Цинкование
Гальваническое цинкование широко используется из-за его способности защищать сталь от коррозии. Жертвенный характер защиты и устойчивость к царапинам делают его превосходным по своим характеристикам по сравнению с красками. Однако использование для недрагоценных металлов, отличных от стали или нержавеющей стали, встречается редко. Оцинковка может иметь привлекательный внешний вид, а поскольку стоимость относительно невысока, это очень популярное покрытие как для мелких деталей, таких как болты, гайки, заклепки, шайбы, гвозди, петли и крючки, так и для автомобильных деталей, внутренних деталей. компоненты и так далее. Он также работает как эффективная грунтовка для красок.
Типичный диапазон минимальной толщины указан между 5 и 25 мкм (8). Коррозионная стойкость покрытия зависит от толщины слоя и применяемой последующей обработки.
Для цинкования используются три основных процесса: цианидный, щелочной нецианидный и слабокислый хлоридный растворы. Выбор решения зависит от возможностей установки по очистке сточных вод, а также от типа и материала покрываемых компонентов.
Цианидный процесс обладает хорошей макровыбрасывающей способностью и, таким образом, обеспечивает достаточно равномерную толщину покрытия независимо от геометрической формы детали. Ванну легко обслуживать, она выдерживает довольно большие колебания концентраций. Поскольку ванна щелочная, она не разъедает стальные детали, а также обладает очищающими свойствами и устойчива к небольшому количеству органических примесей. Однако из-за содержания цианида ванна чрезвычайно токсична, что приводит к высоким затратам на промывочную воду и утилизацию отходов. При высоких плотностях тока выход по току низок, высок риск водородного охрупчивания термообработанных и карбонитридированных деталей. Другими недостатками цианидных ванн являются плохая микрометущая способность и трудности с нанесением покрытия на чугун. Это связано с наличием графита на поверхности чугуна и его меньшим водородным перенапряжением в растворе цианида по сравнению с цинком, что приведет к выделению водорода на графитовых пятнах вместо выделения цинка (9).
Цинк существует в цианидных ваннах в виде тетрацианокомплекса Zn(CN)42−, который диссоциирует с той же скоростью, с которой ионы Zn2 осаждаются на катоде (10). Ассоциация с цианидным комплексом, который как анионный ион вызывает большую концентрационную поляризацию, увеличивает макрометационную способность ванны, но снижает выход по току. Микробросающая способность (рычаг) цианидной ванны низкая. Цианидный комплекс делает кристаллическую структуру осажденного металла мелкой, что дает хорошую основу для отбеливателей для создания ярких покрытий, хотя яркость отложений только в цианидной ванне не так хороша, как в ваннах других типов. В щелочных цианидных ваннах ионы цинка также связаны с гидроксильными ионами как Zn(OH)42-, и существует баланс между цианидными и гидроксильными комплексами, который зависит от количества гидроксида натрия, добавленного в ванну.
Из-за неблагоприятного воздействия токсичного цианида его количество в ваннах варьировалось от ванн с высоким содержанием цианида до ванн со средним и низким содержанием цианида. Общее содержание цианида натрия в высокоцианидной ванне составляет 75–115 г/л, в среднецианидных ваннах – 35–55 г/л, а в низкоцианидных – 6–15 г/л (10–12). Затраты на вытяжку и утилизацию отходов ниже в ваннах с низким содержанием цианида, но требования к предварительной очистке и изменению рабочих параметров выше. Содержание гидроксида натрия должно быть достаточно высоким (80–100 г/л), чтобы обеспечить хорошую проводимость и анодное растворение, а также обеспечить хорошую белизну.
Добавляемые в цианидную ванну отбеливатели обычно являются органическими, поскольку концентрация металлических отбеливателей слишком критична. Обычно существуют первичные и вторичные отбеливатели. Наиболее распространенным первичным отбеливателем является поливиниловый спирт (ПВС), тогда как типичные вторичные отбеливатели представляют собой более мелкие молекулы, содержащие ненасыщенные связи и полярные группы, например, ароматические альдегиды и пиридины.
Цианидные ванны также содержат карбонат натрия, который образуется при окислении молекул цианида кислородом воздуха. Некоторое количество карбоната необходимо для образования плотного слоя покрытия, но избыточное его количество, свыше 70–80 г/л, необходимо удалить из ванны путем понижения температуры ванны ниже предела растворимости карбоната натрия.
Важными рабочими параметрами являются соотношение концентраций NaCN и Zn и плотность катодного тока. Чем больше количество Zn, тем ниже коэффициент NaCN/Zn, что повышает выход по току. Однако макрометательная способность будет хуже, и работа процесс покрытия является более требовательным. Выбор катодной плотности тока зависит от концентрации, используемых отбеливателей, температуры и перемешивания. Типичные значения составляют 2–5 Адм-2. Более высокие плотности тока снизят катодный выход по току. Цианидные ванны работают при комнатной температуре.
Чистота материал анода важен для цианидных ванн, так как влияет на яркость слоя покрытия. Обычно материал анода представляет собой цинк с чистотой более 99,99% в форме шариков или стержней. Когда ванна не используется, цинк растворяется в ванне; во избежание чрезмерного накопления цинка аноды следует снять.
Щелочные нецианидные цинковые ванны можно приготовить путем растворения оксида цинка ZnO в гидроксиде натрия и добавления отбеливателей. В ванне будет содержаться цинк 8–10 г/л и NaOH 90–120 г/л, причем цинк будет находиться в растворе в виде ионов Zn(OH)42- (11,12). Большинство свойств ванны определяются системами отбеливателей, которые обычно запатентованы и могут включать, например, ПВА и имины. Хорошими свойствами ванн являются низкое содержание металлов и, как правило, недорогая очистка сточных вод, хорошая яркость, хорошая макро- и умеренная микрометательная способность. Опасность водородного охрупчивания жаропрочных сталей ниже по сравнению с цианидными ваннами. Ванна требует лучшего контроля за работой, чем ванны с цианидом; в частности, содержание металлов необходимо контролировать в периоды простоя, поскольку слишком высокие концентрации металлов ухудшают белизну. Однако слишком низкое содержание металла снизит эффективность по току. Ванна работает при комнатной температуре.
Слабокислые растворы хлоридов завоевали большую долю рынка по мере развития свойств растворов. В ванне содержится 15–30 г/л цинка и либо хлорид аммония, либо калий, так что содержание хлоридов в ванне составляет 110–150 г/л (10,11). В ванну должны быть включены органические отбеливатели. Оптимальный диапазон pH – 4,5–5,5. Цинк растворится в растворе в виде ионов Zn2. Если не использовать отбеливатели, осадок будет столбчатым и шероховатым. Очень блестящие покрытия можно получить с помощью отбеливателей, а слабокислые растворы обычно считаются лучшими среди процессов цинкования. Выход по току при этом очень высок – около 95–98 % при большой площади плотности тока, что выгодно при плакировании карбонитридированной стали и чугуна. Мощность микробросания очень хорошая, но поскольку эффективность по току высока, мощность макробросания низкая. Это, наряду с химией ванны, требует тщательной очистки деталей перед нанесением покрытия, а также необходимо уделять большое внимание приспособлениям для покрытия. Побочным эффектом раствора кислого хлорида является потенциальная коррозия материалов подложки и образование пятен на покрытии, если его тщательно не смыть. Поэтому точечная сварка или другие детали с пластинчатой структурой для решения не подходят. Очистка сточных вод обычно проста, хотя аммоний может нарушить работу очистных сооружений, образуя комплексы с тяжелыми металлами. Ванна работает при комнатной температуре, можно использовать плотности тока до 6 Адм-2 без существенного снижения выхода по току.