Электрогальванизация — это процесс, при котором слой цинка прикрепляется к стали для защиты от коррозии . Процесс включает гальванопокрытие , пропускание тока электричества через солевой/цинковый раствор с цинковым анодом и стальным проводником. Такое цинковое гальванопокрытие или гальванопокрытие цинковым сплавом сохраняет доминирующее положение среди других вариантов гальванических процессов, основываясь на тоннаже электроосаждения в год. По данным Международной цинковой ассоциации, более 5 миллионов тонн ежегодно используется как для горячего цинкования, так и для гальванопокрытия. [1] Цинкование было разработано в начале 20-го века. В то время электролит был основан на цианиде . Значительное новшество произошло в 1960-х годах с введением первого электролита на основе хлорида кислоты. [2] В 1980-х годах произошел возврат к щелочным электролитам, только на этот раз без использования цианида. Наиболее часто используемая электрооцинкованная холоднокатаная сталь — это SECC , аббревиатура от «Сталь, Электрогальванизированная, Холоднокатаная, Коммерческого качества». По сравнению с горячим цинкованием, гальваническое цинкование дает следующие существенные преимущества:
Цинкование было разработано и продолжает развиваться, чтобы соответствовать самым сложным требованиям защиты от коррозии, температуры и износостойкости. Гальваническое цинкование было изобретено в 1800 году, но первые яркие покрытия были получены только в начале 1930-х годов с использованием щелочно-цианистого электролита. Гораздо позже, в 1966 году, использование кислотно-хлоридных ванн еще больше улучшило яркость. Последняя современная разработка произошла в 1980-х годах с появлением нового поколения щелочного цинка без цианида. Недавние директивы Европейского союза ( ELV / RoHS / WEEE ) [3] запрещают производителям автомобильного, другого оригинального оборудования (OEM) и электрического и электронного оборудования использовать шестивалентный хром (CrVI). Эти директивы в сочетании с повышенными требованиями к производительности со стороны OEM привели к увеличению использования щелочного цинка, цинковых сплавов и высокопроизводительных трехвалентных пассивирующих конверсионных покрытий .
В 1980-х годах с первыми щелочными отложениями Zn/Fe (99,5%/0,5%) и отложениями Zn/Ni (94%/6%) использовались. Недавно, [ когда? ] ужесточение коррозионных спецификаций основных европейских автопроизводителей и Директива о конце срока службы транспортных средств (запрещающая использование конверсионного покрытия из шестивалентного хрома ) потребовали большего использования щелочного Zn/Ni, содержащего от 12 до 15% Ni (Zn/Ni 86/14). [4] Только Zn/Ni (86%/14%) является сплавом, в то время как более низкое содержание железа, кобальта и никеля приводит к соотложениям. Zn/Ni (12–15%) в кислых и щелочных электролитах покрывается как гамма-кристаллическая фаза бинарной фазовой диаграммы Zn-Ni .
Защита от коррозии, обеспечиваемая электроосажденным слоем цинка, в первую очередь обусловлена анодным потенциалом растворения цинка по сравнению с железом (в большинстве случаев подложкой). Цинк действует как жертвенный анод для защиты железа (стали). В то время как сталь близка к E SCE = -400 мВ (потенциал относится к стандартному насыщенному каломельному электроду (SCE), в зависимости от состава сплава, гальванический цинк гораздо более анодный с E SCE = -980 мВ. Сталь предохраняется от коррозии катодной защитой. Конверсионные покрытия (шестивалентный хром (CrVI) или трехвалентный хром (CrIII) в зависимости от требований OEM) применяются для радикального усиления защиты от коррозии путем создания дополнительного ингибирующего слоя гидроксидов хрома и цинка. Эти оксидные пленки имеют толщину от 10 нм для самых тонких синих/прозрачных пассиваторов до 4 мкм для самых толстых черных хроматов.
Кроме того, на изделия из цинка с гальваническим покрытием может быть нанесено верхнее покрытие для дальнейшего улучшения защиты от коррозии и характеристик трения. [5]
Современные электролиты бывают как щелочными, так и кислотными:
Содержат сульфат натрия и гидроксид натрия (NaOH). Все они используют фирменные осветлители. Цинк растворяется в виде цианидного комплекса Na 2 Zn(CN) 4 и цинката Na 2 Zn( OH ) 4 . Контроль качества таких электролитов требует регулярного анализа Zn, NaOH и NaCN. Соотношение NaCN : Zn может варьироваться от 2 до 3 в зависимости от температуры ванны и желаемого уровня яркости покрытия. Следующая таблица иллюстрирует типичные варианты цианидного электролита, используемые для гальванизации при комнатной температуре:
Содержат цинк и гидроксид натрия. Большинство из них осветляются фирменными добавками, похожими на те, что используются в цианидных ваннах. Добавление добавок четвертичного амина способствует улучшенному распределению металла между областями высокой и низкой плотности тока. В зависимости от желаемой производительности гальваностег может выбрать самое высокое содержание цинка для повышения производительности или более низкое содержание цинка для лучшей рассеивающей способности (в области низкой плотности тока). Для идеального распределения металла металлический Zn выделяется в количестве 6-14 г/л (0,8-1,9 унции/галлон), а NaOH — в количестве 120 г/л (16 унций/галлон). Но для самой высокой производительности металлический Zn выделяется в количестве 14-25 г/л (1,9-3,4 унции/галлон), а NaOH остается на уровне 120 г/л (16 унций/галлон). Щелочной процесс без цианирования цинка содержит более низкую концентрацию металлического цинка 6-14 г/л (0,8-1,9 унции/галлон) или более высокую концентрацию металлического цинка 14-25 г/л (1,9-3,4 унции/галлон), что обеспечивает превосходное распределение пластин от высокой плотности тока до низкой плотности тока или рассеивающую способность по сравнению с любыми кислотными ваннами, такими как ванны на основе хлорида (низкое содержание хлорида аммония, хлорид калия/хлорид аммония) или (не хлорид аммония, хлорид калия/борная кислота) или сульфатные ванны.
Предназначены для высокоскоростной гальванизации на заводах, где критично минимальное время гальванизации (например, стальные рулоны или трубы, движущиеся со скоростью до 200 м/мин). Ванны содержат сульфат и хлорид цинка в максимальном количестве растворимости. Борная кислота может использоваться в качестве буфера pH и для снижения эффекта горения при высоких плотностях тока. Эти ванны содержат очень мало измельчителей зерна . Если один из них используется, это может быть сахарин натрия.
Первоначально основанный на хлориде аммония , сегодня варианты включают электролиты аммония, калия или смешанные аммония/калия. Выбранное содержание цинка зависит от требуемой производительности и конфигурации детали. Высокое содержание цинка повышает эффективность ванны (скорость нанесения покрытия), в то время как более низкие уровни улучшают способность ванны подавать при низкой плотности тока. Обычно уровень металлического Zn варьируется от 20 до 50 г/л (2,7-6,7 унций/галлон). pH варьируется от 4,8 до 5,8 единиц. Следующая диаграмма иллюстрирует типичный состав ванны с полным содержанием хлорида калия:
Типичные измельчители зерна включают в себя слаборастворимые кетоны и альдегиды . Эти осветлители должны быть растворены в спирте или гидротропе . Полученные молекулы совместно осаждаются с цинком, образуя слегка выровненный, очень яркий осадок. Однако было также показано, что яркий осадок снижает восприимчивость хромата/пассиватора. Результатом является снижение обеспечиваемой защиты от коррозии.
Защита от коррозии в первую очередь обусловлена анодным потенциалом растворения цинка по сравнению с железом. Цинк действует как жертвенный анод для защиты железа (стали). В то время как сталь близка к -400 мВ, в зависимости от состава сплава, гальванический цинк гораздо более анодный с -980 мВ. Сталь предохраняется от коррозии катодной защитой. Сплав цинка с кобальтом или никелем на уровнях менее 1% оказывает минимальное влияние на потенциал; но оба сплава улучшают способность цинкового слоя образовывать хроматную пленку за счет конверсионного покрытия. Это дополнительно усиливает защиту от коррозии.
С другой стороны, Zn/Ni между 12% и 15% Ni (Zn/Ni 86/14) имеет потенциал около -680 мВ, что ближе к кадмию -640 мВ. Во время коррозии предпочтительнее атака цинка, а децинкификация приводит к последовательному увеличению потенциала по направлению к стали. Благодаря этому механизму коррозии этот сплав обеспечивает гораздо большую защиту, чем другие сплавы.
По соображениям стоимости существующий рынок разделен между щелочным Zn/Fe (99,5%/0,5%) и щелочным Zn/Ni (86%/14%). Использование бывшего щелочного и кислотного Zn/Co (99,5%/0,5%) исчезает из спецификаций, поскольку Fe дает схожие результаты с меньшей экологической опасностью. Бывший Zn/Ni (94%/6%), который представлял собой смесь чистого цинка и кристаллографической гамма-фазы Zn/Ni (86%/14%), был исключен из европейских спецификаций. Особое преимущество щелочного Zn/Ni (86%/14%) заключается в отсутствии водородной хрупкости при гальванопокрытии. Было доказано [ кем? ] , что первое зародышеобразование на стали начинается с чистого никеля, и что этот слой наносится толщиной 2 нм до Zn-Ni. [6] Этот начальный слой предотвращает проникновение водорода вглубь стальной подложки, тем самым избегая серьезных проблем, связанных с водородной хрупкостью. Значение этого процесса и механизма инициирования весьма полезно для высокопрочной стали, инструментальных сталей и других подложек, подверженных водородной хрупкости.
Разработан новый кислотный Zn/Ni (86%/14%), который дает более яркий осадок, но обеспечивает меньшее распределение металла, чем щелочная система, и без вышеупомянутого никелевого подслоя не обеспечивает ту же производительность с точки зрения водородной хрупкости. Кроме того, все цинковые сплавы получают новые пленки конверсионного покрытия без Cr VI , за которыми часто следует верхнее покрытие для улучшения защиты от коррозии, износостойкости и контроля коэффициента трения .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )