Технология гальванического цинкования металла
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.
Оглавление
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
Гальваническое цинкование выполняется методом электролиза с расходуемым анодом. В роли катода, как и во всей гальванике металлов, выступает обрабатываемое изделие, а в качестве анода используют пластины чистого цинка, размещаемые по ванне так, чтобы обеспечить равномерность потока анионов к покрываемой поверхности. Основными реагентами в составе электролита в общем случае являются сернокислый и хлористый цинк, а также фторборат цинка. Для улучшения параметров гальванического цинкования в раствор также вводят соли натрия, калия и алюминия. Скорость осаждения и максимальная толщина слоя цинка регулируется плотностью тока, которая зависит от состава гальванического раствора и его температуры.
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
Кроме основанного на электролизе гальванического цинкования, существует еще несколько технологических методов нанесения цинковых покрытий. Каждый из них решает особые производственные задачи, а в совокупности они дополняют друг друга и охватывают весь спектр вариантов защиты изделий с помощью цинковых покрытий. Далее вкратце описываются главные разновидности цинкования, применяемые в современных промышленных производствах.
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.
Газотермическое. При газотермическом цинковании защитный слой на поверхность детали наносится распыленной струей расплавленного цинка. Для этого используют цинковую проволоку, которая вместе с потоком воздуха автоматически поступает в пистолет, где под воздействием электрической дуги и горящего газа плавится и превращается в воздушный поток, насыщенный капельками металла. Таким методом наносят покрытия на объемные металлоконструкции (опоры линий электропередач, емкости нефтехранилищ и т. п.). К его достоинствам относят самую большую толщину напыляемого слоя, а к недостаткам — большой расход цинка, около трети которого теряется при распылении.
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:
- Механическая зачистка.
- Травление изделия.
- Промывка в проточной воде.
- Обезжиривание.
- Промывка, аналогичная п. 3.
- Гальваническое цинкование.
- Промывка, сушка и контроль.
В цехе оборудование гальванических линий цинкования располагается линейно, повторяя порядок описанного выше техпроцесса (см. рис. ниже). Для перемещения изделий между участками обработки используются мостовые или консольные краны с дистанционным управлением.
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
При гальваническом цинковании состав и температура электролита при заданной плотности тока напрямую влияют на скорость осаждения и структуру цинкового покрытия. Кроме того, отдельные виды электролитных растворов могут содержать в своем составе блескообразующие и окрашивающие добавки, используемые в декоративных целях. Для гальванического цинкования применяют основные группы электролитов, каждая из которых имеет множество рецептурных разновидностей:
- Кислые и слабокислые. Традиционные простые электролитические растворы на основе сульфатов, хлоридов, борфторидов или их смесей.
- Аммиакатные. Нейтральные и щелочные гальванические растворы, которые получают путем растворения оксида цинка в растворе сульфата (или хлорида) аммония.
- Цианидные и цинкатные. Щелочные электролиты, в которых применяют цианид и цинкат натрия, растворенные в едком натре.
Кроме того, существуют электролиты для гальванического цинкования на основе аминосоединений, но они имеют гораздо меньшее распространение.
Дефекты гальваники
Причины отклонений качества покрытий при гальваническом цинковании можно свести в три основные группы: недостатки в подготовке деталей, нарушения в рецептуре электролита и несоблюдение параметров гальванического процесса. Помимо этого на качество цинкования влияет конфигурация и пространственная ориентация детали в электролите, а также размещение и состояние плоскостей основных и вспомогательных анодов.
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.
Неоднородность внешнего вида. При нарушении пропорции основных реагентов электролита и накоплении в гальванической ванне солей железа цинковая поверхность может приобретать неравномерный вид, причем как по окраске, так и по шероховатости. Другими причинами такого отклонения от нормы может быть слишком низкая температура раствора и слабое перемешивание.
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.
