Гальваническое цинкование металла технология

Обновлено: 16.05.2024

Нанесение на железо слоя цинка – самый распространенный способ его защиты от коррозии. Гальваническое цинкование получило наиболее широкое распространение благодаря преимуществам технологии и получаемых защитных покрытий.

1 Особенности защитных цинковых покрытий

Цинкование – самый распространенный способ защиты железа поверхностной металлизацией от атмосферной коррозии. Для этих целей расходуется около 40 % от общего объема мировой годовой добычи цинка. Цинкование получило широкое распространение благодаря анодному характеру создаваемой из цинка защиты.

Значение электрохимического потенциала цинка составляет – 0,763 В, что меньше такого же параметра для черных металлов (железа, стали, чугуна), поэтому он защищает последние от коррозии электрохимическим способом. Причем защитные свойства покрытий из цинка проявляются даже в случае незначительной их толщины и при наличии обнаженных участков, пор. Известно много примеров протекторного характера защиты цинком непокрытых им, оголенных фрагментов стальных изделий (например, обрезанные проволока в поперечном сечении и края оцинкованного листового железа, резьба гайки без покрытия, навинченной на оцинкованный болт).

Анодный характер взаимодействия цинкового покрытия с сталью и внешней средой в ряде случаев может смениться на катодный и тогда коррозионные процессы в железе происходят очень интенсивно. Подобное наблюдается, например, при воздействии на оцинкованные изделия горячей воды, нагретой до 70 °С и выше (в автоклавах, котельных установках).

Сам цинк, принимая "удар" на себя от воздействия внешней среды, защищается следующим образом: при окислении этого металла на его поверхности образуется тонкая плотная оксидная пленка, препятствующая проникновению кислорода дальше вглубь цинка. Благодаря этому его окисление останавливается. У железа образующиеся при окислении оксиды имеют объем больший, чем первоначальный металл, и поэтому пленка из них сразу разрушается, становится рыхлой и пропускает кислород к неокисленному материалу. Так возникает ржавчина.

У цинковых покрытий химическая стойкость снижается при воздействии на них летучих продуктов, которые выделяются при старении следующих органических материалов:

олифы;
синтетических смол;
хлорированных углеводородов.

Покрытия подвержены легкому разрушению, если они контактируют или находятся в закрытом объеме с промасленными или свежеокрашенными деталями.

Большое влияние на быстроту корродирования цинка оказывает показатель рН среды. При рН 7–12 (щелочная среда) этот металл практически не растворяется. Отклонение от указанных величин приводит к возрастанию скорости его коррозии. Особенно высока скорость коррозии цинковых покрытий в атмосфере тропиков и промышленных городов.

2 Гальванический способ цинкования металлов

Защитное действие покрытий из цинка в первую очередь определяется их толщиной, устанавливаемой исходя из конкретных условий эксплуатации металлических изделий и равномерности их нанесения. Возможности различных способов цинкования неодинаковы и позволяют получать толщину покрытия от 5 мкм (гальваническое) до 1,5 мм. В случае гальванического способа металлизации качество защитного слоя во многом зависит от характера используемого электролита для цинкования.

Защитные свойства цинка можно значительно увеличить разными способами, самые распространенные из которых следующие:

пассивирование (хроматирование) – создание на его поверхности хроматных пленок химической обработкой изделий в растворах с хромовой кислотой либо ее солями;
фосфатирование - образование на его поверхности фосфатной пленки посредством обработки оцинкованных заготовок в растворах солей фосфорной кислоты;
покраска – нанесение лакокрасочных покрытий (лучшие результаты после предварительного фосфатирования).

Гальваническое цинкование представляет собой электролитический метод нанесения тонкого защитного слоя цинка на изделие, поверхность которого должна быть предварительно подготовлена. Этот способ позволяет получать покрытия толщиной 5–40 мкм.

В условиях масштабного производства полосы, листа, штрипса толщина может быть увеличена до 500 мкм (0,5 мм). Непосредственно сам процесс образования покрытия заключается в осаждении на катоде (изделие, которое покрывают) положительно заряженных частиц (ионов) цинка из водных растворов его соединений (электролитов) при пропускании постоянного электротока через раствор. Применяемые аноды должны быть из цинка, так как их основное назначение – восполнять в электролите разряжающиеся на изделиях ионы. В зависимости от выбранного режима ток имеет катодную плотность в диапазоне 1–5 А/дм 2 .

3 Преимущества и недостатки цинкования гальваническим методом

Электролитический способ нанесения цинка в сравнении с другими методами цинкования наиболее распространен и обладает следующими преимуществами:

высокой производительностью;
низкой себестоимостью;
получение достаточно высокого уровня защиты изделий;
равномерностью покрытия без потеков, капель, с сохранением формы и размеров изделия;
возможностью нанесения цинка на все участки изделий с любой сложной формой, включая различные поры;
получение декоративных защитных покрытий (гладких, блестящих), не требующих дополнительной обработки.

Основным недостатком является низкая адгезия (сцепление) образуемого покрытия с изделием, требующая особой тщательности подготовки (очистки) поверхности последнего. Еще следует отметить вероятность наводораживания защищаемого металла, особенно при несоблюдении режимов гальваники цинкования, что приводит к водородной хрупкости изделия и непривлекательному виду его поверхности. Существенным недостатком этого метода является образование ядовитых и вредных для окружающей среды отходов, которые необходимо подвергать тщательной очистке.

4 Технология и оборудование гальванического цинкования на производстве

На производстве электролитическое цинкование включает следующие технологические процессы, производимые с изделиями:

Очистка их от окалины, ржавчины, смазочно-охлаждающих и лакокрасочных составов. Химическая обработка в обезжиривающих и щелочных растворах.
Промывка водой в проточной ванне.
Электролитическое обезжиривание.
Промывка.
Травление в растворе воды и соляной кислоты. Позволяет удалить оставшиеся окалину и ржавчину без растворения основного металла. При этом происходит декапирование поверхности – активация перед цинкованием.
Промывка.
Само цинкование.
Промывка.
Может проводиться осветление в растворе воды с азотной кислотой для снятия окисной пленки.
Промывка.
Может проводиться фосфатирование.
Промывка.
Может проводиться пассивация электролитическим хроматированием (и/или хроматирование распылением).
Сушка.

В зависимости от типа изделия и соответствующей технологии некоторые этапы промывки могут проводиться щеточно-моечным способом. Могут быть дополнительные операции. Например, гальваническое цинкование полосы начинают с ее разматывания, сварки концов, а затем правки. Заканчивают – промасливанием и сматыванием.

В соответствии с типом покрываемых изделий и объемом производства применяют различные гальванические линии и сопутствующее им дополнительное оборудование. Эти линии представляют из себя определенную последовательность промывочных и технологических ванн, необходимых для создания однослойных либо многослойных цинковых покрытий с требуемыми функциональными свойствами. Все гальваническое оборудование по степени механизации классифицируется на:

механизированные линии с полностью автоматическим управлением;
с возможностью частичного ручного управления;
линии с полностью ручным обслуживанием;
мини-линии.

В комплект поставки линии, в зависимости от ее модели, помимо ванн входят:

транспортные системы (автооператоры, манипуляторы);
промышленное и локальное оборудование очищения сточных вод;
вспомогательное оборудование: приспособления для цинкования (подвески, колокола, барабаны), катодные и анодные штанги, теплообменники, ТЭНы, другое;
дополнительное оборудование: система вентиляции, выпрямительные агрегаты, компрессоры и воздуходувки, холодильное оборудование, сушильные камеры и шкафы, насосы, оборудование получения демиводы, фильтровальные установки;
и другое.

5 Электролиты, используемые при гальваническом цинковании

На гальваническом производстве, исходя из назначения изделия, применяют различные электролиты для цинкования. Их условно делят на 2 основные группы:

Простые кислые (хлоридные, сульфатные, борфтористоводородные) – в них цинк представляет собой гидротированные ионы.
Сложные комплексные (цинкатные, цианидные, пирофосфатные, аммиакатные и другие) – цинк присутствует в составе комплексных ионов, которые заряжены положительно или отрицательно. Эти электролиты для цинкования делятся на кислые и щелочные.

От состава и природы электролитов для цинкования зависят скорость осаждения и качество осадков цинка на катоде.

Самый востребованный метод металлизации – в слабокислых простых электролитах для цинкования. Они допускают использование тока большей плотности, чем комплексные, и, соответственно, отличаются более высокой скоростью процесса наращивания покрытий. Гальванике с этими электролитами для цинкования также характерны высокий уровень укрываемости и хороший внешний вид получаемых покрытий. Сталь при их использовании менее подвержена наводороживанию, приводящему к хрупкости деталей. Но эти электролиты пригодны только для заготовок простой конфигурации, проволоки, ленты. Качество покрытий не очень высокое.

Осаждение цинка из комплексных электролитов для цинкования протекает в условиях высокого рассеивания ионов, с снижением выхода металла и увеличением выделения водорода при возрастании плотности тока. Поэтому эти растворы используют с малой плотностью тока. Их применение позволяет получать мелкозернистые, равномерные, очень качественные покрытия на изделиях и простой, и сложной формы.

Что такое гальваника металла, детали и виды процесса

Описание процесса гальванического покрытия металла. В каких случаях применяется и с какой целью. Методы гальванирования. Применяемое оборудование и материалы для нанесения покрытий.

Операция гальванического покрытия металлов заключается в нанесении на поверхность металлического изделия тонкой пленки из такого же материала с использованием электролита. В процессе обработки детали молекулы покрывающего металла переносятся токопроводящим раствором и проникают в верхний слой изделия. В итоге происходит внедрение одного металла в поверхностное пространство другого.

Как результат, такой гальванический метод позволяет металлоизделиям приобретать дополнительную твердость, устойчивость к коррозии и износостойкость. У металла с гальваническим покрытием значительно повышается декоративность.

Для проведения гальванического процесса необходима ванна, которая является основой всего оборудования. В нее заливается токопроводящий раствор, в который помещаются 2 анода.

Для гальванизации металлов существуют линии оборудования. Устанавливаются они в отдельных цехах. Поскольку работа связана с химическими реактивами, в помещении монтируется вентиляция.

Несмотря на сложность гальванического процесса, он достаточно хорошо изучен. Поэтому его можно проводить и в домашних условиях. При этом следует помнить основное правило: общая площадь анодов должна превышать этот же параметр обрабатываемой детали.

Для чего гальванизируют металл

Во время гальванической обработки металла преследуются определенные цели. Все зависит от условий, в которых будет работать данное изделие, и требований, которые к нему будут применяться.

Цели гальванизации металла бывают следующие:

Придание поверхностному слою защитных функций. Как вариант – никелирование.
В целях улучшения декоративности предметов. Например, хромирование.
Для получения копий деталей, отличающихся сложностью рельефа поверхности.
Нашло широкое применение гальваническое цинкование продукции. Проводится оно с трубопрокатными, кровельными и строительными конструкциями. Это придает им устойчивость в условиях повышенной влажности.
В ювелирном деле. Поверхностный слой украшений насыщается золотом и серебром. При этом не только улучшаются декоративные качества продукции, но и верхний слой золотых изделий увеличивает свою твердость в 2 раза.

Процесс гальванизации металлов отличается характерной особенностью. На поверхности изделий формируется пленка. Вне зависимости от сложности конфигурации ее толщина везде будет одинаковая. Это особенно важно, когда на первый план выходит внешний вид продукции.

Методы гальваники

Гальваническое катодное напыление. Такая технология покрытия металла отличается тем, что при небольшом ее нарушении происходит быстрая коррозия основного изделия. Этому процессу способствует сам поверхностный слой. В качестве примера можно привести лужение оловом.
Гальваническое анодное нанесение. Относится к надежным гальваническим покрытиям. При возникновении угрозы коррозии в первую очередь начинаются разрушения в поверхностном слое. Основной металл длительное время сохраняет первоначальную форму. При этом он надежно защищен не только от внешней среды, но и от механических воздействий.

Процесс гальванического покрытия металла

Гальваническая обработка металла состоит из 3 этапов:

Подготовка. Это наиболее трудоемкий процесс. В случае наличия на поверхности металла жира, заусенцев или пыли качество гальванизирования будет низким. Изделия должны быть обработаны вручную или на пескоструйной машине. При наличии остатков жира их следует обработать химическим раствором.
Сам процесс гальванической обработки металла. Электролит заливается в ванну, в него помещаются 2 анода и покрываемая деталь. Проводится нагрев электролита с помощью специального устройства до температуры, указанной в технологии. Затем включается ток, который контролируется регулятором напряжения. Катодом является сама деталь. Положительно заряженные ионы движутся через электролит и оседают на отрицательно заряженном изделии, образуя поверхностный слой. Длительность второго этапа продолжается до тех пор, пока поверхностный слой металла не достигнет требуемой величины.
После гальванической процедуры детали нуждаются в дополнительной обработке. Заключается она в осветлении, пассивировании или промасливании поверхности. Для этого изделия погружаются в специальный раствор с реактивами. В результате идет образование поверхностной пленки толщиной 1 мм.

При проведении процесса гальванической операции существует понятие совместимости материалов. Все металлы в соединениях корродируют. В некоторых случаях это процесс идет замедленно. Но существуют пары, которые нельзя соединять вместе.

О совместимости гальванических пар таблица дает наглядное представление.

Металл	Алюминий	Бронза	Дюраль	Латунь	Медь	Никель	Олово	Сплав олово со свинцом	Углеродистая сталь и чугун	Хром	Цинк
Алюминий	+	-	+	-	-	-	-	-	+	-	+
Бронза	-	+	-	+	+	+	Пайка	Пайка	-	+	-
Дюраль	+	-	+	-	-	-	-	-	+	-	+
Латунь	-	+	-	+	+	+	Пайка	Пайка	-	+	-
Медь	-	+	-	+	+	+	Пайка	Пайка	-	+	-
Никель	-	+	-	+	+	+	Пайка	Пайка	+	Отсутствуют данные	+
Олово	-	Пайка	-	Пайка	Пайка	Отсутствуют данные	+	+	+	Отсутствуют данные	+
Сплав свинца с оловом	-	Пайка	-	Пайка	Пайка	Пайка	+	+	+	Отсутствуют данные	+
Углеродистая сталь и чугун	+	-	+	-	-	+	+	+	+	+	+
Хром	-	+	-	+	+	Отсутствуют данные	Отсутствуют данные	Отсутствуют данные	+	+	+
Цинк	+	-	+	-	-	+	+	+	+	+	+

Используемые материалы и оборудование

Для всех видов гальванизации металла применяется однотипное гальваническое оборудование. Емкость, куда погружаются изделия из металла, называется ванной. Различие наблюдается только в разновидности электролита.

Исключение составляет холодное цинкование, совершаемое «Гальвонолом». Это жидкая суспензия, которая непосредственно наносится на металл. Отличается неустойчивостью к некоторым растворителям, поэтому нуждается в финишном покрытии.

Различается несколько групп гальванических ванн:

Крупные. Рассчитаны на крупногабаритные изделия.
Средние. В них нет возможности поместить большое изделие. При этом они остаются наиболее востребованными в условиях средних масштабов производства.
Мелкие. В них можно проводить гальванизацию только мелких деталей.

В ванну помещаются анодные пластины. Изготавливаются из разных материалов. Их основная задача заключается в восполнении убывающего металла с изделия в процессе гальванизации.

Важными составляющими являются разновидность электролита и плотность тока. Эти параметры меняются в зависимости от вида операции.

Составы цианидных ванн для серебрения представлены в таблице.

Состав	Номер электролита
1	2	3	4
Цианистое серебро	2	6	30	100
Цианистый натрий	70	70	-	-
Цианистый калий	-	-	70	100
Углекислый натрий	10	10	-	-
Углекислый калий	-	-	10	25
Гипосульфит натрия	-	-	0,4	0,5
Аммиак водный, мл/л	-	-	1-2	2
Едкий калий	-	-	-	15

Величина плотности тока оказывает влияние на структуру формируемого осадка. Измеряется как отношение силы тока к единице поверхности обрабатываемой детали.

Такой параметр имеет важное значение во время работы. При низкой величине плотности осадка вообще не образуется. Слишком большая его величина приводит к образованию порошкового отложения. Поэтому гальванический процесс требует контроля этого показателя.

Виды гальванических покрытий

Процессы гальванического нанесения покрытия на металл отличаются своими особенностями в зависимости от применяемого материала. К видам гальванических покрытий относятся:

хромирование;
цинкование;
травление;
золочение и серебрение;
меднение;
латунирование;
гальваника алюминия.

Хромирование

Это процесс внедрения в поверхность металла хрома с использование электролита под воздействием тока. В результате изделие приобретает коррозионную устойчивость к агрессивной среде. Увеличивается твердость поверхностного слоя. Обработанные детали находят применение во многих отраслях промышленности.

Цинкование

При проведении цинкования металлическая поверхность покрывается слоем цинка. Образующаяся гальваническая пара хорошо работает в агрессивной среде. Продолжительность эксплуатации такого изделия зависит от времени разрушения цинка. До этих пор расположенный внутри металл не будет подвергаться коррозии.

Травление

Травление – это электролитическое снятие поверхностного слоя с изделия. Процедура проводится с целью обнаружения внутренних дефектов, устранения ржавчины или окислов. После такой операции часто детали подвергаются финишному покрытию. Обработанные поверхности заготовок хорошо сопрягаются друг с другом.

Золочение и серебрение

Золочение и серебрение применяются в ювелирном деле. Ванна заполняется электролитом, куда опускается обрабатываемое украшение. В электролите растворяются ионы серебра или золота. По окончании процедуры на поверхности изделия образуется тонкий поверхностный слой драгоценного металла.

Меднение

Меднение является промежуточной операцией, поскольку такая поверхность плохо противостоит коррозии. С течением времени она окисляется. В дальнейшем идет наслоение еще одного покрытия. В качестве электролитов используются щелочные и кислотные составы.

Латунирование

При работе используются цианистые электролиты меди, цинка, натрия или калия. Латунная поверхность наносится с целью улучшения декоративных качеств. Особенно это касается белого латунирования. Еще такой обработке подвергаются стальные заготовки, которые обклеиваются резиной.

Гальваника алюминия

К гальваническим покрытиям алюминия относятся сочетания:

медь – никель – хром;
никель – хром;
свинец – олово;
медь – олово;
латунирование;
цинкование.

Работа с алюминием и его сплавами сопровождается определенными трудностями. На их поверхностях присутствует окисная пленка, которая затрудняет процесс гальванизации.

Гальваническое покрытие металлических изделий проводится не только в промышленных масштабах. Домашние условия тоже позволяют заняться этим видом деятельности. Если у кого-то есть опыт проведения таких мероприятий, большая просьба поделиться им в комментариях к этой статье.

Способы гаражного и промышленного цинкования металла

Цинкование металла: суть и назначение процесса. Различные технологии цинкования металла. Преимущества оцинкованных металлоконструкций. Процесс цинкования металла в домашних условиях.

Цинкование металла – это технологический процесс, суть которого заключается в нанесении на поверхность металлических деталей специального цинксодержащего состава. Данная процедура призвана предупредить образование окислов и ржавчин, что благоприятно влияет на срок службы металлоконструкций любого типа. Цинкование можно осуществить не только в производственных условиях, но и своими руками. В статье подобно изложены различные методики цинкования металла.

Суть и назначение процесса цинкования металла

Цинк является основным компонентом специальной химической смеси, которой принято покрывать изделия из металла во избежание развития коррозионных процессов. Повышенная влажность, воздействия механического характера, химические реакции – все это может спровоцировать окисление поверхности металла, однако оцинкованные изделия гораздо меньше подвержены коррозии.

Цинк и металл в симбиозе образуют гальваническую пару, где цинк принимает на себя все барьерные функции и, следовательно, вступает в различные формы взаимодействия с факторами окружающей среды.

Поверхность изделия будет сохранять свой первоначальный вид до тех пор, пока не разрушится полностью верхний цинковый слой. В местах, где цинк подвергается наиболее сильному воздействию, под влиянием молекул воды и кислорода образуется защитный слой гидроксида, который также сохраняет целостность металла.

Класс толщины	Масса м2 площади покрытия (с двух сторон), г	Толщина цинкового слоя, мкм
Повышенный (П)	От 570 до 855	От 40 до 60
1	От 258 до 570	От 18 до 40
2	От 142,5 до 258	От 10 до 18

Классы цинкового покрытия П и 1 чаще всего используются в условиях сложной климатической обстановки повышенной влажности и перепадов температур.

Свойства и преимущества оцинкованных покрытий

Существенным преимуществом оцинкованных покрытий является длительность срока их службы. Если говорить о различных технологиях оцинковывания как об этапе подготовки деталей к окрашиванию, то сразу можно отметить следующие достоинства процедуры:

износостойкость и длительность службы окрашиваемого покрытия;
низкая себестоимость в сравнении с ценой на окрашивание без предварительного цинкования за срок до 25 лет;
простые требования к изделиям из металла.

Цинкование металла осуществляет не только барьерную и защитную, но и электрохимическую защиту верхних слоев обработанных изделий.

Цинкование с фосфатированием

Цинкование с фосфатированием принято использовать для обработки цветных металлов. В результате процедуры на верхнем слое детали из металла образуются фосфаты цинка, марганца или железа, которые являются малорастворимыми элементами, что усиливает барьерные и электроизоляционные качества обрабатываемых поверхностей.

Цинкование с фосфатированием можно применять в отношении следующих видов металлов:

чугуна;
кадмия;
низколегированных углеродистых сталей;
меди;
цинка;
алюминия.

Металлические предметы, оцинкованные посредством фосфатирования, могут использоваться даже в условиях тропиков. Они не подвержены воздействию нагретых материалов, смазочной органики (масел), бензола, толуола и всех газов за исключением сероводорода.

Способы и методы цинкования

горячее;
холодное;
гальванизация;
термодиффузионное цинковое покрытие;
напыление под воздействием термических газов.

При выборе технологии цинкования металла нужно отталкиваться от предназначения изделия и способов его эксплуатации. Заранее необходимо определить класс толщины цинкового слоя, так как от этого зависит весь технологический процесс, включая настройку производных температур.

Изделия из металла, на которых уже присутствует цинк, не стоит подвергать механическим воздействиям, так как можно нарушить целостность защитного покрытия.

Горячее цинкование

Горячее цинкование стали имеет широкую известность, но применяется несколько реже, чем другие способы распределения цинка по поверхности металлоконструкций. Несмотря на эффективность горячей технологии, она является крайне опасной для окружающей среды и живых организмов. Горячий способ подразумевает использование агрессивных химикатов для подготовительных процедур и горячего жидкого цинка для дальнейшего покрытия.

Сталь цинкуется горячим методом в 2 этапа:

Подготовительные меры.
Процесс цинкования.

Подготовка изделий также делится на следующие друг за другом производственные стадии:

Зачистка и обезжиривание поверхности.
Травление с помощью кислот.
Промывание деталей.
Флюсование (вычленение из металла солей и оксидов).
Просушка.

После завершения этапа 1 деталь погружают в специальный резервуар с расплавленным цинком, после чего начинает формироваться тонкий защитный слой из железа и цинка. Далее изделие подвергается продуванию, которое призвано обеспечить полное высыхание изделия, а также удаление лишних образований.

Недостаток данного метода оцинковывания металла заключается в ограничении габаритов обрабатываемых изделий размерами резервуара.

Холодное цинкование

Метод холодного цинкования заслуженно считается самым применяемым. Причинами тому являются высокая результативность и простота применения. Способ не требует наличия профессионального оборудования, что позволяет осуществлять цинкование у себя дома.

Для холодного цинкования потребуется специальный цинковый состав (например «Цинокол») и малярный инструмент (кисть, валик). Смесь включает от 86% цинка, благодаря чему защитное покрытие образуется сразу после нанесения состава на металлическую поверхность.

Если конфигурация поверхности не позволяет нанести цинковую смесь малярным инструментом равномерно, применяют краскопульт – устройство для распыления различных материалов.

Холодный метод цинкования не имеет аналогов, если речь идет о нанесении или восстановлении защитного слоя металлоконструкций, в отношении которых невозможно применить иные способы цинкования (например, уже смонтированное оборудование, леса или трубы). Также такой метод является лучшим решением для проведения ремонтных работ.

Холодный способ цинкования можно производить в широком температурном диапазоне, при этом защитный покров сохраняет гибкость и устойчивость к различным повреждениям.

Гальванический метод

Во время гальванического цинкования на верхний слой металла оказывается воздействие электрического и химического характера одновременно. Результатом является не только максимально точная толщина барьерного слоя, но и идеально гладкая структура.

Гальванизация сопровождается высокой адгезией элементов металла и цинка, соединенных на молекулярном уровне. Можно достичь не только максимально равномерного цинкового покрытия по всей площади детали, но и придать ему декоративный вид.

Процесс электрохимической гальванизации происходит так:

пластины или другие объекты из металла погружаются в специальную электролитическую жидкость;
объект обработки подключается к источникам тока с разными зарядами;
разность потенциала заставляет материал разрешаться, после чего молекулы цинка начинают подниматься к поверхности изделия, образуя тем самым защитный слой.

Цинкование металлоконструкций гальваническим методом позволяет воссоздать неповторимый декоративный узор, контролируя при этом толщину барьерного слоя.

Главный недостаток процедуры – высокая стоимость, которая складывается из цен на электроэнергию, состав электролита, оборудование и другие производственные элементы.

Термодиффузионное покрытие цинком

Суть термодиффузионной технологии (ТТ) в том, что объект цинкования и сухой цинксодержащий порошок кладутся в специальный контейнер, который герметизируется и подвергается воздействию очень высокой температуры (до 2 500 градусов по Цельсию). Атомы цинка, содержащиеся в сухой смеси, преобразуются в газ, что упрощает их диффузионное проникновение в верхний слой деталей из металла.

Как правило, данную технологию применяют в случае необходимости создания защитного слоя свыше 15 мкм.

Подготовка самих деталей происходит по стандарту. Термодиффузионный метод, как и другие технологии, обладает рядом положительных и отрицательных черт.

безопасность и экологичность;
возможность контролировать толщину цинковой наслойки;
высокое качество защитного покрытия без образования пор;
после процедуры не остается специфических отходов, нуждающихся в особом виде утилизации;
можно осуществить цинкование изделий даже со сложной геометрической конструкцией.

наличие налета на оцинкованных деталях, отсутствие зеркального блеска;
образование цинковой пыли в окружающей среде;
средний уровень производительности;
цинкование может получиться неравномерным.

Газотермическое напыление цинка

Напыление подходит для металлических крупногабаритных пластин или металлоконструкций, в отношении которых очень тяжело применять другие технологии.
Процесс цинкования напылением: в условиях газовой среды цинк в виде сухого порошка распыляют по всей поверхности металлоконструкции. На фоне высоких температур молекулы цинка и металла при столкновении образуют чешуйки, поры и неровности, поэтому обрабатываемая деталь нуждается в дальнейшей покраске.

Как отличить оцинкованный металл от обычного

Оцинкованная и обычная нержавеющая сталь имеют разную себестоимость, поэтому стоит знать, как их различить в условиях не всегда честного современного рынка.

На глаз. Оцинкованная сталь, как правило, имеет характерные радужные разводы. Также обычный металл имеет более матовую поверхность. Если на металле нет кристаллических декоративных узоров, то цинковое покрытие имеет зеркальный блеск.
Магнит. Оцинкованные поверхности обладают более сильными электромагнитными свойствами, что можно проверить с помощью обычного магнита.
Спектральный анализ. Требуется специальное оборудование, определяющее химический состав стали, но данный способ считается наиболее точным и надежным.
Химический метод. Соляная кислота вступает с цинком в химическую реакцию, при которой начинается выделяться водород. Достаточно небольшого количества соляной кислоты.

При покупке оцинкованной стали рекомендуется выбрать надежного и ответственного поставщика, что избавит от проблем с определением подлинности металла и наличия у него цинкового покрытия.

Простой способ цинкования в домашних условиях

Самым легким способом самостоятельного цинкования металла является холодный метод. Однако многих интересует именно гальванический способ из-за формирования декоративных узоров на верхних слоях детали.

Подготовка электролита

Электролитом может стать любой раствор, в котором содержится цинк:

хлорид цинка (ZnCl);
соляная кислота (HCL);
ZnSO4 (результат травления серной кислоты H2SO4).

При травлении необходимо быть максимально осторожным, так как во время химической реакции выделяется взрывоопасный газ Н2.

Получение цинкового состава

Чтобы осуществить гальваническое цинкование металла дома, необходимо иметь цинк. Если говорить о подручных средствах, то цинк можно найти:

в солевых батарейках (индекс L);
в металлических оцинкованных деталях;
в советских предохранителях.

А можно купить чистый цинк в радиомагазинах или на авторынках.

Подготовка к нанесению покрытия

Нужно взять пластиковую или стеклянную тару, которая выступит в качестве ванны с электролитом, и установить держатели для анода и катода.
Если в электролите заметны кристаллы соли, то использовать его нельзя. Растворить их можно, добавив дистиллированной воды.
Анодом может выступить пластинка из цинка с подключенным к ней «+» зарядом. Чем больше площадь пластины, тем равномернее будет ложиться цинк на катоде. Чем больше анодов, тем больший участок покроется цинком за раз.
Катод – это деталь, которая требует обработки (отрицательный заряд). На нее будут укладываться молекулы цинка. Необходимо подготовить металл к процедуре цинкования: очистить от коррозии, обезжирить и активировать, поместив в раствор кислоты. Необходимо расположить катод равно удаленно от всех источников положительного заряда.
Источником электрического питания может выступать любой аккумулятор или блок питания. Чем выше будет напряжение, тем более ускоренно пройдет процесс гальванизации. Если используется автомобильный аккумулятор, в схему необходимо добавить другие потребители тока (например, лампочку накаливания).

Нанесение цинковой пленки

После всех подготовительных процедур останется только включить источник электрического питания и поместить катод в электролит. Не стоит допускать бурного кипения электролита: необходимо снизить силу тока, добавив в схему потребители электроэнергии. Чем дольше происходит процесс гальванизации, тем толще будет защитный слой цинка на поверхности обрабатываемой детали (катода).

Если у вас имеется опыт цинкования металла в домашних или промышленных условиях, вы можете поделиться им в комментариях.

Механизм и технология гальванического цинкования. Структура и свойства гальванических покрытий.

1. Что такое цинк и каковы его коррозионные характеристики?

Цинк представляет собой металл светло-серого цвета с голубоватым оттенком.
Температура плавления составляет 419,5° С, а плотность 7,133 г/см 3 . В холодном состоянии цинк хрупок, а при температуре 100-150°С весьма пластичен, хорошо гнется и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной до сотых долей миллиметра. При температуре >250° С он вновь становится хрупким и легко превращается в порошок.
Металл можно паять используя активные флюсы, например, ZnCl₂.
Обладает средней твердостью, которая в значительной мере зависит от способа его получения и чистоты. Твердость цинковых покрытий колеблется от 0,4 до 2,0 ГПа.
Большое влияние на скорость коррозии цинка оказывает величина рН среды. В интервале рН 7-12 цинк практически не растворяется. Скорость коррозии возрастает при отклонении от указанных значений.

Оцинковка является наиболее распространенным способом покрытия стали и чугуна для защиты от атмосферной коррозии. На эти цели расходуется приблизительно 40 % мировой добычи цинка.

Цинкование — это нанесение тонкого слоя цинка на изделие для придания ему требуемых характеристик (защита от коррозии, цвет, блеск, износостойкость и т.п.).

Широкое распространение цинкования объясняется анодным характером защиты. Потенциал цинка равен - 0,763 В, что отрицательнее потенциала черных металлов: стали, железа, чугуна, поэтому покрытие защищает их от коррозии электрохимическим путем. Защитные свойства покрытий сохраняются даже при малой толщине слоя, а также при наличии пор и обнаженных участков. Известны многочисленные примеры протекторного действия покрытия на оголенные участки стали, например, обрезанные края оцинкованного железа, поперечное сечение проволоки, непокрытая резьба гайки, если она навинчена на оцинкованный винт, и т. п.

Ц.хр - радужное (желтое)

Ц.хр.бцв - бесцветное (белое)

Ц.хр.хаки - хаки (оливковое)

Ц.фос - с фосфатированием

Zink coating - англ. обозначение

6-50мкм (возможна и большая толщина)

Удельное электрическое сопротивление при 18оC

Допустимая рабочая температура

Анодный характер защиты стали покрытием в некоторых случаях может замениться катодным, и тогда коррозия происходит весьма интенсивно. Подобное влияние наблюдается под воздействием горячей воды при температуре выше 70°С (котельные установки, автоклавы). В сухом воздухе при комнатной температуре цинк почти не окисляется. Начиная с температуры 225°С, скорость окисления на воздухе быстро возрастает.

Во влажном воздухе и в морской воде, особенно в присутствии СО₂ и SO₂, цинк быстро разрушается даже при комнатной температуре, покрываясь поверхностной пленкой основных гидрокарбонатов. По мере накопления на поверхности продуктов коррозии и частичного заполнения ими пор скорость коррозии цинка уменьшается, и пленка служит дополнительной защитой. В горячей воде может начаться язвенная коррозия с образованием белых чашеобразных отложений вокруг газовых пузырей.

Особенно значительна скорость коррозии цинка в атмосфере промышленных городов и в тропиках.

При сильном нагревании на воздухе, особенно при наличии СО₂, цинк сгорает, образуя оксид цинка. Цинк легко растворяется в растворах сильных кислот с образованием соответствующих солей и водорода.

При взаимодействии с разбавленными кислотами НСl и H₂SO₄ выделяется водород:

а с HNO₃ - оксиды азота.

Растворы сильных щелочей окисляют цинк с образованием растворимых в воде цинкатов. Химически чистый цинк, в отличие от загрязненного примесями других металлов, растворяется в кислотах и щелочах медленно. Это происходит вследствие того, что водород, который при этой реакции должен выделяться, имеет высокое перенапряжение.

Цинк обладает низкой химической стойкостью при воздействии летучих продуктов, выделяющихся при старении таких органических материалов, какими являются синтетические смолы, олифы, хлорированные углеводороды. Покрытия цинком легко разрушаются, если они находятся в контакте или в закрытом объеме со свежеокрашенными или промасленными деталями.

Таким образом, защитное действие покрытия определяется в первую очередь его толщиной, зависящей от условий эксплуатации изделий. Далее речь пойдет о гальваническом цинковании.

Характеристика условий эксплуатации

Обозначение покрытия по

Эксплуатация в отапливаемых и вентилируемых помещения температура воздуха 25±10°С, и влажности 65±15%

Эксплуатация под навесом и в неотапливаемых помещениях; отсутствие воздействия атмосферных осадков; атмосфера загрязнена небольшим количеством промышленных газов; температура воздуха от -60 до +60°С, относительная влажность 95±3%

Эксплуатация на открытом воздухе; воздействие атмосферных осадков, туманов; атмосфера загрязнена промышленными газами, пылью; температура среды от -60 до +80°С, относительная влажность 95±3%

Эксплуатация в особых условиях

Примечание: хр - хроматная обработка покрытия

Защитные свойства могут быть значительно увеличены различными способами, наиболее распространенными из которых являются:

образование на поверхности цинка хроматных пленок посредством химической обработки оцинкованных деталей в растворах, содержащих хромовую кислоту или ее соли; подобная операция называется пассивированием или хроматированием;
образование на покрытии фосфатных пленок в результате обработки деталей в растворах, содержащих соли фосфорной кислоты;
нанесение дополнительных лакокрасочных покрытий, при этом лучшие результаты получаются, если лакокрасочной операции предшествует фосфатирование.

2. Электролиты для нанесения покрытия.

Качество покрытий во многом определяется характером применяемого электролита.

Электролиты для цинкования можно разделить на две основные группы:

Простые кислые (сульфатные, хлоридные, борфтористоводородные), в которых цинк находится в виде гидротированных ионов;
Сложные комплексные, в которых цинк присутствует в виде комплексных ионов, заряженных отрицательно или положительно. Из комплексных электролитов известны цианидные, цинкатные, аммиакатные, пирофосфатные и другие.

От природы и состава электролитов зависят качество осадков на катоде и скорость процесса осаждения. Так как качество осадков и скорость процесса в значительной степени определяются характером и степенью изменения катодных потенциалов, то для сравнительной оценки электролитов цинкования (как и других видов покрытий металлами) лучше всего исходить из относительного расположения поляризационных кривых. Чем выше катодная поляризация, тем более мелкозернистые и равномерные по толщине осадки на катоде.

Сравнение поляризационных кривых показывает (рисунок 1), что наименьшая поляризация характерна для процесса цинкования в сульфатном электролите, наибольшая - в цианидном и близком к нему цинкатном.

Рисунок 1 — График катодной поляризации цинковых электролитов: 1 - сульфатный; 2 - аммонийный; 3 - цианистый; 4 - цинкатный.

В первом случае повышение плотности тока почти не сопровождается изменением выхода металла по току, в отличие от щелочных растворов, в особенности цианидных, где выход по току с ростом плотности тока уменьшается. Поэтому кислые электролиты пригодны для цинкования деталей простой конфигурации, ленты, проволоки. Они допускают применение больших плотностей тока, чем цианидные и, следовательно, отличаются большей скоростью наращивания покрытий. Осаждение цинка из сложных электролитов протекает при высокой рассеивающей способности, поэтому эти электролиты дают не только мелкозернистые, но и равномерные покрытия на деталях, как простой, так и сложной формы.

Перенапряжение водорода на цинке достигает значительной величины: при катодной плотности тока 1 А/дм 2 оно равно 0,75 В, а при 3 А/дм 2 — приближается к 1 В. В связи с этим катодный выход по току цинка в простых электролитах достигает 96-98 %; следовательно, на катоде происходит преимущественный разряд ионов цинка.

При нанесении покрытий в сложных электролитах происходит совместное выделение цинка и водорода. Скорость выделения водорода увеличивается по мере возрастания плотности тока, так как при этом возрастает потенциал выделения цинка. Выделение водорода приводит к значительному наводороживанию изделий, что ухудшает их механические свойства - уменьшается пластичность и увеличивается склонность стали к хрупкому разрушению. Поэтому в электролитах с низким выходом по току не допускается нанесение цинка на детали, изготовленные с пределом прочности 1400 МПа и более.

2.1 Простой кислый электролит.

Эти электролиты нашли наиболее широкое применение в промышленности. Использование их позволяет осаждать цинк с высокой скоростью. Кислые электролиты стабильны в работе, высокопроизводительны, сравнительно дешевы.

Удовлетворительные по внешнему виду осадки можно получать из простых кислых электролитов, содержащих только соль цинка и небольшое количество серной кислоты. Однако на практике для улучшения качества покрытия к раствору соли обычно добавляют поверхностно-активные вещества, а также соли щелочных металлов и вещества, сообщающие буферные свойства электролиту.

Основная реакция на катоде:

Концентрация цинка выбирается в зависимости от требуемой скорости процесса. Чем больше концентрация в растворе, тем выше допустимая плотность тока, но тем менее равномерны по толщине осадки цинка. Для цинкования деталей могут применяться растворы с концентрацией соли цинка от 20-30 до 700-800 г/л. Высококонцентрированные электролиты применяют на непрерывных агрегатах цинкования полосы, проволоки и труб.

Практически применяют электролиты с рН = 4-5, так как при большой кислотности раствора выход по току на катоде сильно снижается вследствие выделения водорода, а выход по току на аноде возрастает за счет химического растворения цинка. Нейтральные цинковые растворы также не пригодны для цинкования, поскольку в результате выделения водорода и подщелачивания среды у катода образуются гидроокиси, загрязняющие осадок и ухудшающие качество покрытия.

Для поддержания рН около 4,5 в электролит вводят буферные добавки - уксусную, чаще борную кислоту (20-30 г/л). Вместо уксусной кислоты целесообразно вводить ацетат натрия, который после прибавления серной кислоты дает эквивалентное количество слабодиссоциированной уксусной кислоты. Хорошими буферными свойствами обладает электролит, содержащий около 30 г/л сульфата алюминия или алюмокалиевых квасцов. В присутствии солей алюминия при рН=4,5 повышается катодная поляризация (рисунок 2) и осадки получаются светлыми, полублестящими мелкозернистой структуры.

Рисунок 2 — влияние сульфата алюминия на поляризуемость: 1 — без добавок; 2 — при наличие Al2(SO4)3.

Буферные свойства сульфата алюминия основаны на том, что при рН=4-4,5 он подвергается гидролизу с образованием H₂SO₄

К сульфатному электролиту добавляют иногда соли других, не выделяющихся на катоде, металлов, например, сульфаты или хлориды натрия и аммония (до 2 г-экв/л и более), главным образом для увеличения электропроводности растворов. При добавлении сульфатов повышается катодная поляризация, что способствует улучшению распределения металла по поверхности катода.

В случаях, когда к внешнему виду, коррозионной стойкости, макро- и микрораспределению цинкового покрытия предъявляются повышенные требования, в кислые электролиты вводят многокомпонентные органические блескообразователи, содержащие добавки для повышения рассеивающей, кроющей и выравнивающей способности, скорости осаждения покрытия и его блеска. Существуют блескообразователи, которые позволяют получать на деталях средней конфигурации из кислых электролитов достаточно равномерные по толщине и выравнивающие микропрофиль поверхности блестящие покрытия при высоких плотностях тока (до 10 А/дм 2 ). В качестве добавок к кислым электролитам широко применяют декстрин, глюкозу, желатин, столярный клей, фенолы, глицерин и другие.

Какие примеси вредны в кислом электролите?

Вредными примесями в кислых электролитах являются соли более электроположительных, чем цинк, металлов, например, соли меди (0,01 г/л), мышьяка (0,001-0,005 г/л), сурьмы (0,001-0,01 г/л), свинца, все соли азотной кислоты и некоторые органические вещества (скипидар, ацетон, клей) и др. В присутствии малых количеств (доли грамма на литр) электроположительных металлов в кислом цинковом электролите на катоде образуются губчатые осадки, вследствие выделения этих металлов на предельном диффузионном токе.

Свинец, присутствующий в сульфатном электролите цинкования, в отсутствие хлоридов и декстрина не влияет на качество осадков цинка вследствие малой растворимости сульфата свинца, которая в нейтральной водной среде составляет примерно 0,01 г/л (считая на металл).
В сульфатном электролите, содержащем добавки декстрина, и в электролитах, содержащих хлор-ион, осадок цинка на катоде темнеет уже при концентрации свинца около 0,05 г/л, а при концентрации 0,3 г/л и выше на поверхности катода образуется губчатый осадок черного цвета.
Олово при концентрации до 0,3 г/л не оказывает влияния на внешний вид покрытия. С увеличением содержания олова до 1 г/л при плотности тока около 100 А/м2 катодные осадки становятся темными, рыхлыми, что объясняется восстановлением ионов олова на предельном диффузионном токе. Железо оказывает большое влияние на качество осадков цинка в электролитах с органическими добавками.
Для удаления примесей электроположительных металлов предварительно подкисленный электролит прорабатывают постоянным током при низкой плотности тока.
Соли железа удаляют в виде гидроокиси Fe(OH)₃ после нейтрализации раствора бикарбонатом натрия и добавления перекиси водорода или персульфата щелочных металлов при нагревании до 70-100°С. После отстаивания осадка Fe(OH)₃ раствор декантируют или фильтруют.
В присутствии нитратов на катоде образуются губчатые осадки, включающие гидроокись цинка, образование которой объясняется восстановлением NO 3- до аммиака и гидроксиламина и подщелачиванием в связи с этим прикатодного слоя. Губка устраняется только при сильном подкислении электролита, которое при небольших плотностях тока вызывает значительное снижение выхода по току.

Для удаления вредных органических примесей применяют в зависимости от природы этих примесей проработку электролита постоянным током со свинцовыми анодами (при отсутствии в растворе хлор-иона) при ia = 500-1000 А/м 2 , обработку перекисью марганца, активированным углем и т.п.

Плотности тока на катоде в неперемешиваемых электролитах составляют не выше 200-300 А/м 2 . При перемешивании электролита сжатым воздухом допустимый верхний предел плотности тока может быть значительно увеличен в зависимости от состава и температуры электролита, вида покрываемых изделий (детали, проволока, лента, листы).

Значительно увеличиваются допустимые плотности тока (до 200-500 А/м 2 ) и улучшается декоративный вид осадков цинка при электролизе с применением ультразвука. Катодные выходы по току колеблются в пределах 95-100% в зависимости от рН, t и iк.

Во всех кислых электролитах аноды растворяются с высоким выходом по току, который при рН-1-2 составляет более 100% вследствие коррозии.

Во избежание загрязнения электролита анодным шламом аноды следует заключать в чехлы из фильтровальной ткани или хлорина. Рекомендуется применять цинк, содержащий 0,05-0,2% магния и 0,25-1% кальция. Аноды из такого цинка в меньшей степени образуют шлам и растворяются с малым выходом по току, благодаря чему электролит более устойчивый.
В последнее время получили распространение литые аноды разных конфигураций: в виде шариков, цилиндриков и др., которые загружают в сетчатые корзины из титана. Применение анодов такой формы позволяет полнее использовать металл и сократить его расход по сравнению с пластинчатыми анодами.

Примерные составы и режим работы кислых электролитов приведены в таблице 2.

Читайте также: