Лекция 17. Цинкование

В настоящее время цинкование – наиболее распространенный способ защиты металла от коррозии. На цинкование расходуется до 40% мировой добычи цинка. Цинк – активный металл, но в сухом воздухе при комнатной температуре он почти не изменяется. Во влажном воздухе и в пресной воде 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. Широкое распространение цинкования объясняется анодным характером защиты. Потенциал цинка отрицательнее потенциала черных металлов: стали, чугуна, поэтому цинк защищает их от коррозии электрохимическим путем. Защитные свойства покрытия сохраняют даже при малой толщине слоя, а также при наличии пор и обнаженных участков.

Цинкование проводят в простых и сложных электролитах. Простые электролиты: сульфатные, хлоридные, борфторидные. Наиболее часто используют сульфатные электролиты. Основным компонентом электролита является ZnSO₄x7H₂O. Его растворимость при 25^оС составляет 579 г/л. При выборе концентрации сульфата цинка руководствуются следующими соображениями: осадки цинка из очень концентрированных электролитов имеют большую пористость; использование слабоконцентрированных растворов неэкономично, так как уменьшается их электропроводность. Поэтому оптимальной является концентрация 200-300 г/л. Сульфатные электролиты просты в работе, не токсичны, имеют высокий выход по току, однако они имеют низкую рассеивающую способность, поэтому покрытия, полученные в простых электролитах, имеют крупнокристаллическую структуру. Введение различных добавок (сульфата натрия и аммония) позволяет улучшить структуру и получать осадки более высокого качества. Наиболее эффективно процесс цинкования в сульфатных электролитах идет при рН 4-5. При увеличении кислотности резко снижается выход по току, так как на катоде начинает выделяться водород. При увеличении рН осадки становятся хрупкими и губчатыми вследствие образования оксидов и гидроксидов цинка, которые, внедряясь в покрытие, ухудшают его качество. Плотность тока в сульфатных электролитах без перемешивания поддерживают на уровне 2-3 А/дм², при перемешивании ее можно увеличить до 6 А/дм².

Хлоридные электролиты применяют значительно реже, несмотря на их более высокую электропроводность. Объясняется это тем, что товарный хлорид цинка содержит большое количество вредных примесей.

Низкая рассеивающая способность простых электролитов не позволяет получать равномерные покрытия на деталях сложной формы. Поэтому их используют только для деталей простой формы. Для деталей сложной формы используют сложные электролиты.

К сложным электролитам относятся цианидные, цинкатные и аммонийные электролиты.

Основным компонентом цианидныхэлектролитов является комплексная соль Na₂[Zn(CN)₄], которая образуется при взаимодействии оксида или гидроксида цинка с цианидом натрия:

Zn(OH)₂ + 4 NaCN = Na₂[Zn(CN)₄] + 2 NaOH

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + 2 H₂O

Или в целом:

2Zn(OH)₂ + 4 NaCN = Na₂[Zn(CN)₄] + Na₂ZnO₂ + 2 H₂O

Таким образом, в результате растворения гидроксида цинка в растворе цианида натрия обязательно образуется гидроксид натрия, часть которого идет на образование цинката натрия. Комплексные ионы [Zn(CN)₄]^2- диссоциированы в электролите в очень малой степени, поэтому процесс осаждения цинка протекает при большой поляризации, что способствует получению мелкозернистых покрытий. Поляризация тем выше, чем выше концентрация NaCN. Выход по току повышается при увеличении концентрации цинката натрия. Для правильного ведения процесса необходимо, чтобы цианида натрия и гидроксида натрия содержалось в растворе в избытке. Вредными примесями в этих электролитах являются соли более электроположительных, чем цинк металлов: меди, серебра, мышьяка, висмута, сурьмы, олова. Однако примеси в цианидных электролитах оказывают гораздо меньшее влияние на качество покрытий, чем в кислых электролитах. В данном случае часть примесей, образуя комплексные соединения, находится в электролите в небольших количествах. Оптимальные условия ведения процесса; температура 20-40^оС, рН 10-13. В этих условиях выход по току составляет 80-90%.

Цинкатныеэлектролиты. Основным компонентом цинкатных электролитов является цинкат натрия или калия, который образуется в результате взаимодействия оксида или гидроксида цинка с гидроксидом натрия:

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + 2 H₂O

Без специальных добавок осадки цинка даже при малых плотностях тока имеют темный цвет и губчатую структуру за счет внедрения в них мельчайших частиц, образующихся в результате химического растворения цинковых анодов в щелочной среде. Добавки небольшого количества соединений четырехвалентного олова позволяют полностью перевести металлический цинк в раствор:

2Zn + Sn⁴⁺ = 2Zn²⁺ + Sn

Вместо олова можно использовать соли ртути или свинца. Такие электролиты с успехом применялись длительное время и в ряде случаев заменяли токсичные цианидные электролиты при нанесении покрытий на детали сложного профиля.

Аммонийные электролиты. Основным компонентом электролита является комплексная соль Zn(NH₃)_nCl₂, которая образуется при растворении цинка в избытке хлорида аммония в кислой или щелочной среде:

ZnO + nNН₄Cl = Zn(NH₃)_nCl₂ + H₂O

Высокая катодная поляризация и хорошая электропроводность электролита обеспечивают высокую рассеивающую способность, которая уступает только рассеивающей способности цианидных электролитов. Покрытия получаются светлыми, равномерными даже на деталях сложного профиля. В применяемых электролитах концентрация ZnO составляет 15-100 г/л в зависимости от рН. Плотность тока составляет от 0, 5 до 4 А/дм².