Cynkowanie
Cynk galwaniczny jest szeroko stosowany ze względu na jego zdolność do ochrony stali przed korozją. Ofiarny charakter ochrony i tolerancji na zarysowania sprawia, że jego działanie jest lepsze niż samych farb. Jednak stosowanie na metalach nieszlachetnych innych niż stal lub stal nierdzewna jest rzadkie. Cynkowanie można przygotować tak, aby miało atrakcyjny wygląd, a ponieważ koszt jest stosunkowo niski, jest to bardzo popularna powłoka zarówno do małych części, takich jak śruby, nakrętki, nity, podkładki, gwoździe, zawiasy i haki, jak i do części samochodowych, wnętrz komponentów i tak dalej. Sprawdza się również jako skuteczny podkład pod farby.
Typowe zakresy minimalnej grubości mieszczą się w przedziale od 5 do 25 μm (8). Odporność powłoki na korozję zależy od grubości warstwy i zastosowanej obróbki końcowej.
Do cynkowania stosuje się trzy główne procesy: cyjanek, zasadowy niecyjanek i słabo kwaśne roztwory chlorków. Wybór rozwiązania zależy od możliwości oczyszczalni ścieków oraz rodzaju i materiału elementów, które mają być platerowane.
Proces cyjankowy charakteryzuje się dobrą siłą makrorzutu, dzięki czemu uzyskuje się w miarę równomierną grubość powłoki niezależnie od kształtu geometrycznego elementu. Wanna jest łatwa w utrzymaniu, toleruje dość duże wahania stężeń. Kąpiel ma charakter zasadowy, nie powoduje korozji części stalowych, a także posiada właściwości czyszczące powierzchnie, tolerując niewielkie ilości zanieczyszczeń organicznych. Jednak ze względu na zawartość cyjanków kąpiel jest wyjątkowo toksyczna, co powoduje wysokie koszty wody do płukania i koszty odpadów. Przy wysokich gęstościach prądu wydajność prądowa jest niska, a ryzyko kruchości wodorowej w przypadku części obrabianych cieplnie i azotowanych jest wysokie. Inne wady kąpieli cyjankowych to słaba siła mikrorzutu i trudności w powlekaniu żeliwa. Dzieje się tak za sprawą grafitu na powierzchni żeliwa i jego niższego nadnapięcia wodorowego w roztworze cyjanku w porównaniu z cynkiem, co zamiast wytrącania się cynku doprowadzi do wydzielania się wodoru na plamach grafitu (9).
Cynk występuje w kąpielach cyjankowych w postaci kompleksu tetracyjanowego Zn(CN)42−, który dysocjuje z tą samą szybkością, z jaką jony Zn2 wytrącają się na katodzie (10). Połączenie z kompleksem cyjankowym, który jako jon anionowy powoduje polaryzację o dużym stężeniu, zwiększa siłę makrorzutu kąpieli, ale powoduje niską wydajność prądową. Siła mikrorzutu (dźwignia) kąpieli cyjankowej jest słaba. Kompleks cyjankowy sprawia, że struktura krystaliczna wytrąconego metalu jest drobna, co stanowi dobrą podstawę dla rozjaśniaczy do tworzenia jasnych powłok, chociaż jasność osadu z samej kąpieli cyjankowej nie jest tak dobra, jak w przypadku innych typów kąpieli. W alkalicznych kąpielach cyjankowych jony cynku są również związane z jonami hydroksylowymi, takimi jak Zn(OH)42-, i istnieje równowaga pomiędzy kompleksami cyjankowymi i hydroksylowymi, która zależy od ilości wodorotlenku sodu dodanego do kąpieli.
Ze względu na niekorzystne działanie toksycznego cyjanku, jego ilość w kąpieli wahała się od kąpieli wysokocyjankowych do średnio- i niskocyjankowych. Całkowita zawartość cyjanku sodu w kąpieli wysokocyjankowej wynosi 75–115 g l−1, natomiast w kąpielach średniocyjankowych 35–55 g l−1, a w kąpieli niskocyjankowej 6–15 g l−1 (10–12). Koszty wyciągania i usuwania odpadów są niższe w przypadku kąpieli o niskiej zawartości cyjanku, ale wymagania dotyczące obróbki wstępnej i zmienności parametrów operacyjnych są wyższe. Zawartość wodorotlenku sodu powinna być wystarczająco wysoka, 80–100 g l-1, aby zapewnić dobrą przewodność i rozpuszczanie anod oraz dobrą jasność.
Wybielacze dodawane do kąpieli cyjankowej są zwykle organiczne, ponieważ stężenie rozjaśniaczy metalicznych jest zbyt krytyczne. Zwykle istnieją rozjaśniacze pierwotne i wtórne. Najpopularniejszym rozjaśniaczem pierwotnym jest alkohol poliwinylowy (PVA), natomiast typowymi rozjaśniaczami wtórnymi są mniejsze cząsteczki zawierające wiązania nienasycone i grupy polarne, na przykład aromatyczne aldehydy i pirydyny.
Kąpiele cyjankowe zawierają również węglan sodu, który powstaje w wyniku utlenienia cząsteczek cyjanku przez tlen z powietrza. Do wytworzenia gęstej warstwy powlekającej potrzebna jest pewna ilość węglanu, ale nadmierną ilość, ponad 70–80 g l-1, należy usunąć z kąpieli poprzez obniżenie temperatury kąpieli poniżej granicy rozpuszczalności węglanu sodu.
Ważnymi parametrami eksploatacyjnymi są zależności stężeń NaCN i Zn oraz gęstości prądu katodowego. Im większa ilość Zn, tym niższy współczynnik NaCN/Zn, który zwiększa wydajność prądową. Jednak siła makrorzutu będzie gorsza, a działanie proces powlekania jest bardziej wymagający. Wybór gęstości prądu katodowego zależy od stężenia, zastosowanych rozjaśniaczy, temperatury i mieszania. Typowe wartości to 2–5 Adm−2. Wyższe gęstości prądu obniżą wydajność prądu katodowego. Kąpiele cyjankowe prowadzi się w temperaturze pokojowej.
Czystość materiał anodowy jest ważny w przypadku kąpieli cyjankowych, ponieważ wpływa na jasność warstwy powłokowej. Zwykle materiał anodowy składa się z ponad 99,99% czystego cynku w postaci kulek lub prętów. Gdy kąpiel nie jest używana, cynk rozpuści się w kąpieli; aby uniknąć nadmiernego gromadzenia się cynku, należy usunąć anody.
Zasadowe, niecyjankowe kąpiele cynkowe można przygotować poprzez rozpuszczenie tlenku cynku ZnO do wodorotlenku sodu i dodanie rozjaśniaczy. Kąpiel będzie zawierać cynk 8–10 g l−1 i NaOH 90–120 g l−1, a cynk będzie w roztworze w postaci jonów Zn(OH)42−- (11,12). O większości właściwości kąpieli decydują systemy rozjaśniaczy, które zazwyczaj są opatentowane i mogą zawierać np. PVA i iminy. Do dobrych właściwości kąpieli należy niska zawartość metali i zwykle niedrogie oczyszczanie ścieków, dobra jasność, dobra moc makrorzutu i umiarkowana moc mikrorzutu. Niebezpieczeństwo kruchości wodorowej w przypadku stali ulepszanych cieplnie jest mniejsze w porównaniu z kąpielami cyjankowymi. Kąpiel wymaga lepszej kontroli działania niż kąpiele cyjankowe; w szczególności zawartość metalu musi być kontrolowana w okresach przestoju, ponieważ zbyt wysokie stężenie metalu pogorszy jasność. Jednakże zbyt niska zawartość metalu obniży wydajność prądową. Kąpiel pracuje w temperaturze pokojowej.
W miarę opracowywania właściwości roztworów, słabo kwaśne roztwory chlorków zyskały większy udział w rynku. Kąpiel zawiera cynk w ilości 15–30 g l−1 oraz chlorek amonu lub potasu, tak że zawartość chlorków w kąpieli wynosi 110–150 g l−1 (10,11). Do kąpieli koniecznie należy dodać organiczne rozjaśniacze. Optymalny zakres pH wynosi 4,5–5,5. Cynk zostanie rozpuszczony w roztworze w postaci jonów Zn2. Osad będzie kolumnowy i szorstki, jeśli nie zostaną użyte rozjaśniacze. Bardzo jasne osady można uzyskać stosując rozjaśniacze, a ogólnie uważa się, że roztwory słabo kwaśne zapewniają najlepszą jasność spośród procesów cynkowania. Sprawność prądowa jest jednocześnie bardzo wysoka i wynosi około 95–98% przy dużym obszarze gęstości prądu, co jest korzystne dla powlekania stali węgloazotowanej i żeliwa. Moc mikrorzutu jest bardzo dobra, ale ponieważ wydajność prądowa jest wysoka, moc makrorzutu jest słaba. To, wraz z chemią kąpieli, wymaga dokładnego oczyszczenia części przed galwanizacją i zwrócenia dużej uwagi na elementy galwaniczne. Niekorzystnym działaniem kwaśnego roztworu chlorku jest potencjalna korozja materiałów podłoża i plamienie powłoki, jeśli nie zostanie ona dokładnie spłukana. Dlatego zgrzewane punktowo lub inne części o strukturze lamelowej nie nadają się do tego rozwiązania. Oczyszczanie ścieków jest zwykle łatwe, chociaż amoniak może zakłócać pracę oczyszczalni ścieków, tworząc kompleksy z metalami ciężkimi. Kąpiel pracuje w temperaturze pokojowej i można stosować prądy o gęstościach do 6 Adm-2 bez istotnego spadku wydajności prądowej.