Гальваническое цинкование что это
Гальваническое цинкование
Цинк – светло-серый металл, в холодном состоянии хрупкий, при нагреве до температуры 100–150°С становится пластичным, легко гнется, не образует микротрещин. При нагреве более +250°С пластичность нивелируется, металл становится хрупким. Цинк легко паяется с использованием активных флюсов, твердость покрытий в зависимости от способа нанесения цинкового покрытий колеблется в пределах 0,4–2,0 ГПа.
При комнатной температуре цинк почти не реагирует с химическими элементами, при нагреве более +225°С скорость окисления критически возрастает. По мере увеличения толщины коррозионной пленки окислительные процессы замедляются. Гальваническое цинкование защищает от коррозии изделия из железа, никеля, меди и прочих металлов.
Виды и технологии цинкования
В настоящее время антикоррозионное цинкование производится несколькими способами. Конкретный метод выбирается с учетом назначения и размеров деталей и технологических возможностей предприятия и наличия оборудования.
Скорость коррозии гальванического цинкования и кадмирования
На сегодняшний день для цинкования используется до 40% общей добычи металла, это наиболее используемый метод антикоррозионной защиты металлических поверхностей. В связи с тем, что потенциал цинка отрицательнее, чем имеет сталь, чугун и железо, защита происходит электрохимическим путем. При воздействии летучих продуктов синтетических смол, олиф и хлоридсодержащих углеводородов покрытия гальванического цинкования быстро разрушаются.
Используемая толщина цинкования
Для увеличения коррозионной стойкости после цинкования изделий выполняется специальная химическая дополнительная обработка в растворах хромовой или фосфорной кислоты.
Сравнительная характеристика применяемых электролитов
Для гальванического цинкования применяются простые и сложные электролиты. К первым относятся хлоридные, сульфатные, борфторидные и прочие. Ко вторым относятся аммонийные, цианидные, аминонокомплексные и цинкатные электролиты, для улучшения могут добавляться различные добавки и присадки. Цинкование гальваническое в простых электролитах происходит при довольно низкой поляризации катода, в сложных электролитах поляризация имеет значительные величины. Осадки цинкования в кислых растворах с крупнокристаллической структурой. Качество улучшается после введения различных добавок. В сложных электролитах покрытие мелкокристаллическое, плотное, имеет повышенные эксплуатационные показатели. Конкретный способ цинкования подбирается с учетом условий эксплуатации изделий и технических возможностей предприятия.
Низкие показатели рассеивающей способности простых электролитов ограничивают цинкование деталей со сложными геометрическими формами. Осаждение цинка из сложных растворов происходит при высокой рассеивающей способности, они дают равномерное покрытие на сложных поверхностях.
Кислые (простые) электролиты Для процесса требуется специальное оборудование гальванического цинкования, ванны изготавливаются из устойчивых пластиков, размеры ванн регламентируются государственными стандартами, при желании заказчика могут корректироваться с учетом особенностей производственных помещений. В зависимости от того, какие размеры и планировку имеет цех гальваники, предусматривается возможность монтажа линий или отдельных рабочих зон для гальванического цинкования.
Режим цинкования и состав хлоридных электролитов
Первый электролит применяется для цинкования во вращающихся установках, второй для гальванического цинкования с блестящими покрытиями, третий для покрытия цинком листового проката и проволоки.
Режим цинкования и состав хлоридных электролитов
Режим цинкования и состав борфторидных электролитов.
Цианидные электролиты для гальванического цинкования
Большое влияние на качество осадков оказывает режим работы гальванических ванн. Температурные параметры электрохимических процессов контролируются автоматических, процентное содержание цинка проверяется по окончании каждой рабочей смены. Добавление в растворы органических веществ позволяет получать блестящее гальваническое цинкование. Работы на оборудовании разбиваются на отдельные этапы, соблюдение рекомендованных параметров каждого из них обеспечивает надлежащее качество покрытий.
Состав цианидных электролитов для промышленного оборудования
Раствор цианида натрия готовится отдельно при обязательном соблюдении правил техники безопасности производства работ на промышленном оборудовании. После подготовки цианида натрия в раствор небольшими порциями при постоянном перемешивании вводится гидроксид натрия. На завершающем этапе приготовления электролит разводится дистиллированной водой до получения расчетной концентрации цинка. Цинкование гальваническое в растворе производит значительно меньше примесей, при необходимости они удаляются электрохимическим путем по мере накопления.
Цинкатные электролиты Принципы гальванического цинкования в цинкатных электролитах отличаются по показателям плотности тока. Диссоциация компонентов происходит ступенчато, для осаждения необходимы высокие значения катодной поляризации. Поверхность изделия имеет губчатую структуру и темный цвет из-за микрочастиц, появляющихся за счет электрохимического растворения в щелочной среде цинковых анодов. Для устранения проблемы в раствор добавляются соединения четырехвалентного олова. Допускается в тех же целях использовать трилон Б, полиэтиленполиамин и др. Добавки дают возможность получать более полное цинкование гальваническое при увеличенных параметрах плотности тока.
Состав и режим цинкатных электролитов
Состав и режимы хлораммонийных электролитов для гальванического цинкования
Состав электролитов для гальванического цинкования с использованием аминокомплексных соединений
Состав пирофосфатных электролитов для гальванического цинкования
Для повышения качества и устойчивости цинковых покрытий дополнительно может выполняться финишное осаждение верхнего слоя. Чаще всего в промышленности в этих целях используется хроматирование.
Цинкование в домашних условиях своими руками
Оборудование своими руками для цинкования
1 – емкость под электролит. Можно изготовить своими руками из пластиков.
2 – аноды из цинка. Размеры должны отвечать размерам емкости, количество подбирается в зависимости от размещения обрабатываемых деталей.
3 – изделия цинкования. Размеры и количество должны учитывать технические характеристики ванны.
4 – электролит. Раствор приготавливается согласно существующих рекомендаций по химическому составу.
Толщина цинкового покрытия своими руками регулируется временем выдержки, плотностью тока и концентрацией электролита. Цинкование гальваническое должно производиться с соблюдением техники безопасности, размеры оборудования обеспечивать благоприятные параметры процесса.
Гальваническое цинкование – эффективный способ защиты металла
Нанесение на железо слоя цинка – самый распространенный способ его защиты от коррозии. Гальваническое цинкование получило наиболее широкое распространение благодаря преимуществам технологии и получаемых защитных покрытий.
1 Особенности защитных цинковых покрытий
Цинкование – самый распространенный способ защиты железа поверхностной металлизацией от атмосферной коррозии. Для этих целей расходуется около 40 % от общего объема мировой годовой добычи цинка. Цинкование получило широкое распространение благодаря анодному характеру создаваемой из цинка защиты.
Значение электрохимического потенциала цинка составляет – 0,763 В, что меньше такого же параметра для черных металлов (железа, стали, чугуна), поэтому он защищает последние от коррозии электрохимическим способом. Причем защитные свойства покрытий из цинка проявляются даже в случае незначительной их толщины и при наличии обнаженных участков, пор. Известно много примеров протекторного характера защиты цинком непокрытых им, оголенных фрагментов стальных изделий (например, обрезанные проволока в поперечном сечении и края оцинкованного листового железа, резьба гайки без покрытия, навинченной на оцинкованный болт).
Анодный характер взаимодействия цинкового покрытия с сталью и внешней средой в ряде случаев может смениться на катодный и тогда коррозионные процессы в железе происходят очень интенсивно. Подобное наблюдается, например, при воздействии на оцинкованные изделия горячей воды, нагретой до 70 °С и выше (в автоклавах, котельных установках).
Сам цинк, принимая «удар» на себя от воздействия внешней среды, защищается следующим образом: при окислении этого металла на его поверхности образуется тонкая плотная оксидная пленка, препятствующая проникновению кислорода дальше вглубь цинка. Благодаря этому его окисление останавливается. У железа образующиеся при окислении оксиды имеют объем больший, чем первоначальный металл, и поэтому пленка из них сразу разрушается, становится рыхлой и пропускает кислород к неокисленному материалу. Так возникает ржавчина.
У цинковых покрытий химическая стойкость снижается при воздействии на них летучих продуктов, которые выделяются при старении следующих органических материалов:
Покрытия подвержены легкому разрушению, если они контактируют или находятся в закрытом объеме с промасленными или свежеокрашенными деталями.
Большое влияние на быстроту корродирования цинка оказывает показатель рН среды. При рН 7–12 (щелочная среда) этот металл практически не растворяется. Отклонение от указанных величин приводит к возрастанию скорости его коррозии. Особенно высока скорость коррозии цинковых покрытий в атмосфере тропиков и промышленных городов.
2 Гальванический способ цинкования металлов
Защитное действие покрытий из цинка в первую очередь определяется их толщиной, устанавливаемой исходя из конкретных условий эксплуатации металлических изделий и равномерности их нанесения. Возможности различных способов цинкования неодинаковы и позволяют получать толщину покрытия от 5 мкм (гальваническое) до 1,5 мм. В случае гальванического способа металлизации качество защитного слоя во многом зависит от характера используемого электролита для цинкования.
Защитные свойства цинка можно значительно увеличить разными способами, самые распространенные из которых следующие:
Гальваническое цинкование представляет собой электролитический метод нанесения тонкого защитного слоя цинка на изделие, поверхность которого должна быть предварительно подготовлена. Этот способ позволяет получать покрытия толщиной 5–40 мкм.
3 Преимущества и недостатки цинкования гальваническим методом
Электролитический способ нанесения цинка в сравнении с другими методами цинкования наиболее распространен и обладает следующими преимуществами:
Основным недостатком является низкая адгезия (сцепление) образуемого покрытия с изделием, требующая особой тщательности подготовки (очистки) поверхности последнего. Еще следует отметить вероятность наводораживания защищаемого металла, особенно при несоблюдении режимов гальваники цинкования, что приводит к водородной хрупкости изделия и непривлекательному виду его поверхности. Существенным недостатком этого метода является образование ядовитых и вредных для окружающей среды отходов, которые необходимо подвергать тщательной очистке.
4 Технология и оборудование гальванического цинкования на производстве
На производстве электролитическое цинкование включает следующие технологические процессы, производимые с изделиями:
В зависимости от типа изделия и соответствующей технологии некоторые этапы промывки могут проводиться щеточно-моечным способом. Могут быть дополнительные операции. Например, гальваническое цинкование полосы начинают с ее разматывания, сварки концов, а затем правки. Заканчивают – промасливанием и сматыванием.
В соответствии с типом покрываемых изделий и объемом производства применяют различные гальванические линии и сопутствующее им дополнительное оборудование. Эти линии представляют из себя определенную последовательность промывочных и технологических ванн, необходимых для создания однослойных либо многослойных цинковых покрытий с требуемыми функциональными свойствами. Все гальваническое оборудование по степени механизации классифицируется на:
В комплект поставки линии, в зависимости от ее модели, помимо ванн входят:
5 Электролиты, используемые при гальваническом цинковании
На гальваническом производстве, исходя из назначения изделия, применяют различные электролиты для цинкования. Их условно делят на 2 основные группы:
От состава и природы электролитов для цинкования зависят скорость осаждения и качество осадков цинка на катоде.
Самый востребованный метод металлизации – в слабокислых простых электролитах для цинкования. Они допускают использование тока большей плотности, чем комплексные, и, соответственно, отличаются более высокой скоростью процесса наращивания покрытий. Гальванике с этими электролитами для цинкования также характерны высокий уровень укрываемости и хороший внешний вид получаемых покрытий. Сталь при их использовании менее подвержена наводороживанию, приводящему к хрупкости деталей. Но эти электролиты пригодны только для заготовок простой конфигурации, проволоки, ленты. Качество покрытий не очень высокое.
Осаждение цинка из комплексных электролитов для цинкования протекает в условиях высокого рассеивания ионов, с снижением выхода металла и увеличением выделения водорода при возрастании плотности тока. Поэтому эти растворы используют с малой плотностью тока. Их применение позволяет получать мелкозернистые, равномерные, очень качественные покрытия на изделиях и простой, и сложной формы.
Технология гальванического цинкования металла
Гальваническое цинкование: основы, преимущества и краткое описание техпроцесса. Виды электролитов и применяемого оборудования. Дефекты гальваники и их причины.
Гальваническое цинкование — это один из самых распространенных методов создания антикоррозионных и декоративных цинковых покрытий. Оно дешевле и проще горячего цинкования, но имеет некоторые ограничения по применению, поскольку не позволяет создавать защитных слоев толще 40 микрон. Основой этой технологии является электрохимический процесс осаждения цинка из электролитического раствора на деталь, подключенную к отрицательному полюсу источника питания. Для повышения коррозионной и механической стойкости, а также в декоративных целях цинковые покрытия подвергают кадмированию, хроматированию и обработке фосфатными соединениями.
Обычно гальваническим способом цинк наносят на поверхности изделий из углеродистых сталей и различных видов чугуна. Помимо этого существуют технологии электролитического цинкования алюминия и ряда других металлов, но они используются гораздо реже. Основная номенклатура цинковой гальваники — это разнообразные крепежные элементы, инструмент, кронштейны, опоры, подвески, внешние детали машин и оборудования, а также холоднокатаный тонколистовой прокат. Сегодня среди народных умельцев электролитическое цинкование является самой популярной гальванической технологией. Это связано с тем, что цинк и его соединения практически безвредны, недороги и их свободно может приобрести любой желающий. А для работы с этими реагентами требуются минимальные знания и простейшее оборудование.
Преимущества цинковых покрытий
В настоящее время оцинковка является самым массовым покрытием, используемым для антикоррозионной защиты черных металлов. Это связано с тем, что по совокупности экономических, экологических, технологических и физико-химических факторов у горячего и гальванического цинкования попросту нет конкурентов. К примеру, цинк дешевле никеля в четыре раза, а олова — в восемь раз. Сопоставимый с ним по цене кадмий и его соединения высокотоксичны и канцерогенны, а технология их применения гораздо сложнее.
Цинк прекрасно адгезируется к поверхности стали и чугуна. Кроме того, он является более активным металлом, поэтому легче окисляется и в паре с цинком не дает вступать железу в окислительные реакции. Эта его особенность проявляется даже в тех случаях, когда непрерывность покрытия нарушена, т. е. на поверхности металла имеются царапины, задиры, трещины или потертости. Гальванические цинковые покрытия пластичны и сохраняют непрерывность на деталях, работающих в режиме циклической деформации. К примеру, кадмированный цинк используется в качестве коррозионной защиты стальных пружин, работающих в режиме периодического сжатия и растяжения.
Описание процесса
В процессе гальванизации происходит электрохимическое растворение цинка в объеме электролита и перемещение его на катод (покрываемое изделие). Поэтому анодные пластины должны периодически контролироваться на истощение, а при необходимости очищаться от окислов солей.
Способы цинкования металлов
Горячее. При использовании этой технологии нанесение цинка на поверхность изделия проводится путем погружения его в расплавленный металл. Таким способом можно получить самые толстые защитные слои. По сравнению с гальваническим горячее цинкование является более затратным, но обеспечивает самую высокую скорость нанесения цинкового покрытия.
Холодное. Холодным цинкованием в обиходе называют покрытие металлических изделий и больших металлоконструкций с помощью кистей и пульверизаторов композитами, содержащими не менее 80% цинка (в сухой пленке). Это самая простая по нанесению технология цинкования, но она менее долговечна, чем горячая и гальваническая.
Термодиффузионное. Для цинкования этим методом применяют вращающиеся барабанные печи, в которые загружают обрабатываемые детали и специальные порошки, содержащие цинк и вспомогательные компоненты. При вращении в течение нескольких часов при температуре 350÷450 °C происходит диффузионное насыщение поверхностных слоев железа атомами цинка, в результате чего образуется устойчивое защитное покрытие.
Используемые материалы и оборудование
Оборудование для цинковой гальванотехники такое же, как и для других гальванических процессов. В его состав входят ванны для гальванического цинкования, а также емкости для химической подготовки изделий. Их объем зависит от вида производства и может варьировать от десяти литров до нескольких кубометров. К ваннам подведены трубопроводы для подачи и отвода воды и реагентов и электрические контакты для подвода напряжения к анодам и катодам.
В общем виде технологический процесс гальванического цинкования состоит из следующих этапов:
Современные ванны для гальванического цинкования изготавливают из кислотостойких пластмасс. Безопасность при работе с компонентами электролита аналогична правилам промышленного использования растворов кислот и щелочей. Никаких специальных требований, связанных с токсичностью или агрессивностью электролита, к гальваническому цинкованию не предъявляется.
Применяемые электролиты
Кроме того, существуют электролиты для гальванического цинкования на основе аминосоединений, но они имеют гораздо меньшее распространение.
Дефекты гальваники
Недостаточная адгезия. Отслаивание и непрочность присоединения защитного слоя цинка после гальванического цинкования, как правило, связаны с нарушениями техпроцесса при очистке, травлении и обезжиривании поверхности изделия. Кроме того, причиной этого явления может быть засорение электролита солями других металлов и органическими соединениями.
Питтинг. Питтингом в гальванике называют образование на поверхности осаждаемого металла небольших точечных каверн или углубленных полосок. В гальваническом цинковании этот дефект может проявляться вследствие отсутствия или недостаточной интенсивности перемешивания, а также из-за наличия в электролите органических или гидрокисных примесей.
Шероховатость. Излишняя шероховатость защитного цинкового слоя обычно указывает на присутствие в гальваническом растворе избыточного количества сульфата цинка, различных гидроксидов и механических примесей. Это явление также может быть следствием слишком высокой плотности тока и недостаточной концентрации в электролите анионов цинка.
Хрупкость покрытия. Если покрытие, полученное гальваническим цинкованием, имеет повышенную хрупкость, то в большинстве случаев это указывает на слишком высокую плотность тока в катодном пространстве. Другая причина этого дефекта — избыточное присутствие в электролите органических примесей.
Темный цвет. Причинами различных оттенков темных цветов (в основном, коричневого) обычно являются наличие органических загрязнений в гальванической ванне, завышенная температура электролитического раствора, а также снижение плотности тока в области катода.
В Интернете можно встретить описания и даже видеоролики с демонстрацией «наружного» гальванического цинкования без использования ванны. А что вы думаете по поводу этой технологии? Поделитесь, пожалуйста, своим мнением в комментариях к данной статье.