ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ МЕТАЛЛАМИ

Цинкование

Общая характеристика

Цинк – электроотрицательный металл и по отношению к нормальному водородному электроду обладает электрохимическим потенциалом – 0,76 В. Сам по себе цинк твердый металл; в холодном состоянии хрупкий. Твердость по Виккерсу матовых осадков ~ 50 кгс/мм².

Т. к. цинк обладает более отрицательным электрохимическим потенциалом, чем железо, то в контакте с ним при наличии влаги образуется гальванический элемент, в котором железо служит катодом и остается без изменения, а цинк – растворяется. На этом основана протекторная защита цинка защитных корпусов судов, доковых ворот, портовых сооружений и т.д, работающих вжидкой электропроводной среде. Таким образом покрытие цинком защищает от коррозионного разрушения черные металлы не только механически, но и электрохимически. Даже в случае поврежденияцинкового покрытия коррозия железа будет происходить или замедленно, или ее не будет. Продолжительность защитного действия цинкового покрытия зависит от характера коррозионной среды, температуры, толщины покрытия, разницы потенциалов.

Цинковое покрытие хорошо защищает стальные изделия от действия бензина и других серосодержащих жидкостей (бензопроводы, бензонасосы, емкости и трубопроводы).

Часто цинковое покрытие применяют для защиты от коррозии водопроводных труб и питьевых резервуаров, причем в мягкой воде покрытие защищает хуже, чем в жесткой. В горячей воде ( > 70 ⁰С) цинковое покрытие не обеспечивает надежной защиты от коррозии, а защищает только механически. В морском климате срок службы покрытия ~ 20 – 25 лет.

Применяют такие покрытия для защиты от коррозии крепежных изделий, стальных листов, проволоки, водопроводных труб, резервуаров при температурах < 60 – 70 ⁰С, а также для защиты изделий от бензина и масла.

Методы цинкования

Для покрытия цинком применяются следующие способы:

1) погружение детали в расплавленный цинк – горячее цинкование;

2) цементация – диффузионный способ нанесения;

3) металлизация распылением расплавленного металла из пульверизатора;

4) контактные электролитические методв.

Горячий способ цинкования

Этот способ заключается в погружении предварительно очищенных от окисных и жаровых загрязнений металлических изделий из черных металлов путем погружения этих изделий в ванну из малоуглеродистой стали с расплавленным цинком. Температура ванны ~ 400 – 450 ⁰С, а время выдержки – от нескольких секунд до одной минуты.

Перед погружением в расплав цинка металл проходит через слой расплавленного флюса, который находится на поверхности ванны и состоит из ZnCl₂ и NH₃Cl. Цель – обезжиривание поверхности и очистка.

Сцепление покрытия при горячем способе цинкования основано на смачивании поверхности металла расплавленным цинком, который образует с железом хрупкое интерметаллическое соединение FeZn₇, FeZn₃. Толщина слоя и толщина всего покрытия зависят от длительности пребывания в ванне, температуры и формы изделий. Поэтому точно регулировать толщину покрытия при этом методе сложно.

Недостатки горячего способа цинкования: неравномерность покрытия по толщине; большой угар и вынос цинка вместе с изделиями; нельзя оцинковать изделия из некоторых сортов стали, склонных к отпускной хрупкости; нельзя оцинковать изделия с узкими отверстиями.

Диффузионный способ цинкования

Этот способ заключается в том, что стальные изделия, предварительно очищенные от жировых и окисных загрязнений, соприкасаются с мельчайшими частицами цинка (цинковый порошок) или подвергаются действию паров цинка без контакта с металлом при температуре 400 – 500 ⁰С. Цинк диффундирует в поверхностные слои изделия, образуя или твердые растворы, или химические соединения. Процесс осуществляется обычно в восстановительной, аммиачной атмосфере либо в вакууме при теипературе ~ 300 ⁰С.

Особенностью диффузионного метода является возможность получения сплошного и равномерного цинкового покрытия на изделиях любой сложной формы.

Диффузионный метод цинкования применяется для покрытия установок для производства бензина, теплообменников, печей, аппаратуры для нагрева аммиака и др. При этом аппаратура, оцинкованная диффузионным методом, является стойкой в восстановительной газовой среде в присутствии сероводорода при температурах до 550 ⁰С.

Недостатки диффузионного метода цинкования: громоздкость и сложность аппаратуры и большая продолжительность процесса.

Покрытие методом пульверизации

Метод распыления цинка заключается в разбрызгивании тонкой струи расплавленного металла по поверхности изделия струей сжатого воздуха. С помощью этого метода можно покрывать изделия из любого материала, т.к. частицы расплавленного металла осаждаются на поверхности изделия достаточно охлажденными.

Преимущества метода:

- при пульверизации не образуется сплава напыляемого металла с поверхность изделия. Сцепление покрытия обеспечивается за счет того, что частицы цинка, ударяясь о поверхность на большой скорости (~ 100 – 150 м/с) деформируются, слипаются и проникают в поры поверхности и в поверхности между другими частицами, структура цинкового покрытия при этом методе имеет вид отдельных пластинчатых наслоений, механически связанных с поверхностью изделия. Необходимым условием прочного сцепления покрытия с основой является шероховатость поверхности, которая достигается песко- или дробеструйной обработкой. Прочность сцепления может быть повышена за счет предварительного подогрева изделия;

- этим способом можно цинковать очень крупные сооружения различной формы (стальные конструкции, мосты, шлюзовые ворота, баки для хранения нефти, радиомачты и т.д.), неметаллические изделия, производить частичный ремонт покрытия без демонтажа сооружения.

Мелкие детали цинкуют во вращающихся барабанах, соединенных с аппаратом для распыления.

Достоинства метода пульверизации: возможность регулирования толщины цинка и большая скорость нанесения покрытия.

Недостатки метода: малая плотность, пористость, хрупкость покрытия. Расход цинка при этом значительно больше количества металла, наносимого на поверхность изделия, поэтому потери составляют ~ 35 %.

Для повышения плотности и улучшения антикоррозионных свойств покрытия иногда применяют механическую обработку шлифованием или химическую обработку. Химическая обработка основана на заполнении пор инертными веществами или пропитки ими слоя либо пропитки продуктами коррозии слоя цинка в покрытии.

Электролитический метод

Этот способ наиболее рациональный и совершенный способ цинкования, который получил широкое распространение для защиты стальных изделий от коррозии.

Электролитическое осаждение цинка (чаще всего из раствора ZnSO₄ ), нсмотря на высокий потенциал этого металла, достигается благодаря тому, что водород водород на цинк имеет большое перенасыщение и при определенных условиях не выделяется на катоде. При этом способе сплав между железом изделия и цинком не образуется, поэтому цинковое покрытие не содержит примесей другого металла, загрязнение покрытия другими металлами незначительно и не превышает сотых долей %. Степень чистоты электролитического покрытия тем выше, чем чище материалы для электролиза и материал анода. Полученное в нормальных условиях электролитическое цинковое покрытие отличается меньшей хрупкостью, чем покрытия, полученные другими способами, обладает большей пластичностью и хорошей сцепляемостью с основным металлом.

Этот способ позволяет точно регулировать толщину покрытия, получать на изделиях несложной конфигурации равномерное покрытие. Расход цинка на покрытие значительно меньший, чем при других способах (экономия цинка по сравнению с горячим способом ~ 50 %.

Толщина цинкового покрытия, необходимая для защиты изделия, зависит от материала, характера обработки изделий, назначения, условий эксплуатации и хранения. Она находится в пределах 0,005 – 0,05 мм.

Чаще всего цинкование проводят в кислых электролитах. В них катодная поляризация сравнительно невелика во всем рабочем интервале плотностей тока; выход металла с повышением плотности токадо определенного предела возрастает. Осадки, образовавшиеся на катоде, удовлетворительны по структуре, но относительно неравномерны по толщине. Т.к скорость процесса, а, следовательно, и производительность будет выше в кислых электролитах, чем в комплексных, то они чаще применяются в производственных условиях. Основой электролита является ZnSO₄  и небольшая часть H₂ SO₄. Иногда для улучшения качества покрытия добавляют поверхностно – активные вещества и соли щелочных металлов. Хлористые соли можно применять, но быстро разрушается цинковый анод. Чтобы поддержать ph = 4,5, в электролит вводят уксусную или борную кислоту (буферные добавки) в количестве 2 – 30 г/л.

Вредные примеси

Вредными примесями являются: соли Cu, As, Sb, Pb, соли азотной кислоты и органические вещества (скипидар, ацетон, клей). Присутствие электроположительных металлов способствует появлению губчатых осадков. Температура раствора составляет 20 – 25 ⁰С, плотность тока = (2 – 3)*10² А/м². Если раствор перемешивать, то плотность тока можно повысить до (2 – 5)*10³ А/м². При этом улучшится декоративный вид осадка и его характеристики, но в этом случае обязательно применение ультразвука.

Оловянирование