Гальванически осажденный цинк имеет светлосерый цвет с голубоватым оттенком. Удельный вес цинка 7,1. Температура плавления 419°. Твердость электролитического цинка 50-60 Нв. При 100-150° цинк легко может быть прокован и прокатан. При повышении температуры до 200° он приобретает высокую хрупкость. Атомный вес 65,4. Валентность - 2. Нормальный потенциал - 0,76 в. Электрохимический эквивалент- 1,22 г/а-час.
По своим химическим свойствам цинк весьма активен и не-устойчив, легко реагирует со всеми неорганическими и орга-ническими кислотами, со щелочами и сернистыми соединениями.
На воздухе легко тускнеет, покрываясь пленкой основных углекислых солей.
Нормальный потенциал цинка электроотрицательнее железа (- 0,76 в по сравнению с железом, имеющим потенциал - 0,44 в). Поэтому цинковое покрытие в паре железо - цинк служит анодом и, следовательно, защищает железо от коррозии не только механически, но и электрокимически. Указанные выше свойства цинкового покрытия одределяют и области его применения. Так, наибольшее применение цинк получил в целях защиты от атмосферной коррозии и от коррозии в пресной воде при невысоких температурах. Общеизвестным является применение цинкования для кровельного железа, водопроводных труб, проволоки и прочих изделий из черных металлов. Хорошие результаты дает цинкование железа, соприкасающегося с нефтепродуктами, не содержащими сернистых соединений.
Толщина слоя цинка, необходимая для защиты, зависит от условий эксплуатации изделия.
Скорость разрушения цинка при эксплуатации в слабо агрессивных условиях атмосферной коррозии, например, в помещениях с умеренной влажностью или в атмосфере сельской местности, составляет от 1,0 до 1,3 мк в год. В атмосфере индустриальных районов эти потери достигаюто 6 мк в год.
В жестких коррозионных условиях, например, в баках для горячей воды и прочих водяных резервуарах, скорость разрушения может доходить до 8 мк в год.
Поэтому, в соответствии с ГОСТ 2248-48, для гарантийной сохранности оцинкованных изделий в течение нескольких лет, толщина слоя цинка должна колебаться в следующих пределах:
Материалы и аноды
Ниже приведена характеристика основных материалов, необходимых для приготовления и корректирования электролитов цинкования.
Скись цинка ZnO. Молекулярный вес 8,14. Удельный вес 5,42. Белый порошок, не растворимый в воде. Применяется при изготовлении и корректировке цианистых и цинкатных элек-тролитов. Возможные вредные примеси - соли свинца и меди.
Едкий натрий NaOH. Молекулярный вес 40. Удельный вес 2. Плавленая кристаллическая масса белого цвета. Растворимость в воде на холоде свыше 1000 г/л. Применяется при изготовлении и корректировке, цианистых и цинкатных электролитов. По ОСТ 5254 может содержать примеси соды, пова-ренной соли и окислов железа.
Цианистый натрий NaCN. Молекулярный вес 49. Парошок белого цвета. Растворимость в воде при 20° около 600 г/л. Применяется при изготовлении и корректировке цианистых электролитов цинкования. Весьма ядовит. Может содержать примеси соды, едкого натрия и окислов железа.
Сернокислый цинк ZnSО4 7H2О. Молекулярный вес 287,6. Удельный вес 2. Белый кристаллический порошок. Растворимость в воде при 20° свыше 900 г/л. Применяется при составлении кислого электролита цинкования. По ОСТ 3234 может содержать примеси FеО не свыше 0,15% и свободной Н2SO4 до 0,5%.
Алюминиевые квасцы KAI (SО4)2, 12H2О.Молекулярный вес 474,5. Удельный вес 1,65. Бесиветная кристаллическая масса. Растворимость на холоде около 50 г/л. По ГОСТ 362 содержат нерастворимых примесей не более 0,01% Применяются при составлении кислых электролитов как буферное соединение. Могут быть заменены сернокислым алюминием (ОСТ 8180).
Декстрин. Удельный вес 1,04. Желтый порошок. Растворимость в горячей воде около 106 г/л. Наличие нерастворимой мути свидетельствует о недоброкачественности декстрина. Применяется при составлении и корректировке кислых электролитов.
О натриевой соли дисульфонафталиновой кислоты (блеско-образователе) см. п. 12, стр. 101.
Аноды. Для цинкования применяют прокатанные цинковые аноды марки Ц-0 и Ц- 1. Удельный вес 7,1. Температура плавления 419°. По ГОСТ 1180--41 аноды должны быть ровно обрезаны и не должны иметь трещин и царапин, содержание цинка должно быть не менее 99,8. Размеры анодов и содержание примесей указаны в таблице.
Площадь анодов должна быть в среднем вдвое больше площади покрываемых деталей.
Наилучшим видом подготовки при покрытии цинком следует считать сухую или водную пескоструйную очистку. Лишь при отсутствии этих способов подготовки, или при наличии точных размеров деталей, а также повышенных требований к внешнему виду изделий применяют обезжиривание травление или декапирование.
Электролиты для цинкования
Существуюшие электролиты для цинкования по своему составу разделяются на кислые и щелочные. Не касаясь всех особенностей, характеризующих эти виды электролитов, следует указать на их важнейшее технологическое различие, заклюючающееся в том, что кислые электролиты обладают гораздо более низкой рассеивающей способностью, чем шелочные.
Поэтому для покрытия слабо профилированных деталей следует применять кислые электролиты, а при покрытии деталей сложной конфигурации необходимо пользоваться щелочными электролитами.
Из большого числа существующих составов кислых электролитов ниже приведены два наиболее часто применяемых. Так, для получения светлых матовых покрытий можно рекомендовать следующие состав и режим наботы:
Вместо квасцов может быть введен сернокислый алюминий в количестве 30-35 г/л.
При перемешивании электролита сжатым воздухом плотность тока может быть утроена. Расход воздуха должен быть 0,10-0,15 л/мин на 1 л электролита.
Для получения блестящих цинковых покрытий при высоких плотностях тока рекомендуется электролит, разработанный Н. Т. Кудрявцевым:
Необходимо перемешивание электролита сжатым воздухом и фильтрование (лучше непрерывное).
При составлении кислых электролитов каждый из компонентов растворяют в отдельности, растворы их декантируют и сливают в ванну цинкования, которую затем доливают водов до рабочего уровня. Только приготовление натриевой соли дисульфонафталиновой кислоты производят по специальному режиму.
В свежеприготовленном электролите проверяют кислотность, в случае необходимости корректируют ее 2 -3-процентным раствором серной кислоты или щелочи и прорабатывают электролит на случайных катодах до получения свеглых и гладких осадков
Корректировка электролитов заключается главным образом в поддержании требуемой рН, которая в процессе эксплуатация постепенно повышается. Концентрация сернокислого цинка в электролите обычно не изменяется, , так как расход его восполняется за счет растворения анодов. Остальные компоненты добашляют на основании анализа, ва исключением декстрина, который вводят сообразуясь с внешним видом покрытий.
К основным неполадкам кислых электролитов относятся образование темных и крупнокристаллических покрытии; это обычно наблюдается при высокой рН злектролита, либо завышенной плотности тока. Темные и губчатые покрытия связаны с наличием примесей тяжелых металлов (чаще всего меди) в электролите. Светлые и рыхлые покрытия образуются при низкой рН электролита, а получение светлых, но твердых и шероховатых покрытий, указывает на содержание в электро лите анодного шлама, находящегося во взвешенном состоянии.
Из щелочных электролитов наиболее высокую рассеивающую способность имеют цианистые. Цинковые покрытия, полученные из цианистых электролитов, характеризуются более мелкой структурой и обычно значительно светлее, чем полученные из кислых электролитов.
Ниже приводятся практически проверенные составы электролитов и режимы работы.
а) Электролит для цинкования в стационарных и колокольного типа ваннах:
б) Для покрытия деталей глубокого профиля рекомендуются следующие состав и режим работы:
Широкое применение имеет электролит блестящего цинкования, разработанный лабораторие ВИАМ:
Цинковое покрытие, полученное непосредственно после элек-тролита, имеет матовый желтоватый оттенок. Блестящую поверхность оно приобретает после промывания в холодной проточной воде, погружения на 2-3 сек. в 3-процентный раствор азотной кислоты, вторичного промывания в воде и пассивиро-вания в 5-процентном растворе хромового ангидрида также в течение 2-3 сек., с последующей промывкой и сушкон. Уменьшение толщины слоя цинка при такой обработке составляет около одного микрона.
Составление цианистых электролитов производят в следую-щей последовательности: растворение цианистого натрия и едкого натрия производят отдельно, в железных баках, затем декатируют растворы в общий сборник, подогревают и при энер. гичном перемешивании приливуют водную взвесь окиси цинка или свежеосажденный гидрат окиси цинка. После растворения окиси цинка раствору дают отстояться, декантируют его в ванну цинкования и доводят полученный электролит до рабочего уровня
При составлении электролита блестящего цинкования ВИАМ вводят, кроме того, глицерин и осаждают возможные примеси тяжелых металлов добавкой сернистого натрия.
Проработка первых двух электролитов для избавления от примесей тяжелых металлов прозводится на случайных катодах до получения светлых, гладких и плотных покрытий.
Для электролита ВИАМ специальной проработки не требуется.
Корректировка цианистых электролитов заключается, главным образом, в частых, систематических добавках цианистого натрия и едкого натрия, производимых по результатам анализа. Окись цинка добавляют гораздо реже. Перед добавлением она растворяется в цианистом или едком натрии. Добавки глицерина и сульфида производят на основании внешнего вида покрытий.
Для устойчивой эксплуатации электролитов общая площадь анодов должна быть вдвое больше среднен площади деталей, одновременно покрываемых в ванне.
Наличие цианидов и заметное газовыделение во время осаждения требуют применения бортовой вентиляции.
Основными неполадками при эксплуатации цианистых электролитов следует считать хрупкость покрытий, зависящую от загрязнения органическими примесями. Она устраняется введением активированного древесного угля в количестве 0,5-1,0 г/л и проработкой электролита при малой плотности тока.
Темный цвет покрытий зависит от примеси тяжелых металлов (меди, свинца) и устраняется проработкой электролита пря малой плотности тока и добавками сернистого натрия. Сильное газовыделение на катоде при нормальной плотности тока к малая толщина слоя цинка указывают на избыток цианистого или едкого натрия и устраняются введением окиси цинка. Пассивирование анодов с покрытием их белым налетом и снижение концентрации цинковых солей в электролите имеют место при недостатке цианистого и едкого натрия или при весьма малов площади анодов. Грубые крупнокристаллические покрытия наблюдаются при накоплении карбонатов свыше 60 г/л. Удаление карбонатов, находящихся главным образом в виде соды, производят путем выпаривания части электролита с последующим охлаждением и выделением соды в форме белых, рыхлых кристаллов.
Высокая профессиональная вредность цианистых электролитов привела к разработке безвредных щелочных электролитов. Производственное применение получил цинкатный электролит проф. Н. Т. Кудрявцева:
В этом электролите состав по нижнему пределу концентрации компонентов пригоден для покрытия профилированных деталей.
При высшей концентрации солей рассеивающая способность электролита снижается. Составление и корректировка этогоэлектролита по данным анализа не сложны и не требуют специальных указаний.
То же назначение имеет аммиачный злектролит, предложенный проф. А. И. Левиным:
Электролит имеет хорошую рассеивающую способность. Корректировка его заключается главным образом в поддержанин требуемой концентрации аммиака.
При определении времени, необходимого для наращивания слоя заданной толщины,следует пользоваться данной таблицей.
Так, например, требуется определить время выдержки для получения слоя цинка в 20 мк из кислого электролита, при плотности тока 5 а/дм2 и выходе по току 95% По таблице находим, что при 5 а/дм° и выходе по току 95% осаждается 82 мк/час, откуда 20 мк требуют около 15 мин.
Частные случаи цинкования. Оборудование и оснастка
Конструкция стационарной ванны цинкования не имеет нк-каких специфических особенностей, отличающих ее от ванн для прочих гальванических покрытий.В тех случаях, когда необходимо произвести, например, покрытие наружных цилиндри-ческих поверхностей равномерным слоем, полезно применить клеточное расположение анодов, как это изображено на рис.1. Перемешивание кислых электролитов производят сжатым возду-хом, посредством барботера, расположенного по дну ванны параллельно катодной штанге.Для этой же цели может служить механическая мешалка, простейшая конструкция которой изображена на рис. 2.
Обычно цинкование труб необхрдимо производить с одновременным покрытием наружных и внутренних поверхностей. В этом случае для правильного регулирования толщины слоя на обеих поверхностях целесообразным является применение двойной регулировки силы тока посредством специального ре-гулировочного щита, схема которого приведена на рис.3.
B тex случаях, когда трубы подлежат цинкованию только по внутренним поверх-ностям, ванны покрытия могут отсутствовать и цинкование производят с принудительной циркуляцией электролита по трубам посредством насоса, как это указано на рис.4.
|
|
|
Плотность тока при этом, в зависимости от скорости потока электролита, может быть значительно повышена.
Для покрытия мелких крепежных деталей применяют колокольные ванны. Характеристика ванн, выполняемых по чертежам металлохимзащиты приведена в табл.
Большим недостатком стандартных колокольных ванн является наличие скользящего контакта на кольцевой катодной шине ванны.
Применение некоторыми предприятиями жесткого постоянного контакта обоих полюсов следует признать более рациональным.
Принцип соединения контактов в обоих случаях приведен на рис.5.
Для массового покрытия очень мелких детален пользуются ваннами с вращающимся барабаном.Одновременная загрузка деталей в барабан, в зависимости от его размеров, может доходить до 100-150 кг.
Рис.3
При определении времени выдержки деталея, покрываемых в колоколах или барабанах, исходят не из плотности тока, а из силы тока, принятой на ванну, площади покрываемых деталей и заданной толщины слоя цинка.
Электрохимический эквивалент цинка равен 1,22. Следовательно, при выходе по току 100% ток силой 1 а должен осадить в течение одного часа 1,22 г цинка. Выход по току для колокольных ванн и барабанов практически не превышает 80-85°/. в результате чего 1 а-час осаждает 1 г цинка.
Формула, определчющая время выдержки партии деталей в ванне, имеет следующий вид:
Рис.5
Дополнительная обработка цинковых покрытий
В связи со слабой химической стойкостью цинка гальвани-чески осажденные цинковые покрытия часто пассивируют, создавая на их поверхности дополнительную пленку, улучшающую коррозионную стойкость цинка. Из многих существующих способов ниже приведены наиболее простые и проверенные. Так, одним из способов пассивирования является погружение оцин-кованных деталей в хромовый раствор:
После пассивирования детали промывают в холодной воде и просушивают сжатым воздухом. Пассивная пленка имеет желтый цвет с радужными стенками и практически не изменяет толщины слоя цинка. Корректировку раствора производят главным образом серной кислотой, поддерживая требуемую кислот-ность раствора. Обработка цинковых покрытий по этому способу увеличивает их коррозионную стойкость в 5-6 раз.
Пленка имеет темносерый цвет и обладает хорошей механической прочностью.
Большое увеличение коррозионной стойкости имеет место при кратковременном цинковании стальных деталей по предварительно фосфатированной поверхности. В этом случае пористость фосфатной пленки, видимо, полностью уничтожается после-дующим цинковым покрытием. Поверхность после покрытия приобретает серый цвет и высокую коррозионную устойчивость.Электрополированная поверхность напоминает по внешности хромированную и сравнительно медленно тускнеет.
Удаление недоброкачественных цинковых покрытий производят путем травливания слоя цинка в слабой серной кислоте либо если кислотное травление нежелательно, в подогретом растворе едкого натрия. Поверхность стали в обоих случаях темнеет, и для повторения покрытия ее необходимо декапировать, а иногда и крацевать.
Качество цинковых покрытий проверяют путем внешнего осмотра на отсутствие вздутий, непокрытых участков, хрупких и губчатых покрытий и прочих внешних дефектов.Толщину слоя цинка проверяют по ГОСТ 2390-44 капельным или струй-ным методом. Определение пористости цинковых покрытий производят по ГОСТ 3265-46 путем анодной обработки.
