Покрытие металла цинком электрохимическим способом

Технология гальванического цинкования металла

Гальваническое цинкование: основы, преимущества и краткое описание техпроцесса. Виды электролитов и применяемого оборудования. Дефекты гальваники и их причины.

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.

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

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

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.

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:

1. Механическая зачистка.
2. Травление изделия.
3. Промывка в проточной воде.
4. Обезжиривание.
5. Промывка, аналогичная п. 3.
6. Гальваническое цинкование.
7. Промывка, сушка и контроль.

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

1. Кислые и слабокислые. Традиционные простые электролитические растворы на основе сульфатов, хлоридов, борфторидов или их смесей.
2. Аммиакатные. Нейтральные и щелочные гальванические растворы, которые получают путем растворения оксида цинка в растворе сульфата (или хлорида) аммония.
3. 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

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.

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.

Источник

7 методов цинкования металла

Оцинковка или цинкование металла – процесс покрытия поверхности слоем химического элемента цинк, который по химической классификации является переходным металлом. Цель оцинковки – защита внешней поверхности металлических изделий от коррозии.

Принцип работы цинкования

Способ защиты от ржавчины имеет в качестве основы химический процесс окисления. Большинство металлов на воздухе вступают в реакцию с кислородом, в результате поверхность покрывается пленкой, которая начинает играть защитную роль. Исключением из этого ряда выступает железо и его сплавы, они образую пленку рыхлого состава, которая не защищает, а, наоборот, способствует дальнейшему окислению материала и его разрушению. Для того, чтобы защитить сталь и другие металлические материалы на основе железа используется цинк. Он образует с Fe гальваническую пару, и в силу большей активности первым начинает окисляться, образуя пленку, которая служит защитой поверхности.

Толщина пленки получается разной в зависимости от технологии, может быть тонкой — от 6 мкм или плотной – до 1,5 мм.

Области применения оцинкованных конструкций

• Строительные работы разного профиля: дорожное, мостовое, строительство зданий и сооружений.
• Нефтедобыча и нефтепереработка.
• Газодобывающая и газоперерабатывающая промышленность.
• Энергетическая сфера.
• Связь.
• Автомобилестроение.
• Сельское хозяйство и другие направления.

Метод применим для конструкций, которые эксплуатируются в разных условиях

• Опоры высоковольтных линий передач.
• Опорные металлические конструкции мостов, трубопроводов.
• Различное оборудование.
• Задвижки и запоры гидротехнических систем.
• Каркасы домов и заграждений.
• Сваи, поддерживающие перекрытия различного типа.
• Лестничные ступени и пролеты.
• Трубы различных систем, в том числе вентиляционных.
• Корпуса кораблей.
• Памятники и архитектурные сооружения.

Производственные процессы цинкования

В металлургическом и химическом производстве используется несколько методов оцинковки.

1. Гальваническое цинкование
2. Горячее цинкование металла
3. Метод холодной цинковки.
4. Диффузный способ цинкования.
5. Шоопирование.
6. Газодинамический метод.
7. Дуплексные способы обработки

Может применяться способ фосфатирования, который, в дополнение к основному методу, привносит дополнительную защиту поверхностям металлических предметов и деталей. Чаще всего используется для цветных металлов.

Широкое применение цинкования связано с устойчивостью покрытия к агрессивным средам, перепадам температур, высокими антикоррозионными свойствами.

Гальваническое цинкование

Гальванотехника – это электрохимический метод покрытия металлических конструкций цинком. Он проводится в больших емкостях, с цинксодержащим электролитом. Комплексность этого метода заключается в воздействии на металл сразу двух процессов: электрического физического воздействия и химического способа.

В гальваническом способе происходит активный процесс адгезии элементов металлического материала и цинка. Адгезия предполагает сцепление на межмолекулярном уровне разнородных веществ.

Технология электрогальванического производства

Металлические изделия, конструкции или детали погружаются в электролитические ванны, снабженные анодом – пластиной из цинка, с которой с помощью электролита – сернокислого и хлористого цинка анионы этого металла переходят на поверхность, покрывая ее равномерным слоем.

На процесс гальваноцинкования влияют состав электролита и температура, поддерживаемая в ёмкостях. В раствор добавляют окрашивающие добавки и блескообразующие компоненты. Это делается для придания предметам декоративного вида.

В процессе производства используются электролиты:

• Кислые и слабокислые: сульфаты, борфториды, хлориды.
• Аммиакатные: щелочи и нейтральные растворы.
• Цианидные и цинкатные: электролиты щелочной группы с цианидом и цинкатом натрия в растворе едкого натра.

До проведения работ необходимо провести подготовку металлоизделий: очистку и обезжиривание поверхностей, флюсование – нанесение пленки для предотвращения окисления.

Характеристики гальванопокрытий из цинка: поверхность выделяется такими свойствами, как пластичность, непрерывность на деталях, которые должны работать в условиях циклической деформации. Например, пружины из стали.

Горячее цинкование металлоконструкций

Метод горячей оцинковки применяется обычно для черных металлов, прежде всего, стали. Это наиболее распространенный способ покрытия поверхностей цинковой пленкой.

Технология сводится к опусканию деталей или конструкций в ванну с расплавленным цинком. Температура поддерживается в пределе 460 гр. С. Процесс проходит под воздействием кислорода из атмосферы, он вступает в реакцию с металлом для образования ZnO – оксида цинка, который соединяется с углекислым газом CO2. В итоге формируется карбонат цинка — ZnCO3. У него характерный матовый оттенок серого цвета.

Перед опусканием в ванну необходим этап очистки, обезжиривания и травления поверхности деталей

После пребывания в ванне изделия подвергаются центрифугированию для удаления излишков металла. Для удаления наплывов резьбовые участки на больших деталях протачивают, мелкие, такие как крепеж, не подвергаются такой обработке.

В результате изделия с повышенным сроком эксплуатации, устойчивые к агрессивной среде, не требуют дополнительного покрытия красочным слоем.

К отрицательным характеристикам можно отнести неравномерность поверхности при большом расходе цинка, а размеры изделий ограничиваются габаритами емкости. Производство относится к вредным. Дальнейшая обработка становится боле сложной, детали плохо соединяются сварным методом.

Особенности процесса горячей оцинковки

• Технологический процесс отличается простотой.
• Отмечается высокая производительность, проходит быстро.
• Не требуются сотрудники с высоким уровнем подготовки.
• Оборудование достаточно простое.
• Слой цинка имеет толщину от 30 до 100 мкм.

В сравнении с гальваническим методов горячее цинкования — более дорогой метод, но и более эффективный.

Холодное цинкование металла

Метод заключается в нанесении на поверхность цинкнаполненных красок, композиций и грунтов. Покрывается не вся поверхность изделия, а предназначенные для этого участки.

Применяется широко для обработки отдельных конструкций и больших площадей.

Положительные стороны холодной оцинковки

• Можно обрабатывать изделия и поверхности любых размеров, нет ограничений по площади и форме.
• Не нужно проводить предварительную работу по демонтажу для того, чтобы погрузить в емкость для электролиза или горячего цинкования.
• Процесс отличается производительностью.
• Диапазон температур: от минусовой 20 гр. С до плюсовой 40 гр. С.
• Цинковый слой после холодного метода допускает проведение сварки, она не разрушает цинковую поверхность. Шов после сварки можно покрыть дополнительным защитным слоем.
• Структура покрытия отличается пластичностью и надежностью.
• Цинксиликатная краска по характеристикам адгезии совместима с металлом и финишными красками.
• Метод достаточно прост, не требует специальной профессиональной подготовки.
• Может применяться для ремонта деталей и участков, которые раньше прошли процесс оцинковки.
• Удобный способ нанесения подкрасочного слоя под лак или химически стойкую краску для двойной защиты. Это комбинированный способ покрытия.
• Можно обрабатывать конструкцию в сборе, не разбирая на отдельные компоненты.
• Экономичный способ.

Состав для холодной оцинковки содержит высокодисперсионный порошок цинка – до 95%. Перед проведением работ необходимо провести подготовку поверхности и четко соблюдать технологические требования работы.

В производственном процессе необходимый этап – контроль качества на предмет отсутствия дефектов слоя цинка. По окончании процесса покрытым изделиям дают «отдохнуть» несколько суток для закрепления слоя.

Получаемое покрытие отличается водостойкостью, электропроводностью, пожаробезопасностью.

Термодиффузионный способ цинкования

Диффузный метод получил название «шерардизация» по имени изобретателя – специалиста из Великобритании Sherard’a.

Термодиффузное покрытие относится к анодным, покрывая черные металлы плотной пленкой цинка. Название связано с процессом диффузии металлов, цинка и железа. Он проходит в пассивационных растворах, которые необходимы для обеспечения защиты от воздействия атмосферного кислорода.

Термодиффузия покрытия похожа на гальванический способ, но превосходит его по характеристикам антикоррозийности.

Изделия, обработанные термодиффузией, отличаются однородным покрытием поверхности от 30 до 80 мкм. На небольших площадях деталей при условии точного производства можно достигать толщины от 5 до 150 мкм. Когда обрабатываются конструкции со сложными поверхностями, разброс толщины покрытия получается большим – до 80 мкм.

Технология заключается в насыщении цинком площади деталей и конструкций в порошковой среде.

Цинкосодержащий мелкодисперсионный порошок разбавляется абсорбентами типа древесного угля. Поддерживается температура 400-500 гр. С. Температурный режим – разный для различного типа изделий, характеристик стали, которые зафиксированы в её марке, требований производства.

Закрытый герметично контейнер, в котором происходит обогащение поверхностей цинком, – обязательное условие технологии. После основного процесса проводится финишная обработка изделий, которые будут использоваться в условиях высокой влажности, морской или другой соленой воды, в периодах конденсации и высыхания.

Особенности термодиффузионных покрытий

• Технологический процесс обработки в низкотемпературном режиме помимо антикоррозионных свойств придает металлу повышенную пластичность.
• Обработанные изделия устойчивы к абразивному износу, который образуется в результате режущего, деформирующего, царапающего воздействия. Возникает при переработке и транспортировке.
• Покрытие точно воспроизводит рельеф конструкции.
• Повышенная твердость отличает обработанные изделия, не возникает свойство хрупкости.
• Можно наносить цинковое покрытие на предварительно собранные узлы.
• Подготовка процесса термодиффузного цинкования не требует сложных операций.

Шоопировние

Под шоопированием металлов понимается металлизирование, или обработка методом напыления. Для работы используется специальный аппарат, который иногда именуют пистолетом. Под давлением сжатого воздуха на поверхность распыляется расплавленный цинк. Метод обязан своим названием изобретателю Г. Шоопу.

Способ металлизации применим для крупных конструкций, а также для восстановления изношенных деталей из стали различных марок. Нанесенный шоопированием слой цинка формирует устойчивую пленку, которая выступает грунтом, грунтовкой под нанесение лакокрасочного слоя.

Газодинамическое цинкование

Газодинамический способ — оцинковка при помощи кинетики мелкодисперсного металла в струе газа, осуществляемую сверхзвуковым потоком.

В роли исходного материала выступает цинковый порошок с керамическими или металлическими частицами. Он разгоняется струей газа из сопла высокой температуры и приваривается к поверхности, на которую направлен поток. Дополнительный материал – металлический и керамический – повышает плотность и снижает пористость поверхности.

Аппаратура для газодинамического метода – портативный нагреватель для сжатого воздуха, к которому комплектуется сверхзвуковое сопло. Это такой своеобразный пульверизатор. Газ при t 500-600 гр. С затягивает порошок и направляет его на поверхность.

Преимущества метода

• Обработка изделий и деталей любого размера.
• Адгезия состава выше показателя любого лакокрасочного слоя– 40-100Н/мм2.
• Толщина слоя может быть различной, можно утолщать слой в зонах повышенного риска коррозии.
• Пористость цинкового слоя менее 1%.

Комбинированные – дуплексные способы обработки

Дуплексные покрытия предполагают комбинацию цинкового материала с полимерным или красочным.

Сочетание электрохимического эффекта защиты цинком с гидроизолирующим воздействием лакокрасочного слоя создает двойной защитный эффект.

Характеристики дуплекс-систем

• Обеспечивает гальваническую или катодную защиту и одновременно барьерную.
• Наносится также легко как лакокрасочное покрытие.
• В изготовлении используется специальный вид цинка – атомизированный.
• Повышает устойчивость к механическим повреждениям
• Не требует сложной подготовки исходного материала к процессу покрытия – достаточно обработать растворителем.
• Может наноситься поверх горячеоцинкованных и металлизированных поверхностей.
• Нетоксичны и экологически безвредны.

Цинкование металла своими руками

Методы цинкования в своем большинстве — это производственные способы, требующие промышленного оборудования и специальной обработки металла.

Некоторые из них доступны умельцам в мастерских. Чаще всего говорят о «гаражном цинковании, поскольку именно они нуждаются в восстановлении деталей и узлов автомобилей.

Наиболее доступный метод – холодная оцинковка.

Существует возможность гальванической обработки деталей. Она позволяет формировать на поверхности изделий узоры и декоративные элементы.

Гальваническое цинкование своими руками

Для работы с таким методом необходим электролит. Это может быть хлорид цинка (ZnCl), соляная кислота (HCl), Сульфат цинка (ZnSo4). Составы требуют максимума осторожности, химические компоненты имеют тенденцию взрываться или вступать в непредвиденные реакции.

Цинковый состав предполагает добычу цинка из солевых батареек, металлических оцинкованных предметов, предохранителях советского производства, или покупку на авто- или радиорынке.

Как работать:

• Ванной может стать пластиковая или стеклянная ёмкость.
• Анод – пластина из цинка с подведенным плюсовым зарядом.
• Обрабатываемая деталь играет роль катода. Она должна быть подготовлена – очищена, обезжирена, активирована. Её располагают равноудаленно от анода.
• Источник питания- аккумулятор, блок питания. Предосторожность заключается в том, чтобы не допускать активного кипения. При спокойном процесс длительная гальванизация обеспечит толстый защитный слой цинка.

Холодное цинкование своими руками

Для работы методом холодной оцинковки пригодятся:

• Шлифовальная машинка или металлическая щетка.
• Растворитель.
• Строительный миксер или дрель с насадкой
• Инструмент для покрытия: краскопульт, кисть или что-то подобное.
• Состав для цинкования.
• Защитный костюм.

Последовательность работы:

1. Очистка поверхности или удаление прежнего покрытия механически или химическим способом, удаление пыли сжатым воздухом. Обезжиривание.
2. Рабочий состав готовят к работе: перемешивают, при необходимости разбавляют.
3. Нанесение состава на открытом воздухе в несколько слоев, давая высохнуть в течение 1-2 часов.
4. Когда покрытие высохнет окончательно можно наносить финишную краску, лак или эмаль.

Ряд препаратов для холодного цинкования продается в соответствующих магазинах.

Часть из них устойчива к нефтепродуктам, растворителям, агрессивным средам.

Некоторые варианты специально «заточены» на защиту автодеталей от коррозии, другие направлены на повышение защиты легированной стали.

При выборе обращают внимание на диапазон температур и прочностные свойства.

Используемая литература и источники:

• ЗАЩИТНЫЕ ЦИНКОВЫЕ ПОКРЫТИЯ: СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ, РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ. Е. Проскуркин ГП «НИТИ», Украина журнал «Национальная металлургия» сентябрь, октябрь 2005 г.
• Ф.Ф. Ажогин и гр. авторов. Гальванотехника; Спр. издание / Под редакцией А.М. Гринберга. — Москва: Металлургия, 1987.
• Хасуй А. Техника напыления. Перевод с японского Масленникова С. Л.. М. Изд-во Машиностроение. 1975 г.
• Статья на Википедии про цинкование

Источник