica testi tecnici e divulgativi. Organizza convegni e seminari; promuove la collaborazione e l’interscambio di informazioni fra persone, enti, organizzazioni ed altre istituzioni che perseguono scopi analoghi. Partecipa all’elaborazione, stesura e revisione di norme tecniche nazionali ed internazionali nell’ambito delle attività di Comitati ISO, CEN, UNI, Unimet, CEI. Promuove l’uso dell’acciaio strutturale insieme a Federacciai, UNICMI, CTA, AIPEG. Fornisce un supporto continuo ai progettisti e utenti finali per determinare il migliore risultato dell’applicazione della zincatura a caldo. Lello Pernice, ingegnere chimico laureatosi all’Università “Federico II” di Napoli, è il responsabile tecnico di Associazione Italiana Zincatura. Attualmente Presidente del Comitato Tecnico EGGA e Membro dei Comitati EGGA Ambiente e Marketing, è anche delegato ai Comitati Tecnici UNI, CEN e ISO per le norme del settore.

Prefazione

Roma, 11 novembre 2014 L’Associazione Italiana Zincatura ha provveduto alla riedizione di questa monografia, aggiornandone i contenuti soprattutto rispetto ai riferimenti alle norme tecniche che sono state introdotte o hanno subito revisione dopo il 2007. Il “compito” di Zincatura a Caldo resta immutato: la divulgazione. Per riferimenti tecnici più specifici si può sfogliare il Manuale di Buone Pratiche per la Zincatura a Caldo, che Associazione Italiana Zincatura rende disponibile nella versione cartacea su richiesta. Sia Zincatura a Caldo che il Manuale di Buone Pratiche sono pubblicati integralmente, per la consultazione libera, nella sezione “editoria” del sito www.aiz.it di Associazione Italiana Zincatura. Associazione Italiana Zincatura Lello Pernice

Roma, 26 gennaio 2007 L’interesse e l’apprezzamento per le versioni precedenti, dimostrati da un vasto pubblico di fruitori, hanno incoraggiato l’Associazione Italiana Zincatura ad assumersi questo ulteriore impegno, ora giunto a compimento con l’edizione aggiornata di Zincatura a Caldo, studio monografico divulgativo. Non cambia l’obiettivo fondamentale, che non consiste in una trattazione scientifico - tecnologica e non è rivolto ai soli esperti di corrosione. Con “la monografia”, il nostro compito è quello di sempre: favorire la diffusione della zincatura a caldo, aiutando committenti, progettisti, produttori ed utilizzatori finali dei manufatti in acciaio nella scelta di quello che riteniamo il sistema più efficace di protezione dalla corrosione dell’acciaio. Per conservare la continuità con il passato, dato che le precedenti edizioni sono state un riferimento per ingegneri, architetti, progettisti e pianificatori, abbiamo strutturato il lavoro in modo che Zincatura a Caldo, pur con il suo carattere esplicativo e divulgativo, possa funzionare da semplice e rudimentale handbook ed essere nello stesso tempo un’occasione di lettura delle caratteristiche della zincatura, uno stimolo per l’ulteriore approfondimento tecnico. Per questo, le affermazioni che, a nostro giudizio, possono destare la maggiore attenzione del lettore sono accompagnate da note a piè di pagina con la segnalazione dei riferimenti testuali. Ciò, insieme alla indicazione della bibliografia globale, costituisce un utile riferimento per il fruitore di quest’opera, 5

che in ogni caso potrà ottenere facile accesso alle fonti citate contattando direttamente l’Associazione Italiana Zincatura. Oltre a fornire cenni esplicativi su cause e meccanismi della corrosione, rispetto alle precedenti edizioni, aggiungiamo in questa una trattazione, speriamo leggera ed agile, di argomenti di sicuro interesse per il settore della protezione dalla corrosione dell’acciaio come, ad esempio, una più dettagliata descrizione del processo di zincatura a caldo, un rapido sguardo alle tecniche in adozione per il precondizionamento della superficie zincata e la successiva verniciatura del manufatto. Per soddisfare un interesse crescente della odierna società, diamo anche uno sguardo al contributo della zincatura a caldo per la realizzazione dell’obiettivo dello sviluppo sostenibile e della protezione dell’ambiente . Di particolare interesse per architetti e progettisti speriamo sia l’appendice con la galleria di esempi applicativi molto attuali, che mettono in risalto le caratteristiche della zincatura a caldo per il loro pregio architettonico o l’interesse funzionale. Della prima edizione, a cura di Antonio di Casola, che vide la luce nell’ormai lontano 1993, aspiriamo a conservare l’impostazione agile e consequenziale, assieme alla straordinaria chiarezza espositiva. Inoltre, ci proponiamo di conservare l’approccio rigoroso ai temi tecnici della seconda edizione, a cura di Licina Ciardi e di Iginio Nizzola; per questo, ad esempio, le parti relative ai consigli per la progettazione ed alla normazione sono stati conservati pressoché intatti. L’Associazione Italiana Zincatura ed i suoi Soci saranno sempre disponibili a fornire ai lettori qualsiasi chiarimento ed approfondimento vogliano essi richiedere rispetto ai temi trattati in questo studio monografico.

Lello Pernice Responsabile Tecnico di Associazione Italiana Zincatura

Sommario

Introduzione Lo zinco amico dell’acciaio Il rivestimento di zincatura a caldo I vantaggi della zincatura a caldo La zincatura a caldo e l’ambiente Il sistema duplex

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Capitolo 1 La corrosione dell’acciaio. Cosa combatte la zincatura a caldo La corrosione La pianificazione della protezione e delle manutenzioni Le conseguenze della corrosione • il danno economico • il danno sociale • il danno alla sicurezza Le cause ed il meccanismo della corrosione La corrosione galvanica Potenziali elettrochimici Le correnti vaganti

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Capitolo 2 La protezione dell’acciaio dalla corrosione. Come lo zinco protegge l’acciaio La scelta del sistema di protezione dalla corrosione Protezione attiva e passiva Protezione passiva: effetto barriera La verniciatura Altri rivestimenti organici o inorganici non metallici: smaltature Rivestimenti con resine Rivestimenti metallici con protezione passiva Limiti della sola protezione passiva Differenze di prestazioni tra polimeri e metalli Protezione attiva Protezione catodica La scelta dello zinco per la protezione attiva dell’acciaio Perché proprio lo zinco Sistema duplex

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Capitolo 3 Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato a caldo Durata della protezione della zincatura a caldo La protezione della zincatura a caldo per effetto della conversione superficiale dello zinco La dipendenza dal pH Corrosione in atmosfera • atmosfera rurale • aree ad elevata industrializzazione e centri urbani • ambienti marino-costieri Corrosione in acqua Corrosione nel terreno Il contatto con altri metalli: la corrosione galvanica Corrosione nel cemento e protezione del tondino con la zincatura a caldo • corrosione delle armature del calcestruzzo • protezione del tondino con la zincatura a caldo Corrosione per contatto con altri materiali La ruggine bianca

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Capitolo 4 Il processo di zincatura a caldo Le fasi del processo di zincatura a caldo Le “differenti” zincature a caldo Fasi produttive La preparazione superficiale • sgrassaggio • decapaggio • lavaggio • flussaggio • essiccazione e preriscaldo Immersione nello zinco fuso Le vasche di zincatura L’estrazione dei manufatti Rifinitura Zincatura di minuterie centrifugate Zincatura dei tubi in impianti dedicati Zincatura di fili e lamiere

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Capitolo 5 Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo Morfologia del rivestimento

Proprietà meccaniche del rivestimento Fattori influenzanti la crescita del rivestimento Reattività degli acciai: influenze della composizione del substrato Influenza di silicio e fosforo sulla zincatura degli acciai Comportamento degli acciai in base al contenuto di silicio e fosforo Il controllo della crescita dello strato Composizione del bagno di zincatura Effetti della composizione del bagno sulla reattività

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Capitolo 6 Progettare per la zincatura a caldo Requisiti dei manufatti da zincare Effetti trascurabili sui trattamenti termici dell’acciaio Come evitare le deformazioni Dimensioni, peso e geometria dei manufatti Profili cavi e tubolari, superfici sovrapposte: fori di sfiato e drenaggio Casi particolari Fili e manufatti in filo Fusioni in acciaio e ghisa Esclusioni di singole parti Assemblaggio di manufatti • a partire da semilavorati • saldatura di parti zincate • la bullonatura • giunti ad attrito Norma UNI EN ISO 14713. Linee guida per la progettazione

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Capitolo 7 Applicazioni della zincatura a caldo La zincatura a caldo in Italia ed in Europa Principali utilizzi della zincatura a caldo • le costruzioni • il tondino zincato • agricoltura • servizi, strade e arredo urbano

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Capitolo 8 Convenienza economica della zincatura a caldo Considerazioni generali I fattori discriminanti nella scelta della protezione dalla corrosione Costi iniziali attualizzati e costi finali

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Capitolo 9 Qualità e normazione per la zincatura a caldo I sistemi di gestione della qualità: il sistema ISO 9000 Cenni storici sulla normazione per la zincatura a caldo La normativa UNI EN ISO 1461:2009 La normativa UNI EN ISO 14713:2010

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Capitolo 10 I sistemi duplex Perché verniciare l’acciaio zincato a caldo Durata di un sistema duplex Qualità della zincatura e preparazione superficiale Vernici e metodi di applicazione Standardizzazione dei sistemi duplex Come scegliere una vernice

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Capitolo 11 La resistenza al fuoco dell’acciaio zincato e le vernici intumescenti La resistenza al fuoco dell’acciaio zincato Le vernici intumescenti

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Capitolo 12 La zincatura a caldo ed il rispetto dell’ambiente La zincatura a caldo migliora le prestazioni ambientali dell’acciaio Lo zinco e l’ambiente Lo zinco e la salute umana Lo zinco e l’acciaio sono totalmente riciclabili L’ottica del ciclo di vita applicata alla zincatura a caldo L’LCA della zincatura a caldo Product Category Rules della zincatura e degli altri trattamenti anticorrosivi EPD: dichiarazione ambientale della zincatura a caldo

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Appendice Alcuni esempi di applicazione della zincatura a caldo

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Riferimenti bibliografici

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Introduzione Lo zinco, amico dell’acciaio Il rivestimento di zincatura a caldo I vantaggi della zincatura a caldo La zincatura a caldo e l’ambiente Il sistema duplex

L’acciaio in atmosfera, senza opportuna protezione, subisce una degradazione spontanea e tecnicamente irreversibile1, che causa, in tempi più o meno brevi, un’inesorabile e progressiva perdita delle proprietà tipiche dello stato metallico. Il progressivo attacco arrecato dalla corrosione alle strutture portanti degli edifici determina una diminuzione graduale delle resistenze meccaniche e dei carichi sostenibili, a causa della riduzione delle sezioni resistenti. Persino prima che si verifichi un apprezzabile peggioramento della sicurezza strutturale, la corrosione determina effetti secondari dal punto di vista architettonico, che si manifestano in un sensibile danno alla qualità estetica dei manufatti.

Lo zinco, amico dell’acciaio

Fig. I Questo destino per l’acciaio non è ineluttabile. Basta adottare sistemi di protezione di lunga durata.

Il crescente utilizzo dell’acciaio nei molteplici campi di utilizzo, impone l’adozione di difese contro la corrosione efficaci per l’intera vita utile dei manufatti. La scelta della migliore tecnologia anti-corrosiva è una misura preventiva di primaria importanza per progettisti, realizzatori e committenti sia pubblici che privati. 1

La riduzione delle specie ossidate, prodotto della corrosione non è possibile se non in fornace. La corrosione, quindi, una volta occorsa è irreversibile dal punto di vista tecnologico.

Una strategia protettiva opportuna garantisce, da un lato la necessaria tutela delle applicazioni, evitando che si creino situazioni di rischio per l’incolumità di persone e cose, e dall’altro consegue un risparmio essenziale in termini di risorse naturali, energetiche e finanziarie, altrimenti impegnate nel rifacimento di strutture compromesse nel corso degli anni. La protezione dalla corrosione dell’acciaio rappresenta, quindi, un obiettivo fondamentale nell’affermazione dello sviluppo sostenibile, uno dei temi di maggiore attualità nel mondo contemporaneo. Fig. I.2 La protezione offerta dalla zincatura a caldo conferisce un’impronta di modernità all’edificio protetto da questo cancello artistico. In questo esempio, la protezione dalla corrosione coniuga alla garanzia di sicurezza di lunga durata, il rinnovamento estetico dell’ambiente in cui l’opera è inserita.

Il rivestimento di zincatura

La capacità dello zinco di offrire protezione all’acciaio è nota da lungo tempo: da più di 150 anni, la zincatura a caldo è applicata a livello industriale con un processo semplice ma robusto, che, evolutosi nel tempo, ha dato luogo ad un sistema di protezione dalla corrosione, efficace e tecnicamente avanzato. Nel 1742 il chimico francese P. J. Malouin scoprì che, per immersione in un bagno di zinco fuso, si poteva ottenere un rivestimento di zinco sull’acciaio. L’ingegnere francese Sorel, nel 1837, nel brevettare il processo di rivestimento a caldo, coniò il termine galvanizing con cui il processo è conosciuto all’estero. Questo è il motivo per cui, in luogo dell’espressione zincatura a caldo, qualche volta si trova anche il termine galvanizzazione. Il rivestimento, ottenuto per immersione in un bagno di zinco fuso alla temperatura di circa 450°C, garantisce una protezione durevole, molto resistente ed utilizzabile in un vastissimo campo di applicazioni. Ciò costituisce l’effetto della compenetrazione tra gli strati superficiali di acciaio e lo zinco. Il rivestimento che si forma sull’acciaio non è semplicemente deposto, come avviene con le vernici o con i rivestimenti

Introduzione Fig. I.3 La zincatura è il risultato della “reazione” della superficie di acciaio con lo zinco con formazione di diversi strati di lega Fe/Zn

elettrolitici: durante l’immersione dei manufatti nel bagno, lo zinco si lega intimamente all’acciaio per mezzo di una reazione metallurgica. In questo modo, si determina la creazione di uno strato compatto, la zincatura, che riveste completamente il manufatto. Nel caso di realizzazioni con profilati cavi, lo zinco fluido penetra anche nell’interno, ricoprendone tutte le superfici. Il rivestimento metallico è resistente agli urti ed è perfettamente continuo. Protegge il manufatto con un duplice meccanismo: per effetto barriera, frapponendosi tra la superficie dell’acciaio e l’atmosfera aggressiva, e per protezione catodica, corrodendosi al posto dell’acciaio a causa della differenza di potenziale elettrochimico dei due metalli. Questa protezione attiva fa sì che, in caso di scalfitture, graffi e piccole aree scoperte, lo zinco circostante protegga l’acciaio sacrificandosi, ovvero corrodendosi al suo posto. I prodotti della corrosione tendono, inoltre, a sigillare i difetti, impedendo all’ossigeno ed alle specie aggressive di venire a contatto con la superficie scoperta dell’acciaio, bloccando il procedere della degradazione. Normalmente, lo zinco in atmosfera tende a ricoprirsi di una sottile patina stabile di ossidi e carbonati, detta strato di passivazione, che lo protegge dalla dissoluzione - ciò determina la lunga durata della protezione offerta all’acciaio dalla zincatura. Fig. I.4 La zincatura offre la maggiore durata a parità di aggressività dell’ambiente. a) struttura in acciaio interamente zincata in prossimità della costa marina – Steampacket Place, Australia; b) scala esterna struttura aeroportuale situata nell’interno – torre di controllo aeroporto di Düsseldorf, Germania.

I vantaggi della zincatura

La zincatura e l’ambiente

In numerose aree, nelle comuni atmosfere di esposizione, il rivestimento può durare anche più di mezzo secolo, realizzando una performance non eguagliabile da altri sistemi di protezione. Ciò fa sì che, per decadi, non sia richiesta alcuna manutenzione del manufatto zincato: la zincatura evita le spese connesse al ripristino della protezione, che ciclicamente occorrono per le strutture di acciaio protette con metodi alternativi. Tra l’altro, la zincatura consente anche un facile monitoraggio della corrosione, permettendo di controllare con estrema semplicità lo stato delle singole opere, con notevole miglioramento delle condizioni di sicurezza. Infatti, la zincatura è esente da fenomeni che causano la mimetizzazione della corrosione, come può accadere al di sotto di uno strato di verniciatura invecchiato, che non offre più una barriera adeguata alla diffusione dell’ossigeno e vede venir meno la capacità di isolare elettricamente la superficie dell’acciaio (rigidità dielettrica). Durante l’utilizzo del manufatto, la zincatura determina l’immissione di piccole quantità di zinco in ambiente, ma è stato dimostrato che l’apporto di zinco dai manufatti zincati non arreca problemi. Lo zinco è un metallo essenziale per la salute dell’uomo e per l’ecosistema. Fig. I.5 Il rispetto per l’ambiente attraverso lo “sviluppo sostenibile” é prioritario dell’epoca contemporanea. Lo zinco esplica un suo chiaro ruolo nella conservazione delle risorse naturali.

Le aziende in cui si applica il processo di zincatura a caldo, le zincherie, sono molto sensibili al rispetto dell’ambiente e soggette ad una normativa molto rigida che limita le emissioni nel quadro della politica integrata per la prevenzione ed il controllo dell’inquinamento in vigore nel territorio dell’Unione Europea. Quando si è in presenza di ambienti con aggressività particolarmente severe o si vuole aumentare la resistenza alla corrosione della zincatura e, quindi, la durata della protezione, si può applicare al manufatto zincato un successivo rivestimento di verniciatura. In questo modo, si 14

Introduzione Fig. I.6 Centro commerciale vicino alla Spiaggia del Pacifico, Australia. La struttura è protetta con un sistema duplex con resina poliuretanica

ottiene una protezione che è in grado di conservarsi un tempo maggiore della somma delle durate rispettive che offrirebbero zincatura e verniciatura, ciascuno dei due trattamenti effettuato singolarmente. La verniciatura sull’acciaio zincato, detta anche sistema duplex, può essere anche effettuata per ragioni estetiche, per non rinunciare al colore o per rendere immediatamente riconoscibile il manufatto per motivi funzionali (ad esempio, la colorazione gialla delle tubazioni del gas). Alla zincatura vanno applicate vernici adatte, reperibili sul mercato con grande facilità ed a basso costo, in grado di offrire la giusta aderenza allo strato di zincatura.

Il sistema duplex

Capitolo 1

La corrosione dell’acciaio. Cosa combatte la zincatura La corrosione La pianificazione della protezione e delle manutenzioni Le conseguenze della corrosione Il danno economico Il danno sociale Il danno alla sicurezza Le cause ed il meccanismo della corrosione La corrosione galvanica Potenziali elettrochimici Le correnti vaganti

Per corrosione si intende il graduale deterioramento di un materiale, causato dal progressivo decadimento delle sue proprietà intrinseche, per interazione chimico-fisica con l’ambiente circostante. Per i metalli e l’acciaio, la corrosione comporta la progressiva perdita delle caratteristiche meccaniche, funzionali e strutturali, proprie dello stato metallico.

La corrosione

Fig. 1.1 La ruggine. L’acciaio non protetto si corrode. Data l’importanza di questo materiale, la sua protezione è da sempre una sfida tecnologica di primaria importanza.

La corrosione coinvolge e condiziona tutte le attività umane. Il compito di arrestare l’avanzata della degradazione spetta già al progettista che, assieme alla scelta dei materiali adatti per la realizzazione dell’opera, dovrebbe sempre curarsi della loro protezione. La prevenzione è l’unica strategia difensiva consigliabile ed efficace dal punto di vista tecnico ed economico. Durante la fase della selezione della protezione con materiali, tecniche e accorgimenti proget-

La pianificazione della protezione e delle manutenzioni

Capitolo 1

tuali opportuni, è essenziale pianificare anche le manutenzioni, programmando il momento del primo intervento e la frequenza dei seguenti. Infatti, ogni sistema anticorrosivo è caratterizzato da una sua durata, che dipende dalle caratteristiche intrinseche della protezione, dalle peculiarità progettuali e dalle condizioni ambientali. Se sono carenti gli interventi di manutenzione programmata, la corrosione può comportare necessità di procedure di ripristino particolarmente onerose, fino a determinare, nei casi estremi, l’esigenza di totale rifacimento del manufatto. La mancanza o l’insufficienza delle manutenzioni non sempre sono dovute a mancanza di fondi ma possono essere semplicemente causate da trascuratezza ed imprevidenza. E quest’evenienza è per nulla improbabile. D’altronde, non sono rari i casi in cui sussistono condizioni di impraticabilità delle riparazioni a causa di difficoltà intrinseche, logistiche e tecniche, che limitano l’efficacia degli interventi. Esemplare è il caso del cemento armato corroso, per cui spesso il recupero strutturale è molto complesso e costoso, e che può, talora, diventare perfino impossibile. Fig. 1.2 L’acciaio non si corrode solo in atmosfera. Esempio di corrosione delle armature di cemento armato.

Quando si verificano condizioni di particolari difficoltà applicative, il costo totale della manutenzione può anche superare il costo iniziale della realizzazione. Alla luce di queste semplici considerazioni, diviene evidente l’opportunità di scegliere metodi anticorrosivi in grado di assicurare una protezione durevole. La scelta ideale consiste in un sistema in grado di proteggere il manufatto per tutta la sua vita utile, che minimizzi o annulli l’esigenza di manutenzioni dopo la sua applicazione. Quindi, la chiave per affrontare il problema connesso alla corrosione, consiste nella scelta di una protezione che non richieda particolare at18

La corrosione dell’acciaio

tenzione da parte dei proprietari o dei responsabili della gestione dell’opera, in grado di conferire una prevenzione totale che non comporti degradazione alcuna delle resistenze strutturali e non sia caratterizzato da particolari esigenze di manutenzione. Nonostante da tempo si stia assistendo ad un aumento della sensibilità verso il problema della protezione dalla corrosione, comunque l’ordine di grandezza delle cifre riguardanti i costi, permane molto elevato. Il fenomeno corrosione comporta danni diretti valutabili in decine di miliardi di euro all’anno (40.000 miliardi delle vecchie lire secondo una ricerca di qualche anno fa) nella sola Italia.

Le conseguenze della corrosione Il danno economico

Fig. 1.3 Il danno arrecato all’economia dalla corrosione è ingente (Brochure AIZ, anni ’80).

La parte monetizzabile, considerata nel computo, è solo una frazione del totale: ai danni diretti vanno aggiunti i danni per la riduzione dell’efficienza e della fruibilità delle opere. Per gli impianti produttivi, anche semplici interventi manutentori possono richiedere lunghi fermi d’attività con conseguente ingente danneggiamento economico. Evidente è il costo sociale originato dall’interruzione o anche dalla limitazione di servizio di installazioni civili, quali edifici pubblici e privati, teatri, scuole, strutture sportive e ricreative, opere architettoniche di interesse culturale. Semplicemente incalcolabili sono le conseguenze sul patrimonio artistico, quando la corrosione provoca letteralmente la dissoluzione delle opere di pregio,

Il danno sociale

Fig. 1.4 A lato, la torcia della Statua della Libertà nel 1984. Sotto, come si presenta ora dopo la sostituzione.

Capitolo 1

Il danno alla sicurezza

come è accaduto alla torcia della Statua della Libertà. L’opera originaria è stata sostituita negli anni 80. Gli effetti della corrosione sulla sicurezza possono essere drammatici o addirittura tragici: la corrosione implica la riduzione delle resistenze meccaniche dell’acciaio, con evidente effetto sulla sicurezza ed affidabilità delle strutture realizzate. Particolarmente interessato al fenomeno è l’acciaio adoperato come struttura portante di costruzioni ed edifici. Casi di grossi cedimenti strutturali con conseguenze tragiche sono piuttosto rari, ma purtroppo non improbabili. Insidie gravi possono essere presenti anche in installazioni meno pesanti come, ad esempio, arredi, pali per illuminazione, recinzioni, etc. etc. in cui il danneggiamento della corrosione può progredire in maniera molto meno vistosa e controllabile, fino a comportarne il crollo. Fig. 1.5 Il crollo del tetto della piscina di Zurigo (1985); a sinistra, è possibile valutare la condizione delle armature corrose.

Le cause ed il meccanismo della corrosione

Tutto ciò rende necessario che il progettista o chiunque abbia potere decisionale sul futuro dell’opera, possegga un bagaglio culturale di conoscenza delle cause e dei meccanismi con cui i processi corrosivi evolvono. Solo in questo modo è possibile distinguere la più adatta tra le soluzioni tecnologiche a disposizione per combattere la corrosione e ridurne il rischio. L’acciaio, lega di ferro e carbonio, si ottiene dall’estrazione siderurgica del metallo da specie ossidate quali minerali naturali o rottame arrugginito. Questo processo richiede energia, fornita al sistema sotto forma di calore. L’acciaio è, dunque, in uno stato in cui l’energia libera è maggiore rispetto ai materiali da cui è ottenuto. Questa condizione genera instabilità termodinamica: il metallo tende spontaneamente a tornare alla forma ossidata di origine. La corrosione corrisponde alla dissipazione dell’energia accumulata dall’acciaio durante il processo siderurgico e avviene con reazioni spontanee con danni irreversibili. Il fenomeno, oltre ad essere favorito dalla termodinamica, presenta

La corrosione dell’acciaio

una cinetica comunemente veloce negli ambienti normali di utilizzo, a causa di condizioni favorevoli di temperatura e presenza di sostanze attivanti quali acidi ed inquinanti. La corrosione progredisce con meccanismi di tipo elettrochimico. Dal punto di vista concettuale, il processo di corrosione coincide con il funzionamento di un elemento galvanico in corto circuito, in cui si differenziano aree destinate alla ossidazione ed aree in cui avviene la riduzione. Perché la reazione possa avere luogo occorre la presenza contemporanea di un agente ossidante (l’ossigeno dell’aria) e di una soluzione conduttiva formata da elettroliti (sali) ed inquinanti (acidi od alcali, composti inorganici o organici). Condizioni queste normalmente riscontrate, data la presenza comune di condensa di vapor acqueo (in aggiunta agli aerosol salmastri in prossimità del mare), in cui si sciolgono le parti solubili di pulviscolo e specie chimiche prodotte dall’inquinamento. In ambiente neutro, la semi-reazione catodica di consumo di elettroni è data dalla riduzione dell’ossigeno disciolto nella condensa che si forma sulla superficie del metallo. H2O+½ O2+2e-→2(OH-)

semi-reazione di riduzione catodica

La semi-reazione di dissoluzione del metallo è schematizzabile semplicemente con Me→Me+++2e-

semi-reazione di dissoluzione anodica

Nei processi corrosivi, differenti aree della stessa superficie metallica possono comportarsi da anodi – con ossidazione del metallo a ioni M++ e contestuale cessione di elettroni – oppure da catodi – sedi della reazione di riduzione, in cui l’ambiente aggressivo acquisisce elettroni. Osserviamo quello che accade quando una goccia di acqua cade sull’acciaio: in presenza degli inquinanti comunemente presenti in atmosfera (come SO2 ed NOx), si innescano reazioni che comportano deposizione di ruggine al centro della goccia, mentre ai bordi la corrosione è meno evidente. L’ossigeno presente nell’aria si diffonde all’interno della goccia incontrando in soluzione la superficie metallica che, nella zona più esterna, funge da catodo, fornisce elettroni per la reazione di riduzione e resta immune dalla corrosione. Contemporaneamente, al centro della goccia, dove l’ossigeno presenta una concentrazione molto minore, si crea una zona anodica dove il metallo rilascia ioni ferro Fe++ in soluzione ed assicura l’apporto di elettroni al processo. In sintesi le due semi reazioni anodica e catodica, coinvolte nella cor21

Capitolo 1 Fig. 1.6 Modello del meccanismo di corrosione di acciaio in atmosfera.

O2 OH-

Fe(OH)3

Fe+++ Fe++

sali OH-

rosione dell’acciaio, possono essere riassunte nella reazione globale: H2O+½ O2+Fe→Fe(OH)2 Per azione di altro ossigeno, l’idrossido ferroso Fe(OH)2 si ossida a ferrico Fe(OH)3 che precipita nell’intorno della zona anodica. Infine, la CO2 atmosferica, disciolta nella goccia, reagisce con una parte di questi idrossidi formando i rispettivi carbonati. Il risultato di questo complesso fenomeno è la ruggine – miscuglio di idrossido, di ossido e di carbonato di ferro. Nella realtà, la corrosione generalizzata tipica dell’acciaio è descritta dal modello dell’elettrodo misto – una superficie metallica in cui avviene, su micro-aree uniformemente disperse, la dissoluzione anodica del metallo e la reazione contemporanea di riduzione catodica dell’ossigeno. I fenomeni descritti avvengono in scala microscopica e risultano tanto fittamente compenetrati da consentire una deposizione Fig. 1.7 Analisi comparativa del comportamento a corrosione tra acciaio e zinco (acciaio zincato). Anche nelle condizioni ambientali di contaminazione con SO3, lo zinco manifesta velocità di corrosione molto inferiori rispetto all’acciaio.

uniforme di prodotti di corrosione. È l’aspetto tipico di un pezzo di ferro arrugginito. Lo strato di ruggine che si forma sulla superficie del ferro, non può proteggere il metallo sottostante contro gli agenti aggressivi esterni 22

La corrosione dell’acciaio

perché poroso e poco compatto. Pertanto, in assenza di opportune misure protettive, la corrosione una volta iniziata può continuare fino alla completa dissoluzione anodica del ferro. I processi corrosivi sono, dunque, favoriti dalla presenza di agenti che migliorano la conduttività superficiale o concorrono a determinare l’esposizione di superfici metalliche attivate. Ecco perché risulta evidentemente dannosa la presenza di aria umida e sali (presenti nella polvere o in altre sospensioni atmosferiche) ed è manifesta l’azione distruttiva degli acidi. Anche le condizioni di aerazione differenziata, in cui la concentrazione di ossigeno è differente da punto a punto, favoriscono la corrosione, dal momento che i gradienti di concentrazione di ossigeno realizzano una differenziazione tra aree catodiche ed anodiche. Ne sono esempi la corrosione molto spinta che si riscontra nei punti di affioramento di strutture parzialmente interrate. Si consideri, inoltre, l’accelerazione della degradazione che si evidenzia se si sovrappongono due superfici metalliche. In tal caso, infatti, sussiste una differenza di concentrazione di ossigeno tra l’esterno (parte esposta all’aria) e l’interno (parte interrata o intercapedine rispettivamente). Interessante è il caso della corrosione galvanica causata dall’accoppiamento con contatto diretto tra due metalli diversi: i materiali metallici non manifestano tutti la stessa tendenza ad ossidarsi. Ciò dipende dalla maggiore o minore propensione che essi hanno al rilascio di elettroni, ovvero alla loro dissoluzione in soluzione come ioni. Per avere un’idea più chiara dei fenomeni coinvolti in questo tipo di fenomeni dobbiamo fare necessariamente riferimento ai potenziali standard di riduzione, che sono indicati nella serie riportata in Tab. 1.1. Essi sono il risultato di complesse formalizzazioni delle proprietà elettrochimiche. Per una lettura molto semplice della tabella, possiamo affermare che metalli che presentano un potenziale più basso, sono caratterizzati da una maggiore spinta alla cessione di elettroni, ovvero all’ossidazione. Ciò, in termini qualitativi, implica che, se due metalli diversi sono messi a contatto in presenza di condensa conduttiva, quello che è caratterizzato dal potenziale standard di riduzione più basso si corrode, cioè cede elettroni, più velocemente. Ciò si esprime anche dicendo che i metalli a potenziale più alto sono più nobili, nel contatto restano ridotti ovvero non si corrodono. Si evince che il contatto tra due metalli determina una situazione tanto più svantaggiosa per il meno nobile quanto più i metalli sono distanti nella serie, cioè quanto più è grande la differenza tra i potenziali. L’effetto di accoppiamento galvanico può riservare brutte sorprese

La corrosione galvanica

Potenziali elettrochimici

Capitolo 1

dal momento che può accelerare in maniera critica la corrosione delle parti metalliche meno nobili nel contatto tra due metalli. Tab. 1.1 Potenziali di riduzione standard (25° C).

Le correnti vaganti

Semireazioni F+2e- → 2FMnO4+8H++5e- → Mn2++4H2O Ce4++e- → Ce3+ Au3++3e- → Au Cl2+2e- → 2ClCr2O72-+14H++6e- → 2Cr3++7H2O O2+4H++4e- → 2H2O Pt2++2e- → Pt Br2+2e- → 2BrHNO2+H++e- → NO + H2O HNO3+3H++3e- → NO + 2H2O Hg2++2e- → Hg Ag++e- → Ag Fe3++e- → Fe2+ I2+2e- → 2ICu2++2e- → Cu Sn4++2e- → Sn2+ 2H++2e- → H2 Pb2++2e- → Pb Sn2++2e- → Sn2+ Ni2++2e- → Ni Cd2++2e- → Cd Fe2++2e- → Fe S8+16e- → 8S2Cr3++3e → Cr Zn2++2e- → Zn Mn2++2e- → Mn Al3++3e- → Al U3++3e- → U Mg2++2e- → Mg Na++e- → Na Ca2++2e- → Ca K++e- → K Li++e- → Li

E°(V) 2,87 1,49 1,44 1,42 1,36 1,33 1,23 1,20 1,07 0,99 0,96 0,85 0,80 0,77 0,54 0,34 0,15 0,000 -0,13 -0,14 -0,23 -0,40 -0,44 -0,51 -0,74 -0,76 -1,03 -1,66 -1,80 -2,38 -2,71 -2,76 -2,92 -3,05

Particolarmente dannose sono, inoltre, le dispersioni di corrente - le cosiddette correnti vaganti - che possono determinare potenziali anodici in grado di causare l’accelerazione della corrosione. Cattivi isolamenti elettrici di strutture interrate in siti industriali od urbani, erronee istallazioni di messa a terra di edifici, l’uso di talune apparecchiature elettromeccaniche e contatti di vario genere, possono determinare nel terreno le azioni anodiche di correnti elettriche continue, la cui conduzione è favorita dalla presenza di umidità e sali presenti nel terreno.

Capitolo 2

La protezione dell’acciaio dalla corrosione. Come lo zinco protegge l’acciaio La scelta del sistema di protezione dalla corrosione Protezione attiva e passiva Protezione passiva: effetto barriera La verniciatura Altri rivestimenti organici o inorganici non metallici: smaltature Rivestimenti con resine Rivestimenti metallici con protezione passiva Limiti della sola protezione passiva Differenza di prestazioni tra polimeri e metalli Protezione attiva Protezione catodica La scelta dello zinco per la protezione attiva dell’acciaio Perché proprio lo zinco Sistema duplex

La scelta dei sistemi di protezione anticorrosione dei manufatti in acciaio si basa su criteri guida tanto semplici quanto fondamentali. Contro la corrosione occorrono soluzioni affidabili nei differenti ambienti di esposizione, efficienti e praticabili dal punto di vista tecnico ma anche compatibili dal punto di vista economico e gradevoli dal punto di vista estetico. Un’indicazione corretta del sistema protettivo va fornita molto precocemente, già nella fase di progettazione, sulla base di un’analisi di compatibilità dei materiali con l’ambiente di esposizione e con l’utilizzo che quel particolare manufatto dovrà avere. I metodi più utilizzati per la protezione dell’acciaio dalla corrosione si basano su due effetti principali: la protezione passiva che consiste nella separazione della superficie metallica dall’ambiente aggressivo attraverso l’impiego di un rivestimento protettivo ad azione barriera e la protezione attiva che è il risultato di proprietà chimiche ed elettrochimiche intrinseche del materiale anticorrosivo utilizzato. Perché abbiano luogo le reazioni di corrosione in atmosfera con conseguente formazione di ruggine sull’acciaio al carbonio, occorre che ci sia l’esposizione della superficie all’azione dell’ossigeno e delle soluzioni saline conduttive. Il contatto può essere evitato in modo banale, attraverso l’applicazione di un sottile strato impermeabile che separi la superficie dagli agenti aggressivi dell’ambiente esterno. Questo semplice isolamento superficiale rappresenta la protezione dalla corrosione più semplice ed intuitiva.

La scelta del sistema di protezione dalla corrosione

Protezione attiva e passiva

Protezione passiva: effetto barriera

Capitolo 2 La verniciatura

Altri rivestimenti organici o inorganici non metallici: smaltature

Rivestimenti con resine

L’esempio applicativo più comune di questo metodo è costituito dalla deposizione sulla superficie dell’acciaio di un coating (rivestimento) organico polimerico, la vernice. Per poter essere efficace, esso deve essere continuo, impermeabile alle specie aggressive, resistente alle abrasioni, inerte alle interazioni chimiche, aderente al substrato e durevole nel tempo. Lo strato coprente a base di sostanze organiche può essere applicato a pennello o a spruzzo su superfici opportunamente preparate, ossia accuratamente pulite con un trattamento meccanico o chimico. La pulitura meccanica consiste nell’abrasione con utilizzo di spazzole di acciaio o dischi girevoli, oppure mediante utilizzo di sabbiatura per lo più con elementi di quarzo. Il metodo chimico, detto decapaggio, viene effettuato successivamente allo sgrassaggio o alla pulitura meccanica ed è realizzato con l’impiego di reagenti chimici, in genere acidi, con i quali vengono trattate le superfici da verniciare. Con esso si asportano i depositi di ossidi e sali eventualmente presenti sulla superficie da trattare. Una volta applicate, le vernici perdono per essiccazione il solvente contenuto (se liquide) e polimerizzano sulla superficie. L’applicazione della vernice liquida avviene a spruzzo o mediante pennello. La verniciatura a polveri può essere effettuata con l’ausilio di particolari pistole spruzzatici o in bagni a letto fluido. Per isolare la superficie dell’acciaio si utilizzano anche rivestimenti di altra natura, che possono essere metallici, ceramici (smaltature) o polimerici (resine - ad esempio fogli di PVC). Le smaltature sfruttano miscele di tipo minerale o ottenute da resine sintetiche. Nel primo caso, dopo essere stati applicati alle superfici metalliche, gli smalti vengono sinterizzati a temperature variabili tra gli 800 e i 1200°C. La smaltatura in resina viene invece effettuata in fase di incipiente, e comunque mai definitiva, reticolazione che prosegue e termina in sede di cottura dei manufatti a temperature dell’ordine di 120-160°C, coinvolgendo nell’assunzione dello stato finale la struttura superficiale del substrato. La reticolazione che ne deriva garantisce l’ancoraggio del materiale coprente al supporto, con ovvi vantaggi in termini di aderenza e resistenza. La dimensione dei manufatti e le particolarità del processo rendono la smaltatura di fatto non applicabile per la protezione dell’acciaio destinato all’impiego strutturale. I rivestimenti con fogli di materiali plastici sono utilizzati prevalentemente per allestire serbatoi di stoccaggio, ma impiegati sempre più frequentemente anche per coprire intere strutture edili. I fogli sono fissati mediante pressione ai supporti metallici decapati e caldi, e uniti in modo continuo attraverso la saldatura delle giunture adiacenti.

La protezione dell’acciaio dalla corrosione

Anche uno strato di rivestimento metallico continuo ed uniforme offre una protezione di tipo passivo, perché anche esso è impermeabile alle specie aggressive. In particolare, la zincatura a caldo realizza un rivestimento impermeabile di zinco sulla superficie dell’acciaio ma, come vedremo nel seguito, la sua efficacia anticorrosiva è rafforzata in modo determinante dagli effetti aggiuntivi dell’accoppiamento tra i due metalli. I rivestimenti ottenuti con metalli possono essere di diversa natura: il comportamento e l’aspetto sono notevolmente diversificati se si parla di placcature, elettrodeposizioni, immersioni a caldo o metallizzazioni a spruzzo. Inoltre, ha fondamentale importanza la scelta del metallo, in relazione alle sue proprietà elettrochimiche (come vedremo nel seguito) ed alle proprietà dello strato di specie ossidate di cui esso si ricopre a contatto con l’atmosfera. Il comportamento alla corrosione del metallo usato come rivestimento, anche nel caso della zincatura a caldo, è molto simile a quello che il metallo manifesterebbe se esposto nella sua forma massiva. I metalli utilizzati come rivestimento anticorrosivo si caratterizzano per velocità di corrosione molto basse. In queste condizioni, il metallo, come nel caso dell’accoppiamento zinco-ferro, è in grado di proteggere durevolmente l’acciaio sottostante. La protezione passiva ha dei limiti intrinseci. I rivestimenti funzionano solo se si riesce ad assicurare nel tempo il perfetto isolamento della superficie dell’acciaio dall’ambiente. Lo strato superficiale deve conservare un’elevata impermeabilità e resistenza alla diffusione degli agenti corrosivi e essere continuo, esente da porosità, resistente ai danneggiamenti meccanici. Queste caratteristiche dovrebbero garantire la protezione del manufatto per tutta la sua vita utile, in una situazione ideale. Per la vernice, anche il semplice invecchiamento che insorge già durante i primi anni di utilizzo, determina una drastica riduzione dell’elasticità del rivestimento con la generazione di fenditure, di piccole dimensioni agli inizi, ma sufficienti a innescare fenomeni di corrosione che procedono inarrestabili. Inoltre, durante le fasi di movimentazione, stoccaggio, trasporto, montaggio ed utilizzo dei manufatti in acciaio, possono con facilità originarsi piccole crepe o distacchi nel rivestimento, a causa di urti, incisioni, abrasioni, che richiedono ripristini costosi e non sempre efficaci. Anche per una buona verniciatura in grado di resistere per un tempo dell’ordine di grandezza del decennio, si devono prevedere frequenti interventi di manutenzione periodica oltre tale durata.

Rivestimenti metallici con protezione passiva

Limiti della sola protezione passiva

Capitolo 2 Differenze di prestazioni della protezione passiva offerta da polimeri e metalli

Una misura della protezione offerta nel tempo contro la corrosione è la resistenza opposta dallo strato di rivestimento alla permeabilità di specie aggressive ed acqua. La vernice è esposta alla graduale diffusione di queste sostanze al proprio interno, fino a che esse non raggiungono la superficie del metallo di base. Quando ciò accade, la capacità di isolamento superficiale viene meno e il rivestimento manifesta la tendenza a staccarsi progressivamente dalla superficie. Questo comportamento consente agli agenti aggressivi di entrare in contatto diretto con il metallo attivo e si manifesta con blistering e rigonfiamenti. Fig. 2.1 a) Blistering, ovvero distacco della vernice con formazione di bolle; b) Cracking, ovvero completa perdita di aderenza e rottura dello strato.

Il fenomeno causa la corrosione sottopelle, che si innesca e procede inesorabile, strisciando sotto lo strato di vernice. La reazione è a catena: la ruggine prodotta è caratterizzata da un volume maggiore rispetto al metallo di origine e, man mano che si forma, spinge via il rivestimento protettivo. Ne consegue il distacco progressivo del coating e l’esposizione di aree sempre più estese ai processi corrosivi. A questi effetti deve aggiungersi in generale il naturale calo di aderenza nel tempo, caratteristico di tutte le sostanze semplicemente deposte sulla superficie. Per evitare i danni relativi alla scarsa aderenza tra rivestimento e substrato d’acciaio, si possono preferire metodi protettivi in cui metallo base e coating diano luogo ad un’unica struttura, impermeabile e tenacemente ancorata alla superficie. Da questo punto di vista i rivestimenti metallici ottenuti mediante sistemi per immersione a caldo, come la zincatura, assicurano le prestazioni efficaci. Infatti, con la zincatura a caldo si ha la formazione di strati continui di lega Fe-Zn che, essendo il risultato di una compenetrazione tra rivestimento di zinco e substrato di acciaio, hanno proprietà meccaniche peculiari e garantiscono le migliori condizioni di aderenza ed impermeabilità. 28

Fig. 2.2 La zincatura è il risultato di una “reazione metallurgica” che comporta la formazione di strati di leghe Fe-Zn, coesi alla superficie di acciaio.

Leghe Fe-Zn

La protezione dell’acciaio dalla corrosione

Per ovviare agli inconvenienti che si riscontrano con l’uso di film protettivi con sola protezione passiva, per i quali generalmente basta qualche difetto perché si generino falle consistenti nella funzione barriera, si ricorre a rivestimenti in grado di fornire anche una protezione attiva. La protezione attiva ottenuta attraverso la protezione catodica si basa su considerazioni molto semplici: La corrosione non è altro che il consumo degli elettroni del metallo di base durante il processo ossidativo. Una contromisura efficace per bloccare tale processo consiste nel fornire continuamente elettroni, in modo che esso si presenti perennemente nella sua forma ridotta. Ciò si può ottenere generando una corrente, cioè un sistema di trasporto di elettroni verso il metallo da proteggere, mediante l’applicazione di tensioni elettriche. In alternativa, molto più semplicemente, lo stesso risultato si raggiunge attraverso il contatto con un altro metallo che effettui la cessione dei suoi elettroni, ossidandosi. Questo è ciò che realizza efficacemente l’accoppiamento tra l’acciaio e lo zinco, in cui lo zinco si ossida a favore dell’acciaio. In termini di potenziale, ciò equivale a dire che la protezione catodica, si ottiene imponendo al metallo da proteggere un valore del potenziale tale da portarlo nella condizione di catodo, sede della riduzione nella reazione di ossido-riduzione propria dei fenomeni corrosivi. La protezione catodica si può realizzare in due modi differenti che originano due distinti metodi protettivi: - protezione di strutture in terreno o in acqua di mare: il flusso di corrente che sottrae elettroni viene contrastato applicando un secondo circuito antagonista, che, sotto le condizioni del potenziale applicato, provoca una corrente in senso contrario a È necessario applicare alle strutture metalliche tensioni molto basse, regolabili in maniera automatica, per evitare che siano esse stesse a provocare correnti corrosive. Questo metodo è

Protezione attiva

Protezione catodica

Capitolo 2

utilizzato in particolare nella protezione di strutture nel terreno ed in acqua, specialmente in acqua marina, dove l’alta conducibilità ne permette l’applicazione senza soffrire di alte dissipazioni di energia per cadute ohmiche. Il metodo è inapplicabile per la protezione di acciaio in caso di esposizione atmosferica. - protezione di strutture in atmosfera: la condizione di protezione viene realizzata sfruttando gli stessi meccanismi elettrochimici che sono alla base della corrosione galvanica, tramite l’utilizzo di un rivestimento metallico che si comporti da anodo (anodo sacrificale) nella reazione di corrosione. Il contatto con conduzione elettrica tra due metalli con differenti potenziali elettrochimici, in presenza di condensa conduttiva, ha come conseguenza l’accelerazione della corrosione per il metallo che presenta il potenziale elettrochimico minore (meno nobile), che cede elettroni al metallo con potenziale elettrochimico maggiore (più nobile). L’elemento galvanico che si genera nell’accoppiamento tra i due metalli produce le correnti necessarie per la protezione del metallo più nobile. Questo è esattamente il meccanismo con cui lo zinco protegge l’acciaio (ovvero il ferro). Tab. 2.1 Serie tecnica dei potenziali di riduzione.

Coppie redox

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Mg2++2e- ⇄ Mg Al3++3e- ⇄ Al 2H2O+2e- ⇄ H2+2OHZn2++2e- ⇄ Zn Cr3++3e- ⇄ Cr S2++2e- ⇄ S Fe2++2e- ⇄ Fe Cd2++2e- ⇄ Cd Ni2++2e- ⇄ Ni Sn2++2e- ⇄ Sn Pb2++2e- ⇄ Pb 2H++2e- ⇄ H2 Cu2++2e- ⇄ Cu 2H2O+O2+4e- ⇄ 4OHFe3++e- ⇄ Fe2+ Ag++e- ⇄ Ag Hg2++2e- ⇄ Hg O2+4H++4e- ⇄ 2H2O Cl2+2e- ⇄ 2ClAu3++3e- ⇄ Au

E°(V)

± 2,40 ± 1,60 ± 0,83 ± 0,76 ± 0,74 ± 0,71 ± 0,44 ± 0,40 ± 0,25 ± 0,14 ± 0,13 0,000 ± 0,34 ± 0,40 ± 0,77 ± 0,80 ± 0,92 ± 1,23 ± 1,36 ± 1,38

Comportamento a corrosione

Aumenta la tendenza a conservarsi nello stato metallico. Aumenta il potere corrosivo.

La protezione dell’acciaio dalla corrosione

Per la differenza dei potenziali standard dei due metalli, nel contatto tra loro, lo zinco si comporta da anodo corrodendosi in luogo dell’acciaio che si porta nelle condizioni di potenziale di protezione. Tab. 2.2 Potenziali standard di Fe e Zn rispetto ad elettrodo normale ad idrogeno.

Semireazioni di interesse

E° (V)

Zn +2e ⇄ Zn(c)

-0,76

Fe2++2e- ⇄ Fe(c)

-0,44

La scelta dello zinco per la protezione attiva dell’acciaio

È esperienza comune che nella prevenzione della corrosione degli scafi delle navi di acciaio si usino elementi di zinco come anodi sacrificali. In tal caso, il funzionamento del sistema protettivo è garantito dal contatto elettrico di masse di zinco opportunamente dimensionate, saldate allo scafo, in presenza della soluzione altamente conduttiva rappresentata dall’acqua salata in cui il sistema è immerso. Con l’applicazione degli anodi di zinco in certi punti, si ottiene che tutto lo scafo si comporta da catodo senza più corrodersi. Per le applicazioni in atmosfera, è comune l’utilizzo del rivestimento totale della superficie d’acciaio. La protezione catodica dello zinco, Fig. 2.2 Nautica: anodi sacrificali di zinco per trasmissione e eliche a pale. Queste masse di zinco fissate in determinati punti delle parti in acciaio conferiscono protezione dalla corrosione alla loro interezza.

in questo caso, interviene a preservare dalla corrosione le piccole aree non ricoperte direttamente, nel caso di difetti quali graffiature o scalfitture superficiali che interrompono la continuità del rivestimento. La corrosione dell’acciaio in quelle zone o non si innesca del tutto o avviene con velocità molto bassa. Questo effetto protettivo è tanto più evidente quanto più umida è l’atmosfera e quanto più conduttiva è la condensa che si forma sui pezzi. In linea di principio, ogni metallo con potenziale elettrochimico più basso del ferro potrebbe essere utilizzato per conferire la protezione catodica. Soltanto alcuni metalli, però, se sottoposti a processi metallurgici, sono in grado di formare come lo zinco composti intermetallici con il ferro dell’acciaio di base, garantendo al rivesti-

Perché proprio lo zinco

Capitolo 2

mento uniformità e adesione. Inoltre, la maggior parte degli altri metalli è inadatta, perché essi sono per lo più soggetti a corrosione molto rapida o comportano elevati costi di processo, soprattutto nel caso in cui sia richiesta la protezione di elementi strutturali di notevoli dimensioni o di forme complesse. Ragioni di compatibilità economica e di affidabilità tecnico-applicativa portano, dunque, alla scelta dello zinco. Esso è, infatti, l’unico metallo con cui possono essere ottenuti, a costi contenuti, rivestimenti continui sulla superficie dell’acciaio, rispondenti alle condizioni richieste di aderenza, impermeabilità, resistenza, tenacità e flessibilità, sia nel caso di elementi di pochi grammi che per componenti strutturali di grandi dimensioni. Ovviamente, essendo costituito da un metallo, anche il rivestimento di zinco si corrode ma la sua efficacia protettiva è assicurata dal fatto che il processo dissolutivo è molto lento, quasi impercettibile. Infatti, in condizioni normali, i prodotti della corrosione dello zinco formano sulla sua superficie uno strato barriera molto sottile ma Fig. 2.3 Comportamento in seguito a danneggiamento dei diversi tipi di rivestimento anticorrosivo.

La protezione dell’acciaio dalla corrosione

compatto, fatto di carbonati ed ossido, che si oppongono alla ulteriore corrosione degli strati superficiali sottostanti. In altre parole, il rivestimento tende a passivarsi. La velocità di corrosione dello zinco si riduce gradualmente, man mano che questo strato di passivazione naturale si ispessisce. In certi casi, i manufatti in acciaio sono esposti ad una azione fortemente aggressiva da parte dell’ambiente, come avviene in prossimità della costa marina o nelle aree industriali ad alto tasso di inquinamento. In tali circostanze, potrebbe essere richiesta una durata della protezione maggiore di quella ottenibile con il rivestimento di zinco (comunque duratura, come si vedrà nei capitoli successivi). Il metodo protettivo più efficace, in questi casi, è costituito dal sistema duplex, che consiste nell’abbinare allo strato di zincatura un rivestimento organico. L’interazione tra la vernice e la zincatura determina una durata maggiore della somma delle singole durate che i due sistemi anticorrosivi offrirebbero se applicati da soli. Tratteremo più diffusamente del sistema duplex nel capitolo ad esso dedicato.

Sistema duplex

Capitolo 3

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato a caldo Durata della protezione della zincatura a caldo La protezione della zincatura a caldo per effetto della conversione superficiale dello zinco La dipendenza dal pH Corrosione in atmosfera Corrosione in acqua Corrosione nel terreno Il contatto con altri metalli: la corrosione galvanica Corrosione nel cemento e protezione del tondino con la zincatura a caldo Corrosione per contatto con altri materiali La ruggine bianca

Per prevedere la velocità di corrosione dello strato di zinco e quindi la durata della protezione offerta dalla zincatura, si fa riferimento alla norma UNI EN ISO 14713:2010 parte 1 che fornisce indicazioni sulla perdita annuale media di spessore del rivestimento, previa individuazione della categoria di corrosività, ovvero dell’aggressività dell’ambiente (secondo la norma ISO 9223). In tab. 3.1, sono riportati i valori della perdita media annuale di spessore di zinco in funzione di sei differenti ambienti di esposizione che possono essere presi come riferimento. Tab. 3.1 Categorie di corrosività secondo UNI EN ISO 14713, sulla base della classificazione ISO 9223.

Codici Categoria di corrosività

C1 C2 C3

C4 C5 CX Im2

Durata della protezione della zincatura

Velocità di corrosione Rischio di corrosione Perdita media spessore di zinco (µm/anno)

Interno: asciutto Molto basso Interno: condensa occasionale Esterno: area rurale esposta nell’entroterra Basso Interno: alta umidità, leggero inquinamento dell’aria Esterno: area entroterra urbana o area costiera temperata Medio Interno: piscine, impianti chimici, ecc. Esterno: area industriale entroterra o area costiera urbana Alto Esterno: area industriale con alta umidità o area costiera ad alta salinità Molto alto Estremo: condense permanenti e/o elevato inquinamento da attività produttive Molto alto Acqua marina in regioni temperate2 Molto alto

<0.1 Da 0.1 a 0.7

Da 0.7 a 2 Da 2 a 4 Da 4 a 8 Da 8 a25 Da 10 a 20

Si tratta di immersione in acqua marina nelle regioni temperate europee. Queste condizioni per lo zinco sono meno aggressive che in acque marine tropicali, dove la velocità di corrosione è più elevata.

Capitolo 3

L’agente principale nella corrosione atmosferica dello zinco è il biossido di zolfo – SO2 che risulta essere determinante per l’ordine di grandezza della velocità di corrosione dello strato di rivestimento. In condizioni normali, cioè in presenza di umidità relativa all’incirca del 70% o superiore, la velocità di corrosione del metallo è proporzionale alla concentrazione di SO2. Il contributo di altri inquinanti, quali sali, NOx, CO etc. è meno rilevante3. I dati presenti in tab. 3.1 sono una sintesi di quanto può essere visualizzato attraverso il diagramma di fig. 3.1 dove è espressa la durata in servizio della protezione fino alla prima manutenzione. Fig. 3.1 Durata tipica del rivestimento di zinco fino alla prima manutenzione, per diverse categorie di ambienti e relative velocità di corrosione.

Per durata in servizio fino alla prima manutenzione si intende l’intervallo di tempo che trascorre dal momento in cui si applica il rivestimento iniziale fino al momento in cui il deterioramento (la consunzione) del rivestimento stesso rende necessarie operazioni di manutenzione per il ripristino della protezione del metallo base. Nella norma UNI EN ISO 14713:2010 parte 1 si trova una previsione di tale durata, effettuata sulla base di dati di composizione dell’aria, rilevati tra il 1990 e il 1995, quando i valori di concentrazione di SO2 in atmosfera erano sensibilmente più elevati di quelli attuali. Ne consegue che, seguendo le indicazioni della UNI EN ISO 14713, il progettista dell’anticorrosione risulta ampiamente tutelato. La mappatura continua della qualità dell’aria in Italia conferma un trend di riduzione dell’inquinamento da SO2, consistente e progressivo, dovuto all’applicazione di leggi nazionali e direttive comunitarie. Già nel 1994, i controlli ambientali in Europa restringevano normalmente la concentrazione di SO2 al di sotto di 60μg/m3. In tali condi3

Fanno eccezione i cloruri che sono molto aggressivi e comportano durate minori del rivestimento nelle zone costiere piuttosto che in quelle interne, a parità di condizioni. La corrosività dei cloruri è, comunque, inferiore rispetto al biossido SO2.

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

zioni, si verificava una perdita di spessore del rivestimento di zinco di 1.5 – 4μm/anno, nelle previsioni peggiori. Per un rivestimento medio di 85μm, la durata indicativa della protezione, senza esigenze di manutenzione, era dell’ordine di 20 – 50 anni nelle più comuni atmosfere dei Paesi e delle Città d’Europa4. Recenti studi mostrano che oggi la concentrazione di SO2 si è ridotta di più del 50% in media, rispetto al dato riscontrabile nel 1991. Con la Zinc Millennium Map5, una campagna di misurazioni effettuata fino al 2000 estensivamente sul territorio della Gran Bretagna, si è ottenuta evidenza empirica di una riduzione media di circa il 60% della velocità di corrosione dello zinco rispetto ai valori dei primi anni ‘90. Tutto ciò significa che, con la protezione offerta da un rivestimento di zincatura dello spessore standard di 85 μm6, non ci sono esigenze di manutenzione per tutta la durata di vita utile del manufatto, nella maggior parte dei casi applicativi. La zincatura ottenuta sui profili di acciaio strutturale, di solito eccede significativamente i minimi di spessore previsti dagli standard. Ciò determina una protezione che supera i 100 anni in molti ambienti. In ogni caso, anche accettando precauzionalmente le durate di tab. 3.1, le proprietà del rivestimento di zincatura assicurano una protezione di lunghissima durata: per esempio, in area costiera urbana (con apprezzabile tasso di inquinamento) un rivestimento di 100μm svolge la sua azione all’incirca per 25 anni, ben oltre la durata di qualsiasi antiruggine o verniciatura. Infatti, secondo gli standard di riferimento per costruzioni realizzate in acciaio, le previsioni di durata alla prima manutenzione dei sistemi anti-corrosivi polimerici e delle vernici in genere non superano i 10 anni. La protezione offerta all’acciaio è molto duratura grazie al fatto che in atmosfera lo zinco forma sulla sua superficie uno strato protettivo molto compatto e stabile, costituito da ossidi e carbonati (o anche solfati idrati, in dipendenza dall’ambiente). Ancorché molto sottile, questo strato risulta impermeabile alle specie aggressive ed è in grado di portare la corrosione dello zinco ad un valore circa pari ad 1/17 – 1/18 della velocità con cui si dissolve l’acciaio non protetto. La reazione di formazione del primo strato di ossidi inizia subito dopo

La protezione della zincatura per effetto della conversione superficiale dello zinco

4 D Knotkova and F Porter, 1994, Longer life of galvanized steel in the atmosphere due to reduced sulphur dioxide pollution in Europe, Ed Proceedings Intergalva94, Paris, p GD8/1 – 8/20, pub EGGA – European General Galvanizers Association, London. 5 W Smith, 2001, The Zinc Millennium Map: Up to date prediction of galvanized coating performance using zinc corrosion map, Proceedings of EGGA Assembly 2001 Padova, p 21 – 26, pub EGGA – European General Galvanizers Association, London. 6 Lo spessore standard del rivestimento è legato allo spessore dell’acciaio. Si vedano le tabelle 2 e 3 della norma UNI EN ISO 1461, riportate nel capitolo dedicato alla normazione.

Capitolo 3 Fig. 3.2 L’Associazione degli Zincatori Inglesi - GA ha promosso un progetto di ricerca condotto da esperti indipendenti e organizzato da ADAS - Agricultural Development Advisory Service, ente in possesso di informazioni sulla concentrazione di SO2 in ambiente. Rispetto ai valori del 1991, rilevati dal National Atmospheric Emission Inventory, la ricerca ha riscontrato una diminuzione media del 50% della concentrazione di SO2 in atmosfera nel 2000. L’evidenza sperimentale informa che il miglioramento della qualità dell’aria ha comportato una riduzione del 75% della velocità di corrosione dello zinco tra il 1986 e il 2000. La Zinc Millennium Map ha reso possibile una chiara attribuzione delle categorie di corrosività delle varie zone di quel Paese, consentendo la riclassificazione di molte aree urbane da C4 a C3 (vedi tab. 3.1). Si stima che un rivestimento di 140µm di zinco possa durare circa 70 anni anche negli ambienti più inquinati. Nelle più tipiche città si possono anche raggiungere e superare i 100 anni di protezione.

l’estrazione del pezzo dal bagno di zinco fuso (con la formazione in prevalenza di ZnO). Le successive reazioni di conversione superficiale ad opera dell’anidride carbonica – CO2, avvengono più o meno velocemente, con la formazione di una mistura di composti che dipendono dalle condizioni locali. Quando la superficie si bagna per la pioggia o per la condensa, sulla superficie dello zinco si forma idrossido di zinco Zn(OH)2, il quale in aria si trasforma, per interazione con la CO2, in carbonato basico di zinco – 2ZnCO3·Zn(OH)2, insolubile e protettivo, che costituisce il cosiddetto strato di conversione. Man mano che questo strato si ispessisce, la velocità di corrosione (o di dissoluzione) della zincatura diminuisce fino a diventare realmente molto bassa, quasi trascurabile. La zincatura a caldo offre, così, la protezione estremamente efficace che ognuno può verificare nella normale pratica. Lo strato di passivazione è resistente e coeso. Una volta sviluppatosi in modo da coprire tutta la superficie, impedisce l’attacco ulteriore del metallo da parte delle sostanze ossidanti. In ambiente atmosferico, nelle diverse condizioni di aggressività, la formazione e la stabilità dello strato di passivazione naturale dipendono prevalentemente dall’acidità, ma concorrono numerosi altri fattori quali ad esempio la temperatura, la composizione dell’acqua di condensa, le quantità e la natura delle sostanze inquinanti. La durata del rivestimento di zincatura è influenzata, quindi, dalla presenza in atmosfera di composti che agiscono sul pH della condensa superficiale, che, cioè, intervengono a determinare acidificazione dell’ambiente di esposizione. È il caso del biossido di zolfo – SO2 atmo38

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

sferico che, entrando in soluzione, dà luogo ad un ambiente acido, in cui i carbonati e gli ossidi basici dello strato di passivazione si trasformano in sali di zinco, come il solfato, incoerenti e permeabili all’attacco delle specie aggressive. Ciò consente la corrosione dello strato di zinco metallico sottostante, con diverse velocità a seconda della concentrazione di inquinante. Nelle zone marine, la velocità di corrosione dello strato di zinco è influenzata in maniera significativa anche dal contenuto di cloruri, mentre nelle zone urbane è influente, anche se con meno efficacia, la presenza dei composti NOx (ossidi di azoto) e CO, prodotti dalla combustione dei carburanti. La deposizione di fuliggine e polvere può essere anch’essa dannosa sia per la natura stessa di tali sostanze (in maggior parte carbonio sotto forma di nerofumo e sali), sia perché esse possono aumentare il rischio di formazione di condensa sulla superficie e trattenervi una maggiore quantità di acqua (proprietà igroscopiche). La durata del rivestimento di zincatura è determinata dalle condizioni di stabilità dello strato di conversione superficiale del rivestimento di zinco. Il pH7 è la variabile che determina il perdurare della protezione. Al di sotto di valori di pH pari a 5.5, la velocità di corrosione dello zinco è elevata.

La dipendenza dal pH

Fig. 3.3 Influenza del pH sulla velocità di corrosione dello zinco. La passivazione naturale agisce tra pH 6 e pH 12.5 .

7 Il pH è una misura dell’acidità delle soluzioni acquose. Valori di pH bassi, inferiori a 7 (fino a 0) sono propri di un ambiente acido. Valori di pH alti, superiori a 7 (fino a 14) sono, viceversa, indicativi di un ambiente basico.

Capitolo 3

Corrosione in atmosfera

In tali condizioni, a meno che non intervengano lavorazioni aggiuntive, come il rivestimento della zincatura con una resina (sistema duplex), lo strato di carbonati si dissolve rapidamente. Le sostanze alcaline vengono tollerate in misura maggiore dai rivestimenti di zinco, che resistono bene fino a valori del pH piuttosto alti (fino ad un limite all’incirca di pH=12.5). Come già affermato, le principali tipologie di corrosione per lo zinco possono essere suddivise, in base all’ambiente in cui si generano, in corrosione urbana, industriale, marina e rurale, con una classificazione che dipende essenzialmente dal contenuto di SO2 e di Cl- (nel caso delle atmosfere marine). Tipo di atmosfera

Agenti

Rurale

Marina

Urbana e industriale

Prodotti di corrosione

Velocità di corrosione

Composizione

Solubilità in acqua

O2+H2O+CO2

ZnO→Zn(OH)2→ →2ZnCO3· 3Zn(OH)2

Molto bassa

O2+H2O+CO2+Cl-

ZnO→Zn(OH)2→ →2ZnCO3· 3Zn(OH)2→ →ZnCl2· 4Zn(OH)2 e/o ZnCl2· 6Zn(OH)2 + + Zn3OCl4 e/o ZnOCl6

Moderata

Bassa

ZnO→Zn(OH)2→ →2ZnCO3· 3Zn(OH)2→ →ZnS+ZnSO3+ZnSO4

Buona

Alta

O2+H2O+CO2+SO2

Tab. 3.2 Reazioni superficiali sulla zincatura nei vari ambienti corrosivi. Atmosfera rurale

L’atmosfera rurale è ideale per la zincatura. La bassa presenza di inquinanti rende molto stabile lo strato di conversione che risulta più spesso e protettivo, crescente nel tempo. Ciò fa sì che la velocità di corrosione diminuisca progressivamente. La zincatura, dunque, costituisce un’eccellente protezione per fabbricati agricoli, attrezzature e accessori vari e non richiede particolari precauzioni. Vanno presi accorgimenti unicamente nel caso di contatto con liquami organici e con sistemi di irrigazione acidificata. In tali condizioni, occorre effettuare una separazione della zincatura da questi ambienti attraverso guaine protettive di materiale organico polimerico o bituminoso. Le deiezioni animali negli allevamenti o negli impianti di compostaggio sono, infatti, molto aggressive a causa della loro acidità. In tale evenienza, è consigliabile verniciare solamente la parte di parete a contatto con i residui organici. Altra situazione a rischio può presentarsi nelle serre in cui viene effettuata un’irrigazione con acqua a pH inferiore a 5.5, che dan-

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

neggia il rivestimento di zinco. Anche in campagna occorre fare attenzione alle possibili insidie della corrosione nel terreno che costituisce anch’esso un interessante ambiente corrosivo, come vedremo nel seguito. Fig. 3.4 Una serra in acciaio zincato per orticoltura. Strutture di questo tipo, anche di grandi dimensioni, sono consuete nel panorama delle nostre campagne. La protezione dello zinco assicura una durata pluridecennale alle opere realizzate nelle aree rurali dell’entroterra.

Nelle aree ad elevata concentrazione industriale e nei centri urbani, l’aria è contaminata da numerosi inquinanti, i più temibili per la corrosione dello zinco sono i composti di zolfo. In atmosfere umide, l’anidride solforosa - SO2 produce acidi di zolfo sulla superficie dello zinco. Tali acidi reagiscono con la pellicola di ossido, idrossido e carbonato basico di zinco, determinando la trasformazione dello strato di conversione in sali idrosolubili (come nel caso dei solfati), che presentano scarsa adesione con il substrato. In tal modo, lo strato viene distrutto parzialmente ed i prodotti della corrosione formano un rivestimento meno stabile e coeso, che tende a formarsi all’infinito, a spese degli strati metallici di zinco sottostanti. In altri termini, lo zinco perde la condizione di passivazione superficiale e si determina l’avanzamento progressivo della corrosione. Tuttavia, gli alti spessori della zincatura a caldo possono garantire la protezione per una durata pari alla vita utile del manufatto. In ogni caso, occorre valutare seriamente le prestazioni delle protezioni altermative, che possono raggiungere costi proibitivi quando ad esse è richiesto di avere durate più lunghe di quelle che sarebbero offerte dalla zincatura. Sistemi come la sola verniciatura possono, addirittura, dimostrarsi meno affidabili sul campo, perché più suscettibili di difetti, mentre nella maggioranza dei casi è possibile scegliere sistemi duplex, zincatura e veniciatura, progettati in modo specifico per resistere bene alle condizioni di quel particolare ambiente.

Aree ad elevata industrializzazione e centri urbani

Capitolo 3

Nelle atmosfere aggressive la velocità di corrosione tende ad essere lineare con il tempo, per cui osservazioni molto brevi (dell’ordine di tempo di un anno o meno) rendono possibili previsioni di durata attendibili anche sul lungo termine. Sono possibili applicazioni della zincatura a caldo di lunga durata anche nel caso di ambienti industriali. Il giudizio di compatibilità va effettuato caso per caso. La velocità di corrosione dello zinco può variare tra 2 e 8μm/anno nei casi più severi. Il confronto tra performance e costi di manutenzione di altri sistemi protettivi può suggerire l’uso della zincatura, sulla base della durata in servizio prevista (cioè l’arco di tempo in cui l’opera funzionerà) che può essere anche di alcuni decenni. Non è sorprendente, quindi, che l’azione protettiva dello zinco possa essere la migliore scelta possibile anche in questi ambienti molto aggressivi. Fig. 3.5 Un’industria chimica a Pasadena (USA). L’impianto è stato installato in una zona fortemente industrializzata. La zincatura è stata applicata per il suo minore costo di lungo termine8.

Ambienti marino-costieri

Negli ambienti marino-costieri, la resistenza della zincatura è influenzata dalla presenza di cloruro di sodio – NaCl, sottoforma di soluzione salina in sospensione nell’aria. Tuttavia, va detto che i cloruri, seppure ovviamente aggressivi, hanno sullo zinco effetti corrosivi molto meno rilevanti rispetto a quelli visti per gli ossidi di zolfo. I cloruri, infatti, aggrediscono la superficie zincata in modo assai più blando di quanto non facciano con l’acciaio. Il contenuto di sale nell’atmosfera decresce molto rapidamente man mano che ci si sposta dalla costa verso le zone più interne. A migliorare la situazione concorre anche il fatto che nell’aria e nell’acqua dei climi più temperati è contenuta una certa quantità di sali di magnesio che contribuiscono a inibire la corrosione dello zinco. Solo sulla linea di costa è auspicabile l’impiego di un sistema duplex, se 8

Fonte American Galvanizers Association (sito web www.galvanizeit.org).

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

si vogliono protezioni di lunghissima durata. In ogni caso, nelle zone marine costiere occorre considerare l’effetto del vento, che determina un’azione abrasiva considerevole. Per le verniciature, ciò può portare alla consunsione dello strato polimerico in tempi più o meno brevi. In taluni casi, la scelta dei progettisti è favorevole all’adozione della zincatura per la sua durezza superficiale, come è avvenuto nel caso del ponte di Brooklyn. I suoi cavi furono zincati a caldo per resistere appunto all’azione erosiva del vento. La zincatura ha garantito una efficiente protezione sin dal lontano 1883, epoca dell’inaugurazione del ponte. Fig. 3.6 I cavi del ponte di Brooklyn, zincati a caldo nel lontano 1883, sono ancora efficienti.

Evidenze sperimentali hanno mostrato che gli effetti dei cloruri sono particolarmente evidenti in combinazione con l’azione acidificante degli ossidi di zolfo, come spesso avviene nelle aree ad alta densità di insediamenti industriali vicino al mare. Per il gran numero di fattori che concorrono allo sviluppo della corrosione, diventa impossibile definire una formula generale per determinare la velocità di tale processo. Mostriamo qualche dato per dimostrare quanto siano soddisfacenti i risultati ottenuti dall’uso di rivestimenti di zinco per proteggere l’acciaio dalla ruggine nelle condizioni più svariate. A tale proposito sono state eseguite numerose ricerche. In tab. 3.3 vengono riportati i dati raccolti dall’Istituto Svedese della Corrosione per differenti condizioni ambientali. La scelta del valore specifico della velocità di corrosione entro la gamma indicata, va fatta caso per caso, valutando la corrosività dell’atmosfera in base alle condizioni note. Nel formulare tali valutazioni, spesso, si considera che l’atmosfera abbia 43

Capitolo 3

lo stesso grado di aggressività nei confronti di acciaio e zinco. Tale approssimazione appare però scorretta, poiché la velocità di corrosione dell’acciaio al crescere dei livelli di zolfo e cloruro nell’atmosfera e dell’umidità, ha un andamento diverso rispetto allo zinco, la cui corrosione procede molto più lentamente, come precedentemente accennato. Tab. 3.3 Dati su velocità di corrosione forniti dall’Istituto Svedese della Corrosione.

Corrosione in acqua

Atmosfera

Velocità approssimativa di dissoluzione (µm/anno)

Ambienti chiusi Aree di montagna Atmosfera rurale, entroterra Atmosfera marina Costa occidentale, area urbana area rurale Costa orientale, area urbana area rurale Atmosfera urbana Piccole città, entroterra Stoccolma, Goteborg Zona di Örestad Atmosfera industriale

<0.15 <0.5 0.5-1

0.75-1.5 1-2.5 2-5 2-10

I dati svedesi offrono un riferimento. Purtroppo dati corrispondenti a quelli di tab. 3.3. rilevati in Italia non sono ancora disponibili, anche se è possibile ritenere che il miglioramento delle condizioni ambientali generali sia accompagnato da una situazione globale più vantaggiosa del riferimento svedese, soprattutto nelle condizioni più sfavorevoli, relative alle zone urbane ed industriali. Nei liquidi, ancor più che nell’atmosfera, è determinante il valore del pH. Anche altri fattori influiscono sulla corrosione dello zinco in acqua, quali la composizione chimica, la temperatura, la pressione, la velocità di flusso, l’agitazione e la concentrazione di ossigeno disciolto. Le acque dolci contenenti sali minerali o calcio e magnesio (acque dure) non sono Tab 3.4 Formazione dello strato protettivo per vari tipi di acque dolci.

Tipo di acqua

Sostanze ossidanti

Dura Marina

Ca+Mg O2+CO2 O2+CO2+Cl Mg+Ca

Bassissima Ottima Bassa Ottima

Bassissima Moderata

Dolce con libero apporto d’aria

O2+CO2

Alta

Altissima Scarsissima Altissima

Dolce o distillata con modesto apporto d’aria O2

1-2 0.75-1.5 1-1.5 0.5-1

Sostanze Prodotti di corrosione Velocità Passivanti Solubilità Adesione di corrosione relativa

Buona

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

molto aggressive. Se la superficie di zinco rimane, invece, per un certo tempo a contatto con acqua a scarso contenuto di elementi minerali, oppure quando l’aerazione e, quindi, la presenza di CO2, è insufficiente, gli strati anticorrosivi non si possono formare. Ne consegue una velocità di corrosione più alta. Le acque distillate (con minima presenza di sali) e condensate, mentre dovrebbero avere un pH 7 (neutro), spesso, raccogliendo l’anidride carbonica dell’aria, si acidificano passando ad un pH intorno a 5, altamente corrosivo per la superficie zincata. Gli effetti corrosivi della condensa possono essere facilmente provati riempiendo parzialmente un serbatoio di acciaio zincato con acqua dura. Una volta chiuso, nello spazio in cui è presente l’aria avverrà la condensazione. Sulla parte superiore delle pareti del serbatoio si formerà piuttosto rapidamente uno strato sottile poroso biancastro, mentre la parte immersa non subirà alcun danno. Ciò è dovuto al fatto che nella condensa non sono presenti sali protettivi e, inoltre, vi è un maggior contatto con l’ossigeno. Nelle acque dolci, infine, si può talvolta anche se molto raramente assistere anche ad un’inversione di polarità tra zinco e acciaio9. A ciò corrisponde un’inversione della protezione per cui le aree di rivestimento danneggiate portano le corrispondenti aree di acciaio (di superficie molto limitata) ad essere scoperte con il ruolo di piccole aree anodiche in mezzo alle grandi aree catodiche del rivestimento zincato. In queste condizioni, la corrosione diviene molto veloce per gli alti valori delle densità di corrente in gioco. Tuttavia, anche se il fenomeno comporta una localizzazione della corrosione, non si può parlare di rischio di vera e propria vaiolatura o pitting. Tab. 3.5 Dati dell’Istituto Svedese di Corrosione “Trattamento della superficie dei metalli”, K3210.

Tipo di acqua

Perdita approssimativa di materiale (µm/anno)

Acqua di mare oceani in genere, media Mare del nord Mar Baltico

15-25 12 10

Acqua dolce dura acqua dolce di fiume

2-4 20(1)

Acqua dolce di rubinetto

5-10

Acqua distillata

50-200(1)

(1)

Fortemente dipendente dalla quantità di ossigeno e di CO2

Per le condizioni di rischio di corrosione localizzata vedere la norma UNI EN 12502-3:2005.

Capitolo 3

Corrosione nel terreno

Simili fenomeni si possono verificare per acque dolci, in presenza di temperature intorno ai 70°C . In generale, se la temperatura è superiore a 55°C, i prodotti di corrosione che si formano superficialmente hanno una elevata granulometria e, pertanto, mostrano una scarsa adesione con il rivestimento di zinco. Come si è accennato, anche la velocità di flusso ha una certa influenza: se è maggiore di 0.5m/s, ostacola la formazione dello strato protettivo sulla superficie zincata e la corrosionem avviene più velocemente. In condizioni particolari anche i terreni possono essere corrosivi, in una certa misura. La corrosività del terreno è dovuta sia a fattori fisici (temperatura, assorbimento di acqua e permeabilità per l’ossigeno) sia a fattori chimici (concentrazione di sali, di bicarbonato di calcio e differenti valori di pH da 3 a 9,5). Per la sua struttura, il terreno ha una permeabilità diversa all’aria e all’umidità. Generalmente la concentrazione di ossigeno è inferiore rispetto all’aria, al contrario di quella di anidride carbonica che è superiore. In genere, le condizioni più drastiche per la corrosione sono localizzate nei punti in cui cambia drasticamente la composizione o in cui il manufatto affiora dal terreno. Tra interno ed esterno, la diversità delle concentrazioni delle specie reattive (in particolar modo dell’ossigeno) innesca la pila corrosiva (per aerazione differenziata). Il terreno può, inoltre, contenere inquinanti, la cui presenza è causata dalle condizioni atmosferiche, quali sali, acidi, alcali, miscele di composti organici, idrogeno, metano. Vi possono albergare funghi ossidanti o riducenti e microrganismi, in grado di determinare corrosione biologica. Conseguentemente, le possibili cause di degrado dei metalli nel terreno sono notevolmente complesse e le variazioni nelle caratteristiche fisiche e chimiche tra località diverse, anche vicine tra loro, possono essere assai rilevanti. Una misura dell’aggressività del terreno è data dalla resistività che è indice della concentrazione dei sali e della presenza di umidità. Minore è la resistività del terreno, maggiore è la sua corrosività. Inoltre, i terreni più conduttivi sono maggiormente esposti al rischio delle correnti vaganti. Anche l’acciaio zincato deve essere protetto dalle correnti vaganti attraverso l’impiego delle tecniche conosciute, come per esempio l’adozione dei giunti isolanti. Particolarmente importante è la protezione catodica offerta dallo zinco in questo ambiente. In generale, si considera che la velocità di corrosione dello zinco nel terreno sia piuttosto contenuta, con valori medi intorno ai 5μm/anno. Questa corrosione può essere ritardata proteggendo la superficie zincata con rivestimenti polimerici, guaine bituminose o qualsiasi materiale compatibile che determini isolamento. Ciò è fondamentale per la sicurezza di pali, pilastri ed elementi strutturali per le fondamenta di qualsiasi costruzione metallica. In questo modo, si prolunga la vita delle

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

realizzazioni totalmente interrate e si uniforma la durata delle porzioni di manufatto interrate a quella delle parti aeree. La porosità dei rivestimenti polimerici, le discontinuità causate dagli urti e strisciamenti durante la posa in opera e l’invecchiamento dei materiali organici possono essere efficacemente contrastati dall’azione del sottostante rivestimento di zincatura. Per quanto già affermato nel capitolo sulla corrosione, anche il contatto con altri metalli può accelerare la corrosione. Quasi sempre lo zinco risulta più elettronegativo dei metalli comunemente utilizzati, pertanto tende a comportarsi da anodo, corrodendosi. È quindi consigliabile, nelle giunzioni con altri metalli, specialmente con rame ed ottoni, isolare gli elementi con gomma o plastica. Il rischio di corrosione dei rivestimenti di zinco in caso di contatto con elementi di rame è molto elevato. Perciò va anche evitato qualsiasi contatto anche con acque ricche di ioni di rame. Se esposte all’aria le strutture zincate possono restare a contatto con acciaio inossidabile e alluminio. È, invece, opportuno isolarle se devono essere immerse in acqua. Un particolare ambiente di corrosione è il cemento. La protezione delle armature di acciaio dalla corrosione è una questione di primaria importanza per prevenire problemi strutturali nel patrimonio immobiliare, troppo spesso trascurata in passato o frettolosamente risolta sovradimensionando il tondino utilizzato ed applicando un sovraspessore di calcestruzzo come barriera protettiva, denominato sovraferro. Nei pori del calcestruzzo appena posto in opera vi è una soluzione di idrossido di calcio, di sodio e di potassio a pH 13 ÷ 13,8. In queste condizioni, l’acciaio si ricopre di un film protettivo ed è perfettamente passivato. La velocità di corrosione è, quindi, pressoché nulla. Sfortunatamente, il calcestruzzo tende a perdere nel tempo queste caratteristiche per azione dell’anidride carbonica dell’artmosfera, che tende a diffondere nel calcestruzzo stesso penetrandolo progressivamanente

Il contatto con altri metalli: la corrosione galvanica

Corrosione nel cemento e protezione del tondino con la zincatura

Corrosione delle armature del calcestruzzo

Fig. 3.7 Avanzamento del fronte di carbonatazione in provini di calcestruzzo in atmosfera carbonatante (25% CO2).

Capitolo 3

(carbonatazione) fino all’armatura e determinando in loco una riduzione drastica del pH (pH<9). Queste modifiche dell’ambiente distruggono lo strato di ossido protettivo. Contemporaneamente avviene la diffusione di ossigeno e l’innesco del processo di corrosione in presenza di umidità. Fig. 3.8 Distacco di intonaco e danneggiamento dei laterizi in un solaio in seguito alla corrosione delle armature dei travetti.

Anche altri inquinanti acidi possono portare alla variazione del pH del cemento, ma l’azione dell’anidride carbonica è di gran lunga prevalente. Discorso a parte meritano i cloruri, che determinano attacchi anche a basse concentrazioni, pericolosi perché tendenzialmente localizzati e puntuali. Fig. 3.9 Le conseguenze della corrosione delle armature non protette sul copriferro ormai carbonatato: a) rigonfiamento; b) spalling.

(a)

(b)

Anche il sovraferro è, ovviamente, soggetto alle stesse reazioni, per cui non offre protezione una volta carbonatato. A questi fenomeni occorre aggiungere i casi in cui la corrosione è favorita dalla presenza di cricche profonde fino alle armature, spesso causa di maturazione (irrorazione con acqua nei giorni immediatamene successi al getto) insufficente, ele48

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

vate porosità causate da rapporti cemento/acqua inidonei, inclusioni di sabbia o da inquinanti particolarmente aggressivi presenti in atmosfera. La zincatura a caldo del tondino è una misura di prevenzione efficace, dal momento che lo zinco rimane passivo anche nel calcestruzzo carbonanato. A regime, la velocità di corrosione è inferiore ad 1µm/anno anche in calcestruzzi alcalini, ma diviene notevole quando il tenore dei cloruri supera l’1%. L’acciaio dei tondini si corrode con una certa velocità in condizioni di esposizione diretta agli spruzzi marini per le costruzioni costiere o per i ponti quando si effettua lo spargimento di sale, tecnica in uso per evitare la formazione di ghiaccio sulle carreggiate nella stagione invernale. Prove sperimentali hanno dimostrato che il trattamento termico connesso alla zincatura a caldo non causa variazioni delle proprietà meccaniche dell’acciaio, per cui in progettazione per l’acciaio zincato valgono gli stessi parametri caratteristici dell’acciaio di base. Inoltre, l’aderenza del tondino di acciaio zincato col cemento è maggiore di quella tra acciaio e calcestruzzo. Per calcestruzzi carbonatati, un rivestimento di zinco dell’ordine degli 80 - 100µm determina un incremento di durabilità di 50 - 70 anni rispetto all’armatura di acciaio non protetta. In presenza di contaminazione da cloruri, con la zincatura a caldo si può, comunque, ottenere un raddoppiamento della vita utile del manufatto.

Protezione del tondino con la zincatura

Fig. 3.10 Particolari delle armature zincate di un ponte pedonale di Port Elizabeth (Sud Africa), demolito dopo 40 anni di servizio, ancora pressoché intatte in un ambiente fortemente corrosivo. La targa reca l’anno di inaugurazione. La sua corrosione testimonia l’aggressività dell’atmosfera a circa 50 m dal mare.

In fig. 3.11, il modello per la corrosione dell’acciaio zincato nel calcestruzzo. Lo strato di zinco si passiva per reazione con il cemento fortemente alcalino. La carbonatazione del cemento al valore di soglia per la propagazione della corrosione nell’acciaio non rivestito – vedi parte a) – non 49

Capitolo 3

danneggia la passivazione dello zinco che, quindi, continua a proteggere l’acciaio fino a che non viene raggiunto il valore di soglia-zinco – vedi parte b) – essenzialmente dovuto ad accumulo di cloruri. Fino al raggiungimento del valore soglia-acciaio (corrispondente alla consunzione totale dello zinco), l’acciaio resta intatto e il calcestruzzo non mostra cracking o distacchi rivevanti. Fig. 3.11 Modello proposto per la corrosione nel calcestruzzo: a) delle armature normali; b) delle armature in acciaio zincato.

(a)

(b)

Corrosione per contatto con altri materiali

Il legno verde non dovrebbe essere posto in contatto con l’acciaio zincato, poiché alcune sostanze in esso presenti sono in grado di corrodere lo zinco. Similmente, in acqua non si devono usare chiodi zincati a caldo indipendentemente dal fatto che il legno sia impregnato o meno. Il legno secco o moderatamente umido, invece, impregnato o no, può essere fissato usando chiodi zincati a caldo con risultati soddisfacenti. Altri materiali secchi, come la lana di roccia, non sono aggressivi per lo zinco. Il gesso aggredisce lo zinco, ma del resto è un materiale molto corrosivo per tutti i materiali metallici, anche quando è asciutto. In ogni caso, gesso e acciaio zincato non devono essere messi a contatto se si richiedono lunghe durate. Lo zinco reagisce fortemente a contatto con le malte alcaline. In breve

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

tempo (ordine di settimane) per esposizione con l’idrossido di calcio, lo zinco dà luogo alla formazione dell’idrossizincato di calcio – Ca·Zn(OH)3·2H2O che risulta avere effetti protettivi per la zincatura. Il comportamento alla corrosione è, quindi, molto migliore dell’acciaio non protetto. Nel cemento Portland e pozzolanico la zincatura è in grado di prolungare notevolmente la vita dei manufatti se usata per proteggere le armature. Tuttavia, essa non è adatta per il contatto con cementi ad alto tenore di magnesio (cemento fuso o a presa rapida) o materiali da costruzione con pH superiori a 12.5. L’acciaio zincato, pur comportandosi molto meglio dell’acciaio nero, non può essere esposto al contatto diretto soprattutto se in condizioni di umidità continua. In questi casi, è necessario proteggere la superficie zincata con guaine o altro materiale impermeabile. Tra i diversi tipi di corrosione merita un approfondimento la cosiddetta ruggine bianca, costituita prevalentemente da idrossido di zinco e in minima parte da ossido e carbonato. Si tratta di un processo di ossidazione che si presenta a volte in una riconoscibile forma bianca polverulenta sulle superfici zincate da poco tempo, in modo più o meno accentuato. Essa precede la conversione ad opera della CO2 atmosferica dell’ossido in carbonato, che è il principale costituente della patina di passivazione. I periodi dell’anno che favoriscono maggiormente l’insorgere della ruggine bianca sono l’autunno e l’inverno, a causa della elevata umidità dovuta a piogge e nebbie, e delle basse temperature. Condizioni altrettanto dannose sono provocate dagli abbassamenti improvvisi di temperatura. Anche, l’accatastamento di manufatti zincati di recente sull’erba bagnata, la ricopertura con teloni di materiale plastico e, ancora, la depo-

La ruggine bianca

Fig. 3.12 La ruggine bianca si presenta in una forma molto appariscente, ma in genere non danneggia il rivestimento con conseguenze gravi. Le norme prevedono che il manufatto ripulito sia accettato, purché lo spessore di zinco sottostante sia conforme alle specifiche.

Capitolo 3

sizione in casse di legno umide, soprattutto per prodotti di piccole dimensioni, creano condizioni ideali per la formazione di ruggine bianca. Essa si sviluppa in maniera considerevole se si portano a contatto due superfici parallele zincate affacciate (il che determina la formazione di una intercapedine colma di acqua di condensa). Il ridotto apporto di ossigeno e anidride carbonica, ostacolati nella diffusione all’interno dell’intercapedine formata dalla stessa conformazione del sistema, determina un pila galvanica per differenza di aerazione (di concentazione di ossigeno). In queste condizioni, anche se i prodotti di corrosione sono voluminosi ed appariscenti, si verifica raramente un danno irreparabile per il rivestimento. In realtà nella maggior parte dei casi, pur essendo molto appariscenti, i danni provocati dalla ruggine bianca non sono sostanziali, poiché piccole porzioni di zinco producono elevate quantità di ruggine bianca, polverosa e assai evidente senza che il rivestimento sia compromesso. In genere, il controllo con spessimetro magnetico rileva, nella grande maggioranza dei casi, piccole variazioni nello spessore di zincatura. Solamente se l’umidità è molto intensa e persiste per tempi prolungati, si possono causare danni notevoli, con distruzione locale del rivestimento di zinco. Per valutare l’effettivo danneggiamento è opportuno rimuovere completamente i prodotti della corrosione e misurare lo spessore del rivestimento residuo. Il fatto che la superficie al di sotto della sua formazione sia di una colorazione più scura rispetto al resto, non implica il deterioramento del rivestimento rimanente che, anzi, continua la sua azione protettiva senza differenze. La norma tecnica di settore, UNI EN ISO 1461, al paragrafo 6.1, afferma che “lo sviluppo di macchie umide dovute a stoccaggio in ambiente umido, principalmente a base di ossido di zinco - la ruggine bianca per l’appunto - non deve essere causa di scarto, a condizione che lo spessore di rivestimento rimanga superiore al valore minimo specificato.” Solo se il rivestimento non ha più uno spessore conforme, è necessario ripristinare la protezione secondo quanto previsto dalle norme. Per limitare la formazione della ruggine bianca si possono adottare misure precauzionali nel corso del deposito e del trasporto dei manufatti zincati. Innanzitutto, è necessario non depositare parti recentemente zincate per lungo tempo, all’aperto, in atmosfere fortemente umide, nell’erba alta, in pozzanghere e fango. Si consiglia, invece, di collocare le parti di acciaio a strati intervallati da distanziali (ad esempio quadrotti di legno) alla distanza di circa 15cm dal suolo, disponendoli in modo da evitare che si È inoltre opportuno impedire che i punti di contatto riguardino l’intera superficie, e va favorito il deflusso dell’acqua creando leggeri dislivelli. Infine, è bene non ricoprire gli elementi zincati con teli o laminati di materia 52

Resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato

plastica, sotto i quali potrebbe facilmente ristagnare aria umida e formarsi condensa. Fig. 3.13 Un esempio di possibile stoccaggio per evitare la formazione di ruggine bianca, garantendo l’opportuna aerazione di tutte le superfici.

Durante il trasporto bisogna garantire una sufficiente aerazione ed evitare che si raccolga umidità. In particolare, nei trasporti via mare è necessario prevedere l’adozione di misure di protezione chimica. Si consiglia l’utilizzo di passivanti o sigillanti superficiali. Vanno evitati contatti con altre sostanze trasportate o loro residui, se aggressivi.

Capitolo 4

Il processo di zincatura a caldo Le fasi del processo di zincatura per immersione a caldo La preparazione superficiale: sgrassaggio, decapaggio, lavaggio e flussaggio Immersione nello zinco: zincatura Finitura, controllo ed ispezione Zincatura a caldo delle minuterie centrifugate Altri processi di zincatura a caldo: zincatura di tubi, fili e lamiere

Come altri processi di protezione superficiale, la zincatura a caldo consta di due fasi principali: la preparazione della superficie da trattare e la zincatura vera e propria.

Le fasi del proccesso di zincatura

Preparazione superficiale per immersione

sgrassaggio

lavaggio

decapaggio

lavaggio

flussaggio

zincatura

Fig. 9.1 – Schema del processo di zincatura a caldo

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. Che la superficie dell’acciaio si presenti perfettamente ridotta e metallica è una condizione indispensabile perché la reazione metallurgica di formazione del rivestimento di zincatura abbia luogo. La preparazione (pre-trattamento) della superficie dei manufatti di acciaio consiste nell’asportazione di impurità, sporco e strati di ossido, mediante due fasi successive che sfruttano l’azione chimica dei bagni di sgrassaggio, prima e di decapaggio acido, poi. La formazione del rivestimento protettivo avviene durante l’immer55

Capitolo 4

Le “differenti” zincature a caldo

Tubi

sione 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 (tra zinco e ferro dell’acciaio). In effetti lo zinco diffonde all’interno della superficie dell’acciaio, formando una serie di leghe zinco/ferro a tenore di zinco crescente verso l’esterno. I tempi di immersione e permanenza nel bagno di zincatura sono molto diversificati da situazione a situazione. In taluni casi, occorre anche un’attenzione particolare durante la procedura di estrazione. Queste circostanze rendono difficile l’automatizzazione della fase di immersione nello zinco fuso. Tuttavia, nuove tecnologie offrono la possibilità di automatizzazione del pre-trattamento chimico, che ovviamente risulta di più facile attuazione nel caso delle produzioni a maggiore specializzazione, quali, ad esempio, le applicazioni nel settore delle recinzioni stradali, guardrail, paletti e pannelli fonoassorbenti. I trattamenti denominati zincatura a caldo nelle diverse tipologie di impianto, utilizzano tutti lo stesso processo metallurgico, la medesima reazione intermetallica per l’ottenimento dello strato protettivo, in modo da ottenere tipologie diverse di prodotti zincati. La zincatura a caldo generale è un processo batch, cioè adatto al trattamento di lotti, con produzione discontinua. Si tratta in genere di trattamento superficiale realizzato conto terzi in prevalenza su manufatti di ferro ed acciaio pre-assemblati per cui la zincatura costituisce molto spesso l’ultima fase della produzione. Ciò vale per la carpenteria di qualsiasi peso e forma, per la minuteria centrifugata e per i prodotti in acciaio più disparati, ma anche per articoli destinati ad impieghi specifici come, ad esempio, barriere autostradali e tralicci per la conduzione di linee elettriche. Viti, bulloni, chiodi ed altre minuterie che necessitano di rispettare tolleranze dimensionali stringenti o che hanno esigenze di presentare condizioni superficiali controllate, possono essere lavorate in zincatura generale, ma vengono sottoposte a centrifugazione successivamente all’estrazione dal bagno, per allontanare gli eccessi di zinco. La centrifuga determina un aspetto del rivestimento più regolare e consente l’accoppiamento agli elementi filettati dopo la zincatura. Le norme prevedono, ovviamente, spessori di rivestimento inferiori rispetto agli altri articoli trattati in zincatura generale. Per i dettagli tecnici, vedere la parte finale di questo capitolo. Il rivestimento di zincatura che si ottiene su tubi, filo e lamiera zincati a caldo è analogo a quello che si ottiene in zincatura generale, ma per la produzione vengono utilizzate diverse soluzioni tecnologiche ed impiantistiche. Per i tubi, data la singolarità del prodotto, si utilizzano impianti semi-

Il processo di zincatura a caldo

automatici, con fasi di processo simili alla zincatura generale. La fase realmente automatica è quella del passaggio dei tubi nelle vasche di zincatura dopo il loro posizionamento sulle rastrelliere con operazione manuale. Peculiare è lo step di processo che prevede la soffiatura dopo l’estrazione dal bagni di zinco, mediante getti di vapor acqueo essenzialmente per liberare il lume interno dei tubi dall’eccesso di zinco dopo l’estrazione. Per filo e lamiere zincati a caldo sussistono sostanziali differenze rispetto alla zincatura generale per quel che riguarda la preparazione superficiale, la determinazione del tempo di permanenza nel bagno di zinco e le modalità di immersione (o passaggio) e di estrazione dallo zinco. La zincatura di nastri e lamiere da coil avviene in continuo. La preparazione superficiale delle lamiere non è, in genere, realizzata mediante azione di fluidi, ma attraverso trattamenti termici in grado di bruciare e rimuovere i residui di emulsione oleosa, e di ottenere la riduzione degli ossidi in atmosfera inerte. Inoltre, per la zincatura delle lamiere e nastri, è possibile (o più agevole) una certa determinazione dello spessore dello strato di zinco, ottenuta sia impiegando sistemi meccanici (come ad esempio rulli), sia controllando la composizione del bagno di zincatura e dell’acciaio dei coil. Nella zincatura generale i pezzi da trattare devono essere sospesi alle traverse (bilancini) per poter essere movimentati e traslati da un bagno di trattamento all’altro. La zincatura, soprattutto nel caso della lavorazione conto terzi, costituisce di norma l’ultimo stadio nella finitura di manufatti in acciaio preassemblati e caratterizzati da estrema variabilità di massa, forma geometrica ed ingombro. È perciò necessario il ricorso a diverse modalità di carico alle traverse: si utilizzano apparecchiature di sospensione le cui forme sono spesso il risultato della peculiare esperienza dello zincatore nonché della tipologia degli articoli più frequentemente trattati. Comune è il ricorso ad aggancio mediante filo di ferro intrecciato, ma anche una gamma disparata di attrezzi. 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. Per la loro rimozione, in genere si sottopone l’acciaio ai trattamenti chimici di sgrassaggio e decapaggio. 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. Ciò succede, ad

Filo e lamiere

Fasi produttive della zincatura generale

La preparazione superficiale

Capitolo 4

Sgrassaggio

esempio, in presenza di residui di vernici, smalti, scorie di saldatura, resine siliconiche anti-spruzzo (usate talvolta nelle saldature). Per la loro rimozione sono utilizzate la molatura, la spazzolatura o la sabbiatura, in sostituzione o aggiunta al ciclo normale. All’esame visivo che di norma viene effettuato all’ingresso del materiale in zincheria non sempre questi contaminanti risultano immediatamente rilevabili, magari perché su aree di esigua estensione o di difficile individuazione. Tuttavia se essi non vengono accuratamente rimossi, sono causa di difetti dello strato protettivo, anche molto evidenti. Infatti, nelle aree interessate dalla loro presenza si ha il mancato sviluppo dello strato di zincatura, e, per converso, la formazione di vistose bruciature nerastre, dovute alla presenza dei residui combusti delle sostanze organiche portate a contatto con lo zinco del bagno fuso. Per evitare questi inconvenienti è bene di proteggere le superfici da zincare dalla contaminazione. Occorre sempre ricordare di non effettuare sui pezzi da zincare marcature con vernici o pennarelli con smalti non idrosolubili. Con i bagni di sgrassaggio si ottiene l’eliminazione degli oli (refrigeranti, antiossidanti, lubrificanti) e grassi deposti sulla superficie durante la produzione e l’assemblaggio dei manufatti in acciaio. I bagni di sgrassaggio alcalini contengono idrossido di sodio, carbonati, fosfati, silicati, tensioattivi superficiali che rimuovono l’olio ed i grassi dalla superficie del metallo attraverso l’emulsione. La concentrazione, la temperatura del bagno e il tempo di immersione dei pezzi determinano l’efficienza del bagno di sgrassaggio. Il normale intervallo di temperature di esercizio per bagni di sgrassaggio riscaldati è 30 70°C. 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 (come acido cloridrico e/o acido fosforico) diluiti con additivi, emulsionanti ed inibitori della corrosione. Gli agenti dello sgrassaggio acido formano di solito emulsioni di olio stabili, che possono creare qualche difficoltà nella manutenzione del bagno per la loro scrematura e separazione. 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.

Il processo di zincatura a caldo

L’energia necessaria per determinare il riscaldamento dei bagni alla temperatura di esercizio proviene da olio combustibile o da gas, a seconda delle condizioni locali di ogni impianto. 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. La durata massima di attività della soluzione sgrassante è di solito di circa 1-2 anni ma, in taluni casi particolari, può superare i 5 anni. 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 (ad esempio, decapaggio delle ghise). Un impianto di zincatura generale di solito comprende una serie di bagni di decapaggio con concentrazione di acido variabile. L’acido cloridrico normalmente viene acquistato in soluzione al 28 - 33% circa e diluito fino al 12 -16%. Per prevenire un decapaggio eccessivo dei pezzi d’acciaio e per proteggere le vasche, si aggiungono al bagno inibitori di decapaggio che diminuiscono l’aggressività nei confronti del metallo. Si possono utilizzare anche inibitori di evaporazione. Durante l’esercizio delle vasche il contenuto di ferro del bagno di decapaggio aumenta mentre la quantità di acido libero diminuisce, rendendo necessario il rabbocco occasionale del bagno, attraverso l’aggiunta di acido fresco. Il decapaggio diviene impossibile in presenza di concentrazioni eccessive di FeCl2, ma di solito il bagno di decapaggio viene sostituito o rigenerato prima di raggiungere questa condizione.

Decapaggio

Fig. 9.2 Le vasche di processo. Una buona zincatura dipende anche da una buona preparazione superficiale.

Capitolo 4

Lavaggio

Flussaggio

Il decapaggio presso l’impianto con sezione di pretrattamento aperta viene effettuato a temperatura ambiente. In tal caso, il consumo medio di acido è di circa 20kg per tonnellate di prodotto, ma è molto variabile in funzione delle condizioni superficiali dell’acciaio: un intervallo realistico è 10-40 kg/ton. Per temperature superiori a quella ambiente (ma non oltre i 40°C), è possibile l’applicazione dei sistemi a tunnel chiuso, in cui le vasche di pretrattamento sono racchiuse in uno spazio più o meno isolato, a costituire una sorta di cappa aspirante. L’uso di questi sistemi riscaldati rende possibili tempi di trattamento minori e richiede una minore quantità di acido. Inoltre, innalzando la temperatura del bagno di decapaggio, si può renderne possibile l’uso a concentrazioni relativamente alte di FeCl2, ad esempio 175-200g/l con il bagno a 35°C. Uno svantaggio è dato dal fatto che le emissioni ed i vapori generati dalle vasche di acido sono maggiori in termini relativi e, quindi, sono raccolti e, in alcuni casi, purificati da apparecchiature di abbattimento adeguate. 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. Dopo lo sgrassaggio ed il decapaggio, l’acciaio viene lavato-immerso in bagni d’acqua, che talvolta vengono riscaldati. 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. L’effetto del trascinamento del ferro dissolto consisterebbe in un incremento della generazione di mattes10 e, conseguentemente, in aumento di consumo di zinco, a parità di spessore di rivestimento applicato sui pezzi. Il flussaggio rappresenta uno stadio di processo peculiare per la zincatura a caldo. Per la realizzazione di questa fase vi sono due diverse soluzioni tecnologiche: - 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 (ZnCl2), il cloruro di ammonio (NH4Cl) e sali doppi del tipo ZnCl2·NH4Cl·2H2O (in soluzione è, talora, presente anche una piccola quantità di potassio cloruro - KCl - che limita l’emissione di fumi), in modo tale che la concentrazione dei sali della 10 Le mattes, denominate anche zinco duro, costituiscono un sottoprodotto della zincatura. La loro produzione nel bagno di zinco viene causata dalla reazione dello zinco stesso con ferro proveniente per dissoluzione dai manufatti zincati e dalle pareti della vasca, e con ferro disperso trascinato dal decapaggio e dal flussaggio. Durante la zincatura le mattes costituiscono una fase di particelle che a causa della densità elevata tende a precipitare raccogliendosi sul fondo della vasca, da dove viene periodicamente rimossa. Il contenuto di zinco delle mattes è elevato (95-98%). Vengono recuperate come materia prima secondaria nella produzione di ossido di zinco.

Il processo di zincatura a caldo

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. Le parti in acciaio da zincare vengono fatte passare attraverso lo strato di flussante all’interno del bagno di zinco. Ad immersione ultimata (dopo la reazione metallurgica dello zinco con il ferro), lo strato di sale fuso viene spostato dalla superficie del bagno e raccolto da un lato per mezzo di palette, per permettere l’estrazione dal bagno di zinco senza ulteriore contatto con il flussante. In questo caso non è necessario eseguire una fase di essiccazione e preriscaldamento. Questo sistema è vetusto e destinato a cadere in disuso, perché non consente una produttività ottimale della vasca di zincatura. Per capire a cosa serve realmente il flussaggio occorre osservare ciò che accade nella vasca di zincatura durante la successiva fase di immersione: nello zinco fuso, a temperature superiori a 200°C, il cloruro di ammonio del flussante si decompone in ammoniaca (NH3) e acido cloridrico (HCl), il quale produce un effetto di decapaggio aggiuntivo e elimina l’ossido che residua eventualmente dalla fase di decapaggio o che si forma nel tragitto sui pezzi verso la vasca di zincatura. Inoltre, i sali di flussaggio abbassano la tensione superficiale nel bagno, consentendo una migliore bagnabilità tra zinco fuso e superficie di acciaio. Nel caso della zincatura a secco, il sottile film di sali (cloruro di zinco in particolare) contribuisce a proteggere dall’ossidazione la superficie metallica dell’acciaio, finché il manufatto non viene immerso nello zinco fuso, preservando le parti ad alta temperatura, non ancora immerse, dalle interazioni con l’atmosfera. Questo è particolarmente importante quando il tempo di essiccazione è lungo. La concentrazione totale di sali di flussaggio (la somma di cloruro di zinco, cloruro di ammonio e sale doppio) e il rapporto tra cloruro di zinco e cloruro di ammonio sono entrambi molto importanti. Il cloruro di ammonio in un buon bagno di flussaggio, spesso rappresenta il 40 - 60% del sale di flussaggio. Il cloruro di ammonio assicura una veloce essiccazione ed una migliore rimozione degli ossidi di ferro dalla superficie dei pezzi, ma provoca anche più fumo, schiumature (ceneri) e mattes durante il processo di rivestimento. Quando il pretrattamento dei manufatti è insufficiente occorre una maggiore quantità di cloruro di ammonio. Nella zincatura a secco la vasca di flussaggio viene mantenuta alla temperatura di 25-50°C. Il valore del pH dei bagni di flussaggio è normalmente tenuto approssimativamente a 4,5. Il pH del bagno di flussaggio può comunque variare tra 1 e 5. Onde

Flussaggio: cos’è?

Capitolo 4

Essiccazione e preriscaldamento

Immersione nello zinco fuso

non riscontrare variazioni di acidità, in alcuni casi, si utilizzano sali costituenti un sistema tampone. Si può riscontrare l’uso di additivi che servono a conferire una maggiore bagnabilità e fluidità al sale doppio, ottenendo una maggiore scorrevolezza del sale ed un migliore comportamento durante l’immersione nella vasca dello zinco fuso. In genere, il bagno di flussaggio viene tenuto in condizioni ottimali attraverso impianti di rigenerazione in continuo. 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 e le eiezioni di metallo nel momento in cui il pezzo viene immerso nel bagno di zinco. Il beneficio che si ottiene in questa fase è duplice, dal momento che il manufatto da zincare risulta pre-riscaldato e migliorano le condizioni della reazione di formazione dello strato, riducendo ed ottimizzando i tempi di permanenza nel bagno di zinco. 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. Fig. 9.3 Il bagno di zinco fuso

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. I pezzi, perfettamente ridotti e privi di strati di ossido, vengono bagnati dallo zinco e sulla superficie avviene la reazione metallurgica di formazione del rivestimento metallico protettivo. La scoria o schiumatura povera di zinco che si forma (tradizionalmente 62

Il processo di zincatura a caldo

indicata con il termine cenere) galleggia sulla superficie del bagno, da dove viene allontanata con un’operazione di spalettatura necessariamente manuale. È in questa fase che l’acciaio in superficie reagisce con lo zinco, formando un rivestimento consistente in una serie di strati di leghe ferrozinco a differente composizione e struttura cristallina, sovrastata da uno strato di zinco con la composizione del bagno che si deposita per trascinamento, come già accennato. 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. I pezzi da zincare vanno lasciati in immersione finché non raggiungono la temperatura del bagno e non si completa la reazione di formazione dello strato. 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. Alcuni manufatti di forma o massa particolare possono richiedere tempi di immersione più lunghi. 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. La fase di immersione è, dunque, tanto più lunga quanto più spesso è il materiale. Ciò, a parità di altre condizioni (per esempio, a parità di composizione dell’acciaio), 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. In tal caso si parla di zincatura ad alta temperatura. Ciò viene richiesto nel trattamento di alcune categorie di acciai e di alcuni tipi specifici di componenti, in genere minuterie. Le vasche di zincatura sono fatte di acciaio a basso tenore di carbonio, fatte di una lega particolare per essere poco reattive con lo zinco. Infatti, in caso contrario, le pareti si assottiglierebbero per la reazione con lo zinco e si forerebbero nei punti dove l’aggressione fosse più violenta. Per il riscaldamento della vasca si usano bruciatori a gas o, raramente, a gasolio. La vasca è costruita per resistere agli elevati carichi idrostatici e agli stress termici generati durante il riscaldamento alle temperature di esercizio. Il pelo libero dello zinco si trova a livello della pavimentazione o qualche decina di centimetri più in alto, per consentire agli operatori la rimozione delle schiumature dal bagno, durante le operazioni di estrazione delle calate.

Le vasche di zincatura

Capitolo 4

L’estrazione dei manufatti

Per le vasche ceramiche, usate per lo più per la zincatura delle minuterie, si usa un riscaldamento con bruciatori ad immersione o con riscaldatori a cappa quando la temperatura dello zinco sia superiore a 460°C. 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. Durante l’estrazione si forma sulla superficie dei pezzi un ulteriore rivestimento di zinco che ha la stessa composizione del bagno di metallo fuso e conferisce l’aspetto brillante all’acciaio appena trattato. 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. Fig. 9.4 Una volta che la reazione tra ferro e zinco ha avuto luogo gli articoli vengono estratti dal bagno di zincatura.

Rifinitura

La reazione ferro/zinco di formazione dello strato continua anche dopo l’estrazione fino alla temperatura di circa 200°C, alla quale i fenomeni di diffusione avvengono ormai a velocità trascurabile. I pezzi ormai zincati vengono poi raffreddati in aria o acqua e ispezionati. 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 (misurato in μm o, più raramente, in g/m2) ed ai requisiti di aspetto. Le piccole imperfezioni della superficie vengono riparate ed i manufatti vengono sganciati e preparati per la spedizione. 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 abra-

Il processo di zincatura a caldo Fig. 9.5 Estratti e sganciati, i manufatti vengono sottoposti a controllo di qualità sullo stato superficiale e sulla conformità dello spessore agli standard o alle specifiche del cliente.

sione. In ogni caso, le imperfezioni vanno eliminate quando sono acuminate, poiché in fase di trasporto, montaggio o utilizzo, potrebbero causare ferite agli operatori oppure staccarsi negli urti, lasciando scoperte piccole superfici di acciaio. Per rimuovere tali ispessimenti è preferibile operare manualmente con una lima, con l’aiuto di una mola angolare e di un disco flessibile. In tal modo, è più facile controllare che il rivestimento non venga tolto completamente lasciando l’acciaio privo di protezione. Fig. 9.6 I pezzi appena zincati vengono traslati nel reparto di sgancio dove vengono ispezionati e collificati se necessario.

Le gocciolature possono, invece, essere eliminate impiegando una fiamma ossidrica. Una fiamma leggera è in grado di fondere localmente lo zinco senza bruciarlo. Una volta fluido, lo zinco superfluo gocciola via da solo o, nel caso in cui ciò non avvenga, può essere facilmente rimosso con una spazzola di ferro o una spatola metallica. Similmente, se si zinca una struttura in acciaio cui sono saldati elementi filettati (non in centrifuga), è necessario rimuovere lo zinco in 65

Capitolo 4

Zincatura di minuterie centrifugate

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. In presenza di cerniere e articolazioni, la solidificazione dello zinco irrigidisce queste parti impedendo loro di muoversi. Anche in questo caso è utile ricorrere alla fiamma ossidrica per fondere il rivestimento di zinco. Una volta reso fluido lo zinco, le cerniere, nuovamente mobili, vanno mantenute in movimento finché il rivestimento non si sia solidificato. Questa operazione garantisce la conservazione della mobilità delle articolazioni anche dopo la solidificazione dello zinco. Pertanto, quando è possibile, è opportuno che tali giunture vengano mosse immediatamente dopo l’estrazione dal bagno, senza attendere il raffreddamento del rivestimento, evitando così di ricorrere alla rifusione dello zinco. Dopo zincatura di strutture quali cornici o telai con reti di filo ondulato o griglie, è possibile che in alcune parti restino residui di zinco dalla consistenza di una sottile membrana. Se dovessero causare qualche problema, in relazione a specifici utilizzi, per eliminarli sarà sufficiente impiegare una spazzola metallica. È parimenti sufficiente l’utilizzo della spazzola metallica per la rimozione di residui di schiumature (ceneri) 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. Ben diverso è il caso dell’inclusione di sali di flussaggio (di morfologia differente e ben caratterizzabile), che va rimossa con accuratezza e deve essere seguita da un trattamento di riparazione dello strato, tramite vernici ad alto tenore di zinco, spray ovvero metallizzazione o riporto di zinco con barrette di lega a basso punto di fusione. Stesso destino per le piccole aree che per diversi motivi dovessero risultare non ricoperte. Un prodotto di qualità è tale da non mostrare difetti intollerabili. Le aree riparate non possono superare in totale lo 0.5% della superficie del manufatto ed ogni singola area da riparare non può superare i 10cm2 di estensione, a norma UNI EN ISO 1461. I piccoli oggetti da zincare che necessitano di centrifugazione, come chiodi accessori, raccordi, bulloni, dadi, viti, rondelle ecc. vengono sottoposti agli stessi pretrattamenti chimici di pulizia superficiale ed immersi nel bagno di zinco, raccolti in cestelli forati.

Il processo di zincatura a caldo

A zincatura avvenuta, il cestello viene estratto dal bagno di zinco e posto in una centrifuga, dove viene eliminato l’eccesso dello zinco, onde evitare goccioline ed irregolarità e rispettare le tolleranze dimensionali di norma. In genere si procede al raffreddamento in acqua che evita l’incollaggio dei pezzi gli uni agli altri. La centrifuga può causare l’asportazione parziale dell’ultimo strato di zinco puro che, come detto in precedenza, tende a depositarsi sui pezzi estratti dalla vasca. Ne risulta una superficie più opaca rispetto agli altri manufatti zincati, anche perché per la zincatura delle minuterie, le temperature dello zinco fuso sono generalmente più elevate, intorno ai 460-465°C. Ciò determina una reazione più veloce, che persiste oltre l’estrazione fino ad interessare lo strato di zinco puro, determinando così l’affiorare delle zinco-leghe. D’altronde, la minore viscosità dello zinco alle alte temperature consente una maggiore facilità di pulizia. Talvolta, per usi particolari, si applicano temperature fino a 550 – 560°C. Per tali temperature si utilizzano vasche di zincatura in ceramica. Temperature così elevate possono compromettere le proprietà meccaniche dei bulloni ad alta resistenza, oltre la classe 8.8. Inoltre, in questo caso, il decapaggio precedente la zincatura può indurre infragilimento da idrogeno, per cui oltre quella classe la zincatura non è consigliabile. Per ovviare a questo inconveniente si possono utilizzare bulloni di spessore maggiorato della classe di resistenza inferiore o una maggiore quantità di bulloni sempre di resistenza inferiore. Durante la centrifugazione, lo zinco in eccesso viene eliminato abbastanza facilmente dai filetti delle viti dei bulloni. Possono essere efficacemente zincati a caldo bulloni con diametro superiore a 8 mm e talvolta si raggiungono risultati soddisfacenti anche per dimensioni inferiori. Per quanto riguarda le tolleranze da rispettare per la presenza del rivestimento, si rimanda a quanto previsto dalle norme tecniche. Un possibile riferimento è costituito dalla norma UNI EN ISO 10684. In Italia è anche applicabile la norma UNI 3740 parte 12. I dadi vengono, in genere, zincati prima che venga realizzata la filettatura. Il filetto del dado non è rivestito, ma la protezione catodica viene esercitata dal rivestimento del filetto maschio, una volta che dado e vite sono serrati, ed è sufficiente a garantire la protezione contro la corrosione. Infatti, una volta realizzato il serraggio del bullone, la continuità elettrica è garantita per la protezione elettrochimica. Inoltre, i prodotti della corrosione dello zinco del filetto della vite riempiono lo spazio vuoto e sigillano l’accoppiamento. Se vengono zincati dadi già dotati di filettatura è necessario ripassarli, successivamente, con maschiatura appropriata. Ciò deve essere realizzato al fine di garantire che i filetti maschio e femmina siano accop67

Capitolo 4

Zincatura dei tubi in impianti dedicati

Zincatura di fili e lamiere

piati in maniera opportuna, in modo che il carico sui filetti stessi sia portato interamente dal substrato di acciaio e lo zinco non esplichi impropriamente tenuta meccanica. Le minuterie centrifugate, compresi alcuni tipi di bulloni e viti, possono essere zincate facendo riferimento alle prescrizioni presenti ad hoc nella norma UNI EN ISO 1461. Gli impianti che producono tubi di acciaio zincato sono molto simili alle zincherie di zincatura generale dal momento che i tubi subiscono la stessa preparazione superficiale e l’immersione nello zinco fuso. Una differenza consiste nella tecnica con cui i tubi vengono fatti passare nello zinco per mezzo di un sistema di trascinamento semi-automatico. Infatti i tubi, provenienti da trattamento chimico di sgrassaggio, decapaggio e flussaggio, vengono posti su una rastrelliera ed avviati manualmente ad un sistema di trasporto che li porta automaticamente in immersione in vasche dall’apposita configurazione. Il tempo di permanenza all’interno della vasca è regolato dalla velocità con cui i tubi attraversano il bagno nella sezione trasversale della vasca. Rispetto alla zincatura generale il processo di zincatura dei tubi comprende uno stadio aggiuntivo successivo detto soffiatura: all’interno dei tubi appena estratti dalla vasca, viene soffiato vapore acqueo ad elevata pressione al fine di ottenere l’uniformità dello strato interno e l’allontanamento dello zinco in eccesso e delle ceneri, che altrimenti li ostruirebbero. La norma di riferimento è costituita dalla UNI EN 10240. Gli impianti che producono zincatura a caldo su filo o lamiera da coil (nastro) si basano, invece, su processi continui completamente automatici. Per la produzione di filo zincato si applica un processo simile alla zincatura generale in impianti dedicati. In questo caso, calcolando la velocità di percorrenza ed i tempi di permanenza opportuni nelle vasche, si ottengono produzioni in continuo completamente automatiche. Gli eccessi di zinco vengono rimossi con mezzi meccanici. Anche la zincatura delle lamiere in continuo, caratterizzata da una differenza sostanziale nella preparazione superficiale, si basa sul passaggio continuo del nastro metallico attraverso lo zinco fuso per un appropriato tempo di residenza. La preparazione superficiale posteriore allo sgrassaggio della lamiera consiste nel passaggio attraverso un forno ad atmosfera controllata per consentire all’acciaio di ottenere le caratteristiche richieste e raggiungere la temperatura ottimale prima dell’immersione nel bagno fuso. In certi casi (come nel caso di impiego di forni a fiamma diretta) nella preparazione superficiale delle lamiere, lo sgrassaggio e la pulizia superficiale non sono ottenuti mediante azione di fluidi, ma attraverso trattamenti termici in grado di rimuovere i residui di emulsione oleosa bruciandoli e di ottenere la

Il processo di zincatura a caldo

riduzione degli ossidi in atmosfera controllata. Per la zincatura delle lamiere e nastri è anche possibile (o più agevole) il controllo dello spessore dello strato di zinco, che si ottiene sia controllando la composizione del bagno e dell’acciaio dei coil, sia attraverso l’impiego di rulli meccanici. I forni di trattamento superficiale pre-zincatura possono essere: Forno Sendzimir: è un tipo di forno continuo orizzontale, costituito da: - zona di preriscaldamento, separata dal resto del forno, in cui il nastro è riscaldato direttamente. Attraverso l’ossidazione viene pulito dai residui di emulsione oleosa (zona ossidante); - zona di riduzione in cui si ha la riduzione degli ossidi in atmosfera controllata riducente (H2/N2) e zona di mantenimento a riscaldamento indiretto per la transizione di stato (ricristallizzazione) e normalizzazione dell’acciaio, in atmosfera inerte; - zona di raffreddamento in cui il nastro viene raffreddato ad una temperatura leggermente superiore a quella del bagno di zinco fuso. Forno a fiamma diretta (D.F.F.): il forno a fiamma diretta (tipo non ossidante) può essere suddiviso in varie sezioni: - sezione di preriscaldamento, con recupero del calore dei fumi provenienti dal forno di riscaldamento; - il forno di riscaldamento, in cui il nastro viene posto a contatto diretto con la fiamma; - sezione di ricottura, dove, attraverso un riscaldamento elettrico o tramite elementi radianti, il nastro viene riscaldato e mantenuto a temperatura adeguata in atmosfera riducente; - sezione di raffreddamento del nastro, suddivisa in più parti aventi velocità di raffreddamento diverse; - sezione di uscita, da cui il nastro viene avviato al bagno di zinco fuso. Questa tipologia di forno consente la pulizia della superficie del nastro, cosa che rende non sempre necessario lo sgrassaggio preliminare del metallo. Forno a tubi radianti (R.T.F.): il nastro di lamiera viene fatto passare all’interno del forno riscaldato tramite serpentine radianti che consentono lo scambio di calore senza contatto con i fumi di combustione. L’atmosfera nel forno è controllata per realizzare un ambiente riducente (H2/N2). La zona di mantenimento può essere riscaldata con tubi radianti o con resistenze di tipo elettrico. Questo tipo di forno, in combinazione con uno sgrassaggio alcalino preliminare, consente di ottenere standard qualitativi molto elevati e di migliorare l’aderenza del successivo rivestimento metallico.

Capitolo 5

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo Morfologia del rivestimento Proprietà meccaniche del rivestimento Fattori influenzanti la crescita del rivestimento Reattività degli acciai: influenze della composizione del substrato Effetti della composizione del bagno di zinco

Lo strato protettivo che si realizza sui manufatti per effetto della zincatura a caldo è il risultato della diffusione dello zinco alla temperatura del bagno, attraverso lo strato più superficiale dell’acciaio. È ormai universalmente accettata la dizione di reazione ad indicare l’insieme dei processi che portano alla formazione del rivestimento. Non si tratta di una reazione chimica, ma di una sorta di reazione metallurgica, processo di tipo fisico. In corrispondenza della superficie dell’acciaio avviene uno scambio tra le due fasi che dà luogo alla formazione di strati di leghe a diversa composizione dei due metalli ferro e zinco. Per questa ragione, il rivestimento di zincatura risulta come “saldato” sulla superficie dell’acciaio, con evidenti benefici rispetto agli altri trattamenti anticorrosivi che comportano sovrapposizione di metalli (come i processi elettrogalvanici o di metallizzazione) o di coating organici (vernici liquide o a polveri).

Morfologia del rivestimento

Fig. 5.1 Lo strato di zincatura visto al Microscopio Elettronico a Scansione - SEM

Capitolo 5

Le leghe ferro/zinco sviluppate nell’immersione nel bagno di zincatura, risultano ben caratterizzabili e riconoscibili per composizione e struttura cristallina. Ciascuna di esse, infatti, corrisponde ad una delle fasi omogenee previste dal diagramma di stato (ovverosia di “solubilità”) ferrozinco. La loro successione presenta un tenore di zinco crescente verso l’esterno. Fig. 5.2 Diagrammi di fase ferro-zinco.

In un rivestimento di zincatura tipico si possono riconoscere, a partire dal substrato di acciaio, lo strato γ (gamma) dello spessore di circa 1μm, in cui lo zinco è presente per circa il 70% (la percentuale di ferro varia tra 26.8 e 31.1%). Il successivo strato δ (delta) contiene una quantità di ferro dellordine del 10%. Nello strato ζ (zeta) seguente, è presente il 7% di ferro. 72

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo

Nelle foto al microscopio sono ben riconoscibili i cristalli di strato ζ orientati verso l’alto, oblunghi e perpendicolari alla superficie. Fig. 5.2 Una indicazione dei diversi strati di leghe Fe-Zn che si formano sulla superficie di acciaio con la zincatura a caldo.

Nella maggior parte dei casi, seppure con significative eccezioni come sarà illustrato nel seguito, nel rivestimento di zincatura è presente un ultimo e più esterno strato superficiale, denominato strato η (eta), il quale è costituito da zinco con composizione coincidente, in pratica, con quella del bagno. È il risultato dell’ultima interazione con lo zinco fuso prima dell’estrazione dei pezzi e viene deposto per trascinamento. Per i bagni tradizionali, si tratta di zinco pressoché puro, in quanto, a temperatura ambiente ha un contenuto massimo di ferro pari circa allo 0,008%. Differente è il caso di un bagno di zincatura costituito da una lega di zinco tecnologica (con aggiunta di stagno e nichel, per esempio), in cui lo strato η avrà composizione ovviamente influenzata dalla presenza in lega degli altri elementi. Si noti che il bagno di zinco secondo lo standard italiano ed internazionale UNI EN ISO 1461 sicuramente non può contenere meno del 98% di zinco. Il fatto che il rivestimento sia formato da strati con composizione differente, implica una certa variabilità delle proprietà meccaniche lungo lo spessore. Per quanto riguarda la durezza meccanica, gli strati di lega più interni sono più duri dell’acciaio del substrato, raggiungendo valori intorno a 240Hv (durezza espressa in Vickers). Tanto per fissare le idee, si consideri che gli acciai dolci più comuni hanno generalmente durezze intorno ai 160Hv. Lo zinco superficiale, infine, è più “morbido” e pertanto è in grado di assorbire eventuali colpi, agendo come una sorta di ammortizzatore.

Proprietà meccaniche del rivestimento

Capitolo 5

Gli strati sottostanti di maggiore durezza conferiscono all’acciaio zincato vantaggi relativi all’indurimento superficiale in termini di resistenza all’usura e tenacità11. Fig 5.3 La durezza varia nello spessore dello zinco. Lo strato di Fe-Zn è più duro dell’acciaio. Lo strato superficiale, più morbido, attutisce eventuali urti.

Durezza [Vickers] 50 100 150 200 250 Zn

Zn+Fe

Il fatto che la zincatura non consiste in una semplice deposizione o apporto di metallo sulla superficie dell’acciaio, rappresenta una delle caratteristiche distintive di questo trattamento anticorrosivo: dal momento che gli strati della lega di rivestimento sono il risultato di una compenetrazione tra acciaio e zinco, essi sono intrinsecamente legati al supporto di acciaio. È assai difficile rimuovere completamente il rivestimento ed anche in caso di grave danneggiamento, con distacco apparentemente totale, uno strato inferiore di ferrolega12 permane sempre sulla superficie, fornendo ancora la protezione elettrochimica determinata dal suo contenuto di zinco, in aggiunta alla azione catodica sacrificale dello zinco presente sulle aree prossimali al guasto. Quando gli spessori di zincatura non superano gli 80-100μm, si ottengono rivestimenti in grado di sopportare le sollecitazioni maggiori, specialmente quelle a carattere impulsivo. Nel caso di spessori di rivestimento maggiori, il corrispondente effetto leva determina chiaramente uno svantaggio. In ogni caso, l’aderenza dello strato ottenuto con la zincatura a caldo è superiore a quella possibile con altri rivestimenti protettivi o con le vernici. L’esigenza di offrire un prodotto sempre migliore in termini di omogeneità e uniformità superficiale, assieme alla necessità di ridurre i pro11

La tenacità è l’energia necessaria per fratturare il metallo con la prova di resilienza effettuata per mezzo di un maglio particolare. La resilienza misura la resistenza agli urti. Si definisce ferrolega uno qualsiasi degli strati più interni del rivestimento costituito di lega ferro-zinco a contenuto di ferro prevalente sullo zinco.

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo

blemi causati dagli spessori eccessivi del rivestimento, ha favorito una ricerca approfondita per la comprensione dei meccanismi di crescita degli strati di lega zinco-ferro e lo sviluppo di tecniche di controllo. Fig 5.4 Estrazione di un manufatto dal bagno di zinco.

Il meccanismo di formazione del rivestimento di zinco è principalmente influenzato dalla temperatura e composizione del bagno, dal tempo di contatto tra l’elemento da zincare con lo zinco fuso e dalla composizione e stato superficiale dell’acciaio. La presenza nell’acciaio da zincare di elementi quali ad esempio, carbonio, silicio e fosforo, è determinante per la formazione e la velocità di accrescimento dello strato di zincatura durante l’immersione. Numerosi studi hanno indagato la velocità della reazione metallurgica ferro\zinco, giungendo a definire una legge del tipo:

Fattori influenzanti la crescita del rivestimento

W = K(T) tn(T) W = indice di velocità di reazione. W è una misura della quantità di ferro che, per unità di area, reagisce con lo zinco a formare le leghe che costituiscono il rivestimento. K = coefficiente adimensionale, che dipende da temperatura e reattività dell’acciaio t = tempo di immersione n = esponente caratteristico del tipo di reazione dipendente dalle temperatura13. 13

In W = K(T) tn(T), per n = 0,5 si hanno le reazioni governate da un andamento parabolico della reazione, tipico della diffusione dello zinco e, quindi, della crescita dello strato. Per n = 1, invece, l’equazione indica una legge lineare, che esprime reazioni di tipo dissolutivo del ferro nel bagno senza accrescimento proficuo dello strato.

Capitolo 5

In fig. 5.5, si può osservare che, a partire dalla temperatura di fusione dello zinco verso valori crescenti della temperatura del bagno, si ha un intervallo (zona evidenziata con l’azzurro), in cui la zincatura può essere ottenuta con successo. Una scelta ponderata porta in genere a scegliere condizioni operative comprese tra 440 e 460°C, il che consente variazioni della temperatura all’interno del bagno, senza effetti rilevanti sulla crescita dello strato. In condizioni differenti, si possono avere delle “anomalie” nella composizione e struttura cristallina. Fig 5.5 Diagramma della reazione dell’acciaio al variare della temperatura e del contenuto di silicio.

n=0,5 c andamento parabolico (diffusione); condizioni operative usuali.

530 520 510

Temperatura, C

n=1 c andamento lineare (dissoluzione del ferro nel bagno);

540

500 490 480 470 460 450

Daniels – 1931

440 430 0

0,5

1,5

2,5

3,5

Contenuto di silicio, % in peso

4,5

Sono tuttavia possibili anche impieghi tecnologici di bagni ad alta temperatura. In tal caso, vengono raggiunti i 550°C. Non ha più luogo la formazione dello strato ζ (zeta) e, pertanto, il rivestimento è composto da una miscela di cristalli della fase δ (delta) e zinco. Difficilmente a tali temperature si ottengono rivestimenti di spessore superiore a 100μm. Nella zincatura generale, il tempo di immersione dei pezzi nelle condizioni usuali, è generalmente compreso nell’intervallo tra 1,5 e 5 minuti, in funzione della forma più o meno lineare dei manufatti, e dello spessore dei profilati con cui sono assemblati. È infatti in questi primi minuti che si verifica la maggiore crescita di spessore. Elementi particolarmente complessi possono tuttavia richiedere di prolungare l’immersione anche oltre i 10 minuti. In effetti, lo spessore dell’acciaio ha un ruolo decisivo nella determinazione del tempo di permanenza del manufatto all’interno del bagno di zincatura, come già affermato nel capitolo precedente. I profilati più 76

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo

spessi necessitano di un tempo maggiore per uniformare la loro temperatura a quella del bagno e durante l’estrazione si mantengono più caldi e ciò influisce positivamente sulla cinetica di formazione dello strato. Anche la rugosità delle superfici può influenzare in maniera rilevante lo spessore del rivestimento, per effetti di trascinamento e per l’incremento della superficie specifica dell’acciaio esposto all’azione dello zinco. In alcuni casi, l’effetto è più evidente, come avviene per i pezzi molto ruvidi perché sabbiati con mezzi particolarmente spigolosi o con i pezzi che originariamente presentano superfici molto corrose prima del decapaggio. Le differenze della composizione dell’acciaio, per l’aggiunta tecnologica di metalli od altri elementi oltre al ferro e carbonio in lega, comportano una maggiore o minore crescita dello spessore o, come si dice comunemente, una maggiore o minore reattività. L’acciaio, infatti, è una lega costituita non solo da ferro e carbonio. Altri elementi possono essere aggiunti sia per conferire particolari proprietà alla lega che per facilitare fasi del processo produttivo. Questi costituenti, seppure presenti in misura minima, influenzano secondo quantità e tipologia, i processi di formazione e di accrescimento dello strato di zincatura, variandone di conseguenza composizione, proprietà e aspetto. Lo strato di zincatura, durante il contatto con lo zinco fuso, può procedere anche senza la formazione di tutte le fasi di fig. 5.2, dalla ferrolega fino allo strato η (eta), o con accrescimento predominante di una fase rispetto alle altre. Possono formarsi rivestimenti leggeri con prevalenza dello strato η (eta), che sono più plastici e con contenuto inferiore di ferro. Ciò si ottiene, per esempio, nella zincatura di acciai calmati all’alluminio, il quale inibisce la reazione, impedendole di procedere a spese dello strato η, una volta che il manufatto viene estratto dal bagno di zincatura. Questi acciai possono permettere la realizzazione di zincature brillanti e dall’aspetto molto gradevole, ma presentano spessori minori. Per tenori di alluminio elevati, può persino diventare difficoltoso ottenere rivestimenti che rispettino i requisiti minimi di spessore previsti da norme e capitolati. Per converso, altri elementi, come il silicio, comportano rivestimenti pesanti, caratterizzati dalla presenza di stati di leghe ferro/zinco più dure e per questo più fragili, come vedremo nel seguito. In alcuni casi, se le concentrazioni di questi elementi raggiungono valori critici, il rivestimento può presentarsi con delle disuniformità caratteristiche e sovraspessori anomali. Quanto alle differenze di struttura e lega nello strato di zinco sui manufatti, c’è da rilevare che anche se in alcuni casi, al variare della composizione del substrato di acciaio, si ottengono rivestimenti con differenze

Reattività degli acciai: influenze della composizione del substrato

Capitolo 5

nella ripartizione delle fasi ferro/zinco, le proprietà anticorrosive non risultano mai influenzate da ciò in modo determinante. In altre parole, a parità di condizioni ambientali, la durata della protezione risulta proporzionale allo spessore del rivestimento, in generale. Le performance sono praticamente le stesse sia che si tratti di un rivestimento di zinco in pura fase η o di una successione di differenti strati di lega ferro-zinco. Tutti gli acciai comunemente utilizzati possono, quindi, beneficiare della protezione offerta dalla zincatura, nella stessa misura. Al termine della zincatura di un elemento costruttivo realizzato assemblando pezzi di acciaio di diversa provenienza, è possibile osservare la formazione di un rivestimento dall’aspetto differente sulle parti di differente composizione, per il diverso comportamento dell’acciaio nel corso della reazione ferro-zinco. Per altro, la sola differenza di aspetto non inficia le proprietà anticorrosive del rivestimento, che non è influenzato dalle caratteristiche che determinano il colore e la brillantezza. Fig. 5.6 Particolare di recipiente per gas sottopressione realizzato con parti di acciaio di composizione differente. La zincatura presenta differenze notevoli nell’aspetto.

Influenza di silicio e fosforo sulla zincatura degli acciai

Fatta eccezione per alcuni acciai da taglio, ad elevato tenore di zolfo, tutti gli acciai in commercio sono adatti a ricevere la zincatura. Nella pratica quotidiana, gli elementi presenti nell’acciaio con le influenze più significative sul lavoro dello zincatore, sono il silicio ed il fosforo. A lungo i ricercatori del settore ne hanno analizzato gli effetti. È stato osservato che la presenza di silicio in quantità comprese tra 0,04 e 0,12% (intervallo di Sandelin) o superiori allo 0,25% (acciai iperSandelin) è in grado di accelerare la reazione ferro-zinco. Il rivestimento che si forma ha uno spessore visibilmente maggiore. Nei casi di reattività molto accentuata (picchi di massimo nel diagramma di fig. 5.7 o per acciai dal contenuto di silicio molto elevato), il manufatto dopo l’immersione nello zinco può manifestare un aspetto grigiastro uniforme o a macchie, anche localizzate in zone precise. Negli acciai Sandelin o iper-Sandelin (rispettivamente in rosso e giallo in fig. 5.7), infatti, può verificarsi che l’intero rivestimento sia composto esclusivamente da strati di lega ferro-zinco, mancando completamente

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo

In rosso, l’intervallo di Sandelin. In giallo, composizione di acciai iper-Sandelin.

260

Spessore del rivestimento (μm)

Fig. 5.7 Curve Sandelin per diverse temperature.

240 220 200 180 160 140 120 100 80 60

tZn = 452 452°C

440°C tZn = 440

431°C C tZn = 431

0 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Contenuto di Si nell'acciaio (% peso) lo strato più esterno di zinco puro. Data la potenziata reattività, la reazione tra zinco e ferro può continuare con apprezzabile velocità anche dopo l’estrazione dal bagno di zincatura. Lo strato ζ (zeta) continua la crescita a spese dello strato η (eta) fintantoché la temperatura del pezzo zincato supera i 150-200°C. Le diverse colorazioni possibili da grigio chiaro a grigio scuro, e l’aspetto opaco o brillante, sono dovuti alla differente composizione della lega ferro/zinco affiorante. Come affermato in precedenza, un coating di zinco più spesso ha una minore resistenza meccanica alle sollecitazioni di tipo impulsivo (urti), tende più facilmente a distaccarsi, ma protegge più efficacemente dalla corrosione l’acciaio sottostante, data la presenza di quantità di zinco più elevate. In genere, le normative non prescrivono limiti superiori per lo spessore del rivestimento, ma è bene che esso non superi i 160÷180μm. Ci sono casi particolari in cui, nonostante siano anomali, risultano accettabili anche spessori superiori ai 200÷220μm, soprattutto se i manufatti sono molto pesanti, a patto che lo spessore maggiorato non comporti problemi con la messa in opera, il montaggio o la funzione che essi devono espletare. Ai fini della determinazione della reattività, è bene valutare anche la quantità di fosforo presente nell’acciaio. Infatti, anche per acciai con tenori di silicio inferiori allo 0.04% o compresi tra 0.12 e 0.25%, l’effetto combinato di silicio e fosforo può influenzare il processo di zincatura, amplificando l’effetto Sandelin. Una formula empirica utile per un acciaio che presenti una reattività normale più probabile può essere la seguente: Si + 2.5 P ≤ 0.09% con Si<0.03% (indicativamente) 79

Capitolo 5

Comportamento degli acciai in base al contenuto di silicio e fosforo

ossia la somma tra contenuto complessivo di fosforo moltiplicato per 2.5 e contenuto di silicio sia inferiore o uguale allo 0.09% con la limitazione sul silicio prospettata. Da evidenze sperimentali, risulta che il fosforo ostacola la formazione dello strato δ (delta) a favore della fase ζ (zeta). Lo strato γ (gamma) diviene invece discontinuo. In alcuni acciai, come quelli adatti al taglio automatico, possono esistere concentrazioni di zolfo superiori allo 0.2%. Quantità così elevate possono accelerare la reazione di zincatura al punto da trasformare il processo in un’aggressione dell’acciaio da parte dello zinco. Similmente, anche manganese, cromo, nickel, niobio, titanio e vanadio possono accrescere la velocità di reazione. Tuttavia, alle normali concentrazioni il loro effetto è del tutto irrilevante. Quando ci siano particolari esigenze riguardo ad uniformità ed aspetto del rivestimento di zincatura, occorre prestare attenzione alla composizione dell’acciaio. Le indicazioni riportate di seguito hanno il solo scopo di suggerire composizioni che aumentino la probabilità di ottenere l’aspetto desiderato. Per l’individuazione di classi o categorie di composizione si faccia riferimento a quanto previsto nelle norme UNI EN 10025 ed UNI EN ISO14713 parte 2 (rif. Capitolo 9).

Acciai a basso contenuto di silicio e fosforo: Si ≤ 0,04%, P ≤ 0,02% Fig. 5.9 Aspetto e micrografia del rivestimento di zincatura su acciaio a basso contenuto di silicio e fosforo

I rivestimenti ottenuti su acciai con questi tenori di Si e P presentano la struttura costituita dalla successione delle fasi previste dal diagramma binario Fe-Zn. Hanno spessore compreso tra 60 e 100 μm e aspetto brillante. Qualche problema può sussistere quando i tenori di Si e P sono inferiori a 0,01%, poiché gli spessori ottenibili possono essere inferiori a quanto prescritto dalle normative. Anche per acciai appartenenti a questa classe è possibile che si producano rivestimenti anormali (alti spessori, fasi disperse). Tali anomalie sono riscontrate su profili di basso spessore laminati a freddo e/o con finitura lucida, quando il fosforo è maggiore di 0,015 - 0,020% e l’alluminio supera lo 0,04%. 80

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo

Acciai di composizione intermedia non Sandelin: 0.14%<Si≤%0.22 e P<0.02% Fig. 5.10 Aspetto e micrografia del rivestimento di zincatura per l’intervallo considerato di Si e P.

Gli acciai appartenenti a questa classe sono maggiormente reattivi rispetto a quelli della classe precedente. Fanno parte di questa classe gli acciai con reattività medio-alta. La struttura del rivestimento è a fasi disperse con cristalli di fase ζ a struttura colonnare (o dendritica), soprattutto per tenori di P ≥ 0,015. È possibile che si verifichi la presenza di fase η (zinco puro) in superficie, in base ai tempi di permanenza nel bagno di zinco e alle temperature di zincatura. Per quest’ultima classe lo spessore appartiene all’intervallo 120-220μm e l’aspetto varia da brillante a grigio opaco-scuro. La fase η risulta assottigliata o anche inesistente.

Casi di iper-reattività Intervallo di Sandelin (0.04%<Si≤0.14%) o alto fosforo P>0.025% Fig. 5.11 Aspetto e micrografia del rivestimento di zincatura per l’intervallo Sandelin.

La reattività raggiunge un picco. L’aspetto del rivestimento è molto rugoso, irregolare e con struttura micrografica amorfa. Lo spessore risultante può essere anche di parecchie centinaia di micrometri. 81

Capitolo 5

Acciai iper-Sandelin: Si>0.22% e P<0.02% Fig. 5.12 Aspetto e micrografia del rivestimento di zincatura per acciai iperSandelin

Il controllo della crescita dello strato

Composizione del bagno di zincatura

La fase intermetallica ζ cresce fino a consumare in tutto o in parte la fase η. Il rivestimento che si ottiene ha uno spessore da elevato a molto elevato con aspetto che va dal grigio chiaro al grigio scuro con o senza caratteristica comparsa di celle o aspetto a “ragnatela”. Alla luce di quanto detto, data la presenza di molti fattori influenzanti la crescita che non sono sempre molto controllabili, nessuno zincatore è in grado di prevedere con puntualità quanto zinco sarà applicato sul manufatto. E’, altresì, vero che il problema maggiore è il contenimento della crescita dello strato, piuttosto che presenza di eventuali difficoltà ad ottenere spessori soddisfacenti. Tuttavia è molto improbabile, ma non impossibile, che un manufatto possa presentare ostacoli all’ottenimento degli spessori previsti dalle specifiche. Tale fenomeno si può evidenziare con la sussistenza di diverse con-cause (per esempio, acciaio laminato a freddo, calmato all’alluminio, di piccolo spessore e con superficie non soggetta ad ossidazione). Tranne casi davvero estremi, lo zincatore, in base alla sua esperienza, può mettere in atto procedure particolari per risolvere il problema (ad esempio, permanenza maggiore nel decapaggio oppure ricorso alla sabbiatura dei pezzi, per aumentarne la rugosità). In generale, occorre tenere sempre presente che si tratta di un fenomeno che non è sotto il suo controllo. Questo è lo stesso motivo per cui non sarà mai possibile richiedere in un ordine uno spessore puntuale di zincatura, ma si potrà richiedere il rispetto di spessori minimi in conformità alle normative di settore o secondo accordi da prendere con lo zincatore. Il bagno di zinco, per norma puro almeno al 98.0%, di solito contiene anche una piccolissima quantità di altri metalli che sono aggiunti come componenti tecnologici della lega o costituiscono impurità dello zinco immesso. È necessaria la presenza piccole quantità di altri elementi oltre allo zinco per migliorare la qualità estetica del prodotto finito, per controllare la

Reazione di formazione e caratteristiche del rivestimento di zincatura a caldo

crescita dello spessore del rivestimento, l’uniformità dello strato e, in taluni casi, per migliorare la resistenza alla corrosione. Una composizione di riferimento del bagno può essere (ma esistono molte variazioni da impianto ad impianto): zinco > 98.0 % in peso piombo 1.0 % in peso ferro 0.03 % in peso alluminio 0.002 % in peso tracce di altri metalli. Tuttavia c’è una tendenza ad avere percentuali di Pb molto inferiori. In alcuni casi, sempre restando entro il limite massimo del 2% totale di elementi diversi dallo zinco, si possono riscontrare leghe con stagno fino a 0,4% in peso nickel fino a 0,06% in peso bismuto fino a oltre 0,1% in peso. In zincatura generale, l’allumino ed il piombo sono aggiunti per la loro influenza sullo spessore e sull’aspetto esteriore più brillante del rivestimento. L’aggiunta di piombo influenza le caratteristiche fisiche dello zinco, in particolar modo la viscosità e la tensione superficiale. Ciò aiuta lo zinco a bagnare l’acciaio durante la zincatura e, rendendo la lega più fluida, facilita il deflusso dello zinco in eccesso dalla superficie dell’acciaio durante l’estrazione dalla vasca. Il piombo può essere anche utilizzato per proteggere la vasca ed è molto utile nella operazione ciclica di estrazione delle mattes14. Infatti, esse hanno un peso specifico superiore allo zinco e tendono a depositarsi a contatto con la parte inferiore della vasca. In presenza di un deposito di piombo fuso, precipitato sul fondo della vasca, le mattes vi galleggiano. In questo modo si crea uno spessore tra mattes e vasca, che consente alle apposite benne di infilarsi, effettuando l’operazione della loro rimozione senza il rischio di urtare e danneggiare il fondo della vasca. La sua presenza non è essenziale per il processo. Allo scopo di migliorare la qualità e l’aspetto della zincatura, negli ultimi anni si sta assistendo allo sviluppo di leghe per la zincatura caratterizzate dall’utilizzo di altri elementi aggiunti al bagno di zinco in quantità molto limitate, in modo che sia rispettato quanto richiesto dalla norma UNI EN ISO 1461 in materia di purezza globale (98% di zinco). Ciò ha portato allo sviluppo delle leghe per la zincatura a caldo con diverse formulazioni e diversi tenori principalmente di nickel, alluminio, stagno, bismuto e magnesio. Analizziamo sommariamente gli effetti di questi elementi: ・Nickel - Per limitare le conseguenze della presenza di silicio (in particolare quando la concentrazione nell’acciaio è compresa nell’inter14

Effetti della composizione del bagno sulla reattività

Per la definizione di mattes vedi nota al capitolo 4.

Capitolo 5

vallo 0.04 – 0.12%) si utilizza un bagno di zincatura alligato con nickel. Se si addiziona al bagno fino ad un massimo di 0.06-0.08%, si ottiene un certo controllo sulla crescita dello strato anche per tenori di silicio nell’acciaio più elevati. In tal caso, si riesce ad ottenere una riduzione dello spessore di circa il 12 - 15% sugli acciai con concentrazioni di silicio di tipo Sandelin ed iper-Sandelin, senza per nulla alterare le proprietà di protezione dalla corrosione. ・Alluminio - È aggiunto al bagno per circa lo 0.005%. Determina brillantezza ed uniformità dello strato. Un effetto estetico non secondario è la riduzione della classica fioritura, con la diminuzione della dimensione delle caratteristiche paillette e la riduzione dei contrasti dei relativi bordi. L’aggiunta di allumino, con alcune precauzioni operate sul bagno di flussaggio, può essere portata a percentuali dello 0.04%. In tal caso si ottengono una maggiore fluidità del bagno di zinco fuso e un maggiore controllo dello spessore del rivestimento. Infatti, seppure alle minime concentrazioni riportate (che comunque sono considerevolmente alte rispetto a quelle usuali in zincatura), l’alluminio incide sullo sviluppo dello strato con azione inibente. Sono state proposte leghe a più alto tenore di alluminio (dell’ordine di 1-2%, fino al 5%), ma esse necessitano di cambiamenti radicali del processo, con la sostituzione dell’operazione di flussaggio tradizionale con trattamenti differenti, quali ad esempio la cementazione o l’elettrodeposizione con rame della superficie dell’acciaio da zincare. In questi processi, per ora allo stato sperimentale, i rivestimenti che si ottengono manifestano spessori molto sottili e proprietà anticorrosive sostanzialmente differenti dalla zincatura tradizionale. Se venissero un giorno adottate in una pratica industriale, sarebbero destinate ad applicazioni particolari, diverse rispetto alla protezione delle strutture, articoli e suppellettili oggi zincate a caldo. Si tratta di leghe studiate per utilizzo, per lo più, nell’industria automobilistica, in cui per l’esigenza di rispetto delle tolleranze si devono controllare spessore ed uniformità del rivestimento. ・Bismuto - Nuove formulazioni di leghe di zincatura prevedono l’utilizzo di una piccola quantità di bismuto (dell’ordine dello 0.1%) come agente fluidificante. Può essere aggiunto in sostituzione del piombo. In questi casi, il bagno di zincatura può esplicare la sua funzione in presenza di tenori di piombo molto bassi (≈ 0.1) o, al limite, in sua assenza. Favorisce il controllo della crescita dello strato. ・Magnesio - Per contrastare la tendenza alla formazione di ruggine bianca, si usa addizionare al bagno una piccola quantità di magnesio (fino allo 0,03%).

Capitolo 6

Progettare per la zincatura a caldo Requisiti dei manufatti da zincare Effetti trascurabili sui trattamenti termici dell’acciaio Come evitare deformazioni Dimensioni, peso e geometria dei manufatti Profili cavi e tubolari, superfici sovrapposte: fori di sfiato e drenaggio Casi particolari Fili e manufatti in filo Fusioni in acciaio e ghisa Esclusione di singole parti Assemblaggio dei manufatti: A partire da semilavorati Saldatura di parti zincate La bullonatura. Il migliore sistema di assemblaggio Giunti ad attrito Norma UNI EN ISO 14713: linee guida per la progettazione

Nei paragrafi che seguono vengono fornite informazioni basilari rispetto alla predisposizione degli articoli alla zincatura. Associazione Italiana Zincatura ha recentemente pubblicato il Manuale di Buone Pratiche per la Zincatura a Caldo, in cui sono approfondite tutte le tematiche che vengono trattate in questo testo in modo generico. Se ne suggerisce la consultazione per le esigenze tecniche più specifiche. Occorre seguire poche semplici regole per poter trarre il maggiore vantaggio possibile dalla zincatura a caldo e soddisfare se stessi ed i propri clienti. Data la semplicità del processo, è molto semplice predisporre i manufatti per la zincatura a caldo. Se non si è esperti o se si hanno particolari esigenze, è consigliabile che si instauri sin dalla fase di progettazione uno stretto rapporto di collaborazione tra tecnico, costruttore, fornitore di acciaio e zincatore, per raggiungere i migliori risultati. Gli adattamenti necessari sono di piccola entità e perfettamente tollerabili nella stragrande maggioranza dei casi per qualsiasi tipologia di manufatto. Il vantaggio che deriva dalla collaborazione con lo zincatore è incommensurabile. In questo modo ci si assicura la migliore prestazione del trattamento, ottenendo la durata richiesta e l’integrità strutturale contro l’attacco della corrosione, evitando anche la compromissione estetica delle opere causata dalla ruggine.

Requisiti dei manufatti da zincare

Capitolo 6 Effetti trascurabili sui trattamenti termici dell’acciaio

Come evitare le deformazioni

Per le temperature del bagno di zincatura (inferiori alla temperatura eutettoidica15) alle quali vengono portati i manufatti da zincare, e per i tempi brevi di immersione e di raffreddamento, non si determinano cambiamenti della struttura microscopica dell’acciaio. Anche nel caso di acciai sottoposti a tempra, il riscaldamento alla temperatura di circa 440 – 460°C, per i tempi soliti di trattamento della zincatura a caldo, corrisponde ad un blando rinvenimento dall’effetto praticamente irrilevante sulle proprietà meccaniche. Nello specifico, la resistenza alla trazione ed il punto di snervamento dell’acciaio restano pressoché immutati. Nei casi di trattamenti di indurimento superficiale come cementazione o nitrurazione, il processo di zincatura rimuove ed altera le caratteristiche ottenute. Tali trattamenti non vengono, di solito, adoperati per gli acciai strutturali utilizzati a scopo edilizio. Quindi, in genere, il campo di utilizzo della zincatura a caldo non interferisce con le applicazioni che necessitano di tali trattamenti. Gli acciai comunemente utilizzati nell’ambito delle costruzioni non subiscono variazioni di rilievo delle loro caratteristiche meccaniche durante le operazioni di zincatura. Tuttavia, alcuni tipi di acciai in dipendenza da un non comune (elevato) tenore di azoto, come gli acciai con elevate durezze e bassa resilienza, suscettibili di invecchiamento, possono perdere l’originale duttilità e infragilirsi nel corso del processo di zincatura, soprattutto se precedentemente lavorati a freddo o saldati. Tale invecchiamento è accelerato durante la zincatura a caldo dall’aumento della temperatura. In tali casi, con tali particolari acciai, occorre prendere delle precauzioni che possono essere decise caso per caso, interpellando lo zincatore o un esperto dell’Associazione Italiana Zincatura, nella fase progettuale. Inolte, in special modo, per minuterie, bulloni ed elementi di collegamento realizzati in acciai altoresistenziali, occorre prestare attenzione all’azione dell’idrogeno che si sviluppa durante la fase del decapaggio e che può causare infragilimento. I pezzi devono essere sottoposti a zincatura a caldo, dovranno sopportare l’effetto del riscaldamento. Se i pezzi non sono ben progettati, ovvero se non si seguono alcune semplici cautele, si possono provocare dilatazioni e deformazioni. Le principali cause di questi inconvenienti sono imputabili alle seguenti situazioni: - differenti velocità di riscaldamento e raffreddamento di strutture

Si definisce temperatura eutettoidica rispetto al diagramma di fase ferro-cementite, la temperatura di 723°C, minima temperatura alla quale può sussistere austenite per gli acciai al carbonio. È la temperatura più bassa alla quale si può assistere a cambiamenti di fase nell’acciaio al carbonio.

Progettare per la zincatura a caldo

complesse con componenti di spessore diverso (per esempio pannelli in lamiera sottile con cornici in profilato più pesante); - zincature eseguite in due o più tempi, che determinano, contemporaneamente, il crearsi di zone più calde e altre più fredde; - tensioni interne residue di lavorazioni precedenti la zincatura a caldo. In tutte le strutture in acciaio sono infatti presenti, in misura variabile, tensioni latenti di modesta entità che normalmente restano in equilibrio e non creano problemi durante il processo di zincatura. Il fenomeno dipende, ovviamente, dall’entità delle tensioni e dalle caratteristiche del materiale. Il riscaldamento connesso con il processo di zincatura, durante l’immersione nello zinco fuso, influisce sul limite di elasticità dell’acciaio, cioè sulla sua capacità di resistere senza deformazioni alle tensioni. Il limite di elasticità si abbassa con l’aumentare della temperatura. Se si realizza la condizione per la quale le tensioni interne sono tanto elevate da superare tale limite alla temperatura del bagno di zincatura, il manufatto tende a trovare una nuova condizione di equilibrio in cui le tensioni stesse vengono compensate dalle deformazioni. Le caratteristiche dello stato tensionale (valore, distribuzione e direzione all’interno del pezzo), la rigidità della costruzione, il tipo e lo spessore del materiale impiegato, determinano l’entità della deformazione. Le caratteristiche intrinseche dell’acciaio tornano ai valori originali quando il pezzo si raffredda. Fig. 6.1 Alla temperatura di zincatura corrisponde una diminuzione del limite di elasticità che rende possibile la deformazione se la tensione interna presente supera la quota b.

In zincheria, nelle fasi di lavorazione precedenti l’immersione nel bagno di zinco, non c’è nessun mezzo per evidenziare gli stati tensionali che possono dar luogo a deformazione nei manufatti. La prevenzione va, dunque, operata nell’officina meccanica di costruzione, 87

Capitolo 6

Dimensioni, peso e geometria dei manufatti

mettendo in atto le tecniche adatte a evitare, per quanto possibile, problemi durante la transitoria riduzione di resistenza indotta dal processo di zincatura a caldo. Occorre prestare un’attenzione che non è poi dissimile dall’esercizio della buona regola dell’arte. È, per esempio, buona norma evitare di forzare i componenti da assemblare per portarli nelle posizioni previste dai progetti. É possibile anche che la formatura, la laminazione e le lavorazioni a freddo inducano uno stato tensionale interno che possa causare distorsioni o deformazioni durante la fase di zincatura. In queste circostanze, specialmente nel caso di lamiere, dopo la lavorazione si potrebbe procedere alla normalizzazione, tenendo l’acciaio per un certo tempo alla temperatura di 600-650°C, in modo da liberare le tensioni interne prima della costruzione del manufatto. Tuttavia, tale trattamento in genere non è necessario. Di particolare importanza tra le cause di tensioni è la saldatura, specialmente la saldatura con materiale di apporto disomogeneo. Si possono evitare problemi eseguendo le saldature in posizione simmetrica rispetto all’asse principale del pezzo e riducendole al minimo indispensabile. È inoltre consigliabile, per quanto possibile, non sottoporre a zincatura manufatti asimmetrici e molto complessi, bensì strutture semplici ed equilibrate. Quando risulti conveniente, si potrebbero zincare anche i singoli profilati o strutture più semplici, facendo seguire l’assemblaggio solo in un secondo tempo per mezzo di collegamenti meccanici, quali viti o bulloni. Qualora ciò non fosse realizzabile, le saldature necessarie andrebbero eseguite il più possibile vicino all’asse geometrico principale della sezione, in posizione simmetrica ed equidistante rispetto ad esso e, per quanto possibile, contemporaneamente. Le sezioni asimmetriche, infatti, corrono maggiori rischi di deformazioni, soprattutto se composte da più elementi uniti da saldature di notevole spessore, poste da un solo lato e distanti dall’asse principale di simmetria. Per la prevenzione, dunque, è utile impiegare parti con sezioni simmetriche, che ostacolano le deformazioni, ma anche forme che consentano di effettuare un’unica rapida immersione nel bagno di zinco. Da quanto detto si trae la conclusione che per ottenere dalla zincatura i migliori risultati è necessario ottimizzare caratteristiche legate a dimensioni, peso e geometria dei pezzi da trattare. Innanzitutto, dal momento che ogni zincheria è dotata di vasche di misure differenti, in caso di pezzi particolarmente ingombranti è opportuno informarsi su ampiezza e dimensione dei bagni. Gli eventuali problemi possono essere aggirati molto spesso studiando adeguate soluzioni nel corso della progettazione.

Progettare per la zincatura a caldo

Allo stesso modo, vanno valutate le dimensioni e i pesi delle singole parti in relazione alle capacità di movimentazione della zincheria a cui ci si intende rivolgere. In generale, è sempre consigliabile evitare manufatti di notevole ingombro, che potrebbero subire danni già durante il trasporto. Con essi, inoltre, si allungano e complicano notevolmente le fasi di lavorazione, con conseguenze spesso rilevanti sui costi e sulla qualità finale della zincatura. La geometria costruttiva del pezzo dovrebbe preferibilmente svilupparsi su due dimensioni, ricorrendo eventualmente a successive operazioni di montaggio e assemblaggio delle parti separatamente zincate. Comunque, molte volte la profondità delle vasche ed i carichi che possono essere sopportati dalle gru negli impianti di zincatura sono superiori a quanto immaginato dal progettista. Sono sempre facilmente reperibili informazioni riguardanti le dimensioni delle vasche, in modo che si possano realizzare strutture che permettano l’ottimizzazione contemporanea dei tempi di zincatura e di posa in opera. In genere si tratta di dati rilevabili molto semplicemente visitando il sito web dello zincatore di fiducia. Attraverso il sito www.aiz.it si possono facilmente individuare le zincherie associate all’Associazione Italiana Zincatura ed i link ai loro siti internet. Se i pezzi da zincare a caldo sono particolarmente lunghi o ingombranti è possibile ricorrere a più immersioni, sottoponendo separatamente le singole sezioni a bagni successivi. Tale metodologia comporta, però, un riscaldamento disomogeneo delle parti del manufatto, il che, in condizioni sfavorevoli, può determinarne la distorsione, come già accennato in precedenza. Infatti, compiendo la Fig. 6.2 Metodo di doppia immersione in bagno di zincatura per elementi ingombranti.

Capitolo 6

prima immersione, una parte dell’elemento costruttivo si trova inevitabilmente a una temperatura di 450°C, a differenza del corpo restante che, esposto all’aria, è soggetto a temperature bruscamente inferiori, decrescenti fino alla temperatura ambiente su lunghezze molto corte. Per un’idea delle tensioni interne che si provocano in questi articoli, si pensi che la dilatazione termica, ovvero l’allungamento dovuto al riscaldamento, alla temperatura di 450°C contro la temperatura ambiente di 25°C, è di circa 4-5mm al metro. D’altra parte, il problema non è particolarmente grave per strutture lunghe ma sottili, per profilati ad anima piena, pilastri e tiranti. Tali elementi, diversamente da strutture composte da piastre e controventature, sono generalmente omogenei e le loro tensioni possono ripartirsi, distribuendosi su tutto il manufatto in modo da non creare problemi. Il rischio di distorsioni diviene significativo per elementi con un’altezza tale da richiedere di girare il pezzo. Se la struttura in acciaio non è tanto elastica da resistere alla forte sollecitazione verticale, si possono verificare dilatazioni anche piuttosto differenti tra parte superiore ed inferiore. Nel caso il manufatto sia massiccio, se vi sono dei punti in cui le tensioni provocate si accumulano, si possono anche superare le σ di rottura e in determinati punti critici si possono originare delle crepe. Questi danni alle costruzioni, quali distorsioni e fratture, possono esFig. 6.3 I danni alle costruzioni possono essere evitati con una progettazione adeguata. È cruciale una valutazione opportuna delle dilatazioni termiche durante l’immersione.

Esempi di immersioni multiple Consigliabile non consigliabile

Progettare per la zincatura a caldo

sere agevolmente evitati attraverso una progettazione preventiva, che valuti adeguatamente i rapporti tra temperatura e dilatazione durante il processo di zincatura. In ogni caso, la zincatura di elementi di grandi dimensioni, da zincare in due o più operazioni, provoca sempre variazioni di spessore del rivestimento, dovute alla sovrapposizione di strati di zinco. Inoltre, se si zincano strutture realizzate con componenti di spessore troppo diverso, la maggior durata dei tempi di immersione richiesta dalle parti a maggior spessore, determina spessori di rivestimento più elevati anche sulle sezioni più sottili presenti nel manufatto. Per prevenire tale inconveniente è opportuno progettare strutture assemblate i cui componenti abbiano spessori il più possibile uniformi e, comunque, il cui rapporto tra gli spessori sia inferiore a 5:1. Qualora ciò non sia possibile, è bene utilizzare elementi separati, successivamente assemblabili tramite giunzioni. D’altronde, poiché anche per le immersioni singole il procedimento consiste in successive immersioni nelle soluzioni di processo e nel bagno di zincatura, è importante in ogni caso scegliere opportunamente i punti di sospensione dei manufatti, per facilitarne il trasporto, il montaggio e il trattamento. La scelta dovrebbe, inoltre, favorire sempre punti che consentano ai liquidi e allo zinco fuso di defluire con rapidità durante l’estrazione del pezzo dalla vasca. Per pezzi di notevoli dimensioni e peso è, infine, essenziale stabilirne opportunamente il numero, la distribuzione e il posizionamento per evitare possibilità di deformazioni. Quando sia necessario, possono essere anche previsti agganci provvisori. Poiché il processo di zincatura prevede che i pezzi siano sottoposti a successive immersioni di spigolo, è opportuno prevedere almeno una predisposizione per l’aggancio (ad esempio un raccordo a manicotto) su uno spigolo del fondo. Nel caso di strutture di acciaio cave è indispensabile che durante l’immersione lo zinco possa penetrare facilmente all’interno con l’efflusso completo dell’aria presente nel volume e che, nel corso dell’estrazione dal bagno, lo zinco superfluo possa drenare agevolmente. È, inoltre, essenziale che le soluzioni acquose di sgrassaggio, decapaggio e flussaggio possano drenare facilmente dai pezzi. Un ristagno di benché minime quantità di liquido all’interno dei pezzi può provocare esplosioni anche di forte entità, se portato a contatto accidentale con lo zinco fuso. In quel caso, si provoca un grave rischio per la sicurezza degli operatori di zincatura. Per pezzi con cavità completamente chiuse e di difficile ispezione è, quindi, necessario prevedere e realizzare in modo accorto aperture di sfogo ben dimensionate.

Profili cavi e tubolari, superfici sovrapposte: fori di sfiato e drenaggio

Capitolo 6

Le sezioni tubolari vanno provviste di fori di afflusso e deflusso il cui diametro va calcolato in base alla lunghezza e alla sezione dei corpi, ossia al volume di aria che li attraverserà. Particolarmente rilevante è anche la posizione delle aperture, che devono essere collocate considerando l’orientamento della sospensione, il più vicino possibile alle saldature dei nodi, in posizioni diagonalmente opposte le une rispetto alle altre e, se necessario, ricopribili successivamente in fase di assemblaggio. Tab. 6.1 Una indicazione del dimensionamento dei fori di drenaggio. Per particolari situazioni progettuali possono essere necessarie dimensioni maggiori.

Misura caratteristica del tubolare (mm)

Dimensione minima del foro di drenaggio (mm)

<25 25-50 50-100 100-150 >150

10 12 16 20 25

Non è infrequente il caso il cui si debbano sottoporre a zincatura corpi cavi complessi, quali recipienti di vario genere, dotati di rinforzi interni, piastre terminali, diaframmi divisori, flangiature ecc. Si comprende come sia indispensabile porre molta attenzione alla realizzazione delle aperture. Una foratura di dimensioni insufficienti o anche in posizioni errate, determina un possibile peggioramento della qualità della zincatura. La conseguenza di una foratura eseguita male è spesso la fuoriuscita dello zinco in eccesso in modo tale da favorire formazione di bave, croste e asperità anche pericolose per la movimentazione dei manufatti zincati, perché taglienti. In tal caso, occorre procedere ad una loro rimozione non sempre agevole, che è sempre meglio prevenire. I progettisti devono indicare le posizioni in cui apporre i fori e le dimensioni che essi devono avere. In caso di dubbio, la consulenza dello zincatore o dell’esperto dell’Associazione Italiana Zincatura, resta spesso la miglior soluzione per progettare il drenaggio di manufatti di forme particolari. Chi esegue la zincatura, in ogni caso, ispeziona la struttura e valuta se effettuare, con l’autorizzazione del cliente, un adeguamento della foratura. È comunque opportuno che si faccia molta attenzione a questo aspetto in fase di progetto e realizzazione, per ottenere il risultato ottimale senza correre rischi. È necessario che le aperture di sfogo, preposte a permettere l’afflusso e il deflusso di liquidi e zinco da spigoli e angoli, siano posizionate tenendo conto dell’orientazione preferenziale che i particolari assumeranno nel corso delle varie fasi di processo. Nel caso di in92

Progettare per la zincatura a caldo Fig. 6.4 I diaframmi delle parti cave devono essere sia smussati che forati

sufficiente sfiato, potrebbero rimanere bolle di aria stagnante, che impedirebbero a porzioni di superficie di venire a contatto con lo zinco liquefatto, intralciando il processo di zincatura, con evidenti danni. Come per gli elementi tubolari, anche per i profilati è opportuno collocare aperture e fori a coppie, assicurando dimensioni variabili in base alle caratteristiche strutturali dei pezzi, ma, comunque, con diametri superiori ai 10mm per i fori e ai 14mm per gli intagli angolari. Anche la posizione degli sfiati e drenaggi è importante. Vanno evitati casi in cui possono determinarsi piccoli accumuli di zinco che costituiscono un inutile appesantimento dei pezzi ed un aumento del costo della zincatura, a fronte di eventuali peggioramenti della funzionalità degli oggetti. Nella costruzione di manufatti mediante profilati in acciaio vanno evitate le sovrapposizioni di superfici, poiché negli spazi interstiziali, come per le saldature mal eseguite, possono penetrare liquidi di deFig. 6.5 Per evitare accumuli inutili e dannosi per l’estetica del manufatto, vanno praticati fori in tutte le sezioni che potrebbero dare anche la minima ritenzione di zinco.

Capitolo 6

capaggio e flussaggio che per violenta evaporazione possono causare esplosioni ma anche ritenzioni di fluidi di decapaggio altamente corrosivi, che non riescono ad allontanarsi dall’interstizio durante la zincatura. Durante il raffreddamento dei pezzi, l’acido condensa di nuovo e si libera dalla cavità interstiziale, formando piccoli rivoli in grado di asportare localmente lo strato di zinco. Ne derivano degli antiestetici e pericolosi effetti ossidativi. Anche nel caso in cui non ci sia presenza di acido, in queste cavità può entrare acqua di condensa che solubilizza i sali eventualmente presenti. La corrosione conseguente nello spazio dell’interfaccia può generare colature di acqua mista a ruggine, che macchiano il manufatto zincato. Fig. 6.6 a) Occorre prevedere un foro tra due superfici affacciate e sovrapposte. In alternativa si può optare per una saldatura discontinua. Onde evitare che i liquidi che possono essere trattenuti dall’interstizio determinino delle colature sul manufatto in opera, è buona norma procedere ad una sigillatura post-zincatura.

(a)

b) Per l’irrigidimento delle sezioni con piastre preferire le soluzioni che riducano al minimo gli interstizi.

(b)

Casi particolari

Se si intende comunque ricorrere a sovrapposizione di piccole parti, per evitare i fenomeni descritti, si dovrà accuratamente sigillare l’interfaccia mediante saldatura continua. Se le superfici sovrapposte sono molto ampie, sarà necessario comunque praticare fori di sfiato o saldatura discontinua. Ciò serve a scaricare la pressione creata dall’aria umida racchiusa tra i due piani. In questi casi, occorre che immediatamente dopo la zincatura si proceda alla sigillatura dell’interstizio, al fine di evitare che si verifichino i fenomeni summenzionati. Possono verificarsi casi di elementi costruttivi particolari che richiedono una zincatura a caldo unicamente per le parti esterne. Tale operazione è più costosa poiché, nonostante richieda quantità di zinco inferiori, necessita di procedure più complesse. Innanzitutto è ovviamente indispensabile chiudere ermeticamente eventuali aperture per evitare l’afflusso di zinco all’interno della strut-

Progettare per la zincatura a caldo

tura. Inoltre, i manufatti vanno dotati di un’opportuna condotta per liberare l’alta pressione che si creerebbe inevitabilmente all’interno per il riscaldamento dell’aria. Un esempio tipico è offerto dagli scambiatori di calore tubolari. Immergendo strutture cave nel bagno di zinco, esse opporranno naturalmente una spinta di galleggiamento. Pertanto, è necessario caricare tali sistemi con pesi supplementari, anche di parecchie tonnellate, e verificare che essi siano in grado di sostenere la spinta idrostatica dello zinco fuso in vasca. Infine, per eventuali guarnizioni di tenuta dovranno essere scelti materiali capaci di resistere agli acidi decapanti e alla temperatura del bagno di zinco. Nel caso dei contenitori è bene verificare che giunzioni, flange e sostegni siano collocati sulla superficie della struttura, in modo da non creare rientranze o cavità che potrebbero provocare ristagni di aria con conseguenti difetti nella zincatura. I fili di acciaio per reti metalliche vengono trattati come semilavorati in impianti di zincatura automatici. Raramente i manufatti sono zincati dopo la costruzione. Alcuni esempi si riscontano nel settore agricolo (gabbie per volatili) e nella costruzione di alcuni tipi di reti. Il solo accorgimento relativo a tali elementi strutturali riguarda la scelta del materiale di cui è costituito il filo. Alcuni manufatti mantengono un’adeguata consistenza solo se sottoposti a irrigidimento a freddo. Se si utilizzano fili di acciaio suscettibili di invecchiamento, le piegature di rinforzo a freddo possono causare un incrudimento del materiale, che purtroppo diviene visibile dopo la zincatura a caldo. Se si impiegano fili di materiale adeguato, la zincatura, oltre alla protezione da corrosione, fornisce, invece, un ulteriore vantaggio. Infatti, lo zinco fuso dà luogo a un effetto saldante nei punti di incrocio dei fili, aumentando la solidità dei manufatti. Quando viene impiegato filo ondulato, va ricordato che il riscaldamento subito nel bagno di zinco ne provoca una significativa estensione. Nel caso esistano cornici o saldature possono crearsi antiestetiche distorsioni. Un’interessante soluzione consiste nel lasciare separate o parzialmente non saldate le rete di filo ondulato e la cornice circostante durante la zincatura, per saldarle o avvitarle solo successivamente. Una trattazione a parte merita la zincatura di parti in ghisa. Tale lega non riveste certamente in edilizia il ruolo dell’acciaio, tuttavia, negli ultimi tempi è stata, per così dire, riscoperta. A differenza dell’acciaio, la ghisa è una lega di ferro e carbonio che contiene quest’ultimo elemento in quantità superiori all’1.8%. Similmente, sono generalmente maggiori anche le percentuali di silicio e fosforo.

Fili e manufatti in filo

Fusioni in acciaio e ghisa

Capitolo 6

Nel valutare l’idoneità alla zincatura, è quindi particolarmente importante considerare la composizione chimica del manufatto da trattare. Per quanto riguarda il silicio, bisogna tener conto, però, che non valgono gli stessi limiti di riferimento visti per l’acciaio. Nelle ghise, infatti, il silicio è presente accanto ad altri elementi chimici, ed in parte con essi combinato, e pertanto non dà luogo ad un rilevante ispessimento del rivestimento. Le diverse tipologie di fusioni sono classificate in fusioni di acciaio, ghisa a grafite lamellare (GGL) o grigia, ghisa a grafite globulare o sferoidale (GGG) e ghisa malleabile. Nel primo caso si tratta dei getti di acciaio fuso in forma. Questo tipo è modellabile come la ghisa, ma mostra caratteristiche meccaniche superiori. Avendo composizione e caratteristiche corrispondenti all’acciaio, si comporta in maniera del tutto simile anche durante la zincatura a caldo. Le ghise GGL e GGG possiedono un elevato contenuto di carbonio e silicio che determina una maggiore velocità di reazione tra zinco fuso e ghisa e quindi può portare alla formazione di rivestimenti spessi, grigi o a macchie grigie. In funzione dell’aspetto alla rottura, la ghisa malleabile si distingue in ghisa malleabile a cuore nero (GTS) e a cuore bianco (GTW). I due tipi si ottengono mediante diversi tipi di trattamenti termici che conferiscono loro caratteristiche di malleabilità e lavorabilità. Nella ghisa GTS il contenuto di carbonio è inferiore rispetto alla GTW, mentre quello di silicio è superiore. È evidente, quindi, da quanto esposto precedentemente, che per la ghisa malleabile a cuore nero si assisterà a una reazione ferro-zinco più rapida, al contrario della bianca per la quale si avranno valori normali. Sia le superfici delle fusioni di acciaio sia quelle dei getti di ghisa da sottoporre a zincatura a caldo dovranno essere prive di residui di sabbia, carboni e cementi di ricottura, grafite e così via. Tali particelle possono resistere ai normali pretrattamenti eseguiti nelle zincherie, pertanto vanno sottoposte a decapaggio in miscele di acido cloridrico e fluoridrico (raramente disponibile nelle sedi di zincatura). I residui possono essere eliminati con la sabbiatura soltanto se i manufatti non presentano sagomature particolarmente elaborate, che impedirebbero di ottenere risultati positivi. Inoltre, vanno sempre evitate stuccature di difetti superficiali, poiché produrrebbero inevitabilmente difetti nel rivestimento di zinco. In generale, va ricordato che la ruvidità tipica della ghisa può originare rivestimenti di spessore superiore rispetto alle levigate parti in acciaio. È infine preferibile adottare la zincatura a caldo per pezzi in ghisa di 96

Progettare per la zincatura a caldo

piccole dimensioni. All’interno delle parti di notevole grandezza possono infatti crearsi delle tensioni alle temperature della fusione di zinco, in grado di provocare lesioni più o meno gravi. I maggiori danni si verificano, in particolare, quando in oggetti di grandi dimensioni vengono accoppiate pareti e nervature con spessori tra loro molto diversi. Può talvolta presentarsi la necessità di mantenere prive di zinco alcune porzioni della costruzione in acciaio, che hanno funzioni specifiche. Tra i diversi esempi possiamo citare bulloni e parti filettate in genere, parti con strette tolleranze, fori di montaggio passanti o ciechi, superfici su cui dopo la zincatura si deve eseguire una saldatura. In base alle differenti tipologie dei pezzi e alle singole esigenze è possibile ricorrere a diverse procedure. In tutti i casi, però, è opportuno che tali operazioni vengano compiute dal committente prima di inviare i manufatti alla zincheria. Le superfici esterne di particolari di forma cilindrica che vanno protette dalla zincatura possono essere ricoperte avvolgendo intorno al pezzo più giri di nastro adesivo in tessuto, normalmente disponibile in commercio. Nonostante l’elevata temperatura del bagno di zinco bruci il nastro, i suoi residui sono sufficienti a preservare la zona in questione. Al termine delle procedure di zincatura, i resti di nastro vanno rimossi, ad esempio, impiegando una spazzola di ferro. Per proteggere superfici piane il nastro si dimostra, invece, un mezzo poco adeguato, perché la copertura tende a staccarsi provocando irregolarità al rivestimento. In tal caso, è opportuno impiegare speciali vernici che, come accade al nastro, a contatto con il calore dello zinco fuso si distruggono, ma i residui impediscono comunque la deposizione del rivestimento di zinco. Come nel caso precedente, al termine della lavorazione i resti devono essere spazzolati. Queste vernici resistenti alle alte temperature sono presenti in commercio sia sotto forma di spray, che per applicazioni a pennello o a spatola. È bene evitarne l’impiego per parti filettate, poiché su di esse le vernici non si distribuirebbero uniformemente, creando pertanto una protezione disomogenea. Se si intende escludere dalla zincatura fori ciechi o filettature interne si consiglia di utilizzare gessi, stucchi o plastiline, che si trovano normalmente in commercio. Aggiungendo piccoli dosi d’acqua questi prodotti aumentano la propria plasticità e possono essere agevolmente modellate e pressate nelle aperture da proteggere, cercando di evitare la formazione di bolle d’aria. Dopo indurimento essi impediranno la penetrazione dello zinco fuso. Come appare evidente, concluse le procedure di

Esclusione di singole parti

Capitolo 6

Assemblaggio dei manufatti: a partire da semilavorati

zincatura, i residui andranno eliminati. Per proteggere le filettature interne una soluzione alternativa consiste nell’avvitarvi una vite adeguata precedentemente ingrassata con grasso al silicone. Nel corso della zincatura, la vite viene saldata dallo zinco al resto del manufatto, pertanto è necessario, dopo estrazione dal bagno, agire con una fiamma leggera per togliere la vite. L’operazione è, comunque, molto delicata e deve essere eseguita solamente da personale con esperienza. Talvolta fori filettati e fori ciechi vengono chiusi introducendovi tappi di legno che vengono carbonizzati dallo zinco fuso e, comunque, evitano la zincatura delle parti coperte. Tutte le procedure di protezione adottabili comportano inevitabilmente un aumento dei costi complessivi. Tuttavia, rendono superflue le operazioni di molatura locale o trattamento del rivestimento di zinco con la fiamma, altrimenti necessarie per liberare le parti dallo zinco. Finora sono state considerate strutture e singoli elementi in acciaio sottoposti a zincatura una volta terminata la fase di lavorazione. Talvolta, può essere utile produrre tali componenti costruttivi da semilavorati precedentemente zincati a caldo. Prevalentemente vengono impiegati a questo scopo profili tubolari a sezione quadrata o rotonda, disponibili in un’ampia gamma di spessori e misure (solitamente lunghezze da 6 a 12m), e profilati pieni in acciaio laminati a caldo o a freddo, anch’essi presenti sul mercato in svariate dimensioni. I semilavorati vengono zincati a caldo in impianti parzialmente o completamente automatizzati. In tal modo si ottiene un rivestimento di elevata qualità e omogeneità a costi contenuti. Con questi processi produttivi è possibile, infatti, ottenere grosse produzioni in continuo. Inoltre, si applicano facilmente sistemi tecnologici in grado di migliorare l’aspetto superficiale della zincatura. Per esempio, durante l’estrazione dei pezzi dal bagno, è possibile ricorrere al drenaggio forzato dello zinco mediante aria compressa e/o vapore. In attesa di essere impiegati, i semilavorati pre-zincati vanno posti in deposito perché siano preservati dalla cosiddetta ruggine bianca. Se immagazzinati all’aperto, in condizioni di cattiva aerazione, può presentarsi l’effetto ruggine bianca a causa del ristagno di umidità tra i profilati. Tale rischio può essere prevenuto depositando il materiale in luogo asciutto e inserendo distanziali tra gli strati delle cataste per favorire la circolazione d’aria. La copertura con fogli di materia plastica può, invece, causare una notevole formazione di condensa, assai dannosa per la protezione di zinco. L’impiego dei semilavorati pre-zincati a caldo prevede tagli e giun-

Progettare per la zincatura a caldo

zioni con procedimenti convenzionali, quali saldatura, serraggio, chiodatura, brasatura e incollaggio, per i quali sono necessarie lavorazioni relativamente più lunghe rispetto ai profilati non zincati. Nel corso di queste operazioni la protezione di zinco può subire danneggiamenti. Inoltre, è necessario controllare che l’eventuale limatura di ferro caduta sulle superfici zincate in fase di lavorazione non crei macchie di ruggine. Infatti, a causa dell’umidità, intorno alle particelle di ferro si formano delle zone di intenso colore rosso bruno. Molto più pericolose appaiono, però, le particelle incandescenti, poiché esse non possono essere rimosse, in quanto vengono incorporate dalla superficie zincata. La massima attenzione va posta anche durante la tranciatura, piegatura e smussatura con raggio molto stretto dei semilavorati, poiché il rivestimento potrebbe subire qualche danno non sopportando le sollecitazioni impresse. In caso di danneggiamento, la riparazione delle superfici va valutata in base alle singole situazioni e può richiedere un certo impegno. Per ripristinare lo zinco su punti danneggiati, è consigliato il ricorso alla metallizzazione termica. Qualora essa non fosse praticabile si possono verniciare le superfici intaccate con prodotti contenenti almeno il 90% di zinco nel pigmento, realizzando rivestimenti dello spessore massimo di 100μm. È importante trattare unicamente le parti danneggiate, riducendo al minimo l’estensione alle aree adiacenti. È dunque evidente che lavorazioni successive alla zincatura possono comportare ulteriori operazioni di ripristino con conseguenti costi. Tuttavia, impiegando semilavorati già zincati si evita l’introduzione di tensioni che possono causare deformazioni all’atto della zincatura. Va quindi valutato di volta in volta se sia più vantaggioso impiegare semilavorati pre-zincati o strutture finite successivamente sottoposte a zincatura integrale. Una regola per i manufatti in zincatura generale è cercare di evitare per quanto possibile la saldatura di parti zincate. Infatti, accade che lo zinco in prossimità della saldatura evapora (sublima) lasciando scoperta la zona nelle vicinanze del cordone. Il rivestimento di zinco presenta interferenze nel processo di saldatura, per cui non si possono usare sempre semplicemente le tecniche utilizzabili per l’acciaio non rivestito. Il grado di interferenza dovuto al rivestimento di zinco dipende dallo spessore, dalla composizione e dalla struttura del rivestimento stesso Nella saldatura di pezzi zincati, i principali problemi sono: - aumento di spruzzi durante la saldatura;

Saldatura di parti zincate

Capitolo 6

- maggior formazione di fumi; - maggior formazione di porosità nel metallo di saldatura; - minore penetrazione; - rischio di fessurazione intercristallina nel metallo di saldatura. Nel caso non si possa fare a meno di saldare le strutture dopo che sono state zincate a caldo, ad esempio, per l’assemblaggio di parti particolarmente ingombranti, si deve preventivare un opportuna riparazione dello strato attraverso metallizzazione, vernici ricche di zinco od altri sistemi, come l’utilizzo di barre da riporto. I metodi di saldatura convenzionalmente adoperati per acciai non zincati possono essere utilizzati anche per l’acciaio zincato con qualche adattamento. Si tratta di fare attenzione al modo in cui lo zinco viene allontanato dalla sede di saldatura. Occorre fare attenzione perché la sublimazione dello zinco non causi soffiature e formazione di porosità nel cordone. Questo effetto può essere ridotto o annullato del tutto mediante una velocità di applicazione della saldatura ridotta, che consente ai vapori di zinco di allontanarsi dalla porzione superficiale coinvolta dalla saldatura. Per altro, ricerche condotte nel settore hanno dimostrato che l’acciaio mantiene inalterate le proprie caratteristiche meccaniche anche dopo zincatura. Tra le varie metodologie viene privilegiata la saldatura manuale ad arco, che offre molteplici vantaggi. È infatti più agevole controllare il risultato finale. Si può considerare buona norma strofinare gli orli dei pezzi interessati alla saldatura con gli elettrodi al fine di anticipare l’allontanamento dello zinco per sublimazione prima di effettuare l’operazione vera a propria. Per il trattamento di lamiere con spessore fino a 3mm si preferisce, invece, ricorrere alla saldatura a gas che però distrugge una zona più ampia nel rivestimento di zinco. Procedure di saldatura a resistenza trovano, infine, maggiore impiego nella giunzione di lamiera sottile zincata a caldo in modo continuo. Possono inoltre essere eseguite saldature automatiche ad arco aperto o protetto con gas. Quest’ultima procedura, detta saldatura GMA (Gas Metal Arc), impiega generalmente CO2; il metodo MIG (Metal Inert Gas) utilizza invece argon, ad esso sono tuttavia da preferire miscele costituite al 20% da CO2 e all’80% da argon, che consentono di raggiungere migliori risultati dal punto di vista estetico. Nella saldatura ad arco corto vengono prodotte numerose scintille che si attaccano all’acciaio. È opportuno quindi spruzzare le parti da saldare con appropriati spray che facilitano la rimozione dei residui mediante spazzolatura. Nelle saldature di testa o con profilo a V sarebbe opportuno au100

Progettare per la zincatura a caldo

mentare la distanza tra le parti da saldare, per agevolare l’allontanamento dei vapori ed evitare la formazione di porosità. Se si impiega il metodo ad arco, si suggerisce di aumentare leggermente la corrente di saldatura per stabilizzare l’arco influenzato dall’emissione dei vapori. Durante la saldatura dei giunti ad angolo, in particolari posizioni, le gocce possono interferire nell’arco e bloccarsi nell’ugello della pinza di saldatura, interrompendo l’alimentazione del filo. Le particelle delle gocce possono anche aderire alle superfici vicine alla saldatura e influire sul loro aspetto. La penetrazione nel giunto si riduce per il fatto che il rivestimento di zinco ai bordi del giunto interferisce nell’equilibrio energetico dell’arco elettrico, riducendo il voltaggio dell’arco e la corrente. Le cricche intercristalline nel metallo saldato, dovute alla penetrazione dello zinco, sono più frequenti nei giunti a T, di materiale con spessore superiore a 13mm, unite con saldatura ad elettrodi rivestiti, e oltre i 6.5mm per quanto riguarda la saldatura in CO2. I problemi sopra descritti possono essere eliminati o ridotti a livelli accettabili adottando le misure qui indicate: - saldare con distanza tra le superfici di giunzione di 1.5mm per saldatura in CO2 e di 2.5mm per saldatura con elettrodi rivestiti. In questo modo si riduce il numero di pori, si aumenta la penetrazione, evitando il rischio di criccatura intercristallina (penetrazione dello zinco); - saldare riducendo al minimo lo spostamento; - ondeggiare con l’elettrodo lungo il giunto in modo che più zinco possibile venga bruciato davanti al bagno di fusione. Ciò riduce il numero di pori e il rischio di criccatura intercristallina; - smussare il piatto verticale di un giunto a T in modo da ottenere una scanalatura a doppio smusso o a smusso unico. Così facendo si elimina la criccatura intercristallina e si riduce il numero di pori, indipendentemente dal fatto che i bordi del giunto siano o meno zincati. Per ridurre il rischio della criccatura intercristallina nella saldatura di giunti a T di notevole spessore, si dovrebbero scegliere elettrodi a basso contenuto di silicio. Sono, in generale, da preferirsi i sistemi che producono scorie che si solidificano più lentamente, poiché lasciano più tempo ai vapori per allontanarsi. Per acciai da costruzione e saldature che non comportano particolari esigenze, è consigliabile utilizzare, ad esempio, elettrodi di medio diametro rivestiti di rutilo o cellulosa di rutilo. Nel caso sia necessario compiere la saldatura, lo zinco deve essere eliminato per almeno 10mm su entrambi i lati. Si consiglia in tal caso di ricorrere alla bruciatura (allontanamento per evaporazione) dello 101

Capitolo 6

La bullonatura, il migliore sistema di assemblaggio

Giunti ad attrito

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zinco, poiché asportazioni meccaniche come molature e limature possono lasciare fastidiosi residui. Come è evidente, in tutte le procedure di saldatura viene rimosso localmente il rivestimento di zinco. Ripetiamo che in tutti questi casi è opportuno prevedere un adeguato sistema di ripristino della protezione, basato su vernici ricche di zinco, riporto di zinco o metallizzazione a spruzzo. Le vernici ad alto contenuto di zinco utilizzano come leganti resine epossidiche a due componenti, poliuretani oppure etilsilicati a un componente (zincante inorganico). Un inconveniente legato alla saldatura di parti zincate deriva dal fatto che l’elevata temperatura rende incandescente lo zinco, da cui si liberano vapori grigio-biancastri di ossido di zinco che influiscono negativamente sulla salute dell’operatore ed influenzano la qualità del lavoro effettuato. L’inalazione di ossido di zinco determina la cosiddetta febbre da fumi di metallo. Si tratta in ogni caso di un effetto passeggero con sintomi molto simili a quelli influenzali. Poiché non vi è rischio di accumulo dello zinco nell’organismo, non sono riportati in letteratura medica effetti di tipo permanente sulle persone interessate da questa esposizione. Se si salda all’interno di locali è buona norma (in ogni caso anche se si salda acciaio senza zincatura) prevedere estrazione dei fumi per evitare che gli operatori inalino i metalli ed i fumi della saldatura. Sono disponibili sul mercato cappe e aspiratori di diverse tipologie e cannelli a gas provvisti di un aspiratore integrato. Nelle saldature realizzate all’esterno, oltre a porre attenzione a non inalare il fumo bianco che si forma durante l’operazione, non è necessaria alcuna particolare cautela. In generale è consigliabile che i componenti zincati a caldo, destinati a costituire strutture più complesse, vengano assemblati, quando possibile, con bullonatura. In tal caso, il rivestimento non subisce danneggiamenti, come accade con la saldatura. Occorre naturalmente che i bulloni utilizzati siano protetti dalla corrosione al pari della stessa struttura di acciaio cui sono applicati. Per questo, basta che si tratti di elementi zincati a caldo. Non è conveniente usare bulloni zincati con processo elettrochimico, perché la loro protezione non è duratura. Lo spessore dello strato di zinco è, infatti, decisamente inferiore. Anche i componenti dei giunti ad attrito possono essere zincati a caldo. Inizialmente il coefficiente di attrito tra le superfici zincate è piuttosto basso, tuttavia, grazie a un fenomeno di saldatura a freddo tra le due parti a contatto, aumenta non appena comincia lo scorrimento. Nel caso quest’ultimo vada evitato, è possibile accrescere il coefficiente di attrito sottoponendo le superfici a spazzolatura metallica.

Progettare per la zincatura a caldo Fig. 6.7 Elementi di collegamento protetti con zincatura a caldo. Il processo prevede la centrifugazione per garantire l’accoppiamento meccanico vite-bullone. Occorre distinguere il bullone zincato a caldo da quello elettro-zincato. Quest’ultimo è tipicamente caratterizzato da spessori di zinco più bassi.

Al contrario della normativa statunitense che prevede la zincatura a caldo tra i pochi sistemi di protezione delle superfici a contatto, l’Eurocodice n°3 cita solamente la zincatura a spruzzo e la verniciatura con prodotti a base di zinco. Per i giunti zincati a caldo è quindi necessario compiere test che ne stabiliscano la classe in funzione dei coefficienti di attrito (μ), come esposto dalla seguente classificazione: Per assicurare la necessaria tensione di serraggio (omogeneamente in tutti i bulloni) nonché per evitare che l’attrito causi l’usura delle superfici zincate dei filetti è necessario lubrificare adeguatamente i bulloni, ad esempio, con bisolfuro di molibdeno, che si è dimostrato estremamente efficace. Tab. 6.2 Classificazione dei giunti sulla base del coefficiente di attrito.

Classe delle superfici

0.50 0.40 0.30 0.20

A B C D

Pubblicata in lingua italiana nel gennaio del 2010, la norma italiana ed internazionale UNI EN ISO 14713 parte 2, fornisce linee guida raccomandazioni per la progettazione di manufatti da zincare a caldo. I consigli attengono alle fasi preparatorie della superficie, a procedure connesse a considerazioni particolari di progetto (come nel caso di pezzi di grandi dimensioni, pezzi per cui si possono originare difetti relativi a sacche d’aria e consigli per evitarli, ecc.), alle caratteristiche di progetto e tolleranze da prevedere sia per superfici piatte che per filettature. La normativa è corredata da una serie di tavole esplicative con altrettante soluzioni per problemi di disposizione delle forature di sfiato e drenaggio, orientamento ottimale durante la zincatura, ganci e zin-

Norma ISO 14713: linee guida per la progettazione

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Capitolo 6

catura di pannelli piani, cavitĂ chiuse e zincatura esclusivamente di superfici esterne. Quindi, oltre alle linee guida sugli ambienti corrosivi (presente nella parte1), anche per gli aspetti progettuali la norma ISO 14713, con la parte 2, costituisce uno strumento indispensabile per il tecnico, designer di manufatti in acciaio destinati ad essere zincati a caldo. Ad essa fa ampiamente riferimento la norma UNI EN 1090-2 nel suggerire le predisposizioni dei manufatti in acciaio, prodotti da costruzione con funzione strutturale, alla zincatura a caldo per assicurarne la richiesta durabilitĂ . La zincatura a caldo Ă¨, infatti, un trattamento anticorrosivo fondamentale per assicurare il mantenimento nel tempo delle caratteristiche essenziali, come richiesto dalle norme armonizzate per la marcatura CE.

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Capitolo 7

Applicazioni della zincatura a caldo La zincatura a caldo in Italia ed in Europa Principali utilizzi della zincatura a caldo Campi applicativi

La zincatura a caldo ha un mercato solido in Italia. Il nostro Paese è da anni ormai tra i maggiori produttori mondiali. Nel 2008 si sono zincate in Italia 1.500.000 tonnellate di acciai su circa 6.000.000 tonnellate di produzione nel vecchio continente. Questo risultato è stato possibile grazie alla qualità e produttività degli impianti italiani. In Tab. 7.1, indichiamo la composizione segmentata della produzione in Europa nel 2013. Si riconosce la 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. Tab. 7.1 Campi di applicazione della zincatura a caldo in Europa; Segmentazione del mercato dati EGGA riferiti al 2013.

Segmenti di mercato Costruzioni Arredi stradali Utility Agricoltura Trasporti Bulloni Equipaggiamenti industriali Altro

La zincatura a caldo in Italia ed Europa

Anno 2013 (%) 45 14 9 8 7 3 8 6

Come si può vedere il mercato delle costruzioni è rappresenta la quota di produzione più rilevante. Da sola essa rappresenta il 45% del totale. La gamma di applicazioni della zincatura a caldo nell’edilizia sia pubblica che privata è pressoché infinita. Si possono zincare tutti i componenti strutturali, dalle travi in acciaio di tutti i tipi al tondino per il cemento armato. In questo modo la zincatura può essere utilizzata nella costruzione di tutti gli edifici residenziali e non, dei ponti, delle strutture degli aeroporti, stazioni ferroviarie, metropolitane, parcheggi, stadi e strutture sportive, alberghi etc. Oltre alle applicazioni summenzionate la zincatura si effettua anche su gli articoli di finitura quali

Le costruzioni

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Capitolo 7

balconi, ringhiere, balaustre in acciaio, cancelli, persiane di ferro, scale esterne ed uscite antincendio, grate, grondaie, facciate continue, l’acciaio ornamentale utilizzato per la realizzazione di certe recinzioni o di gazebo e coperture di terrazzi, pergolati ed articoli di pregio estetico come certe lanterne, tavoli e sedie, panchine… È praticamente impossibile esaurire la serie delle applicazioni nel campo delle costruzioni e dei relativi arredi in cui la zincatura offre la sua preziosa protezione. Anche nel settore dell’edilizia industriale, dove si opta per la leggerezza e versatilità delle strutture in acciaio, la protezione è molto spesso affidata alla zincatura, tranne in quei casi in cui vi è elevata aggressività per la presenza di inquinanti in concentrazioni notevoli, in particolare gli acidi. In genere, si riescono ad affrontare ambienti aggressivi con l’applicazione del sistema duplex, zincatura e verniciatura, con un’opportuna scelta delle qualità chimiche della vernice in relazione alla tipologia delle atmosfere. Vi sono tuttavia ambienti in cui la zincatura non è consigliabile, come ad esempio con strutture espoFig. 7.1 La zincatura a caldo può essere impiegata con successo in una ampia gamma di applicazioni differenti. Brochure Galvazinc

ste al rischio di condense acide o di contatto con sostanze fortemente alcaline. Del resto, in quei casi, l’uso stesso dell’acciaio al carbonio risulta altamente rischioso. Il settore delle costruzioni è insieme il principale mercato della zincatura ma anche il campo in cui ci sono le maggiori possibilità di espansione. Infatti, ogni anno, solo una piccola percentuale delle strutture e 106

Applicazioni della zincatura a caldo

dei manufatti destinati alle costruzioni che potrebbero essere efficacemente protette dalla corrosione con la zincatura, viene effettivamente zincato. Una ricerca condotta nei primi anni 2000 in Italia ha valutato intorno all’8% l’acciaio zincabile che giunge realmente alla zincatura. Il resto viene protetto con metodi alternativi che purtroppo non garantiscono le stesse performance. Ciò è essenzialmente dovuto a due motivi fondamentali, scarsa conoscenza delle caratteristiche del trattamento, che richiedono conoscenze specifiche nel funzionamento dei sistemi anticorrosivi e una cattiva valutazione economica. Il capitolo che segue è volto a sfatare certe convinzioni infondate nella valutazione della convenienza economica della zincatura. Applicazione particolare della zincatura nel campo delle costruzioni è la protezione delle armature per il cemento armato. L’elevata alcalinità del cemento presente nel calcestruzzo porta l’acciaio a formare una sottile pellicola di ossido, passivandosi e, quindi, impedendo alla ruggine di attaccarlo. Questo accade per un calcestruzzo giovane, che conserva per qualche anno dopo il getto le sue caratteristiche. Si verificano, tuttavia, frequenti condizioni in cui questa protezione contro la corrosione perde nel tempo efficacia o non si può instaurare in misura adeguata (vedi anche capitolo 3). È il caso, ad esempio, della presenza di difetti nel cemento, quali fessure, lacerazioni, nidi di ghiaia, rivestimenti di cemento eccessiva-

La zincatura del tondino

Fig. 7.2 Failure delle armature non protette nel calcestruzzo carbonatato o danneggiato

mente ridotti o mancanti, della carbonatazione del cemento o dell’effetto di cloruri per spargimento di sale o in presenza di atmosfere ma107

Capitolo 7

rine. Accanto a tali situazioni, la semplice presenza in aria dell’anodride carbonica accanto agli inquinanti usualmente presenti, contribuisce a provocare danni alle strutture di cemento armato. Il risanamento dei danneggiamenti subiti si rivela spesso estremamente difficile e dispendioso e talvolta tecnicamente imperfetto. Uno dei più efficaci metodi di protezione delle armature contro la corrosione consiste nell’applicare rivestimenti superficiali. Come per le altre strutture in acciaio le protezioni utilizzate possono essere metalliche e non metalliche. I sistemi non metallici, come per esempio quelli di tipo epossidico, possono presentare alcuni svantaggi. Lo strato protettivo può danneggiarsi facilmente durante le fasi di spedizione, trasporto, piegatura e assemblaggio delle gabbie, deposito in cantiere e getto del calcestruzzo. Inoltre, il legame tra la superficie del rivestimento e il calcestruzzo è piuttosto debole. Per quasta mancanza di aderenza, questi rivestimenti sono stati addirittura proibiti in certi stati USA. Fig. 7.3 Semplice confronto visivo tra a) rivestimento zincato; b) rivestimento epossidico.

Tra i rivestimenti metallici disponibili, la zincatura a caldo offre i maggiori vantaggi sotto il profilo sia tecnico sia economico. Il rivestimento che si ottiene, come descritto, realizza con acciaio un’unione inscindibile che sopporta, entro certi limiti, anche le deformazioni senza subire danneggiamenti. Dei fenomeni per cui avviene la corrosione delle strutture di cemento armato e dell’efficacia della protezione della zincatura abbiamo parlato diffusamente nel capitolo 3. La zincatura a caldo per le strutture in cemento armato è stata ampiamente sperimentata in molti paesi, purtroppo in Italia persistono ancora alcuni preconcetti riguardo al suo impiego. In effetti, perfino in condizioni critiche (strutture delicate sottoposte ad alti livelli corrosivi) la zincatura a caldo ha dato prova della propria validità. È stata infatti impiegata nella realizzazione di strutture portuali con ottimi risultati. Studi e sperimentazioni eseguiti in differenti parti del mondo in maniera coordinata tra centri di ricerca specifici, università, operatori del settore e utenti hanno incentivato l’impiego di tale metodologia protettiva. 108

Applicazioni della zincatura a caldo

Nel caso in cui il rivestimento sia danneggiato da piegature con angoli troppo stretti, tagli, saldature o, comunque, si presentino zone scoperte, lo strato di zinco garantisce, come è stato più volte ricordato, una protezione sacrificale. La coesività del legame tra calcestruzzo e armatura rimane preservata (anzi viene migliorata) e diminuiscono enormemente i rischi di sfaldamento del calcestruzzo anche con bassi sovraspessori. Inoltre, si evita la fastidiosa colorazione rossastra tipica dei calcestruzzi armati con rinforzi non protetti, aumentano le capacità di tenuta anche in ambienti aggressivi e eventuali errori di composizione degli impasti sono meglio tollerati. È inutile sottolineare che i tondini di acciaio per cemento armato dovrebbero essere zincati in conformità alle normative generali sulla zincatura a caldo UNI EN ISO 1461, oppure norme internazionali come la ISO 14657. Analizzando correttamente costi e rischi delle armature non protette diventa evidente che la spesa aggiuntiva stanziata per la zincatura è senz’altro sostenibile, dal momento che è della stessa entità del costo dell’acciaio (tondino non lavorato) che compone l’armatura. L’importo è, dunque, modesto rispetto al valore totale della costruzione. In un certo senso, può essere considerata alla stregua di un premio assicurativo molto conveniente, liquidabile in un’unica rata. Nel momento in cui viene fatto un bilancio tra i costi e le conseguenze derivanti dai danni provocati dalla corrosione, nel contesto di un’intera realizzazione in cemento armato, l’investimento richiesto dalla zincatura appare pienamente giustificato. Nelle aziende agricole gli strumenti e le apparecchiature tecniche sono prevalentemente costituite di acciaio: recinzioni, reti, portoni, atri, strutture delle stalle, costruzioni per allevamenti, utensili, contenitori e così via. I vecchi edifici realizzati in muratura vengono, infatti, sempre più spesso sostituiti da moderne strutture in acciaio di grandi dimensioni che permettono di utilizzare lo spazio a disposizione in maniera più razionale. Nel settore delle colture intensive, da decenni vengono utilizzate serre in acciaio zincato poiché consentono di avere edifici di grandi luci senza necessità di sostegni intermedi, i cui spazi interni sono totalmente sfruttabili per l’uso di attrezzature da coltivazione. L’acciaio zincato, oltre a soddisfare tali esigenze, resiste alle condizioni corrosive generate da umidità, temperatura e sostanze chimiche, nonché dalle naturali sollecitazioni dell’atmosfera esterna. Per la conservazione dei prodotti le attrezzature più adatte si sono rivelati i silos in acciaio, cilindrici e a sezione quadrata, poiché tale materiale permette di realizzare strutture di basso peso, dotate di elevate possibilità di carico, a costi contenuti.

Applicazioni in agricoltura

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Capitolo 7 Fig. 7.4 Interno di una moderna casa vinicola. Immagine concessa a Fondazione Promozione Acciaio (foto Luca Campigotto/ Studio Cecchetto)

I macchinari agricoli richiedono gli investimenti più ingenti, ma sono indispensabili per svolgere la attività agricole. Esempi tipici sono rappresentati da trattori, rimorchi, spargitori di concime, miscelatori per liquidi e solidi, attrezzi per lavorare il terreno, trebbiatrici, raccoglitori d’acqua piovana e così via. Parti di questi macchinari possono essere zincati. Parimenti nelle aziende agricole e nelle stalle esistono distributori automatici di mangime, macchine tritapaglia, mungitrici ecc. con un diffuso uso della zincatura. L’atmosfera sostanzialmente poco inquinata delle aree rurali genera sicuramente ridotti rischi di corrosione. Tuttavia, esistono numerose sostanze solide, liquide e gassose ad elevata corrosività. All’interno delle stalle, per esempio, si creano ambienti altamente corrosivi a causa della presenza di letame, orina e residui vari, cui si accompagnano elevate temperature, umidità ed esalazioni ammoniacali prodotte dagli stessi escrementi animali. Possono, inoltre, verificarsi asportazioni meccaniche provocate dallo strofinio o dal calpestio degli animali, che però non aggravano il problema della corrosione. Inoltre, le attrezzature sono frequentemente coperte da sporcizia e depositi, che in presenza di umidità possono accrescere il carico corrosivo, soprattutto nei punti di difficile accesso per le operazioni di pulizia. In tali condizioni è evidente che può contrastare l’attacco corrosivo solo l’intervento di un adeguato sistema di protezione. Esso deve essere tenace, durevole, resistente all’usura e, naturalmente, economicamente vantaggioso. Nelle stalle, nel caso in cui si ricorra alla protezione mediante zincatura a caldo, l’attacco più pericoloso per lo strato di zinco riguarda le zone in prossimità del suolo e, soprattutto, i punti in cui soglie e stipiti si in110

Applicazioni della zincatura a caldo

seriscono nel cemento della pavimentazione. Le elevate percentuali di umidità e la conseguente formazione di condensa impediscono la formazione dello strato protettivo superiore tipico della zincatura. Una semplice misura preventiva consiste nell’applicare sulle strutture, per un’altezza di 25 – 30cm dal suolo, uno strato di vernice bituminosa prima di annegarle nella gettata di calcestruzzo. Di facile attuazione, tale sistema garantisce una lunga vita alla struttura zincata. Vasto campo di applicazione è quello costituito dalle strutture zincate nei servizi, nell’arredo urbano e sulle strade. I grandi gestori del trasporto e produzione di energia elettrica, della telefonia, delle linee ferroviarie hanno da tempo ormai quasi immemorabile scelto la zincatura come principale opzione per la protezione delle strutture in atmosfera. In questi importanti settori i controlli sulla qualità delle realizzazioni sono particolarmente severi, per l’importanza della funzione e per esigenze di sicurezza. Le società elettriche hanno sviluppato al loro interno una struttura di collaudo dei sistemi di protezione con specifiche e prove molto severe. Per queste applicazioni, non mancano evidenze circa la validità della zincatura a caldo. Con uno studio condotto nel 2001 dall’Università di Ancona su piloni di bassa tensione in opera nella zona di Ancona e Parma per circa 30 anni, i ricercatori hanno rilevato spessori residui dello strato di zincatura ancora in linea con le prescrizioni degli odierni capitolati di appalto. Ciò significa che la protezione, anche per lo spessore, supererebbe ancora oggi i test per il collaudo. Anche la rete delle strade ed autostrade è disseminata di materiale zincato che consiste in barriere di sicurezza, guardrail e new jersey metallici, ma anche recinzioni fonoassormenti, griglie di delimitazione e pali per illuminazione. Mentre nelle strade e piazze di città l’impiego di acciaio zincato coinvolge oltre a tutte le recinzioni, pali e griglie, anche i cassonetti e cestini per i rifiuti, gli equipaggiamenti per i giar-

Servizi, strade e arredo urbano

Fig. 7.5 Esempio di pilone in servizio da circa 30 anni. Il trasporto di energia attravarso linee aeree è ancora una delle maggiori applicazioni della zincatura a caldo.

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Capitolo 7

dini, chioschi, cancelli, supporti per segnali stradali e tutto ciò che è fatto di acciaio e ferro. Nell’ultimo periodo, si sta assistendo alla crescita di un mercato interessante che è costituito dalla protezione dei mezzi di trasporto: zincatura di chassis e carrozzerie, parti di barche e vagoni ferroviari. Importanti case automobilistiche, soprattutto in Francia, hanno deciso di sfruttare le proprietà della zincatura riuscendo a garantire che le carrozzerie siano esenti da corrosione per lunghi periodi. Per queste applicazioni si sta svilupando la ricerca di leghe di zinco che consentano un più agevole controllo della crescita ed uniformità dello strato. Infatti, soprattutto per la componentistica dei mezzi di trasporto, le tolleranze da rispettare sono molto più stringenti. Leghe ad alto tenore di alluminio (fino al 5%) sono attualmente in fase di sperimentazione per consentire l’utilizzo della zincatura a caldo anche per rivestimenti che non possono superare la dimensione di qualche micron. In questi casi, gli spessori elevati che costituiscono il pregio della zincatura a caldo per altre applicazioni, non possono essere ammessi. Fig. 7.6 La zincatura a caldo trova applicazioni particolari nella protezione di telai automobilistici. Anche la carrozzeria delle autovetture e gli elementi portanti di veicoli per il trasporto di beni su strada possono essere efficacemente zincati a caldo.

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Capitolo 8

Convenienza economica della zincatura a caldo Considerazioni generali I fattori determinanti nella scelta della protezione dalla corrosione: costo iniziale e costo finale

Nel mondo d’oggi il risparmio di materie prime e di energia è una priorità assoluta. La richiesta in crescita costante di carburanti e metalli ne ha determinato un esponenziale incremento del prezzo. Questo fenomeno è acuito dall’impetuoso incremento della domanda da parte di Paesi in forte crescita industriale, come Cina e India. La conseguente logica del risparmio delle risorse impone che le opere realizzate siano preservate efficacemente dai rischi di deterioramento. Ciò significa che è necessario prevedere e calcolare la spesa occorrente per la protezione dalla corrosione come parte fondamentale degli investimenti anche nel campo delle costruzioni e dei manufatti in acciaio. Dal punto di vista economico, la questione non è di secondaria importanza. Già negli anni 80, uno studio realizzato in Italia poneva intorno a 40.000mld di lire dell’epoca, una stima dei costi complessivi imputabili ai fenomeni corrosivi. Da calcoli effettuati qualche decennio fa (anni ‘80) negli Stati Uniti ed in Europa, il costo annuale della corrosione si poteva valutare nell’ordine del 4% del PIL. Non è irragionevole pensare che l’incidenza del costo della corrosione sia aumentata nell’ultimo periodo per gli effetti che la congiuntura economica di questi anni ha avuto sul costo di materiali ed energia, risorse necessarie per il rifacimento parziale o totale delle opere compromesse e per la riparazione dei sistemi protettivi con le manutenzioni. Qualsiasi manufatto in acciaio va protetto dalla corrosione comunque. L’efficienza del sistema protettivo in termini economici si misura fondamentalmente in termini di qualità e durata. È fuori di dubbio che optare per un metodo di basso costo iniziale, come accade per un’antiruggine di poco prezzo, ma di scarsa efficacia e durata insufficiente, mette a repentaglio l’integrità dell’opera e ne pregiudica la fruibilità continuativa nel tempo. I fermi operativi dovrebbero essere considerati nel bilancio economico dal momento che molte volte costituiscono il danno peggiore per i mancati introiti, come è particolarmente evidente nel caso delle strutture industriali. Inoltre, l’utilizzo di tecniche di protezione non durevoli, ma solo apparentemente più con-

Considerazioni generali

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Capitolo 8

I fattori discriminanti nella scelta della protezione dalla corrosione

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venienti, costringe, dopo un certo periodo di tempo, a spese ingenti di reintegrazione della protezione in situ con le difficoltà e l’aggravio economico che questo comporta. Un buon trattamento anticorrosivo deve, invece, godere di una serie di caratteristiche fondamentali, da cui non si può assolutamente prescindere per conferire al manufatto metallico la protezione più adatta: - durata; - affidabilità; - facilità di applicazione; - facilità di ispezione; - facilità di riparazione; - tempo di completamento di breve durata. Per effettuare una scelta coerente quanto ai costi, occorre considerare non solo il costo iniziale della protezione ma anche i costi di eventuali manutenzioni richieste durante la vita complessiva del manufatto. Le prestazioni ottenute dai diversi materiali sono, ovviamente, discriminanti fondamentali per allontanare nel tempo o evitare del tutto gli interventi summenzionati con i relativi costi. Le protezioni di natura organica polimerica in genere, le verniciature, possono talvolta presentare costi iniziali inferiori, ma sono caratterizzate da un’affidabilità variabile e necessitano di continui controlli e frequenti manutenzioni. D’altra parte, esistono sul mercato dei prodotti organici di qualità che, seppur allontanando nel tempo la necessità di manutenzioni (durate dell’ordine del decennio), comportano costi iniziali superiori rispetto alla zincatura. Infatti, negli ultimi decenni si sta assistendo ad un notevole incremento dei costi delle materie prime da cui vengono preparate le vernici, in larga parte derivati del petrolio. Inoltre, la loro composizione chimica è in continua evoluzione per rendere i prodotti conformi alle sempre più stringenti prescrizioni legislative relative ai VOC, composti organici volatili costituenti dei solventi. In ogni caso, le vernici presentano una maggiore esposizione a possibili danneggiamenti meccanici e progressivo decadimento delle proprietà anche dovuto semplicemente all’esposizione ai raggi solari ed ai cambiamenti di temperatura. Possono in breve tempo, richiedere interventi di manutenzione e spese rilevanti spesso impreviste perché imprevedibili (come nel caso di urti accidentali, abrasioni e difetti applicativi occulti). Le fasi di preparazione superficiale del manufatto costituiscono un passaggio fondamentale per la futura performance della protezione offerta anche dalla migliore delle vernici. Errori applicativi in questa fase possono inficiarne la durata. Va considerato il fatto che nella maggior parte dei casi l’applicazione della vernice è effettuata a manufatto

Convenienza economica della zincatura a caldo

già posto in opera, quindi, senza la possibilità di realizzare la preparazione nel contesto di un processo robusto di tipo industriale. Ciò aggiunge un altro determinante fattore di rischio all’investimento dell’anticorrosione. Alternativa alle verniciature protettive è la zincatura, la cui adesione alla superficie dell’acciaio e del ferro è già intrinsecamente garantita dallo sviluppo dello strato di zinco. La durata, e quindi il valore, della zincatura è proporzionale direttamente allo spessore rilevato e, nella pratica corrente, si verifica sempre o quasi, che gli spessori applicati siano superiori a quanto previsto dalle normative di riferimento. Data la resistenza alla corrosione offerta dallo zinco, di cui abbiamo diffusamente parlato nei capitoli dedicati all’argomento, possiamo essere certi della lunga durata della protezione, in grado di permanere per decenni in tutti gli usuali ambienti di utilizzo. Il costo di produzione di un rivestimento di zincatura dipende dallo spessore dell’acciaio di cui è costituito il manufatto da proteggere. Di conseguenza il confronto con altri sistemi protettivi può divenire complesso in quei casi in cui il peso per lunghezza di trave del manufatto aumenta. Solo in alcuni casi particolari la zincatura a caldo risulta inizialmente più costosa di alcuni sistemi di verniciatura. Ciò ovviamente ha delle ripercussioni importanti per le valutazioni economiche e suggerisce che il confronto si effettui considerando i criteri del Life Cycle Costing. Ci sono diversi metodi per calcolare i vantaggi e gli svantaggi connessi con l’adozione di un sistema di protezione dalla corrosione nel lungo periodo. Il metodo più comunemente usato è il calcolo del Net Present Value (NPV) di ognuno dei sistemi a confronto. Questo calcolo tiene nel giusto conto i costi iniziali, i costi di ritocco, i costi di manutenzione, i costi di riverniciatura, l’inflazione e i costi indiretti, durante il tempo di permanenza in efficienza delle strutture da proteggere. Il Net Present Value ricalca il metodo adottato dalle imprese per valutare la bontà di un investimento.

Costi iniziali attualizzati e costi finali

NPV = NFV/(1+R)n dove NFV = (costo corrente)*(1+I)n; NPV, net present value, valore attuale netto; NFV, net future value, valore futuro netto; R, tasso di interesse; n, tempo di vita della struttura; I, tasso di inflazione. Negli Stati Uniti sono stati condotti degli studi basati sui dati prodotti 115

Capitolo 8

dall’Associazione Americana degli Zincatori e l’Associazione Nazionale (Americana) degli Ingegneri Corrosionisti, che hanno effettuato una comparazione i cui risultati sono riassumibili in Tab. 8.1. I prezzi, pur abbastanza recenti, si riferiscono a qualche anno fa, quindi non sono indicativi dei valori attuali di mercato, ma hanno scopo meramente esemplificativo. I valori espressi in Tab. 8.1 esaltano l’efficacia ed il rapporto costobeneficio offerti dalla zincatura, che risulta conveniente anche in casi in cui il prezzo iniziale di altri metodi è notevolmente più basso; e ciò è causato dal fatto che la zincatura non richiede per decenni interventi di manutenzione. Il risultato è favorito anche dal fatto che la zincatura fornisce adeguata copertura all’interno dei profili tubolari cavi e nelle posizioni difficili da raggiungere. Inoltre, assicura spessore uniforme anche sui bordi e spigoli ed è resistente alle abrasioni. Tab. 8.1 Analisi comparativa dei costi della protezione tra zincatura a caldo e quattro diversi coating polimerici. Confronto dei costi iniziali e dei costi attualizzati con il metodo del Life Cycle Cost, per una durata di 30 anni.

Sistema di protezione tempo di vita: 30 anni

Cifre espresse in Dollari USA pubblicate dall’AGA sul sito web www.galvanizeit.org

Costi iniziali Life-Cycle Cost ($/sq. Ft) ($/sq. Ft)

Zincatura a caldo

$ 1.67

Primer di resina acrilica all’acqua/topcoat di resina acrilica all’acqua

$ 0.87

$ 2.72

Primer di resina acrilica/ Topcoat di resina acrilica

$ 1.33

$ 4.20

Primer inorganico a base di zinco/resina epossidica/ resina poliuretanica

$ 2.28

$ 5.34

Primer di lattice/ rivestimento intermedio di lattice/ topcoat di lattice

$ 1.71

$ 6.42

Per schematizzare quanto affermato, consideriamo di esporre una struttura protetta ad un’atmosfera corrosiva di media aggressività: Si può ipotizzare, per quanto affermato nel capitolo 3, una durata in servizio della zincatura di circa 20-25 anni per rivestimenti pari a 120µm su carpenteria media (5mm di spessore o 55m2/ton). Dopo questo periodo, fissiamo convenzionalmente le condizioni per la prima manutenzione per uno spessore residuo dello strato di zincatura di 30µm. Si noti che, in tal caso, la zincatura esplica ancora la sua capacità protettiva ed il manufatto è ancora perfettamente integro. Nel confronto con una verniciatura tipica (una mano di fondo e due di topcoat di circa 80µm) occorre tener presente che la durata non supera gli 8 – 10 anni prima che il 5% della superficie si copra di ruggine e venga richiesta la prima manutenzione (secondo la norma EN ISO 12944). 116

Convenienza economica della zincatura a caldo

Come terza alternativa, immaginiamo di applicare un sistema duplex, per cui possiamo ipotizzare 120µm di strato di zincatura e 160µm di verniciatura in due mani. I riferimenti bibliografici lasciano prevedere che, se si utilizzano materiali di qualità, si possono agevolmente superare i 75 anni senza bisogno di manutenzioni del sistema duplex. 60000

50000

Zinc a tura Zinc a tura

40000

V e rnic ia tura V e rnic ia tura

Costi

Fig. 8.1 Andamento tipico delle curve del costo attualizzato per differenti trattamenti di protezione dalla corrosione.

Duple x Duple x

30000

10000

0 Ci

costo, €

20000

Durata della protezione in anni a nni d i e s e r c i z i o

Nelle condizioni summenzionate, il diagramma di confronto costo\durata tra le tre scelte assume l’andamento in fig. 8.1. Si nota che nel lungo termine anche il sistema inizialmente più costoso può diventare vantaggioso dal punto di vista economico, per cui la scelta del sistema anticorrosivo non può prescindere caso per caso da un analisi dei costi attualizzati per la durata desiderata. Come detto in precedenza, in genere, non è vero che la zincatura a caldo ha costi iniziali più alti rispetto alla verniciatura. Su questo aspetto, può essere importante mettere in guardia gli utilizzatori da un pregiudizio fuorviante: è opinione comune che un sistema con elevate performance debba essere costoso, o meglio, più costoso degli altri. La zincatura a caldo, pur garantendo alte prestazioni, ha un costo più che competitivo con le vernici di qualità, le uniche con le quali ha senso effettuare un confronto, rispetto alle quali è spesso di gran lunga più economico già all’epoca della sua applicazione. Il costo iniziale del trattamento di zincatura confrontato con altri sistemi, è più basso in genere di un rivestimento organico a tre mani effettuato con metodi manuali (pennello o spruzzo), come spesso accade nei cantieri, in caso di verniciatura dopo posa in opera. In tali condizioni, a fare la differenza è l’impiego della manodopera, che ha maggiore incidenza nel caso della verniciatura. 117

Capitolo 9

Qualità e normazione per la zincatura a caldo I sistemi di gestione della qualità: il sistema ISO 9000 Cenni storici sulla normazione per la zincatura a caldo La normativa UNI EN ISO 1461:2009 La normativa UNI EN ISO 14713:2010

Le esigenze del mercato odierno, per cui la clientela chiede che i prodotti offerti rispettino elevati standard prestazionali, assieme agli effetti della concorrenza sempre più pressante tra le aziende stesse, hanno determinato anche nel settore della zincatura a caldo la necessità di evolversi, puntando sul controllo della qualità come elemento caratterizzante la propria strategia commerciale. Ciò ha permesso di aumentare redditività e competitività a coloro che hanno adottato schemi produttivi improntati al miglioramento continuo dei risultati. Oggi la quasi totalità degli zincatori a caldo aderenti all’Associazione Italiana Zincatura soddisfano elevati standard qualitativi adottando il sistema di gestione previsto dalla normativa internazionale ed italiana UNI EN ISO 9001. Operare secondo tale sistema di gestione della qualità significa prestare attenzione a tutte le fasi del processo produttivo e alla rispondenza del risultato finale alla regola dell’arte. Ciò avviene nell’ottica del miglioramento continuo da ricercare nell’eliminazione progressiva e sistematica di ogni causa di non conformità. La presenza di un ente di certificazione garantisce che le procedure vengano eseguite con scrupolo e che si consegua effettivamente l’effetto voluto, il che deve corrispondere alla soddisfazione totale del cliente della zincheria. In questa ottica, la certificazione di qualità, ovvero l’implementazione del sistema di gestione della produzione, non comporta per l’azienda di zincatura la possibilità di fregiarsi di un mero marchio statico, sulla carta intestata, ma è testimonianza di un impegno globale ed a tempo indeterminato. È facile per il cliente di zincatura trovare nella propria area geografica impianti attenti alla gestione della qualità e certificati da enti indipendenti, accreditati e preposti alla certificazione della conformità alle previsioni normative. Nel settore della zincatura a caldo è possibile ottenere rivestimenti rispondenti alle norme previste attraverso diverse tecniche, che possono essere differenti per ogni impianto. Le singole procedure e caratteristiche dovranno essere riportate nel manuale dell’azienda.

I sistemi di gestione della qualità: il sistema ISO 9000

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Capitolo 9

Cenni storici

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Complementi naturali del sistema di gestione della qualità sono i sistemi di gestione ambientale ISO 14000 ed EMAS, che in quest’ultimo periodo vanno diffondendosi con dinamismo tra le aziende di zincatura e determinano benefici effetti nella riduzione dei carichi ambientali. Ma di questo parleremo diffusamente in uno dei prossimi capitoli. Dal 1966 fino alla fine degli anni ‘80, la regola dell’arte nel campo della zincatura a caldo era dettata dalla norma UNI 5744\66. I primi passi verso la moderna normativa furono mossi alla fine degli anni ‘70, quando si cominciò la revisione delle esistenti specifiche internazionali, denominate ISO 1461. Nascevano in quel periodo esigenze che, di fatto, rendevano inadeguate le normative in vigore. Lo sviluppo vissuto dal settore aveva mutato le esigenze di zincatori e utilizzatori, gli spessori minimi previsti non corrispondevano a quanto ottenuto praticamente. Negli standard molti punti apparivano ambigui, altri addirittura mancanti delle informazioni necessarie ad ottenere un rivestimento rispondente alle necessità ed alla volontà degli utilizzatori. Il processo di revisione della norma ISO1461 iniziò nel 1978 e comportò una lunga discussione per la messa a punto di una normativa che doveva cambiare radicalmente. Si trattò dello sviluppo di una ottica tecnica completamente nuova che si sviluppò nell’ambito di due decenni. Di conseguenza, la norma italiana UNI 5744/66, utilizzata in attesa del regolamento internazionale, fu più volte reiterata, finché nel 1988 si decise di sottoporla a revisione per colmare la mancanza normativa almeno a livello nazionale. La pubblicazione della nuova versione della UNI 5744 fu comunque sospesa, poiché il Comitato Normativo Europeo (CEN) aveva nel frattempo avviato la procedura per l’elaborazione di una normativa a livello europeo (si trattava appunto della EN ISO 1461). In attesa della presentazione del nuovo standard europeo, per cui la discussione si sarebbe protratta per tutto il decennio degli anni ’90, si decise di stampare una specifica sotto forma di progetto con la sigla: pr.E.14.07.000.0, di fatto lo standard seguito fino al 1999. Infine, grazie all’impegno congiunto di ISO e CEN, integrati i lavori sviluppati separatamente dai rispettivi comitati tecnici, si ottenne la pubblicazione di un documento unitario, che comprendeva le specifiche relative alla zincatura a caldo riconosciute da entrambi gli organismi di normazione. La norma, pubblicata anche Italia dall’UNI – Ente di Unificazione Nazionale nel settembre 1999 e indicata dalla sigla UNI EN ISO 1461, ha costituito fino al luglio 2009, data di pubblicazione della sua ultima revisione che l’ha sostituita, il riferimento unitario per tutti i Paesi mem-

Qualità e normazione per la zincatura a caldo

bri di ISO e CEN per l’applicazione dei rivestimenti zincati sui manufatti di acciaio. Ad essa, nel 2001, si è affiancata la UNI EN ISO 14713, dal titolo: "Rivestimenti metallici per la protezione del ferro e dell’acciaio nelle strutture". Quest’ultima norma aveva lo status di linea guida e suggeriva quali soluzioni adottare nella scelta del rivestimento metallico per fusione tra zincatura a bagno e metallizzazione termica a spruzzo con zinco o allumino. La norma UNI EN ISO 14713:2001, pur non essendo specifica per la zincatura a caldo, forniva un manuale informativo che, oltre ad indicare la durata dei rivestimenti protettivi in funzione dei diversi gradi di aggressività ambientale, comprendeva suggerimenti per la progettazione e la realizzazione di particolari costruttivi perché si adattassero nel modo migliore al rivestimento prescelto tra zincatura ed alluminiatura. Soggetta a revisione, è stata sostituita nel gennaio 2010 da una nuova versione. Le due norme internazionali EN ISO 1461:1999 ed EN ISO 14713:2001 hanno rappresentato la migliore risposta alla trasformazione del mercato verso una dimensione sempre più globale, assieme all’esigenza di unificazione delle specifiche. In tal modo la conformità delle forniture alla normativa, è stata garantita con uniformità in qualsiasi Paese Europeo ed in tutti i Paesi aderenti all’ISO e l’utente aveva la medesima sicurezza di un prodotto certificato e rispondente alle prestazioni di servizio richieste. Queste condizioni sono ancora rispettate con continuità mediante l’applicazione delle revisioni delle due norme ora in corso di validità. Per rispondere ai continui progressi tecnici e all’evoluzione del mercato, le due norme UNI EN ISO 1461 e UNI ENI ISO 14713 sono state poste in revisione dagli organismi internazionali CEN ed ISO nel 2004. Da questo processo è scaturita la pubblicazione delle versioni UNI EN ISO 1461:2009 e UNI EN ISO 14713:2010 parte 1 e 2. Con una continuità perfetta tra le normative, per ottenere manufatti zincati in conformità alle normative esistenti, è sufficiente indicare ancora nell’ordinazione la dicitura "zincatura conforme a EN ISO 1461" con questo intendendo il riferimento alla UNI ENI ISO 1461:2009. Come in passato, ulteriori requisiti devono essere precedentemente valutati in accordo con lo zincatore che dovrà eseguire il lavoro. La norma UNI EN ISO 1461:2009 si apre con la definizione di zincatura a caldo che viene indicata come “la formazione di un rivestimento di zinco e/o leghe di zinco e ferro su prodotti di ferro e acciaio per immersione di acciaio o di ghisa, in una fusione di zinco dopo opportuno trattamento”. Nella norma, in corrispondenza con la versione del 1999, vengono definiti gli spessori di rivestimento minimi previsti, riportati in forma ta-

La revisione delle norme : UNI EN ISO 1461 :2009 e UNI EN ISO 14713 :2010 parte 1 e 2.

La norma UNI EN ISO 1461:2009

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Capitolo 9

bellare, in funzione dei differenti spessori del manufatto di acciaio zincato, per diversi tipi di pezzi trattati. Vengono parimenti indicati i metodi di prova per le verifiche di tali spessori ed la procedura di campionatura relativa. Normalmente tali misurazioni vengono effettuate mediante un misuratore di flusso magnetico. Questo metodo ha il vantaggio di essere di facile applicazione e di non essere distruttivo. In casi in cui si vuole procedere ad approfondimenti, si fa ricorso a metodi chimici che calcolano il peso del rivestimento depositato. La norma stabilisce che si consideri attendibile il solo metodo UNI EN ISO 1460, che è molto accurato ma comporta la dissoluzione di un campione di strato. Poiché il rivestimento ottenuto per zincatura a caldo non può essere uniforme in assoluto tra una zona e l’altra della superficie, la norma stabilisce modalità di rilevamento degli spessori che esprimono un valore effettivamente rappresentativo dello spessore medio. La norma indica, poi, il numero minimo di campioni su cui è necessario compiere la verifica e il numero delle singole zone da stimare in base alle dimensioni complessive dell’articolo sotto esame. In maniera del tutto analoga, viene definito il numero di manufatti su cui ispezionare e misurare lo spessore del rivestimento, in relazione alle dimensioni del lotto sottoposto a zincatura a caldo. La procedura di campionamento è stata resa più semplice, rispetto alla versione precedente, mediante l’adozione di tabelle intuitive. Questo si rivela particolarmente importante per serie comprendenti piccoli pezzi, quali bulloni, dadi, ganci ecc. Inoltre, vengono stabiliti l’aspetto e le caratteristiche finali che la zincatura deve possedere: ovviamente, sul rivestimento devono essere assenti bolle, punte, aree scoperte, eccessiva ruvidità, residui di flussante; eventuali presenze di ceneri o gocce di zinco, che dovranno necessariamente essere contenute per quanto le difficoltà di lavorazione lo permettano, devono trovarsi in posizioni tali da non interferire con l’efficace utilizzo del manufatto. Piccole rugosità superficiali, piccoli noduli di zinco vanno di norma tollerati. Eventuali parti taglienti che possono costituire un rischio vanno rimosse. La normativa fissa chiaramente il concetto di superficie significativa per la quale il rivestimento è essenziale per l’aspetto e la funzionalità, e ricorda che la zincatura a caldo ha come scopo fondamentale la protezione dalla corrosione. Di conseguenza, particolari gradi di finitura superficiale vanno concordati preventivamente con lo zincatore. Come già segnalato, alcune lievi anomalie riscontrate nei rivestimenti e da non considerare come difettosità, sono dovute a particolari condizioni superficiali e/o “sottopelle” dell’acciaio. Lo zincatore, malgrado tutta la sua perizia e l’attenzione posta nelle varie fasi della lavora122

Qualità e normazione per la zincatura a caldo

zione, non è in grado di prevedere e prevenire simili inconvenienti. Le normative, anche le più moderne, non possono entrare in tali dettagli che coinvolgerebbero tecnologie e tecniche di lavorazioni precedenti e, quindi, estranee alla zincatura. Dovrebbe essere cura dell’utilizzatore-costruttore accertarsi che i prodotti siderurgici di partenza per la realizzazione di manufatti che devono essere protetti con zincatura a caldo siano di ottima qualità e privi di difetti superficiali occulti che si evidenziano con la zincatura. Per consentire l’ottenimento di un prodotto soddisfacente il committente dovrebbe fornire delle informazioni aggiuntive per la composizione e qualsiasi proprietà dell’acciaio che possa influire con la zincatura, identificare le superfici significative ed in genere indicare il livello di finitura desiderato su aree particolari del manufatto (per esigenze di accoppiamento o di incastro con altri particolari, per esempio, o per particolari utilizzi che coinvolgano quelle aree). La norma UNI EN ISO 1461 regola anche la qualità dello zinco usato e la purezza del bagno di zincatura. Per lo zinco essa fa specifico riferimento ai requisiti, previsti nella norma corrispondente UNI EN 1179 sulla composizione dei lingotti destinati alla zincatura a caldo. Il bagno di zincatura non deve contenere complessivamente più dell’1.5% di impurità, ad eccezione del ferro (sempre presente in soluzione) e dello stagno. Comunque complessivamente la purezza dello zinco nel bagno non deve essere inferiore al 98%. Può presentarsi la necessità di ritoccare piccole zone della superficie zincata, dove il rivestimento non abbia aderito a causa della persistenza di sostanze che il decapaggio non è riuscito a eliminare, o a causa di difficoltà tecniche incontrate nella immersione di pezzi con lievi difetti di progettazione. In tal caso, l’area interessata dal ritocco non deve superare lo 0.5% dell’area totale dell’articolo e, singolarmente, deve essere inferiore ai 10cm2. Altrimenti il pezzo va riprocessato. È possibile che i manufatti zincati abbiano un colore tendente al grigio. Tale aspetto è conforme alle specifiche della normativa, essendo unicamente dovuto alla composizione dell’acciaio. Se sono presenti elementi che accelerano la reazione di zincatura, gli strati di lega zinco-ferro, che si creano nel corso del processo, salgono in superficie, attribuendo un aspetto grigiastro al manufatto. Ciò non può essere causa di rigetto del materiale, dal momento che questi rivestimenti comunque garantiscono le performance anticorrosive richieste. Le spiegazioni e le indicazioni per cui la zincatura può avere delle differenze di aspetto e spessore su acciai di tipo e composizione diversi sono state trasferite per una trattazione più esauriente nella parte 2 della norma ISO 14713. 123

Capitolo 9

La norma UNI EN ISO 14713:2010

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Non cambia il consiglio di sempre e cioè che, l’esigenza che gli elementi conservino un’estetica brillante e che risultato dalla zincatura sia aderente alle proprie aspettative, comporta la necessità di rivolgersi preventivamente al proprio zincatore di fiducia oppure agli esperti presso l’Associazione Italiana Zincatura. Difatti, il trattamento di zincatura è principalmente un trattamento anticorrosivo. Se esso deve avere anche delle qualità estetiche particolari che esulano dalle caratteristiche di aspetto normate nella ISO1461:2009, è preferibile che gli esperti siano consultati già nelle prime fasi progettuali. Essi sapranno consigliare le caratteristiche dell’acciaio da indicare sull’ordinazione per ottenere rivestimenti normali sia come aspetto sia come spessore e le migliori soluzioni sia per il progetto che per la fase di realizzazione in officina del manufatto. La UNI EN ISO 14713:2010, rispetto alla versione precedente è relativa ai soli rivestimenti di zinco su acciaio e non più anche alle alluminiature. La parte 1 dà indicazioni generali sulle caratteristiche dei rivestimenti di zinco, la resistenza a corrosione e le durate nei vari ambienti. Di questo si è discusso nel dettaglio nel capitolo 3. La parte 2 concerne esclusivamente la zincatura a caldo è fornisce indicazioni sulle predisposizioni progettuali (molte delle quali presentate nel capitolo 6), sulla diversa reattività degli acciai (che rispecchia quanto affermato nel capitolo 5). La norma fornisce anche quelle indicazioni che nella precedente versione della UNI EN ISO 1461 erano presenti nell’allegato C informativo rimosso da quella attuale. In questo modo, la UNI EN ISO 14713 diviene il riferimento generale alle proprietà del rivestimento di zincatura in termini di ambienti di utilizzo, durabilità e progettazione.

Capitolo 10

I sistemi duplex Perché verniciare l’acciaio zincato a caldo La durata di un sistema duplex Qualità della zincatura e preparazione superficiale Scelta delle vernici e metodi di applicazione La standardizzazione

La zincatura a caldo da sola è in grado di offrire una soddisfacente durata della protezione dalla corrosione dei manufatti, in maniera da evitare manutenzioni per parecchie decine di anni o evitarla del tutto durante l’intero arco di utilizzo. Nelle costruzioni, per le quali si tendono a richiedere durate di parecchi decenni, le più lunghe possibili, si può aumentare ulteriormente la persistenza della protezione mediante l’applicazione di un sistema duplex, il quale è costituito da una verniciatura eseguita sulla superficie dell’acciaio zincato a caldo. Quest’associazione dei due sistemi protettivi, con la scelta della vernice più adatta, è utilizzata per incrementare la resistenza alla corrosione anche quando si debba contrastare un ambiente particolarmente aggressivo. Al di là della durata, il sistema duplex può essere adottato quando occorra dare colore alle strutture per accrescerne la visibilità attraverso il contrasto cromatico. Esempi applicativi sono la cartellonistica e la segnaletica stradale. L’applicazione di vernici colorate può anche costituire un’importante misura di sicurezza per accrescere la visibilità dai mezzi aerei delle alte torri elettriche, delle installazioni di telecomunicazione e delle strutture aeroportuali, per cui in genere si utilizza un’alternanza di fasce rosse e bianche. Analoga esigenza di evidenziazione si verifica per l’identificazione delle tubazioni per il trasporto di fluidi infiammabili, dove il colore serve a dare evidenza al tracciato delle linee di alimentazione. Per converso, la verniciatura delle opere zincate può essere richiesta in situazioni nelle quali è necessario ottenerne la mimetizzazione, delle strutture come per le installazioni militari o per la riduzione dell’impatto ambientale in paesaggi di particolare pregio. L’ultima e più banale motivazione per l’utilizzo di un sistema duplex, sicuramente la più frequente, è di ordine estetico e risponde alle esigenze di chi richiede la durata della protezione offerta dalla zincatura senza voler rinunciare ad una diversa colorazione del manufatto per mere preferenze estetiche. In tal caso, è sempre possibile scegliere tra

Perché verniciare l’acciaio zincato a caldo

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Capitolo 10

Durata di un sistema duplex

innumerevoli sfumature cromatiche, possibili con i sistemi duplex come con qualsiasi altra verniciatura su metallo. Mediante l’applicazione dello strato di verniciatura si ottiene una protezione ulteriore della superficie zincata. Il rivestimento organico si frappone ad evitare il contatto diretto con l’ambiente corrosivo e l’erosione degli agenti atmosferici, mantenendo così intatto lo spessore del rivestimento di zinco sottostante. Questa condizione permane fino a quando la vernice esplica la sua azione protettiva, cioè fino a quando non si deteriora a causa della degradazione dovuta all’invecchiamento o per danneggiamenti meccanici, distaccandosi dal substrato. Fig. 10.1 Al primo accenno di cedimento, la ruggine solleva la vernice che si distacca. La corrosione procede inarrestabile sotto le criccature. La manutenzione è più frequente. Le migliori verniciature industriali in genere non durano più di 10-12 anni.

In seguito alla criccatura, i prodotti di corrosione dello zinco sigillano i difetti della vernice. L’effetto barriera e la protezione elettrochimica dello zinco sottostante la vernice, proteggono l’acciaio e ritardano la manutenzione.

La verniciatura, per effetto della sua permanenza in ambiente aggressivo, tende a perdere elasticità e a coprirsi di cricche. D’altro canto la criccatura del rivestimento può anche essere conseguenza di urti accidentali, abrasione superficiale per usura o graffiatura. Le cricche sono dei veri e propri solchi nel rivestimento che possono incontrare acciaio non protetto, nel caso della semplice verniciatura su acciaio tal quale, oppure lo zinco nel caso di acciaio protetto dalla zincatura. Nel primo caso, la corrosione dell’acciaio procede spedita, provocando il distacco della vernice in breve tempo. Nel secondo caso, i prodotti della corrosione dello zinco, che presentano un volume non eccessivo e sono più compatti della ruggine, hanno un effetto sigillante, frapponendosi tra l’agente aggressivo penetrato attraverso la cricca e la superficie zincata. In questo modo, la corrosione è notevolmente rallentata e la protezione dura molto di più della somma delle durate della protezione che sarebbe stata esplicata dei due trattamenti idealmente applicati separatamente. Anche la porosità o la presenza di percorsi a conduzione ionica, che caratterizzano più o meno incisivamente le vernici, non costituiscono 126

I sistemi duplex

un problema se al di sotto del rivestimento vi è lo strato di zincatura a caldo. La sinergia riscontrabile tra zincatura a caldo e verniciatura nel sistema duplex è stata investigata da ricercatori olandesi, che hanno ricavato dalle sperimentazioni condotte la seguente formula empirica: DSistema Duplex = [1,2÷2,5] (DZincatura+DVerniciatura) La durata del sistema duplex è definita come l’intervallo di tempo tra l’applicazione del sistema e l’arrugginimento del 5% della superficie di acciaio protetto. La variabilità del coefficiente moltiplicativo nella formula, dipende dalla natura della resina organica scelta e dalle sue interazioni con il particolare ambiente corrosivo. Come affermato il precedenza, solo a partire dal momento in cui si verifica deterioramento globale della vernice, quando avviene il suo distacco completo, lo strato di zincatura comincia a consumarsi alla velocità determinata dall’aggressività dell’atmosfera. A questo stadio, è possibile intervenire ancora con interventi di ripristino della verniciatura molto semplici da attuare, dato che, nella maggior parte dei casi, è sufficiente passare sulla superficie una spazzola metallica o un qualsiasi altro blando abrasivo per eliminare la vernice deteriorata. Successivamente, si può procedere ad applicare un nuovo strato protettivo. Si noti che queste operazioni non vanno ad interessare minimamente il substrato d’acciaio, che in ogni caso risulta totalmente protetto ed immune dalla corrosione per effetto della zincatura a caldo. Anzi la relativa facilità con cui si ottiene la manutenzione del sistema duplex è dovuta al fatto che non occorre preoccuparsi delle condizioni dell’acciaio e non occorre nessun particolare trattamento, oltre la normale pulitura, per il suo ripristino. In questo modo, anche quando sia necessario un intervento di manutenzione, esso si prospetta molto economico ed efficace. La qualità del rivestimento duplex è influenzata dalla qualità della zincatura. I difetti eventualmente presenti nel rivestimento di zinco siano essi causati da condizioni superficiali della base di acciaio interferiscono anche con la qualità finale del sistema duplex. I pezzi da sottoporre a verniciatura vanno dunque ispezionati e si deve fare in modo da riparare, se possibile, eventuali imperfezioni quali presenza di ingrossamenti, gocce e punte sui bordi, difetti di rivestimento nei punti di aggancio del materiale. Eventuali riparazioni del rivestimento di zincatura devono essere effettuate rispettando i criteri della UNI EN ISO 1461 e attenendosi al principio fondamentale della minimizzazione dell’asportazione di zinco del rivestimento. Per esempio, le punte pic-

Qualità della zincatura e preparazione superficiale

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Capitolo 10

cole ed aguzze che sono conseguenza di schegge di acciaio sotto il rivestimento, causate dalla laminazione, possono essere rimosse levigando la superficie con carta vetro, ma senza consumare la zincatura. Le aree non rivestite o danneggiate (se inferiori ai 10cm e massimo 0,5% dell’area della superficie, secondo la UNI EN ISO 1461) devono essere riparate con un metodo compatibile con il sistema organico di rivestimento da applicare. La scelta dovrà essere operata tra la metallizzazione, l’uso di vernici ad alto contenuto di zinco ed il riporto effettuato con barre di zinco a basso punto di fusione. In ogni caso, la rugosità propria della zincatura a caldo non può essere considerata in sé un difetto. In un norma tecnica olandese (NEN 525) si è stabilito un criterio che determina l’accettabilità se da una distanza di 3 metri dalla superficie del sistema duplex non appaiono disuniformità all’osservazione effettuata ad occhio nudo con vista normale. L’ottenimento di un sistema duplex di qualità passa attraverso l’osservanza di procedure applicative che comportano in primis un’attenzione particolare alla preparazione superficiale. Lo scopo di questo pre-trattamento è la rimozione di qualunque tipo di inquinamento dalla superficie dello zinco, compresi grasso, sporco e i prodotti della corrosione dello zinco, per promuovere l’adesione del rivestimento. Per raggiungere risultati ottimali è indispensabile preparare accuratamente e in modo adeguato la superficie da trattare, in base all’età e alle condizioni del rivestimento di zinco. In passato si attendevano uno o due anni prima di verniciare un manufatto zincato. Si intendeva, in tal modo, consentire allo strato di zinco di reagire con l’anidride carbonica presente nell’atmosfera per formare, come si è visto precedentemente, una pellicola protettiva a base di carbonati basici di zinco. Effettivamente, aumenta così l’effetto aggrappante tra superficie zincata e vernice, poiché quest’ultima è in grado di incorporare i prodotti inerti stratificatisi sulla zincatura. Oggigiorno, a causa dell’inquinamento atmosferico, dopo un periodo non necessariamente lungo, la superficie zincata potrebbe essere stata aggredita da inquinanti capaci di deteriorarla, o aver reagito con l’atmosfera in maniera diversa da punto a punto, o, ancora, potrebbero essersi formati prodotti di corrosione dello zinco igroscopici e idrosolubili. Si renderebbe necessario, in tal caso, asportare uno strato rilevante dalla superficie da verniciare attraverso un’energica pulizia meccanica accompagnata da una fase di sgrassaggio e da condizionamento superficiale a base fosforica con susseguenti operazioni di lavaggio ed asciugatura. In generale, è bene evitare che la superficie zincata venga contaminata 128

I sistemi duplex

da agenti atmosferici o da altra sostanza durante il trasporto e il montaggio, pertanto, si consiglia di verniciare il manufatto subito dopo la zincatura, quando possibile. In tal caso il sistema duplex è effettuato, completamente, presso le zincherie munite di reparto di verniciatura. Tuttavia, anche il manufatto appena zincato deve essere sottoposto ad adeguata preparazione. L’ossidazione superficiale, la permanenza di residui di lavorazione e i contatti in fase di movimentazione dei pezzi, creano inevitabilmente un certo grado di contaminazione anche se il prodotto non lascia la zincheria. Tab. 10.1

Lavaggio alcalino

Lavaggio a pressione con soluzione alcalina + risciacquo + asciugatura

Bagno acido

Pulizia con spazzola rigida + bagno acido + risciacquo + asciugatura

Sabbiatura

Pulizia a bassa pressione con abrasivo fine + eliminazione della polvere

Getto di vapore

Pulizia con spazzola rigida + getto di vapore ad alta pressione + asciugatura

T-wash* o condizionamento fosforico

Lavaggio con detergente + risciacquo + T-wash + risciacquo + asciugatura

* Il metodo T-wash è impiegato quasi esclusivamente in Gran Bretagna, dove è assai diffuso e consiste nell’utilizzo di una soluzione acquosa di fosfato di zinco.

Nel caso, più frequente, in cui la verniciatura debba essere eseguita con prodotti liquidi, per rimuovere le sostanze inquinanti è sufficiente, come accennato, impiegare una spazzola metallica, trattando successivamente le superfici con sostanze chimiche sgrassanti a base di soluzioni ammoniacali deboli e/o fosforiche, seguite da accurato lavaggio con acqua e asciugamento. Esistono, in effetti, diversi metodi affidabili per rimuovere i contaminanti dalla superficie e prepararla ad accettare la vernice. Tutti, però, sono riconducibili alle due metodologie citate. Riportiamo in Tab. 10.1 differenti procedure di preparazione. Alternativamente, una pulizia meccanica generale può essere accompagnata da leggera sabbiatura. Tale sistema è nella maggior parte dei casi quello che offre le maggiori garanzie. La sabbiatura merita un’attenzione particolare: essa deve essere eseguita con movimenti molto regolari, in modo da non generare disuniformità superficiali. L’operazione va fatta con molta perizia per evitare che lo strato di zinco venga danneggiato o asportato in quantità inaccettabile. Si usano prodotti a grana fine, acuminati, inerti, non-metal129

Capitolo 10

Vernici e metodi di applicazione

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lici. In genere si usa sabbia silicea, scorie fini di rame o polvere di corindone. Le condizioni della superficie dopo la sabbiatura devono essere tali da avere una leggera rugosità che promuove l’adesione. L’aspetto normale è con finitura opaca liscia. Fermo restando che condizioni di sabbiatura leggermente diverse possono fornire ugualmente risultati accettabili, un buon procedimento prevede: - dimensione dei grani del prodotto di sabbiatura fino a 0.5mm; - pressione dell’aria fino a 3 bar; - distanza di sabbiatura minima 60 cm; - angolo di sabbiatura (getto di sabbiatura-superficie) 50÷70 gradi. L’azione della sabbiatura non dovrebbe rimuovere più di 10µm di zinco. Questo appare un giusto compromesso tra l’esigenza di preparazione superficiale e l’inevitabile azione abrasiva della sabbiatura. L’applicazione della vernice sui pezzi sabbiati, di solito, avviene senza intermedi. È tuttavia possibile anche l’applicazione di sottili strati di prodotti specifici per la conversione superficiale. Questi composti chimici sono in grado di migliorare l’aderenza del rivestimento organico da applicare e generalmente migliorano anche le caratteristiche di resistenza alla corrosione. Esistono sul mercato dei pre-trattamenti di tipo industriale di composizione metallo-organica con calcio, nickel, manganese, o inorganica come la cromatazione (che può essere anche esente da cromo esavalente) o la zinco-fosfatazione. Alcuni di essi sono no-rinse, cioè senza necessità di lavaggio post-applicazione e possono essere applicati semplicemente attraverso immersione in bagni di soluzione appena dopo l’estrazione dal bagno di zinco fuso. In primo luogo bisogna fare attenzione al tipo di prodotto che si applica, onde fornire l’aderenza e la resistenza opportuna al rivestimento organico. A prescindere dalle condizioni superficiali, per la verniciatura dell’acciaio zincato non si possono utilizzare gli smalti alchidici (quelli comunemente utilizzati per il legno o per la copertura delle normali antiruggini) come mano di fondo, a contatto diretto con la zincatura. Questi possono essere impiegati dopo che sulla superficie sia stato applicato un primer opportuno, in grado di assicurare la compatibilità tra zinco e topcoat. Il fatto che si debba ricorrere a prodotti adatti alla zincatura non significa che la fase di verniciatura del sistema duplex comporti costi superiori ad ogni altra verniciatura per effetto dei costi della vernice. Le vernici appropriate per la zincatura sono, infatti, comunque economiche e di facile reperibilità, sia per l’applicazione domestica che industriale. I costi sono appena un po’ superiori alle vernici normali. Ovviamente, il costo globale dipende dal risultato che si vuole ottenere e dalla qualità dei materiali adoperati, ma questa è

I sistemi duplex

una considerazione di carattere generale valida universalmente. Per ottenere un sistema duplex con caratteristiche accettabili basta essere sicuri di utilizzare un prodotto specificamente preparato per l’applicazione sulla zincatura, il che si può ottenere semplicemente consultandone le schede tecniche, verificando l’adeguatezza oltre che alla superficie anche alle condizioni di impiego. Assieme all’adesione, per lungo tempo il sistema duplex deve assicurare resistenza ed impermeabilità all’umidità. Nel caso di cicli di verniciatura che comportino l’utilizzo simultaneo di prodotti diversi per le differenti mani, è consigliabile rivolgersi allo stesso produttore, in grado di fornire tutti i ragguagli necessari per stabilirne la compatibilità. Sarà compito dell’applicatore attenersi alle giuste procedure indicate dal produttore della specifica vernice che si intende applicare. Non è possibile, infatti, dettare una ricetta unica, data l’ampia gamma di prodotti presenti sul mercato. Sono possibili applicazioni di vernice a base di solvente anche ad alto solido, oppure all’acqua o in polvere. Come detto precedentemente, l’ampia e variegata offerta sul mercato di prodotti vernicianti adatti alla zincatura consente in molti casi di verniciare direttamente la superficie del manufatto precedentemente pulito dalle impurità, meglio se reso leggermente scabro con una leggera sabbiatura, come precedentemente affermato. Le vernici adoperate ovviamente non devono interagire con lo zinco compromettendo l’aderenza, per esempio, con formazione di acqua di condensazione o reazioni di saponificazione o di produzione di composti gassosi o, addirittura, corrosivi. In ogni caso, se non si vuole rinunciare all’effetto finale della vernice, questo può essere spesso evitato applicando sullo zinco una mano di fondo compatibile sia con lo zinco che con le mani di vernice successive. Per le vernici liquide a solvente, l’esperienza maturata negli anni porta a considerare maggiormente affidabili cicli che comprendano rispettivamente: - resina acrilica e gomma clorurara (ad esempio, cloro-caucciù); - resine epossidiche, purché esenti da ammine, in combinazione o meno con resine poliuretaniche a basso tenore di isocianati, a finire; - resine epossiviniliche o epossifenoliche; - combinazioni di resine acriliche e alchiliche, purchè l’alchidica non sia a diretto contatto con lo zinco. Buoni risultati si ottengono anche con le vernici all’acqua di composizione simile (resine acriliche, acriliche modificate, stirolo-acriliche). Per la verniciatura con polveri si realizzano rivestimenti di qualità con cicli tecnologici molto accurati. L’applicazione è di tipo industriale con 131

Capitolo 10

Standardizzazione dei sistemi duplex

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l’impiego di letti fluidi o spruzzatura elettrostatica e cura del rivestimento (fase di polimerizzazione) ottenuta in forni statici a 150°C o, comunque, per temperature non superiori ai 175-180°C (o secondo le prescrizioni del produttore della polvere) per evitare comparsa di crateri o delaminazione dello stesso strato di zinco. Un metodo alternativo per la reticolazione di certe vernici è costituito dall’irraggiamento IR (ad infrarossi). Le formulazioni disponibili comprendono polveri epossidiche, poliuretaniche o loro combinazioni. È sempre consigliabile formare uno strato di conversione che separi lo zinco ed il film di polveri allo scopo di evitare qualsiasi reazione tra lo zinco ed i componenti del topcoat. In particolare, occorre evitare di verniciare acciaio zincato non trattato, sulla cui superficie possono esserci umidità residua o sali. In tal caso, lo zinco dimostra una forte reattività. Ideale è l’utilizzo di passivanti in grado di ottenere la trasformazione della superficie metallica in fosfato o cromato di zinco non metallico. Un tipico ciclo applicativo di vernici a polveri comprende un trattamento di conversione chimica con il seguente schema di massima: - sgrassaggio alcalino; - uno o due lavaggi in acqua; - attacco acido con soluzione fosforica; - lavaggio con acqua demineralizzata; - cromatazione o diversa passivazione compatibile; - lavaggio con acqua demineralizzata; - asciugatura in forno a 60-90°C; - deposizione della polvere; - polimerizzazione (cottura in forno o irraggiamento) I cicli applicativi sono in genere specifici rispetto al tipo di vernice utilizzata, a polveri o liquida che sia. Vanno perciò scrupolosamente osservate le prescrizioni del produttore. Tuttavia possono essere indicati alcuni criteri generali di applicazione. Il sistema di rivestimento organico, qualunque sia la sua natura, dovrebbe essere applicato subito immediatamente dopo il pretrattamento chimico o meccanico. Dopo la sabbiatura il rivestimento va deposto entro le 12 ore, ma se l’umidità relativa è maggiore del 70% questo tempo è limitato a 3 ore per impedire la formazione di prodotti di corrosione dello zinco. La superficie dello zinco deve rispettare i requisiti della norma UNI EN ISO 1461, che stabilisce inoltre che lo zincatore deve essere informato preventivamente che occorre applicare un rivestimento organico. Allo stesso tempo, occorre concordare la preparazione più opportuna del substrato per il rivestimento nei casi in cui l’applicatore è diverso dallo zincatore. La verniciatura successiva è regolata dalla norma UNI EN ISO 12944 e dalla UNI EN 13484 per i rivestimenti a

I sistemi duplex

polveri. Un utile riferimento sulle migliori procedure da adottare è senza dubbio la norma UNI EN 15773:2009 che, anche se scritta per l’applicazione delle vernici in polvere, può valere come guida generale soprattutto per le caratteristiche della zincatura e la preparazione superficiale. Occorre sempre considerare che diverse specifiche possono essere indicate dal produttore della vernice. Le norme stabiliscono anche una serie di test del sistema di rivestimento che riguardano lo spessore, l’aspetto, l’adesione, la durezza, la porosità, l’elasticità, la resistenza ai colpi, all’impatto, al graffio e le differenze in colore e brillantezza. I test possono essere di tipo meccanico, non-meccanico e climatico, e non sono dissimili dai test effettuati per ogni altro sistema di verniciatura. Nelle tabelle seguenti le vernici acriliche ed il policloruro di vinile (PVC) sono normalmente mono-componenti, e le vernici poliuretaniche ed epossidiche sono normalmente bi-componenti. È possibile avere delle vernici acriliche ed epossidiche all’acqua per uso sia come primer che come rivestimento di finitura. La norma ISO 12944 raccomanda che si utilizzi una vernice alifatica poliuretanica per il rivestimento di finitura quando sono importanti la lucentezza e la conservazione del colore. Nelle tabelle seguenti alcune indicazioni di massima sull’uso di sistemi di verniciatura su zincatura.

Come scegliere una vernice

Vernici da utilizzare in ambienti nei quali la corrosione è leggera Vernici

Primer

PVC Acrilica Epossidica o Poliuretanica -

Intermedi/ finitura

Spessore minimo per rivestimento (µm)

Spessore totale minimo (µm)

1 1

80 80

Oppure uno qualsiasi dei rivestimenti più pesanti indicati nelle tabelle di seguito. Vernici da utilizzare in ambienti nei quali la corrosione è moderata Vernici

Primer

PVC 1 Acrilica 1 Epossidica o Poliuretanica 1

Intermedi/ finitura

Spessore minimo per rivestimento (µm)

Spessore totale minimo (µm)

1 1

80 80

160 160

40+80

120

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Capitolo 10

Oppure uno qualsiasi dei rivestimenti più pesanti nelle tabelle seguenti. Vernici da utilizzare in ambienti nei quali la corrosione è elevata Vernici

Primer

PVC 1 Acrilica 1 Epossidica o Poliuretanica 1

Intermedi/ finitura

Spessore minimo per rivestimento (µm)

Spessore totale minimo (µm)

2 2

80 80

240 240

160

Oppure uno qualsiasi dei rivestimenti più pesanti nelle tabelle seguenti. Vernici da utilizzare in ambienti industriali od in ambienti particolarmente corrosivi Vernici

Primer

PVC* 1 Acrilica** 1 Epossidica o Poliuretanica* 1

Intermedi/ finitura

Spessore minimo per rivestimento (µm)

Spessore totale minimo (µm)

2 2

80 80

240 240

160

* Non adatto alle condizioni più severe ** Adatto solo per le velocità di corrosione più basse in questa categoria Vernici da utilizzare in ambienti industriali pesanti ed in ambiente marino Vernici

Primer

PVC* 1 Acrilica** 1 Epossidica o Poliuretanica* 1

Intermedi/ finitura

Spessore minimo per rivestimento (µm)

Spessore totale minimo (µm)

2 2

80 80

240 240

2-3

240-320

* Non adatto alle condizioni più severe ** Adatto solo per le velocità di corrosione più basse in questa categoria

Quando si prevede di verniciare acciaio che debba essere usato in un ambiente industriale pesante si dovrebbe consultare uno specialista che abbia una buona comprensione della tecnologia delle vernici e che conosca le condizioni del sito.

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Capitolo 11

La resistenza al fuoco dell’acciaio zincato e le vernici intumescenti La resistenza al fuoco dell’acciaio zincato I rivestimenti funzionali sull’acciaio zincato: le vernici intumescenti

Alle alte temperature che si raggiungono in caso di esposizione al fuoco, l’acciaio manifesta una progressiva riduzione delle resistenze meccaniche. I criteri attuali in materia di sicurezza antincendio impongono che la struttura di acciaio di una costruzione debba resistere per un tempo sufficiente a rendere possibile l’evacuazione degli occupanti e l’intervento efficace delle squadre di soccorso. Oltre alle misure di prevenzione attive, quali la sistemazione di idranti o estintori, il progettista dovrà considerare le misure atte a garantire la necessaria capacità portante dell’edificio. Per questo scopo si possono adottare soluzioni planimetriche (ad esempio la compartimentazione) e, in alternativa o in aggiunta, si può rallentare il surriscaldamento degli elementi strutturali utilizzando coibentazioni e schermature degli elementi portanti. Una struttura in acciaio zincato presenta una resistenza al fuoco del tutto equivalente ad una corrispondente non zincata. La classificazione REI non risente della presenza della zincatura a caldo, che non implica minimamente né aumenti né diminuzione delle performance dell’acciaio di base. In altre parole, due costruzioni in acciaio identiche di cui solo una zincata a caldo, se sono poste nelle medesime condizioni di protezione, offrono la medesima resistenza al fuoco. Inoltre, la zincatura a caldo non influisce sui sistemi di protezione che permettono di incrementare sensibilmente la resistenza al fuoco, come per esempio l’impiego di controsoffitti, colonne rivestite, blocchi tra le ali delle colonne e la protezione mediante schermi in genere. La zincatura a caldo è perfettamente compatibile con tutti gli attuali sistemi di protezione delle strutture in acciaio dal fuoco e non interferisce con il design e la resistenza al fuoco dei materiali. Un discorso a parte meritano le vernici intumescenti. Si tratta di particolari vernici che a contatto con il fuoco sviluppano l’intumescenza, ossia si rigonfiano a formare una caratteristica meringa che isola l’acciaio e ritarda il raggiungimento delle alte temperature. L’efficacia della meringa dipende ovviamente dal suo spessore, ma anche da quanto tempo essa stessa resiste all’azione delle fiamme prima di distaccarsi

La resistenza al fuoco dell’acciaio zincato

I rivestimenti funzionali sull’acciaio zincato: le vernici intumescenti

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Capitolo 11

dalla superficie dell’acciaio. Alle temperature ordinarie, le vernici intumescenti hanno l’aspetto di una normale vernice di finitura, ma alle temperature che si raggiungono al contatto con la fiamma, aumentano lo spessore fino a 100 volte. Il caratteristico elevato spessore e la porosità di questo rivestimento, possono determinare difficoltà per quanto riguarda l’adesione al supporto nei tradizionali cicli di produzione industriale. La ricerca in questi anni ha portato alla formulazione di primer in grado di migliorare le performance del rivestimento intumescente sia in termini di adesione che di resistenza al fuoco. Un programma di prove effettuate nei primi anni del 2000 in collaborazione tra Associazione Italiana Zincatura e i laboratori di una primaria Azienda Italiana per la produzione di vernici intumescenti16, ha messo in evidenza che l’applicazione di un intermedio di natura epossidica tra rivestimento di zincatura e coating intumescente, garantisce sull’accaio zincato, adesione e prestazioni almeno pari ai valori riscontrati per l’applicazione sull’acciaio sabbiato non sottoposto a zincatura.

Questo lavoro è stato pubblicato su rivista di settore delle costruzioni in acciaio: Nicoletta Dalumi, 2002, Prestazioni al fuoco di strutture di acciaio zincato trattate con vernici intumescenti, Costruzioni Metalliche, LIV (2002), n. 3, 25-33.

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Capitolo 12

La zincatura a caldo ed il rispetto dell’ambiente La zincatura a caldo migliora le prestazioni ambientali dell’acciaio Lo zinco e l’ambiente Lo zinco e la salute umana Lo zinco e l’acciaio sono totalmente riciclabili L’ottica del ciclo di vita applicata alla zincatura a caldo L’LCA della zincatura a caldo Uno studio comparativo Product Category Rules della zincatura e degli altri trattamenti anticorrosivi L’EPD, dichiarazione ambientale della zincatura

Durante gli ultimi anni, i segni del degrado ambientale e le conseguenze di fenomeni globali determinati dalle emissioni, quali l’effetto serra, l’acidificazione delle piogge, l’eutrofizzazione e l’assottigliamento della fascia di ozono, hanno polarizzato l’attenzione della società sul tema della conservazione dell’ambiente, ormai avvertita come necessità primaria. Un’accresciuta consapevolezza della necessità di rispettare l’ecosistema in cui viviamo, determina un’attenzione crescente agli impatti causati non solo dalle attività industriali, ma anche dai prodotti stessi durante tutto l’arco del loro utilizzo, ovvero anche durante le fasi successive alla produzione. Questa evoluzione, vero e proprio fenomeno di costume, sta determinando diversi effetti a vari livelli sulla politica di appalto delle Pubbliche Amministrazioni, sul comportamento degli acquirenti nel mercato, sui programmi delle aziende produttrici. La Commissione Europea ha dedicato un’attenzione particolare a queste questioni, con l’intenzione di creare vantaggi competitivi per le aziende che si mostrino più ricettive ed innovative. Le performance ambientali, in questo modo, sono diventate aspetti chiave del valore dei processi industriali e dei prodotti. In questo quadro complesso, anche i materiali destinati alle costruzioni, nelle disposizioni di legge quanto nelle libere scelte dei consumatori, vengono via via assoggettati a criteri di preferenza non più solo basati su costo e performance funzionale nel loro utilizzo. Oltre alle considerazioni economiche e prestazionali, per chi decide quali materiali e prodotti utilizzare, diviene discriminante anche la maggiore o minore ecocompatibilità dei loro costituenti, in un bilancio tra pro e contro le cui regole sono dettate dai principi dello sviluppo sostenibile. 137

Capitolo 12 Lo zinco migliora le prestazioni ambientali dell’acciaio

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La preservazione delle risorse ambientali passa anche attraverso l’utilizzo di sistemi che impediscano di degradarsi a prodotti indispensabili, ottenuti con grande dispendio materiale ed energetico. I sistemi anticorrosione accrescono evidentemente la competitività di un prodotto rispetto ad altri, con l’influenza positiva determinata dall’incremento della durata in servizio delle opere. La zincatura a caldo si rivela, anche in quest’ottica, un ottimo alleato dell’acciaio. Assicurando una protezione dalla corrosione di lunga durata e senza necessità di interventi manutentori per decenni, lo zinco evita gli impatti ambientali connessi alle azioni di ripristino e rifacimento delle opere compromesse. Secondo i criteri dettati da una moderna tecnica di valutazione e confronto delle prestazioni ambientali, il Life Cycle Assessment, in una comparazione che coinvolga diversi materiali da costruzione, i carichi ambientali connessi con la produzione di un opera edilizia, vanno distribuiti sull’intero arco della vita utile del manufatto da realizzare. In questo modo, una maggiore durabilità consiste direttamente in un impatto ambientale più leggero. Quindi, l’incremento di durata ottenuto con la zincatura a caldo, non solo rende chiara la differenza di prestazione ambientale tra acciaio zincato ed acciaio protetto con processi diversi, ma aumenta anche la competitività delle realizzazioni in acciaio rispetto a soluzioni costruttive alternative e al consueto utilizzo del cemento. Ciò è reso possibile dalle proprietà caratteristiche dello zinco, ma anche dal carico ambientale molto basso connesso con l’operazione di zincatura a caldo, come vedremo nel seguito nel paragrafo relativo all’applicazione del Life Cycle Thinking. Fattore determinante per conseguire la progressiva minimizzazione dei carichi e degli impatti è l’attenzione posta dagli operatori del settore della zincatura a caldo al miglioramento continuo delle performance ambientali del processo produttivo. Il settore della zincatura in Italia vanta, infatti, un notevole numero di aziende certificate ISO 14000 e una quota di registrazioni EMAS superiore di molto alla media degli altri settori industriali. L’adesione a questi sistemi di gestione ambientale certificati, determina un reale progresso, con un’accresciuta consapevolezza dell’importanza delle procedure per l’efficienza ambientale della produzione e del rispetto di leggi e regolamenti. Questo processo virtuoso coinvolge tutti i livelli dell’organizzazione aziendale . Ciò, come è giusto che sia, implica la piena soddisfazione delle leggi e dei regolamenti vigenti in materia ambientale da parte delle aziende. Per l’attenzione dimostrata e il particolare impegno alla diffusione di questi sistemi, l’Associazione Italiana Zincatura nel 2006 ha ricevuto dal Comitato Interministeriale per l’EMAS Italiano, una targa di riconoscimento.

La zincatura a caldo e il rispetto dell’ambiente

Vale la pena di ricordare, inoltre, che le tecniche di produzione adottate oggi nei reparti di zincatura a caldo corrispondono ai criteri nazionali e comunitari, stabiliti per la prevenzione e il controllo dell’inquinamento, universalmente noti come BAT – Best Available Techniques, migliori tecniche disponibili per il contenimento delle emissioni. La zincatura è applicazione di un rivestimento di zinco sull’acciaio. Per valutare il valore ambientale del prodotto e il suo comportamento occorre, dunque, analizzare in primis gli effetti dello zinco sull’ambiente e sulla salute umana. Lo zinco è un metallo essenziale, indispensabile per la vita di piante ed animali, ed ovviamente anche per la vita dell’uomo. È un elemento naturalmente presente in aria, acqua e suolo. Tutti gli ecosistemi beneficiano della sua presenza a differenti concentrazioni.

Lo zinco e l’ambiente

Fig. 12.1 Ogni essere vivente ha bisogno di una certa quantità di zinco per vivere. Gli organismi hanno sviluppato l’omeostasi che regola l’assunzione dello zinco disponibile in ambiente.

Lo zinco, sin dagli albori della vita, è stato “utilizzato” dalla natura con un ruolo specifico in varie reazioni biologiche. Di conseguenza, per ogni organismo vivente esiste un intervallo ottimale di esposizione allo zinco. Le piante e gli animali hanno bisogno di zinco per crescere ed ogni organismo è soggetto alle fluttuazioni stagionali della sua bio-disponibilità. Per questo l’evoluzione ha creato un meccanismo detto omeostasi, che permette di regolarne l’apporto all’interno di determinati limiti. Per questo i metalli bio-essenziali come lo zinco, ma anche rame e ferro non si accumulano all’interno dell’organismo, ma si bilanciano tra loro. In caso di deficienza si accumulano e gli eventuali eccessi sono espulsi. Siamo abituati a considerare negativamente gli effetti di molte sostanze utilizzate dall’uomo e dalle attività industriali. Nella maggior parte dei casi, si sente parlare della necessità della limitazione al minimo della loro immissione nell’ambiente. 139

Capitolo 12 Tab. 12.1 Livelli naturali di zinco in vari comparti ambientali. Lo zinco è presente in natura in tutti gli ecosistemi.

Contenuto di zinco17 Aria (rurale) Suolo (media) Rocce ignee Scisti e argille Arenarie Scisti nere Giacimenti minerari di zinco

0.01-0.2 10-30 5-240 18-180 2-41 34-1500 5 - più di 15

g/Nm3 mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg %

Oceano aperto Mari costieri Fiumi di pianura Fiumi di montagne Grandi laghi Ruscelli vicini a giacimenti

0.001-0.06 0.5 - 1 5 - 40 <10 0.09 - 0.3 >200

µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l

Questo è vero per tutte le sostanze sintetiche. Per gli elementi presenti in natura indipendentemente dall’azione dell’uomo ed, in particolare per quelli bio-essenziali, non necessariamente questa affermazione è vera. Il Programma Internazionale per la Sicurezza Chimica (IPCS), un forum mondiale organizzato dall’OMS, l’Organizzazione Mondiale della Sanità e dall’ONU, ha affrontato una discussione al fine di stabilire i criteri di salute ambientale per lo zinco.La conclusione è che lo zinco è un elemento necessario per l’ambiente, per cui sussiste una possibilità sia di carenza che di eccesso. Per queste ragioni è importante che i criteri per la regolamentazione non siano fissati a livelli così bassi da portare lo zinco nell’area della carenza. Fig. 12.2 Lo zinco è un metallo bio-essenziale. Come tutte le sostanze, esiste un’intervallo di concentrazione ottimale. Un eccesso determina effetti svantaggiosi, ma anche la carenza può avere effetti molto negativi. In figura, a lato, il diagramma concerne l’ambiente acquatico.

F Van Assche, W Van Tilborg, and H Waetershoot, 1996, Environmental Risk Assessment or Essential Elements – Case Study Zinc, in Report of the International Workshop on Risk Assessment of Metals and their Inorganic Compounds, ICME, Ottawa, Publ. P. 171-180.

140

La zincatura a caldo e il rispetto dell’ambiente

La possibilità di immissione di zinco in ambiente dalla zincatura a caldo, non comporta preoccupazioni per i suoli sui quali i manufatti zincati vengono installati. Infatti, i prodotti della corrosione dello zinco per applicazioni come la zincatura, non raggiungono concentrazioni tali da determinare preoccupazioni, data la ridotta velocità con cui la dissoluzione avviene. Del resto questo è il maggiore punto di forza della protezione ottenuta utilizzando zinco. Una ricerca effettuata dall’Università di Ancona, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Chemistry and Ecology nel 200218, ha messo in evidenza che anche per strutture di grossa mole, quali tralicci dell’alta tensione, nel suolo circostante, già a una distanza inferiore a 1m, non si riscontra alcuna variazione della concentrazione di zinco rispetto ai valori naturali. Le strutture sono poste in opera in zone urbane-agricole e urbane-marine nel territorio di Parma ed Ancona e dopo circa 30 anni dalla loro posa in opera conservano sulla superficie una quantità di zinco tale da essere ancora a norma. I siti di analisi sono stati scelti in modo da essere rappresentativi della composizione media del suolo italiano. È accertato, dunque, che non vi è nessun rischio per i suoli. Ciò è stato riconosciuto anche da uno studio di valutazione del rischio – Zinc Risk Assessment dell’Unione Europea, di prossima pubblicazione. Le Autorità Competenti dei Paesi Membri dell’UE hanno, inoltre, recentemente (dicembre 2006) stabilito, che per quanto riguarda il controllo dell’immissione di zinco nei vari comparti ambientali (suolo, acque e sedimenti), non è necessario sottoporre a regolamentazione i prodotti dell’industria di trasformazione, tra cui anche i rivestimenti zincati a caldo19. Lo zinco gioca un ruolo essenziale nel metabolismo umano. Per esempio, lo zinco è vitale per il corretto funzionamento di più di 200 enzimi, per la stabilità del DNA e per l’espressione dei geni, nonché per la trasmissione dei segnali nervosi. Il corpo umano contiene 2-3g di zinco (e, per esempio, 7g di ferro) che si ritrova dappertutto nel corpo, con i livelli più alti nei muscoli, nel fegato, nei reni, nelle ossa e nella prostata. L’apporto giornaliero raccomandato è di 12mg/die per le donne adulte e 15mg/die per gli uomini adulti. L’apporto giornaliero dipende

Lo zinco e la salute umana

18 G Fava, R Fratesi, M L Ruello, D Sani, 2002, Soil zinc contamination from corrosion of galvanized structures, Chemistry and Ecology, 2002, Vol. 18(3-4), pp. 223-232. 19 Fonte sito internet dell’European Chemicals Bureau - Joint Research Centre, http://ecb.jrc.it.

Per approfondimenti: F Van Assche, A Green, 2006, Review of Bio-availability studies in the European Union Risk Assessment for Zinc, Ed Proceedings Intergalva 2006, Napoli, pub EGGA – European General Galvanizers Association, London. W Piatkiewicz, 2002, Risk Assessment for Zinc – Conclusions for Human Health, Ed Proceedings, EGGA Assembly 2002, Porto, Portugal, pub EGGA – European General Galvanizers Association, London Pag.55-58.

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Capitolo 12

Lo zinco e l’acciaio sono totalmente riciclabili

L’ottica del ciclo di vita applicata alla zincatura a caldo

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dal sesso, età e stato generale di salute. I neonati, i bambini, gli adolescenti, le donne in gravidanza e gli anziani hanno bisogno di maggiori quantità di zinco. Certi gruppi della popolazione, specialmente nelle aree più depresse sono soggetti al grave rischio di non avere un sufficiente apporto di zinco dall’alimentazione. Le conseguenze di un’insufficiente assunzione sono malattie della pelle, sonnolenza, ridotta sensibilità di gusto ed olfatto e, perfino, ridotta fertilità ed indebolimento del sistema immunitario. In più, sul versante opposto, studi recenti effettuati dalle Autorità Competenti degli Stati Membri dell’Unione Europea per conto della Commissione, hanno ribadito che l’utilizzo attuale dello zinco in tutte le attività umane non determina esposizione a rischio per la salute umana. D’altra parte, lo zinco ha anche il vantaggio di essere un materiale riciclabile. Oggi, circa il 30% dello zinco utilizzato è ottenuto dal riciclo. È difficile essere più precisi con questo dato, per il fatto che i prodotti che si ottengono dallo zinco hanno una vita media di utilizzo molto lunga. Oltre alla zincatura a caldo ed elettrolitica, infatti, questo materiale serve anche per la realizzazione degli ottoni e dei presso-fusi. La protezione di un manufatto in acciaio zincato sovente dura più della vita utile del manufatto stesso e lo zinco residuo si può rendere disponibile per il riciclo anche dopo un periodo di 100 anni. L’acciaio che la zincatura protegge in maniera così efficace, a fine vita, cioè terminata la fase di utilizzo, è altrettanto riciclabile. Trattandosi di semplice elementi chimici, lo zinco e il ferro possono essere riciclati senza alcuna perdita delle caratteristiche fisiche o delle proprietà chimiche. Concetti come la riciclabilità, la valutazione degli impatti e dei carichi, del rischio ambientale connesso alle attività umane dall’inizio della catena produttiva fino al destino finale del prodotto, sono già presenti nelle normative vigenti. Le politiche ambientali si vanno affinando all’interno di schemi che richiedono una valutazione delle prestazioni ambientali nell’ottica dell’intero ciclo di vita. Una nuova frontiera dell’eco-sostenibilità segna il passaggio ad una gestione integrata della protezione ambientale, perché non sia trascurata la valutazione di nessuna fase di vita del prodotto a cominciare dall’estrazione delle materie prime, passando per la produzione e l’utilizzo, fino al recupero o allo smaltimento. In altre parole, questa crescente attenzione verso le problematiche ambientali comporta necessariamente un nuovo modo di pensare la produzione industriale e l’approvvigionamento di beni e servizi. Questo è ciò che oggi viene chiamato Life Cycle Thinking. Accanto a ciò, si noti l’importanza delle politiche comunitarie per lo sviluppo sostenibile nell’ambito dell’IPP - Politica Integrata di Prodotto, e

La zincatura a caldo e il rispetto dell’ambiente

di alcuni principi ispiratori del green procurement – appalto verde, per i quali le pubbliche amministrazioni e le grandi imprese private dovrebbero favorire nell’acquisto i prodotti più eco-efficienti. Perché tutti questi processi possano risultare in azioni efficaci occorre uno strumento quantitativo che permetta di stabilire con oggettività l’efficienza ambientale di un sistema produttivo, di un servizio o di un’applicazione. Il mezzo operativo del Life Cycle Thinking è l’analisi LCA – Life Cycle Assessment, che affronta questa determinazione seguendo passo a passo la creazione del bene fruibile, partendo dall’estrazione delle materie prime, attraverso i carichi connessi a tutte le attività di trasformazione e alla sua vita utile, fino al ritorno alla terra o alla catena produttiva, sottoforma di rifiuto riciclato. Nel 2005, la zincatura a caldo è stata oggetto di uno studio LCA20 pan europeo effettuato su un campione di 46 impianti produttivi nei Paesi Europei le cui Associazioni Nazionali degli zincatori (e tra esse l’Associazione Italiana Zincatura) aderiscono all’EGGA (Associazione Europea degli zincatori a caldo), con una produzione complessiva di 937.000 tonnellate su un totale di quasi sei milioni. In fig. 12.3, il numero di impianti coinvolti per ciascun Paese europeo. I dati raccolti hanno permesso di istituire un inventario di ciclo di vita, ovvero un modello che permette di ricostruire il flusso di energia e materiali che caratterizza la zincatura a caldo, tramite l’insieme dei processi di trasformazione e trasporto coinvolti lungo tutta la catena produttiva. Questo va a costituire un modello del sistema reale che descrive e quantifica i carichi ambientali di ogni singola fase, così come del processo nel suo insieme. Fig. 12.3 Composizione del campione di impianti per lo studio di LCA effettuato da EGGA nel 2005.

L’LCA della zincatura a caldo

Austria 2 Spain 9

Belgium 5

France 4 Nordic Countries 6 Germ any 5

Italy 10 Great Britain 5

20 G-L Baldo and S Rossi, 2006, Pan-European Life Cycle Inventory project on hot dip galvanizing, Ed Proceedings Intergalva 2006, Napoli, pub EGGA-European General Galvanizers Association, London.

143

Capitolo 12

In fig. 12.4 si presentano i diagrammi relativi alle medie per i principali indicatori significativi, quali il Gross Energy Requirement - GER (fabbisogno di energia globale) e il Global Warmming Potential - GWP100 (effetto serra). I dati in fig. 12.4 sono riferiti a 3 differenti categorie di profili in acciaio scelte in base allo spessore crescente (A B e C) e ad una applicazione particolare, le barriere stradali (D). I risultati sono particolarmente interessanti. Essi mostrano l’incidenza percentuale dell’attività di zincatura (coating activity) rispetto alla produzione della costruzione di acciaio. Come si vede la spesa energetica o il carico ambientale connessi con la zincatura sono solo una piccola quota del totale. Fig. 12.4 Diagrammi delle performance medie per quattro categorie di prodotti zincati: A – acciaio leggero; B – acciaio medio; C – acciaio pesante; D – barriere autostradali.

Contributi al GER - consumo di energia 100% 80% 60% 40% 20% 0% A

Acciaio

Zincatura a caldo

Contributi al GWP100 - Effetto serra

2) 100% 80% 60% 40% 20% 0%

A Acciaio

Uno studio comparativo

Zincatura a caldo

Un esempio delle possibilità offerte dall’analisi LCA per supportare i progettisti nella scelta del sistema di protezione più ecocompatibile, è lo studio effettuato dall’Università Tecnica di Berlino, per la comparazione dell’eco-efficienza tra due differenti strutture di parcheggio in acciaio, di cui una zincata a caldo e l’altra semplicemente verniciata21. 21 Günter Fleischer, Robert Ackermann, 2006, Ökobilanzieller Vergleich von Korrosionsschutzsystemen für Stahlbauten, Projektarbeit am Lehrstuhl Systemumwelttechnik des Institutes für Technischen Umweltschutz Fakultät III – Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin.

144

La zincatura a caldo e il rispetto dell’ambiente

L’analisi comparativa è stata effettuata sulla base dei risultati dello studio paneuropeo EGGA. La struttura zincata a caldo rispetta le prescrizioni della norma UNI EN ISO 1461 con uno spessore di zinco di 100μm, supposta esente da necessità di manutenzioni dato l’ambiente di corrosione di classe C3 (secondo le normative ISO 9223 e UNI EN ISO 14713). La struttura verniciata risponde alle specifiche della normativa EN ISO 12944-5. La verniciatura è stata applicata dopo sabbiatura di grado Sa 2 ½ per la preparazione superficiale dell’acciaio; il rivestimento è di natura epossidica con uno spessore di 240μm. Sono previste manutenzioni alla verniciatura dopo 20 e 40anni dalla prima applicazione. Zincato a caldo Verniciato

Fig. 12.5 – I due parcheggi confrontati.

L’unità funzionale prescelta, base per l’analisi comparativa LCA, è costituita dalla protezione di 1m2 di superficie per una durata di 60anni della struttura. La sezione dell’acciaio impiegato nella costruzione è di dimensioni medie con caratteristico rapporto superficie/peso di 20m2/ton.

Fig. 12.6 Comparazione degli indici significativi per la comparazione LCA.

145

Capitolo 12

Come si vede da fig. 12.6, la zincatura determina migliori performance per quanto riguarda il risparmio di risorse energetiche, ma anche tutti gli effetti ambientali rappresentati dagli altri indicatori utili ai fini dell’LCA (foto smog, eutrofizzazione, acidificazione). Un risultato interessante, che lo studio ha messo in evidenza, è che la zincatura a caldo delle 500ton di acciaio impiegate nella costruzione del parcheggio zincato a caldo comporta una minore emissione di 57 tonnellate di CO2 con 60 anni di vita utile. I dati non cambiano significativamente per durate inferiori, ovvero per differenti tempi di osservazione. In fig. 12.7 c’è un semplice confronto tra risultati ottenibili dopo differenti intervalli di tempo. Si nota come le performance risultano sempre migliori per la zincatura a caldo nel caso degli indici relativi a consumo energetico e effetto serra. Anche gli altri indici si allineano con questo trend dopo la manutenzione necessaria per la verniciatura posta convenzionalmente dopo 20 anni dalla istallazione del manufatto. C’è da rilevare che tale durata di due decenni per una verniciatura è fuori dall’ordinario e costituisce un dato a favore nella comparazione con la zincatura. Fig. 12.7 Comparazione degli indici significativi per la comparazione LCA dopo differenti durate.

Product Category Rules della zincatura e degli altri trattamenti anticorrosivi

146

Nel 2010 sono state pubblicate le attuali PCR (Procuct Category Rules) per i sistemi di protezione dalla corrosione dell’acciaio, ad opera dello Swedish Environmental Management Council, l’organismo svedese che ha implementato il sistema di certificazione ambientale di prodotto noto come EPD – Environmental Product Declaration. Le PCR (precedentemente indicati come PSR) forniscono i requisiti specifici di prodotto da considerare ai fini della redazione di una dichiarazione ambientale. Lo spirito è quello di rendere comparabili i diversi sistemi adottabili. Per questo il documento recante le PCR, detta

La zincatura a caldo e il rispetto dell’ambiente

anche le regole per l’effettuazione dello studio LCA alla base delle dichiarazioni. In questo modo si ottiene una standardizzazione di attendibilità certificata della comparazione delle performance ambientali di zincatura, verniciatura, acciaio inox, acciaio corten. Le PCR, nel definire le unità funzionali, ovvero le unità di riferimento per quantificare il rendimento in termini di performance ambientali significative ai fini di un’analisi del ciclo di vita, impone che si indichi con chiarezza la durata della protezione, ripartendo sulla sua interezza la totalità dei carichi ambientali. Ciò costituisce un riferimento di straordinaria importanza. Tramite questi strumenti, si evidenzia la proprietà fondamentale della zincatura che è rappresentata dalla sua notevole durabilità, la quale conferisce al prodotto zincato una nuova prospettiva di competitività ambientale oltre che economica e tecnico-funzionale. Il documento delle PCR rende possibile la comparazione ed il confronto tra studi LCA ed EPD sia tra zincherie e aziende che propongono sistemi concorrenti sia tra aziende che operano nello stesso settore della zincatura. Inoltre, le nuove regole permettono di stilare report settoriali. L’EGGA ha pubblicato, infatti, nel 2010 una propria EPD del settore della zincatura a caldo in Europa con i dati medi ricavabili dall’inventario dai LCI del 2005. Le aziende che forniscono il servizio di zincatura a caldo, sulla base degli studi LCA condotti, seguendo i criteri stabiliti con il documento delle PCR, possono offrire ai loro clienti una dichiarazione verificata da un ente accreditato di certificazione e registrata con il marchio EPD. Con la dichiarazione ambientale di prodotto EPD, esse espongono pubblicamente le performance ambientali della loro produzione. Questa dichiarazione rappresenta uno strumento di diffusione affidabile22, che avrà un ruolo sempre più importante nell’ambito di regolamenti internazionali e nell’attuazione di politiche di acquisto sostenibile da parte delle pubbliche amministrazioni e delle compagnie private di una certa dimensione.

La certificazione ambientale EPD della zincatura.

22 Per approfondimenti: L Pernice, G-L Baldo, S Rossi, 2006, Environmental Product Declarations: Support for Green Communication and Marketing, Ed Proceedings Intergalva 2006, Napoli, pub EGGA – European General Galvanizers Association, London.

Per il documento delle PCR dei sistemi per la protezione dell’acciaio dalla corrosione, consultare il sito web del SEMC alla pagina www.environdec.com/page.asp?id=131&menu=1,1,5&pcrId=89.

147

Appendice

Alcuni esempi* di applicazione della zincatura a caldo

Di seguito viene presentata una breve carrellata di opere realizzate con l’impiego di acciaio zincato a caldo. Di ognuna di esse si fornisce una scheda riassuntiva con le principali informazioni, quali localizzazione, destinazione d’uso, dimensioni, caratteristiche progettuali. Le immagini selezionate sono relative tanto a strutture zincate in sé con la zincatura a vista, quanto ad opere nel loro aspetto definitivo, cioè anche in presenza di eventuali sovrastrutture che celano la vista dell’acciaio zincato, come ad esempio coperture cassettonate, controsoffittature, finiture di rivestimento. Ciò ha lo scopo di mostrare il risultato ottenibile attraverso l’utilizzo dell’acciaio zincato a caldo, mettendo in evidenza le potenzialità che questo materiale dimostra nel permettere soluzioni architettoniche di pregio ed avanzate funzionalità.

Immagini su concessione di Fondazione Promozione Acciaio

149

Appendice

La Porta del Parco, Bagnoli Futura Descrizione

un moderno polo di servizi integrati al turismo, alla cultura e al benessere

Realizzazione

la porta del parco: Bagnoli - Napoli

Proprietà

Società Bagnoli Futura S.p.A. di trasformazione urbana

PROGETTAZIONE (Direzione Lavori)

ATI Servizi Integrati Srl – IDI Srl

ARCHITETTURA: Foto:

Arch. Silvio d’ASCIA Arch. Silvio d’Ascia – Barbara Jodice

CANTIERE

2007-2010

SUPERFICIE

40.000 m² di cui 19.000 m² attività e spazi pubblici/ 4.500 m² loc. tec. / 16.500 m² parcheggi

Premi

International Galvanizing Award 2012

Panoramica

Cantiere

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La cupola e lâ&#x20AC;&#x2122;auditorium

La cupola

152

Appendice

Auditorium vista esterna

Lâ&#x20AC;&#x2122;interno dellâ&#x20AC;&#x2122;auditorium

153

154

Introduzione

Laguna Palace Hotel DESCRIZIONE Realizzazione Localizzazione Inizio-fine costruzione ProprietĂ

Laguna Palace Hotel, Laguna Suites, Laguna Conference Centre Venezia, Mestre 1998-2002 Venezia Futura S.r.l., Venezia

NUMERI SALIENTI Superficie totale Superficie coperta Residence Copertura vetrata

12.501 m2 Hotel e Conference Centre: 3.880 m2 1.914 m2 11.115 m2

PROGETTISTI Architettura Struttura DATI TECNICI Descrizione Strutture principali Strutture secondarie Coperture

DHK Architects, Cape Town â&#x20AC;&#x201C; Peter Fehrsen (head Project) Roy Pell, Andrew Thornton, Greg Viljoen Favero & Milan Ingegneria, Mirano, Venezia

Struttura portante copertura: graticcio di travi in acciaio zincato e verniciato 5 travi reticolari a cassone interasse 15.40 m, 2 travi laterali reticolari Travi reticolari piane interasse 3.00 m Lastre di vetro temperato stratificato 10 + 10 mm

155

Panoramiche esterne

156

Appendice

Particolare della struttura reticolare di copertura zincata e verniciata

Vista su hotel e darsena interna

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Viste esterne

158

Appendice

Viste esterne

159

Interni

160

Appendice

Interni

161

Interni

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Appendice

Casa O DESCRIZIONE Realizzazione Localizzazione Inizio-fine costruzione Proprietà Alberto Orru NUMERI SALIENTI Superficie totale Superficie coperta Volume 377 m2 Copertura vetrata PROGETTISTI Architettura Struttura DATI TECNICI Descrizione

Strutture

Alloggio Capoterra (CA) - Sardegna 2001-2004

1.200 m2 105 m2

Fabrizio Leoni Architettura con Olindo Merone Alessandro Falqui Cao, Sergio Leoni

L’ossatura dell’edificio è costituita da due gabbie strutturali in acciaio zincato a caldo, appoggiate o appese ad alcuni blocchi di calcestruzzo e connesse da una terza parte centrale a ponte. L’uso dell’acciaio zincato è pensato in funzione della leggerezza nei trasporti e nei montaggi Calcestruzzo armato e acciaio zincato a caldo

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Prospettive

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Appendice

Sezione longitudinale e pianta

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Struttura in costruzione

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Appendice

Telaio e travi di solaio in acciaio zincato a caldo

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Interni

168

Appendice

Vista dallâ&#x20AC;&#x2122;interno

169

Appendice

Impianto di risalita “Piz La Villa” DESCRIZIONE Realizzazione Localizzazione Inizio-fine costruzione Proprietà

Stazione di Valle e di Monte, impianto “Piz La Villa” Corvara (BZ) 2002 Grandi Funivie Alta Badia

NUMERI SALIENTI Somma area piani Area coperta Volume

1.800 m2 per stazione 595,4 m2 valle; 853,1 m2 monte 8.352 m2 valle; 10.144 m2 monte

PROGETTISTI Architettura Struttura

Arch. Kostner Ing. Sartori

DATI TECNICI Descrizione Strutture

Ristrutturazione impianto di risalita Acciaio zincato a caldo e calcestruzzo armato

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Strutture degli impianti

172

Appendice

Strutture degli impianti

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Viste degli impianti

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Appendice

Cantine Mezzacorona DESCRIZIONE Realizzazione Localizzazione Inizio-fine costruzione Proprietà

Nuove cantine della Cooperativa Mezzacorona Mezzocorona (TN) 1996-2005 Cooperativa Cantine Mezzacorona

NUMERI SALIENTI Superficie totale Area coperta Volume

104.672 m2 per stazione 60.331 m2 447.068 m2 + 203.602 m2

PROGETTISTI Architettura Struttura

Studio Cecchetto Lotto 1,2 SWS Trento – Ingg. Dettassis e Mazzolai Lotto 3 – Ingg. Mazzolai e Odorizzi

DATI TECNICI Strutture principali Strutture secondarie

Cemento armato e acciaio zincato Alluminio, legno lamellare ed acciaio zincato

Foto

Luca Campigotto/Studio Cecchetto

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Prospettive

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Appendice

Particolare della parete e della copertura in acciaio zincato a caldo

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Interni con strutture in acciaio zincato a caldo

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Appendice

Interni con strutture in acciaio zincato a caldo

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Prospettiva della copertura in legno con struttura in acciaio zincato a caldo

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Appendice

Veduta esterna della copertura

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Appendice

Industria Giacomini DESCRIZIONE Realizzazione Localizzazione Inizio-fine costruzione ProprietĂ

Ampliamento capannone industriale Castelnuovo del Garda (VR) 1995-1997 Giacomini Spa

NUMERI SALIENTI Area Altezza Numero piani

22.925 m2 9,70 m 2

PROGETTISTI Architettura Struttura

Studio tecnico Ingegneri Adami e Zeni (Ing. Giuseppe Adami) Dott. Ing. Lorenzo Di Gravio

DATI TECNICI Descrizione Descrizione tecnica

Coperture

P.T.: Officina meccanica, magazzino, ufficio tecnico. Piano Primo: sala riunioni, sala esposizione e uffici. Ampliamento stabilimento con copertura a shed formato da: deck di copertura con funzioni autoportanti formato di lamiera grecata zincata posta trasversalmente alle travi shed ed a queste fortemente vincolata; travi shed formate da profili IPE appoggiati agli estremi; travi portashed formate da briglie a aste di parete in profili ad angolo calastrellati; colonne incastrate alla base e libere alla sommitĂ (a mensola) formate da profili HEA, con mensole per il supporto delle vie di corsa per carroponte da 5 tonnellate. Ampliamento fabbricato uffici a due piani: travi principali profili IPE; colonne incastrate alla base ed ai piani - profili HEA; travi secondarie - profili serie IPE. Lamiera grecata

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Prospettive dello stabilimento e degli uffici

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Appendice

Prospettive degli uffici

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Strutture dello stabilimento

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Appendice

Interno dello stabilimento

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Gli uffici. La struttura Ă¨ interamente in acciaio zincato a caldo

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Appendice

Palazzo del Ghiaccio DESCRIZIONE Realizzazione Localizzazione Inizio-fine costruzione Proprietà

Stadio del Ghiaccio - nuova copertura Corsara in Badia (BZ) 2002 Comune di Corvara

NUMERI SALIENTI Area coperta Altezza Luce massima

4.850 m2 19,50 m 49,50 m

PROGETTISTI Architettura Struttura

Arch. Hugo Kostner Ing. Claudio Sartori

DATI TECNICI Descrizione

Strutture principali Strutture secondarie Coperture

Tetto a due falde con luce netta di 50 m. Portali zincati a caldo ed arcarecci verniciati. Manto di copertura realizzato con pannelli monolitici coibentati completi di fermaneve, grondaie raccolta acque, serramenti in alluminio e finiture. L’intervento completo è stato effettuato in 60 giorni solari senza alterare o modificare alcuna opera esistente, in particolare l’impianto di refrigerazione a pavimento, in quanto lo stadio era già perfettamente funzionante. Struttura a portale in trave a doppio T elettrosaldato a sezione variabile Arcarecci in profilo tubolare Pannelli monolitici coibentati

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La copertura in acciaio zincato a caldo

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Appendice

La copertura in acciaio zincato a caldo

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La copertura in acciaio zincato a caldo

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Riferimenti bibliografici

Zinc Handbook, Frank Porter, Marcel Dekker Inc., New York 1991 Corrosion Resistance of Zinc and Zinc Alloys, Frank Porter, 1994 Duplex Systems, J.F.H. van Eijnsbergen, Elsevier, 1994 General Hot Dip Galvanizing, Theory and Practice, F. Sjoukes, 1982 The Engineers & Architects Guide to Hot Dip Galvanizing, Galvanizers Association, Sutton Coldfield, UK Galvanizing for Corrosion Protection, Al Roebuck, American Galvanizers Association, 1992 Zincatura a caldo e centrifugazione di piccole parti, J.P. Kleingarn, Institut für angewandtes Feuerverzinken GmbH Protezione contro la corrosione di elementi di giunzione con la zincatura a caldo, G. Blinn/R. Schliebaum, Institut für angewandtes Feuerverzinken GmbH Protezione catodica, Luciano Lazzari/Pietro Pedeferri, McGraw-Hill, 2000 Fondamenti di elettrochimica, G. Bianchi/T. Mussini, Masson, 1993 Corrosione e protezione dei materiali, terza edizione, G. Bianchi/F. Mazza, Masson, 1989 Chimica applicata, Cesare Brisi, Ed. Levotto & Bella-Torino,1991 Galvanized Steel Reinforcement in Concrete, S.R. Yeomans, Elsevier, 2004 Zincatura a caldo, Antonio Di Casola, Pubblicomit Srl, Napoli,1993 Zincatura a caldo, Lucina Ciardi/Iginio Nizzola, Associazione Italiana Zincatura,1998 Protezione del tondo da cemento armato con zincatura, Romeo Fratesi, Associazione Italiana Zincatura, 2006. Le vernici in polvere, caratteristiche ed impiego, Massimo Riva, Milano, Pulverit SpA,1990 Riferimenti bibliografici vari nelle note a piè pagina nel corpo del testo. 195

Finito di stampare nel mese di dicembre 2014 per conto dellâ&#x20AC;&#x2122;Associazione Italiana Zincatura