Zincatura
La galvanica di zinco è ampiamente utilizzata per la sua capacità di proteggere l'acciaio dalla corrosione. La natura sacrificale della protezione e la tolleranza ai graffi rendono le sue prestazioni superiori alle sole vernici. Tuttavia, l'uso su metalli di base diversi dall'acciaio o dall'acciaio inossidabile è raro. La zincatura può essere preparata per avere un aspetto attraente e, poiché il costo è relativamente basso, è un rivestimento molto popolare sia per piccole parti come bulloni, dadi, rivetti, rondelle, chiodi, cerniere e ganci, sia per parti automobilistiche, interni componenti e così via. Funziona anche come efficace sottosmalto per vernici.
Gli intervalli di spessore minimo tipici sono specificati tra 5 e 25 μm (8). La resistenza alla corrosione di un rivestimento dipende dallo spessore dello strato e dal post-trattamento applicato.
Per la zincatura vengono utilizzati tre processi principali: soluzioni al cianuro, soluzioni alcaline non cianuro e soluzioni di cloruro debolmente acide. La scelta della soluzione dipende dalle capacità di trattamento degli effluenti di un impianto e dal tipo e materiale dei componenti da placcare.
Il processo al cianuro ha un buon potere di macrogetto, e quindi conferisce uno spessore di rivestimento abbastanza uniforme indipendentemente dalla forma geometrica del componente. Il bagno è di facile manutenzione e tollera variazioni piuttosto ampie di concentrazione. Poiché il bagno è alcalino, non corrode le parti in acciaio e ha anche proprietà di pulizia della superficie per tollerare piccole quantità di impurità organiche. Tuttavia, a causa del contenuto di cianuro, il bagno è estremamente tossico, il che comporta elevati costi di acqua di risciacquo e rifiuti. A densità di corrente elevate, l’efficienza di corrente è bassa e il rischio di infragilimento da idrogeno per le parti trattate termicamente e carbonitrurate è elevato. Gli altri svantaggi dei bagni al cianuro sono lo scarso potere di microgetto e le difficoltà nella placcatura della ghisa. Ciò è dovuto alla grafite sulla superficie della ghisa e alla sua minore sovratensione di idrogeno nella soluzione di cianuro rispetto allo zinco, che porterà allo sviluppo di idrogeno sulle macchie di grafite invece che alla precipitazione dello zinco (9).
Lo zinco esiste nei bagni di cianuro come complesso tetraciano Zn(CN)42−, che si dissocia alla stessa velocità con cui gli ioni Zn2 vengono precipitati al catodo (10). L'associazione con il complesso del cianuro, che come ione anionico provoca una polarizzazione a grande concentrazione, esalta il potere macrogetto del bagno, ma rende bassa l'efficienza della corrente. Il potere di microlancio (effetto leva) di un bagno al cianuro è scarso. Il complesso di cianuro rende fine la struttura cristallina del metallo precipitato, il che fornisce una buona base per gli sbiancanti per realizzare rivestimenti brillanti, sebbene la brillantezza del deposito da un bagno di cianuro da solo non sia buona come quella di altri tipi di bagni. Nei bagni alcalini al cianuro, gli ioni zinco sono anche associati agli ioni idrossile come Zn(OH)42−, e c'è un equilibrio tra cianuro e complessi idrossilici, che dipende dalla quantità di idrossido di sodio aggiunto al bagno.
A causa degli effetti negativi del cianuro tossico, la sua quantità nel bagno varia da bagni ad alto contenuto di cianuro a bagni a medio e basso contenuto di cianuro. Il contenuto totale di cianuro di sodio del bagno ad alto cianuro è 75–115 g l−1, mentre nei bagni a medio cianuro è 35–55 g l−1 e in quelli a basso cianuro 6–15 g l−1 (10–12). I costi di trascinamento e smaltimento dei rifiuti sono inferiori nei bagni a basso contenuto di cianuro, ma i requisiti per il pretrattamento e la variazione dei parametri operativi sono più elevati. Il contenuto di idrossido di sodio dovrebbe essere sufficientemente elevato, 80–100 g l−1, per avere una buona conduttività e dissoluzione dell'anodo e per produrre una buona luminosità.
Gli azzurranti aggiunti al bagno di cianuro sono generalmente organici, poiché la concentrazione degli azzurranti metallici è troppo critica. Di solito esistono sbiancanti primari e secondari. Il brillantante primario più comune è l'alcool polivinilico (PVA), mentre i tipici brillantanti secondari sono molecole più piccole che contengono legami insaturi e gruppi polari, ad esempio aldeidi aromatiche e piridine.
I bagni al cianuro contengono anche carbonato di sodio, che si forma quando le molecole di cianuro vengono ossidate dall'ossigeno presente nell'aria. È necessaria una certa quantità di carbonato per formare uno strato di rivestimento denso, ma una quantità eccessiva, superiore a 70–80 g l−1, deve essere rimossa dal bagno abbassando la temperatura del bagno al di sotto del limite di solubilità del carbonato di sodio.
Parametri operativi importanti sono le relazioni tra le concentrazioni di NaCN e Zn e la densità di corrente catodica. Maggiore è la quantità di Zn, minore è il fattore NaCN/Zn, che aumenta l'efficienza attuale. Tuttavia, il potere di lancio macro sarà inferiore e il funzionamento del processo di placcatura è più esigente. La scelta della densità di corrente catodica dipende dalle concentrazioni, dagli sbiancanti utilizzati, dalla temperatura e dall'agitazione. I valori tipici sono 2–5 Adm−2. Densità di corrente più elevate ridurranno l'efficienza della corrente catodica. I bagni al cianuro vengono utilizzati a temperatura ambiente.
La purezza di un materiale dell'anodo è importante per i bagni al cianuro poiché influisce sulla brillantezza dello strato di rivestimento. Di solito, il materiale dell'anodo è zinco puro per oltre il 99,99%, sotto forma di sfera o barra. Quando il bagno non viene utilizzato, lo zinco si dissolve nel bagno; per evitare un eccessivo accumulo di zinco, gli anodi dovrebbero essere rimossi.
Bagni di zinco alcalini senza cianuro possono essere preparati sciogliendo l'ossido di zinco ZnO in idrossido di sodio e aggiungendo brillantanti. Il bagno conterrà zinco 8–10 g l−1 e NaOH 90–120 g l−1, e lo zinco sarà nella soluzione come ioni Zn(OH)42− (11,12). La maggior parte delle proprietà del bagno sono determinate dai sistemi sbiancanti, che solitamente sono brevettati e possono includere, ad esempio, PVA e immine. Le buone proprietà dei bagni sono il basso contenuto di metalli e il trattamento degli effluenti solitamente poco costoso, la buona luminosità, il buon potere di macrolancio e il potere di microlancio moderato. Il pericolo di infragilimento da idrogeno per gli acciai sottoposti a trattamento termico è inferiore rispetto ai bagni al cianuro. Il bagno richiede un migliore controllo del funzionamento rispetto ai bagni al cianuro; in particolare, il contenuto di metallo deve essere controllato durante i periodi di inattività, poiché concentrazioni di metallo troppo elevate deteriorano la brillantezza. Tuttavia, un contenuto di metallo troppo basso ridurrà l'efficienza attuale. Il bagno funziona a temperatura ambiente.
Le soluzioni di cloruro debolmente acide hanno guadagnato più quote di mercato man mano che le proprietà delle soluzioni sono state sviluppate. Il bagno contiene 15–30 g l−1 di zinco e cloruro di ammonio o di potassio, in modo che il contenuto di cloruro del bagno sia 110–150 g l−1 (10,11). Gli sbiancanti organici devono essere inclusi nel bagno. L'intervallo di pH ottimale è 4,5–5,5. Lo zinco verrà disciolto nella soluzione come ioni Zn2. Il precipitato sarà colonnare e ruvido a meno che non vengano utilizzati brillantanti. Depositi molto brillanti possono essere ottenuti mediante l'uso di brillantanti e si ritiene generalmente che le soluzioni debolmente acide diano la migliore brillantezza tra i processi di zincatura. Allo stesso tempo, l'efficienza di corrente è molto elevata, intorno al 95–98% con un'ampia area di densità di corrente, il che è vantaggioso per la placcatura di acciaio carbonitrurato e ghisa. La potenza del microlancio è molto buona, ma poiché l'efficienza attuale è elevata, la potenza del macrolancio è scarsa. Questo, insieme alla chimica del bagno, richiede che le parti vengano pulite attentamente prima della placcatura e che sia prestata molta attenzione agli impianti di placcatura. L'effetto negativo della soluzione di cloruro acido è la potenziale corrosione dei materiali del substrato e la colorazione del rivestimento a meno che non venga accuratamente risciacquato. Pertanto, parti saldate a punti o altre parti con strutture lamellari non sono adatte alla soluzione. Il trattamento degli effluenti è solitamente semplice, sebbene l'ammonio possa disturbare il funzionamento di un impianto di effluenti formando complessi con metalli pesanti. Il bagno funziona a temperatura ambiente ed è possibile utilizzare densità di corrente fino a 6 Adm−2 senza un calo significativo dell'efficienza di corrente.