Кадмированная сталь что это

Обновлено: 26.04.2024

1. Проблема наводороживания при гальванической обработке стальных изделий.

Наводороживание (водородная хрупкость) — явление, связанное с ухудшением физико-механических свойств стали, вызванное включением в ее структуру водорода, причем негативный эффект может проявляться даже от ничтожно малого его количества.

От наводороживания в первую очередь страдают высокопрочные и закаленные стали.

Из них изготавливают изделия, работающие в условиях высокой надежности или рассчитанные на огромные нагрузки. Такая продукция часто применяется в самолето- и ракетостроении.

В стали водород может находиться как в атомарном (растворенном), так и в связанном виде. В процессе диффузии он встраивается в дефекты кристаллической решетки стали.

D случае использования сталей с высоким содержанием углерода, водород образует с ним соединения, наличие которых приводит к необратимому изменению поверхностной структуры металла. Из-за многообразия вариантов взаимодействия водорода с металлами и легирующими добавками, существует множество противоречивой информации о зависимости характеристик сталей от степени их наводороживания. Достоверно известно лишь, что в случае с наиболее распространенными малоуглеродистыми сталями, проблема охрупчивания при наводороживании отсутствует.

Существенное наводороживание происходит при химической и гальванической обработке стальных деталей, например: катодном электрохимическом обезжиривании, активации, травлении без ингибитора кислотной коррозии, кадмировании и щелочном цинковании (рисунок 1).

Рисунок 1 — Наводороживание стальных метизов на разных стадиях обработки: 1 — катодное электрохимическое обезжиривание; 2 — кислотное травление без ингибитора кислотной коррозии; 3 — катодное электрохимическое обезжиривание (активация); 4 — щелочное цинкование.

Как видно из рисунка 1, основной вклад в процесс наводороживания стали вносится в ходе цинкования, но и влиянием подготовительных операций нельзя пренебрегать, поэтому применение катодного электрохимического обезжиривания и активации для высокопрочных сталей нежелательно.

Cуществуют определенные требования к прочности сталей, подвергаемых цинкованию. Изделия с прочностью 1000 Н/мм 2 и выше, не рекомендуется оцинковывать. Допускается цинкование материалов с прочностью до 1500 Н/мм 2 , но при условии проведения обезводороживания.

Основные факторы, влияющие на наводороживание конкретной марки стали, это:

основной состав (количество углерода и легирующих компонентов);
содержание примесей (степень чистоты);
характер внутренних напряжений;
количество и вид дефектов структуры.

Главная проблема при изучении механизма наводороживания при цинковании и кадмировании состоит в том, что одновременно с выделением водорода и его поверхностной сорбцией происходит формирование новой фазы (покрытия), а значит, происходит изменение структуры и толщины катода.

2. Механизмы наводороживания и сопутствующие факторы.

Общее правило - чем меньше перенапряжение выделения водорода на конкретной поверхности, тем легче происходит его восстановление и тем больше его в конечном счете образуется. Например, перенапряжение водорода на чугуне при цинковании из цинкатного электролита меньше, чем на стали 3, соответственно, в первом случае его будет выделяться больше. В некоторых устаревших электролитах выход по току водорода на чугуне может приближаться к 100%.

Существует несколько основных источников водорода в процессе электрохимической обработки стали.

I источник — разряжение водорода на непрокрытых участках стали, а затем и в основании пор покрытия (порный механизм);
II источник — водород, который разряжаясь проникает в осадок и диффундирует через него в сталь, после окончательного заполнения пор готового покрытия (абсорбционно-диффузионный механизм);
III источник — благодаря тому, что количество водорода, поглощенного покрытием может превышать его количество, поглощенное сталью, этот водород может переходить из покрытия в сталь непосредственно в процессе электрохимической обработки;
IV источник — образование атомарного водорода в результате встраивания катионов щелочных металлов в покрытие и разложения водой образованных в последствии интерметаллидов.

В случае цинковых и кадмиевых покрытий вторая стадия является маловероятной ввиду сложности проникновения водорода через покрытие к поверхности стали.

2.1 Порный механизм наводороживания.

По данному механизму протекает электроосаждение цинка из цианистых электролитов без блескообразующих добавок.

На рисунке 2 представлены зависимости пористости цинкового покрытия (Sст), выхода по току (A) и количества поглощенного водорода (VH) в стали от толщины покрытия.

Рисунок 2. Зависимость параметров электрохимического процесса цинкования от толщины покрытия.

Из данного рисунка видно, что при достижении толщины в 2 мкм (практически полное заполнение пор), происходит стабилизация выхода по току и прекращается процесс наводороживания, то есть достигается предельный уровень абсорбции водорода (VH — max).

При изменении состава электролита и выхода по току, предельный объем абсорбированного водорода изменяется в пределах от 1,3·10-3 до 3,0·10-3 см 3 /см 2 . Толщина покрытия, при которой происходит прекращение поглощения водорода, изменяется в пределах 1,5±0,3 мкм. Зависимость величины абсорбции водорода от толщины покрытия характеризуется уравнением:

где:
K1 и λ — постоянные;
Aп — максимальное значение выхода по току, которое наблюдается по достижении толщины покрытия δ.

Из указанного выше равенства можно сделать вывод о том, что даже при выходе по току близкому к 100% избежать наводороживания не удастся.

2.2 Абсорбционно-диффузионный механизм наводороживания.

Данный механизм наблюдается при покрытии кадмием и цинком из электролитов с блескообразующими добавками. Кинетические характеристики данного процесса в корне отличаются от кинетики электролитов без блескообразующих добавок. Примером работы данного механизма может являться цинкатный электролит с добавкой Лимеда НБЦ.

В процессе осаждении цинка наблюдается постоянное увеличение количества поглощенного сталью водорода с ростом толщины покрытия, независимо от свойств блескообразователя. В отличие от первого механизма, здесь не наблюдается зависимости между охрупчиванием стали и выходом по току: водород быстро диффундирует в металл-основу, несмотря на высокую скорость закрытия пор при осаждении цинка. Среднее время образования беспористого покрытия 5-6 минут. Блестящее цинковое покрытие содержит значительно больше водорода, чем сталь. Максимальная концентрация водорода наблюдается в покрытии в приграничном к основе слое. Так, при толщине цинка 1 мкм, объем водорода составляет 500 см 3 /100 г. При увеличении толщины до 3-5 мкм, объем водорода в покрытии уменьшается в 1,5-2 раза и в конечном итоге приближается к нулю.

Содержание водорода в стали растет пропорционально квадратному корню, излеченному из времени осаждения покрытия.

На рисунке 3 показана зависимость наводороживания стали от времени старения и толщины покрытия.

Рисунок 3 – Зависимость концентрации водорода (VH) от времени старения образцов и толщины покрытия (мкм): 1) – 0,6; 2) – 1,3; 3) – 2; 4) – 2,6; 5) – 3,7; 6) – 5,2; 7) – 10; 8) – 20.
Как видно из данного рисунка, наводороживание стали продолжается несмотря на завершения процесса металлизации.

2.3 Механизм наводороживания, связанный электрохимическим процессом внедрения в катод ионов щелочного металла.

В сильнощелочных электролитах цинкования и кадмирования не создаются условия для реализации рассмотренных выше механизмов I, II и III. В данном случае выделение водорода происходит за счет встраивания ионов щелочного металла в катод в процессе цинкования и последующего разложения образованных интерметаллидов. Основные реакции, протекающие при данном процессе:

mZnm + Na + + e → NaZnm
NaZnm + H₂O → mZn + Na + + OH - + 1/2 H₂

Выделяющийся по данной реакции водород является третьей причиной наводороживания стали.

При реализации данного механизма на объем выделяемого водорода влияет количество образующихся интерметаллидов, которое в свою очередь растет при повышении концентрации щелочного металла и при смещении значения потенциала в положительную область.

При повышении концентрации натрия в щелочном цианистом растворе (при постоянной щелочности раствора) на 0,75 г-эвк/л, наводороживание стали при покрытии кадмием увеличивается на 26%, а при увеличении на 1,5 г-экв/л - на 82%.

При использовании калиевых, натриевых и литиевых электролитов с эквивалентными составами, степень наводороживания увеличивается в соответствии с диаметром катионов: K + > Na + > Li + .

Для данного механизма характерна следующая закономерность: чем меньше размер кристаллитов цинкового покрытия, тем выше предельное значением наводороживания, так как количество щелочного металла, внедренного в цинковое покрытие, напрямую зависит от характера межкристаллической поверхности.

На практике выяснено, что в зависимости от условий ведения электрохимического процесса (состав электролита, вид покрытия, виды блескообразующих добавок, особенности образования осадка) может преобладать один из перечисленных механизмов, а вклад других на его фоне может быть незначительным. При этом не редки случаи, когда четко определить какой механизм преобладает невозможно.

3. Перераспределение водорода между основой и покрытием при старении.

Для решения проблемы охрупчения стали необходимо четко понимать закономерности переноса водорода между металлом-основой и покрытием после окончания электрохимического осаждения в процессе длительной выдержки при комнатной температуре и при термообработке.

Поскольку концентрация водорода на поверхности покрытия равна нулю, а в самом покрытии он распределен таким образом, что его концентрация возрастает от поверхности к границе раздела покрытие - сталь, то в процессе старения при комнатной температуре водород может диффундировать из покрытия в атмосферу. При этом концентрация его по толщине осадка будет выравниваться.

Так как наибольшая концентрация водорода сосредоточена в тонких слоях покрытия, прилегающих к стали, а в самой стали концентрация водорода ниже, чем в покрытии, то естественно, что диффузия направлена не только наружу, но и в сторону основы. Причем последний процесс протекает намного быстрее первого, чему способствует более короткий диффузионный путь водорода от границы раздела в сталь, чем от этой границы через покрытие в атмосферу, а также разница на 4 - 5 порядков в коэффициентах диффузии водорода в стали и цинке или кадмии. Все это очень хорошо объясняет увеличение содержания водорода в основе, обнаруживаемое при длительном старении образцов с блестящими покрытиями.

Одновременно с диффузионными процессами, происходящими в осадке и на границе сталь - осадок, в самой стали также происходит выравнивание концентрации водорода по сечению образца, заключающееся в диффузии водорода от периферии к центру образца. Все эти процессы со временем приводят к тому, что концентрация водорода в основе и покрытии (в том числе и в области границы раздела сталь - покрытие) выравнивается и градиент концентрации водорода становится отрицательным в направлении от стали к покрытию и наружу (в атмосферу); это должно вызвать диффузию водорода из стали в покрытие, а затем и из покрытия.

Повышение температуры принципиально не меняет, а лишь ускоряет процессы перераспределения водорода между сталью и покрытием и последующую десорбцию водорода из стальной основы. Так, например, для осадков цинка, полученных в электролите Лимеда НБЦ при плотности тока 3-5 А/дм 2 , обезводороживание стали достигается достаточно быстро - за 2-4 ч. В то же время для обезводороживания образцов, оцинкованных при низкой плотности тока (1 А/дм 2 ), требуется термообработка в течение более чем 10 ч. В других электролитах с различными блескообразователями были получены аналогичные зависимости: в течение первых часов прогрева содержание водорода в основе увеличивалось, а затем постепенно снижалось. При этом во многих случаях не удавалось удалить водород из основы даже в течение очень длительного времени термообработки. Даже после 24-часовой термообработки образцы с блестящим осадком содержали несколько больше водорода, чем до прогрева. Полублестящие покрытия толщиной 10 мкм в отличие от блестящих не препятствуют диффузии водорода из стали и при прогреве происходит практически полное удаление водорода из основы. Матовые покрытия еще легче выпускают водород из основы.

Причина такого различия заключается в том, что скорость диффузии водорода через покрытие зависит от водородопроницаемости последнего. Известно, что литые металлургические кадмий и цинк, в отличие от гальванических осадков, при любых условиях поляризации не абсорбируют электролитический водород и являются водородонепроницаемыми. Различие в водородопроницаемости литых и электролитических металлов, по-видимому, обуславливается тем, что средний размер зерна, например у гальванического кадмия, приблизительно в 200 раз меньше, чем у литого.

При изучении микроструктуры кадмиевых покрытий выяснено, что происходит укрупнение кристаллитов кадмия с ростом толщины. Низкая водородопроницаемость блестящих покрытий объясняется тормозящим действием включений блескообразующих добавок, блокирующих пути движения водорода по межкристаллическим границам. Таким образом, по водородопроницаемости цинковые и кадмиевые гальванические покрытия можно расположить в ряд: матовое > полублестящее > блестящее.

Наибольшая глубина диффузии водорода в металл-основу — 100 мкм. Таким образом, при покрытии цинком тонкостенных деталей возможно проникновение водорода на всю толщину стали (с двух сторон изделия).

Объем выделяемого водорода зависит от выхода по току. При использовании кислых (ВТ = 95-98), а не щелочных электролитов, степень наводороживаемости изделий будет гораздо меньше (одна из особенностей щелочных электролитов это уменьшение ВТ цинка и увеличение ВТ водорода с ростом плотности тока).

Выход по току не единственная характеристика количества водорода. Серьезное влияние на наводороживание оказывают свойства органических блескообразующих добавок которые включаются в покрытие. Известно, что в процессе старения покрытия происходит разрушение органических включений на поверхности детали, приводящее в выделению водорода. Данный процесс также является одной из причин "вздутия" цинковых покрытий.

4. Обезводороживание.

Основным способом устранения наводороживания стали является термообработка изделий после гальванопокрытия.

Параметры термической обработки во многом зависят от сорта стали, необходимой степени удаления водорода и нескольких других параметров процесса. Детали покрытые цинком выдерживают при температуре 190-200° С, а затем медленно охлаждают при комнатной температуре (температуре цеха). Среднее время термообработки составляет 2-3 часа (рисунок 4). Для особенно ответственных деталей оно может достигать 12 и более часов.

Рисунок 4 – Содержание водорода в стали после цинкования (1) и термообработки при 230 °С в течение: 2) 1 ч.; 3) 2 ч.; 4) 3 ч.

К сожалению, термическая обработка изделий не всегда позволяет полностью восстановить исходные свойства материала, и избавиться от хрупкости. Причинами этого могут быть как низкая степень обезводороживания, так и образование в поверхностных слоях стали соединений водорода, которые приводят к необратимым изменениям в структуре металла. Для обеспечения полного восстановления стали могут требоваться огромные затраты времени и энергии.

По результатам анализа содержания водорода в изделиях покрытых цинком до и после его удаления, можно сделать вывод о том, что концентрация водорода на поверхности покрытия примерно в полтора раза выше, чем в самой стали. При складировании изделий покрытых цинком и не подвергнутых термической обработке в естественных условиях, водород диффундирует из покрытия в металл-основу. При данном процессе увеличивается вероятность охрупчения стали. В связи с этим, рекомендуется проводить термообработку изделий не позднее чем через 30 минут после нанесения цинкового покрытия.

Термообработка изделий, с одной стороны позволяет уменьшить хрупкость материала, а с другой уменьшает и защитную способность хроматных пленок (рисунок 5), иногда до 10 раз. При термообработке происходит удаление слабосвязанной воды из хроматной пленки, что может привести к нивелированию функции «самозалечивания».

Рисунок 5 — Поверхность хроматированного цинкового покрытия с органическими включениями до (а) и после (б) термообработки

Из рисунка 5 видно, что в процессе термообработки на поверхности покрытия образуются пузыри (целые и лопнувшие) диаметром 10-30 мкм. До термической обработки четко просматриваются границы зерен цинка. Пустоты (рисунок 5б) приводят к нарушению целостности пассивной пленки, и тем самым снижают коррозионную стойкость покрытия.

Металлографическим анализом установлено, что присутствие органики в покрытии и последующая диффузия водорода на границе слоев, приводят к образованию микропор. Органические добавки также влияют на процессы термообработки покрытия, затрудняя диффузию водорода с поверхности металла. Таким образом, для блестящих покрытий процесс обезводороживания не всегда завершается даже при термообработке в течение 10-20 часов.

Термобработка цинка сопровождается образованием линзообразных полостей, при этом покрытие "разбухает" примерно на 2-15 мкм (рисунок 6).

Лопнувшие пустоты и пузыри часто не доходят до основы, но нарушают сплошность хроматного слоя и являются потенциальными очагами коррозии.

Рисунок 6 — Поперечный шлиф цинкового покрытия после обезводораживания. Материал основы - сталь 70.

После анализа приведенных выше механизмов нельзя не согласиться, что охрупчивание сталей является прямым следствием применения цинкования и кадмирования. Однако каждый вид стали имеет различное содержание углерода, легирующих добавок и примесей, что создает условия для склонности к охрупчиванию той или иной стали, независимо от способа покрытия.

Самое главное, что зачастую опасность наводороживания определяется не типом электролита (цианистый, цинкатный, пирофосфатный и др.), а степенью блеска получаемого покрытия.

Механизм и технология гальванического кадмирования металла.

Кадмирование — процесс нанесения тонкого слоя металлического кадмия на изделие для придания ему необходимых свойств. Основное назначение покрытия - защита стали от коррозии в солевой среде (морской воде и тропиках).

Кадмий — серебристо-белый металл, по своим свойствам близок к цинку, но в десятки раз дороже его. Он легко куется, вальцуется в листы, полируется. Плотность металлургического кадмия - 8,6 г/см 3 , температура плавления составляет 321° С, удельное электрическое сопротивление кадмия составляет 0,076*10 -6 Ом*м.

Заметная пассивация кадмия наступает во влажной среде, а при 200° C пассивная пленка утолщается, приобретая соломенно-желтый цвет. Пассивная пленка на кадмии, по сравнению с цинком, более плотная. Кадмий легко диффундирует в основной металл и на границе "металл-покрытие" образуется сплав.

Кадмий растворим в минеральных кислотах, особенно в азотной. При этом реакционная способность кадмия ухудшается с ростом его чистоты. В отличие от цинка кадмий не растворим в щелочах и не проявляет амфотерных свойств. Гидроксид кадмия растворяется в аммиаке. С цианидами кадмий образует плохо растворимый цианид кадмия. Однако, в избытке цианистого калия этот осадок растворяется с образованием комплексной соли.

Пары и соединения кадмия крайне ядовиты. Первыми признаками отравления являются тошнота и головная боль. Кадмий ни в коем случае не должен соприкасаться с пищевыми продуктами.

Кадмиевые покрытия известны достаточно давно. Их изучением занимались Мюллер, Бархманн, Верник, Изгарышев Н.А., Орлова С.И., Кудрявцев Н.Т., Осипова Е.В., Планер и ряд других ученых. Основное применение таких покрытий - защита стали от коррозии. В этом вопросе не все так однозначно, как с цинком. Длительное время шли споры о том - положительнее кадмий железа или отрицательнее, т.к. потенциалы этих металлов оказались близки. Ответ на этот вопрос кроется в том, что потенциалы металлов в растворах зависят от целого ряда факторов:

состав среды;
состав покрытия и основы;
пористость покрытия;
предшествующая обработка основы и пр.

Оказалось, что кадмий может быть как анодом, так и катодом по отношению к стали.

Анодный характер защиты кадмия проявляется в хлорид-содержащих средах (в частности - в морской воде). При несплошности солевой среды (туман, брызги) анодный характер защиты сохраняется.

В условиях сухого атмосферного воздуха кадмий по отношению к стали - катод. В атмосфере промышленных серосодержащих газов кадмий разрушается в 1,5-2 раза быстрее цинка, т.к. образующийся на поверхности покрытия слой сульфида кадмия легко смывается дождями. Также кадмиевые покрытия не устойчивы в среде продуктов, выделяющихся при старении олифы, масляных лаков.

Как и цинк кадмий подвергается хроматированию для улучшения его защитных свойств. В зависимости от условий эксплуатации стальных изделий толщина кадмиевых покрытий устанавливается в следующих размерах:

Суть и назначение процесса кадмирования металла

Кадмирование металла — гальванический процесс создания защитных и декоративных пленок золотистого цвета. Применение кадмия для защиты от коррозии и особенности технологии кадмирования и хроматирования. Коротко о составе ванны.

Для защиты поверхностей изделий из стали от атмосферной и водной коррозии их поверхность покрывают тонкой защитной пленкой из металлов, пассивных к углероду и устойчивых к окислению. Самые распространенные среди них — это цинк и кадмий. Цинкование и кадмирование металла обычно осуществляется гальваническим способом, с использованием различных солей этих химических элементов. Кадмий устойчивее цинка и лучше защищает стальные детали от коррозии в морской воде. Но он дороже цинка в десятки раз и очень токсичен в производстве, поэтому кадмиевые покрытия используют только там, где им нет альтернативы. Такой областью применения является защита от коррозии металлических деталей судовых приборов и аппаратуры портового оборудования.

Металл после кадмирования легко паяется, а само покрытие пластично и не разрушается при гибке, вальцовке и штамповке. Хроматированный кадмий имеет красивый золотистый цвет, поэтому кадмирование также используют при декоративной отделке металлических поверхностей. К недостаткам такого покрытия можно отнести нестойкость кадмия по отношению к маслам и нефтепродуктам, в состав которых входят сернистые соединения.

Определение и назначение кадмирования

Толщина гальванического слоя при кадмировании деталей из различных металлов и их сплавов регламентируется ГОСТ 9.303-84. В зависимости от условий эксплуатации для углеродистых сталей она составляет от 12 до 40 мкм. Первое значение этого диапазона используется для изделий, находящихся под периодическим воздействием влаги и морских туманов, а последнее — при эксплуатации в условиях испарений и брызг морской воды. Обозначение типа кадмиевого покрытия включает в себя буквы, обозначающие сам металл, а также вид дополнительной обработки и его толщину в микронах. К примеру, КДхр-12 — это защитно-декоративное хроматированное покрытие толщиной 12 микрон.

Основное назначение кадмирования — коррозионная защита изделий, работающих во влажных и насыщенных солями средах. Наибольшее распространение такая гальваническая обработка деталей получила в оборонной промышленности, аэрокосмической отрасли и судостроении. Из-за пластичности и способности к сохранению свойств при повышенных температурах кадмирование является основным видом коррозионной защиты пружин и других деталей, работающих на изгиб и сжатие при циклических нагрузках. Еще одно массовое направление в гальванике — это кадмирование крепежа. Здесь кадмий не только является защитным материалом, но и обеспечивает герметичность резьбового соединения за счет своей пластической деформации.

Кроме защитных свойств, кадмирование обладает рядом других качеств. Кадмием покрывают железные контакты и подобные им детали, т. к. он легко поддается пайке. В отличие от меди у него хорошая гальваническая совместимость с алюминием и магнием, поэтому при сопряжении в изделиях меди и сплавов этих металлов на медные детали наносят слой кадмия. Еще одно направление кадмирования — отделка различных декоративных деталей, в том числе мебельной фурнитуры. В этом случае гальваническая поверхность подвергается последующему хроматированию для придания ей золотистого оттенка.

Основным недостатком кадмирования, препятствующим его широкому применению, является высокая токсичность кадмия, которая особенно опасна тем, что он не выводится из организма и накапливается в нем до критической концентрации. Другой сдерживающий фактор — это дороговизна кадмирования (по сравнению с покрытием цинком и оловом).

По своим физико-химическим свойствам к кадмию ближе всего золото, которое к тому же безопасно для здоровья. Но это еще более дорогой металл.

Технология процесса

Процесс кадмирования помимо самой гальваники включает в себя несколько подготовительных технологических операций. Еще до попадания в гальванический цех детали очищают на абразивоструйных установках или в барабанных и вибрационных аппаратах. Следующим этапом очистки является химическое или электрохимическое травление в щелочном электролите, с помощью которого с поверхности удаляются ржавчина и другие окислы, а также производится обезжиривание. Далее при необходимости производится снятие окалины, для чего деталь сначала обрабатывается раствором соляной кислоты, а затем для удаления травильного шлама — раствором из смеси едкого натра, кальцинированной соды и ортофосфата натрия. Затем, после активирования в растворе соляной кислоты в течение нескольких минут, деталь промывается водой, сушится и отправляется на участок кадмирования.

Перед погружением в гальваническую ванну детали помещаются на специальную оснастку: крюки, рамки, корзины. Хотя при кадмировании скорость осаждения во многом зависит от типа используемого электролита, все же главным образом она определяется плотностью тока. После гальванической обработки деталь осветляют в растворе хромового ангидрида, а затем, если это предусмотрено техническими условиями, пассивируют (хроматируют), погружая на некоторое время в раствор солей хрома. Хроматирование усиливает защитные свойства поверхностного слоя, т. к. в хромовокислых растворах происходит частичное замещение кадмия более твердым хромом. При этом поверхность детали приобретает красивый цвет: от радужного до различных оттенков золотистого и коричневого. Оттенок и насыщенность цвета зависят от состава применяемого раствора и времени обработки.

Кадмирование деталей может использоваться в сочетании с другими видами гальванических покрытий для усиления их защитных возможностей или придания особых механических свойств. Кадмий применяют в качестве подслоя при гальваническом цинковании для повышения коррозионной стойкости поверхности деталей. С этой же целью кадмирование может выполняться поверх медных и никелевых гальванических покрытий.

Нанесение на кадмиевое покрытие олова улучшает его качества при пайке, а также повышает пластичность в резьбовых соединениях.

Состав ванны

Гальваническое оборудование, используемое при кадмировании, не имеет каких-либо особенностей и ничем не отличается от установок для других видов гальваники. Как правило, это прямоугольные пропиленовые сосуды, размеры которых зависят от габаритов деталей и производительности процесса. В состав активной ванны, кроме самой емкости, обычно входят:

устройства подачи и откачки электролита и промывочной воды с системой фильтрации;
электрооборудование для регулирования и подачи катодного тока;
нагревательные элементы для подогрева электролита, система охлаждения и температурные датчики;
ложементы и штанги для подвески деталей с устройством качания;
механизм перемешивания электролита;
трапы для обслуживания, ограждения и крышки.

Основные группы электролитов для кадмирования — это цианистые, пирофосфатные, аммиакатные и кислые (сульфатные и фторборатные). Первые более стабильны и в общих случаях обеспечивают лучшее качество покрытия, поэтому более распространены. В состав электролита помимо вещества, содержащего кадмий, входит до десятка разных компонентов. По этой причине внутри основных групп существует множество разновидностей, каждая из которых имеет собственную технологическую направленность и особенные характеристики.

Некоторые народные умельцы осуществляют кадмирование деталей в своих домашних мастерских. Это действительно опасное занятие или же оно не несет угроз здоровью при соблюдении предписанных мер предосторожности? А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь, пожалуйста, своим мнением в комментариях к этой статье.

Кадмирование металла: особенности технологии, цель и результат обработки

В статье описаны виды гальванических покрытий и преимущества кадмирования металла. Подробно рассмотрены составы ванн и технология нанесения кадмия на различные поверхности.

Чтобы защитить стальные детали от газовой и водной коррозии, на них наносят тонкий слой устойчивых к окислению металлов. Наиболее часто для этого применяют цинк и кадмий. Покрытия наносят гальваническим методом, пропуская ток через растворы электролитов.

Кадмирование металла применяют с защитной или декоративной целью. Готовое покрытие имеет хорошие антифрикционные свойства и высокую устойчивость в морской воде. Кадмиевый слой легко паяется и не разрушается при механической обработке детали.

Для улучшения свойств покрытия деталь погружают в растворы хромовых солей. Кадмий, подвергнутый хроматированию, приобретает повышенную стойкость и золотистый оттенок.

Свойства и характеристики покрытия

Толщину покрытия выбирают в зависимости от материала и условий эксплуатации. Наиболее тонкий слой – от 12 мкм – наносится на изделия, которые периодически работают во влажной соленой среде. Если воздействие паров или брызг морской воды постоянно, то толщина покрытия должна быть не менее 35-40 мкм. Параметры кадмиевого слоя регламентируются ГОСТ 9.303-84.

Назначение, состав и толщина покрытия отражены в его маркировке. Например, «КДхр-15» обозначает защитно-декоративный слой из хроматированного кадмия толщиной 15 мкм.

Кадмирование применяют в судостроении, энергетике, машиностроении и других сферах. Помимо защиты от коррозии, покрытие выполняет следующие задачи:

герметизирует резьбовые соединения крепежа;
облегчает пайку контактов на стальных деталях;
позволяет совместить медные контакты с магниевыми и алюминиевыми;
придает поверхности золотистый оттенок.

Декоративные покрытия применяют при изготовлении аксессуаров, мебели и др. Благодаря его пластичности кадмий используют для защиты деталей, работающих при цикличном изгибе и сжатии.

Недостатками кадмирования являются:

высокая цена реагентов;
токсичность металла;
нестойкость к сернистым соединениям, которые содержатся в нефтепродуктах.

Технология кадмирования

Технология создания кадмиевых покрытий состоит из нескольких этапов:

Очистка в барабанной, вибрационной или струйно-абразивной установке.
Травление поверхности в щелочной среде для удаления окислов.
Обезжиривание детали.
Снятие окалины раствором соляной кислоты.
Удаление травильного шлама смесью соединений натрия.
Активация поверхности раствором кислоты.
Промывка и сушка детали.
Закрепление изделий на крюках, в корзинах и рамках.
Кадмирование.
Осветление (обработка раствором оксида хрома).
При необходимости – хроматирование (пассивация), нанесение олова или цинка.

Скорость кадмирования и структура покрытия зависят от плотности тока и состава ванны. Для нанесения покрытий применяют цианистые, сульфатные и другие соли.

При последующем хроматировании кадмий частично замещается хромом. Это сочетание повышает твердость и коррозионную стойкость слоя. Цвет покрытия может быть золотистым, желто-зеленым или коричневым. Это зависит от длительности обработки, состава и концентрации раствора.

Составы гальванических ванн

Для кадмирования применяют стандартное гальваническое оборудование. Раствор электролита заливают в прямоугольные полипропиленовые ванны. Их поверхность должна быть устойчива к химической коррозии. Габариты емкости зависят от производительности нанесения, размеров и конфигурации деталей.

Гальваническая ванна состоит из следующих компонентов:

емкости для электролита;
устройств фильтрации и подачи воды;
систем подачи и откачки реагентов;
оборудования для подачи тока;
датчиков измерения параметров процесса (температуры, силы тока и др.);
нагревательных элементов для обеспечения нужной температуры раствора;
охлаждающей системы;
закрепляющих элементов (крюков, рам);
штанг, обеспечивающих движение деталей во время процесса;
устройства для перемешивания раствора;
ограждений, крышек, обслуживающих трапов и др.

Наиболее часто для кадмирования применяют цианистые соли. Они обеспечивают стабильность процесса и высокое качество покрытия. Их основной недостаток – высокая токсичность. В качестве альтернативы используют сульфатные, фторборатные, аммиачные и пирофосфатные соли. Помимо основного электролита, в состав ванны входят технологические компоненты.

Кадмирование

Кадмирование позволяет повысить устойчивость поверхностей к воздействию соли.

Кадмий намного пластичнее цинка, выдерживает большие линейные деформации, имеет прочное сцепление с основным металлом, высокую устойчивость к агрессивным химическим соединениям. Технология получения покрытий регламентируется положениями ГОСТ 9. 305-84. Кадмирование металла не рекомендуется проводить для деталей, работающих в прямом контакте с синтетическими топливными маслами, оно может использоваться для защиты поверхностей от негативного влияния солевых брызг и морской воды, в условиях постоянной повышенной влажности воздуха.

Процесс кадмирования – сложные электрохимические реакции, происходящие в специальных ваннах, толщина покрытия выбирается в зависимости от условий эксплуатации деталей.

Во время коррозии кадмия образуются ядовитые химические соединения, в связи с этим категорически запрещено использовать кадмий для защиты поверхностей деталей, имеющих контакт с пищевыми продуктами. Отливка анодов из кадмия должна выполняться при эффективной вентиляции и не допускать нагрева металла более +400°С.

Большая цена металла (в 50 раз дороже цинка) существенно ограничивает сферы использования кадмиевых покрытий. Их применяют для защиты поверхностей наиболее ответственных деталей, работающих в сложных условиях: портовых сооружений и деталей морских судов, высокопрочных пружин, ответственных электрических контактов и т. д. Высокая пластичность позволяет снизить усилия при затяжке крепежа, кадмирование используется для покрытия стали, меди, алюминия и их сплавов. Для повышения эксплуатационных и физических показателей кадмиевое покрытие может дополнительно хроматироваться.

Перед обработкой детали должны очищаться от жира и механических загрязнений. Очистка делается химическим или механическим способом. Конкретное решение принимается в зависимости от степени и характера загрязнителей.

Краткая характеристика используемых электролитов

Электролиты, используемые для кадмиевых покрытий, делятся на две большие группы:

Кислые простые. Широко применяются в промышленном производстве, кадмирование происходит в сульфатных, борфторидных и прочих растворах. Удовлетворительные результаты получаются, если в ванны для кадмирования добавляются ПАВ. За счет этих компонентов структура покрытия приближается к структуре, полученной в цианидных электролитах. Гальваника делается при выходе по току 100%, на катоде происходит только разряд ионов металла. Кислые электролиты используют преимущественно для обработки небольших деталей простой конфигурации из-за невысокой рассеивающей способности раствора. Иногда используются цианидные растворы, отличающиеся высокой рассеивающей способностью, сталь покрывается ровным слоем вне зависимости от конфигурации. Выход по току меньше, чем у кислых составов, что несколько уменьшает коэффициент полезного действия.
Сложные комплексные. Применяются для замены особо вредных цианидных электролитов, обладают высокой рассеивающей способностью, обеспечивают мелкозернистое покрытие стали. Широкое распространение сложных электролитов сдерживается проблемами с обезвреживанием технологических сточных вод.

Простые кислые электролиты

Сульфатные. Главный компонент – сульфат кадмия, концентрация 40–400 г/л. Для повышения электропроводности в раствор добавляется сульфат аммония или сульфат алюминия.
Борфторидные. В состав входит борфторид кадмия, что позволяет выполнять кадмирование крепежа при более высоких токах.

После добавки ПАВ значительно тормозятся катодные процессы, за счет чего увеличивается образование мелкозернистых покрытий. Как ПАВ применяются ОС-20 и ДЦУ, комбинирование нескольких ПАВ улучшает показатели кадмиевых покрытий. Аноды изготовлены из чистого кадмия.

Для приготовления простых кислых электролитов все компоненты растворяются отдельно в теплой воде, гальванические ванны наполняются водой до половины, в которую вначале осторожно вливается серная кислота, а потом добавляются растворы солей. После остывания раствора в него вливаются ПАВ, кислотность выдерживается в пределах 3–5. Недостаток кислых электролитов – возможность появления на поверхности металла темных пятен различной формы.
Цианидные электролиты Главный компонент – цианидная соль кадмия, в результате химических реакций в растворе образуется определенное количество щелочи. Кадмирование протекает с выделением водорода. За счет устойчивости комплексного аниона на поверхности стали образуется прочная мелкозернистая структура кадмия. Электролит характеризуется высокой рассеиваемостью, что позволяет обрабатывать глубокопрофиллированные поверхности, процесс отвечает требованиям государственных стандартов. Выход по току уменьшается до 90–95%. Значительное влияние на плотность тока оказывает фактическая концентрация, процесс имеет высший КПД.

Кривые катодной поляризации

При недостаточной концентрации цианида натрия на металле происходит пассивация анодов, поверхности покрываются пассивной пленкой, что может вызвать неполадки в технологии, качество кадмиевого покрытия ухудшается. С целью минимизации последствий негативного явления в раствор добавляется гидроксид натрия.

Зависимость выхода по току от температуры и плотности тока

Наиболее широко используемые в промышленности электролиты имеют следующий состав:

Для получения блестящей поверхности стали используются следующий состав электролита:

Сложные нецианидные электролиты Аммонийные

По показателям рассеивающей способности располагаются на промежуточном месте между цианидными и сульфатными, характеризуются высокой проводимостью тока и могут использоваться во вращательных устройствах. Растворимость составляющих выше, чем кислых составов.

Химический состав аммонийного электролита

В последнее время широкое распространение получают аммонийно-уротропиновые электролиты с повышенными показателями рассеивающей способности. Они обеспечивают мелкозернистое кадмирование, составы безвредны, могут применяться в установках вращающегося типа. Для осаждения необходимы высокие показатели катодной поляризации, образуются соединения кадмия с сульфатом и уротропином.

Химический состав аммонийно-уротропинового электролита

Известны случаи использования добавления в раствор хлора. Хлористо-аммонийное кадмирование используется для покрытия крепежа слоем с увеличенными показателями толщины.

Химический состав электролита с использованием хлора

На основе аминопроизводных Кадмий в электролите производит комплексные катионы, сообразователями бывают трилон и полиэтиленполиамин. Электролит образует на поверхности металла мелкозернистую структуру. Недостаток электролита – высокая токсичность и проблемы с отработанными техническими составами.

Состав аминопроизводного электролита

Состав пирофосфатного электролита

Выход по току уменьшается по мере роста поляризации, при добавлении трилона Б гальваника происходит при лучших показателях. Трилон Б перед добавкой растворяют в теплой воде и вводят в раствор, после приготовления показатели кислотности регулируются отдельно, кадмирование может выполняться в любых ваннах.
Финишная обработка покрытий С целью увеличения показателей устойчивости к коррозионным процессам поверхности стали покрывают слоем хрома. Перед пассивацией крепеж осветляется в растворе с содержанием серной кислоты. Для увеличения пластичности стали кадмирование может завершаться тепловой обработкой.

Оборудование для кадмирования

Промышленное оборудование для кадмирования состоит из специальных емкостей для ванны и дополнительных устройств. В зависимости от номенклатуры и количества деталей гальваника выполняется в ваннах различного типа.

Колокольная ванна. Используется для обработки стальных деталей средней величины. Процесс протекает под контролем электроизмерительной аппаратуры, возможна работа в автоматическом режиме. Может иметь погружной или наливной колокол. Наливной колокол на каждую партию крепежа наполняется электролитом, новое кадмирование требует замены электролита. Стальные детали выгружаются одновременно с раствором. Погружной колокол погружается в электролит, постоянно находящийся в ванне, процесс не требует постоянной замены электролита. Второй способ считается экономически выгодным.

Барабанная ванна. Перфорированный колокол заменяется вращающимся барабаном. Кадмиевое покрытие стали получается более однородным, стальные детали постоянно вращаются, что уменьшает зернистость и позволяет покрывать сложные поверхности.

Ванны для блестящих покрытий. Процесс блестящего покрытия стальных элементов требует постоянного движения электролита. Результат достигается по методу безвоздушного перемешивания или при постоянном покачивании. Блестящее кадмиевое покрытие требует непрерывной фильтрации электролита. Оборудование имеет специальные механизмы, выполняющие перемещение состава. Весь процесс контролируется электронными устройствами.

Если технология требует высоких температур, то поверхности гальванических ванн могут дополнительно футероваться особо стойкими марками листового поливинилхлорида. Линии для кадмирования могут включать в себя отдельные ванны по химической очистке стальных поверхностей и промывке деталей после завершения процесса.

Также мы производим

Воздуховоды хим стойкие

В разделе представлены цилиндрические и прямоугольные воздуховоды. Специалисты и менеджеры компании Пласт Продукт помогут подобрать и рассчитают цену любой интересующей вас продукции. Воздуховоды применяются на промышленных и бытовых объектах, устойчивы к химии и коррозии.

Вентиляторы промышленные коррозионностойкие и химстойкие

Промышленные химически стойкие вентиляторы Plast-Product – предназначенные для гальванических цехов и производственных помещений с агрессивными испарениями. Производятся из хим стойких пластиков Полипропилен ПНД, ПВХ и ПВДФ. Материал и характеристики подбираются в зависимости от задач заказчика.

Фильтры волокнистые гальванические (ФВГ, ФКГ)

Фильтры волокнистые гальванические предназначены для высокоэффективной очистки воздушных вентиляционных выбросов от жидких и растворимых в воде твердых аэрозольных частиц и паров в гальванических, травильных и химических производствах; из вытяжных шкафов, лабораторных помещений; моечных камер для струйной обработки поверхностей. Могут использоваться в пищевой промышленности.

Скруббер

Компания Plast-Product производит скрубберы абсорберы и центробежно-барботажные установки, аппараты которые используются для очистки воздуха от пыле-газо-воздушных смесей и токсичных испарений.

Читайте также: