Цинкование относится к электроосаждению цинкового металла на поверхности различных компонентов для улучшения их физических и механических свойств. Целью этого покрытия является создание барьера между поверхностью подложки и факторами окружающей среды, вызывающими коррозию и повреждения, такими как кислород и влага. Цинкование не только надежно, но и экономически выгодно, что делает его априорным выбором для производителей.
История цинкования
Электролитическое цинкование началось в 1827 году, когда доктор Джон У. Ревир подробно остановился на защитных свойствах цинкового покрытия. Однако в то время этот процесс был медленным и имел много ограничений, таких как неоднородность покрытия. К 1916 году были разработаны щелочные ванны с цианидом цинка, значительно улучшившие качество и скорость гальванизации. Современное цинкование теперь использует мощные системы постоянного тока (DC), способные быстро осаждаться в больших количествах цинка.
Как работает цинкование?
Цинкование защищает основной металл двумя основными способами:
Гальваническая защита
Цинк более реактивен, чем сталь или железо. Когда компонент подвергается воздействию коррозионных сред, цинк корродирует преимущественно основной металл. Даже если покрытие поцарапано или повреждено, цинк эффективно жертвует собой.
Физический барьер
Цинковый слой действует как физический щит, который изолирует лежащий под ним металл от влаги, кислорода и других коррозионных элементов. Этот щит предотвращает воздействие на сталь суровой среды, предотвращая ее коррозию.
Процесс цинкования
Очистка и подготовка поверхности:
Этот шаг имеет решающее значение для обеспечения бездефектной адгезии цинкового покрытия.
Щелочные чистящие средства: Каустическая сода или едкий калий.
Пескоструйная обработка: Пескоструйная обработка выполняется в соответствии со специальными стандартами подготовки поверхности SSPC.
Поверхностная активация: Для надлежащего осаждения цинка активация поверхности осуществляется посредством кислотного травления. При этом детали часто ненадолго погружают в активирующий раствор, такой как разбавленная кислота HCl или H2SO4.
Осаждение цинка
Осаждение цинка осуществляется посредством процесса гальванизации, где подложки погружаются в ванну с цинксодержащим электролитом, и подается электрический ток. На аноде цинк окисляется, выделяя ионы Zn²⁺ в раствор:
Zn(тв) → Zn²⁺(водн) + 2e⁻
На катоде происходит реакция восстановления, в ходе которой цинк затвердевает, принимая электроны:
Zn²⁺ (водн.) + 2e⁻ → Zn (тв.)
Процесс продолжается до тех пор, пока на подложке не образуется тонкий слой цинка.
Обычно гальванопокрытие выполняется:
- Низкие напряжения в диапазоне от 2 до 6 В
- Аноды из цинка высокой чистоты
- Контролируемая плотность тока около 30.5 мА.
- pH: для кислотных ванн (4.8 и 5.5), тогда как для щелочно-цианидных ванн (11-13)
Здесь цинковые аноды размещаются в корзинах с анодными мешками для предотвращения загрязнения. Методы нанесения покрытия включают
- Цилиндрическая гальванизация для небольших объемных изделий, стеллажная гальванизация для более крупных или хрупких деталей
- Непрерывное нанесение гальванического покрытия на катушки и провода.
Лечение после
После нанесения покрытия, для обеспечения долговечности и эффективности цинкования, применяются некоторые виды последующей обработки:
Пассивация: На этом этапе используется хроматное конверсионное покрытие. Хромат повышает коррозионную стойкость цинка.
Отверждение: Покрытие сушат в печи или с помощью контролируемого горячего воздуха.
Типы цинкования и их применение
Желтое цинкование
Имеет ярко-желтый или переливающийся золотистый оттенок, что является результатом желтого хроматного конверсионного покрытия. Такое покрытие наносится на автомобильные компоненты, чтобы предотвратить их отложение во влажной и агрессивной среде.
Прозрачное/синее цинковое покрытие
Это покрытие выполняется путем пассивации цинкового покрытия синим/прозрачным хроматом. В результате оно выглядит серебристым. Благодаря своим свойствам коррозионной стойкости оно находит применение в электронике, легком автомобильном оборудовании и крепежных элементах общего назначения. Оно демонстрирует более низкий уровень защиты от коррозии, но более экологично.
Черное цинковое покрытие
Черное цинковое покрытие обычно имеет матовую или сатиновую черную отделку из-за покрытия цинка черным хроматом. Оно показывает среднюю или высокую коррозионную стойкость, используемую для покрытия строительной фурнитуры и автомобильных деталей.
Кислотное цинкование
В этом процессе используется кислотный электролит на основе хлорида, обычно содержащий хлорид цинка и хлорид аммония. Кислотное цинкование обеспечивает яркую, гладкую отделку и высокую скорость нанесения покрытия. Все это в совокупности делает его идеальным для автомобильных деталей, болтов и декоративных компонентов. Однако он обеспечивает более низкую рассеивающую способность, что делает его менее подходящим для сложных геометрий.
Щелочное нецианидное цинкование
Он использует нецианистый щелочной электролит, состоящий из оксида цинка и гидроксида натрия. Такое покрытие обеспечивает отличную бросковую способность и равномерное покрытие. Хотя покрытие более матовое, оно обеспечивает сильную коррозионную стойкость и более экологично. Оно находит свое применение в покрытии промышленных деталей, крепежей и компонентов сложной формы.
Цинк-никелирование
Его покрытие содержит 10–15% никеля, а остальное — цинк. Он демонстрирует превосходную коррозионную и износостойкость; поэтому его используют для компонентов, которые подвергаются суровым условиям и высоким температурам, например, для тормозных компонентов и топливных систем в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Коррозионная стойкость: Превосходная; до 10 раз выше, чем у стандартного цинка.
Покрытие цинком и железом
Цинк-железное покрытие — это покрытие из сплава, которое обычно содержит 0.3–0.8% железа в цинковой матрице. Присутствие железа увеличивает механическую прочность покрытия. Его обычно применяют для крепежных деталей, промышленных инструментов и компонентов, которые выигрывают от черных пассивационных покрытий. Оно показывает
хорошая пластичность и свариваемость.
Цинк-кобальтовое покрытие
Цинк-кобальтовое покрытие включает приблизительно 0.8–1.0% кобальта в цинковый слой. Эта добавка значительно улучшает коррозионную стойкость и приводит к яркости. Широко используется для декоративной фурнитуры, которая требует сочетания привлекательности поверхности и длительной защиты от ржавчины и износа. Цинк-кобальтовое покрытие придает поверхности компонентов хорошую смазывающую способность, хорошую пластичность, свариваемость, противозадирные свойства. Благодаря своей превосходной защите от износа и коррозии оно используется в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Решение для цинкования
Ванны цинкования различаются по скорости, безопасности, адгезии и качеству отделки.
| Ванна для цинкования | Электролитный состав | Главные преимущества |
|---|---|---|
| Хлорид цинка | ZnCl₂ + NH₄Cl или KCl (pH ~5) | Высокая эффективность, быстрое нанесение покрытия, хорошая укрывистость, подходит для сложных геометрических форм |
| Щелочной нецианистый цинк | ZnO + NaOH или KOH (pH ~12–13) | Экологически чистый, умеренная скорость нанесения покрытия, равномерная толщина |
| Цианистый цинк | NaCN или KCN + Zn(CN)₂ в NaOH/KOH (pH ~12–13) | Отличная метательная способность, пластичность, сильная адгезия |
| На основе борной кислоты | Соль цинка + борная кислота + буферные агенты (pH ~4.5–6.5) | Очень гладкие, ровные покрытия, подходят для сложных или прецизионных деталей |
Какие материалы можно оцинковывать?
Сталь: Это наиболее часто оцинкованный материал. Цинк обеспечивает прочный барьер против ржавчины, делая стальные компоненты. Сталь с цинковым покрытием подходит для автомобильной промышленности, строительства и промышленного применения.
Железо: Так как железо легко ржавеет при контакте с влагой и кислородом, для предотвращения ржавчины его покрывают цинком.
Факторы, влияющие на цинковую гальванизацию
Пластичность и толщина
По мере увеличения толщины покрытия покрытие становится более пластичным, например, тонкие цинковые покрытия (Fe/Zn 5, Fe/Zn 8) более пластичны. Они хорошо работают в приложениях, где детали подвергаются изгибу, формовке или другим механическим нагрузкам.
Эффективность ванны:
Хорошо обслуживаемая ванна обеспечивает равномерное покрытие и высококачественные отложения. Вот факторы, которые влияют на эффективность:
Температура
Влияет на скорость осаждения и однородность покрытия. Более высокие температуры обычно увеличивают скорость осаждения, но также могут увеличить риск плохого качества покрытия.
уровень pH
Решающий фактор поддержания стабильности ванны. Отклонения pH могут привести к неравномерному покрытию или плохой адгезии.
Концентрация цинка
Недостаточная концентрация цинка может привести к низкой эффективности покрытия и недостаточной коррозионной стойкости.
Мощность броска и распределение депозита
Ванны с кислым хлоридом обеспечивают высокую скорость осаждения, но имеют более низкую рассеивающую способность, в то время как щелочные ванны, несмотря на более медленную скорость осаждения, демонстрируют более высокую рассеивающую способность благодаря лучшему распределению тока.
Хроматовосприимчивость
Мелкозернистая, чистая цинковая поверхность обеспечивает оптимальную связь и химическое взаимодействие с трехвалентными или шестивалентными хроматами. Если цинковая поверхность загрязнена, это может значительно снизить адгезию хромата, что приведет к отслаиванию или неравномерному образованию пленки.
Преимущества и недостатки цинкования
Преимущества цинкования
Отличная коррозионная стойкость
Цинк действует как жертвенный анод, подвергаясь коррозии вместо основного металла, что обеспечивает надежную защиту от ржавчины.
Экономически эффективно для крупномасштабного производства
Цинкование относительно недорого по сравнению с другими защитными покрытиями. Процесс требует умеренной электроэнергии и использует широкодоступное сырье, что делает его экономически эффективным выбором.
Совместимость со многими последующими обработками
Цинковые покрытия легко принимают хроматные конверсионные покрытия (прозрачные, желтые, черные), герметики и верхние покрытия, которые повышают коррозионную стойкость.
Хорошая адгезия и внешний вид
Цинковые покрытия имеют однородный металлический вид, который можно дополнительно улучшить с помощью отбеливателей или последующей обработки.
Недостаток цинкования
Токсичность цианида и вопросы регулирования
Традиционные щелочно-цианидные цинковые ванны очень токсичны, что приводит к высоким затратам на переработку отходов.
Ограниченная пластичность
Определенные химические составы цинковых ванн, в частности, системы хлорида кислоты, могут производить более твердые, менее пластичные отложения. Это может привести к микротрещинам или отслаиванию, если детали подвергаются формовке или изгибу после нанесения покрытия.
Менее долговечны, чем другие покрытия
Хотя цинк обеспечивает надежную базовую защиту, он имеет более низкую износостойкость и коррозионную стойкость по сравнению с покрытиями из сплавов, таких как цинк-никель или цинк-кобальт.
Риск водородной хрупкости
Во время кислотной очистки и гальванизации водород может поглощаться высокопрочными сталями. Это приводит к охрупчиванию и потенциальному растрескиванию под нагрузкой. Это критическая проблема для структурных или критически важных для безопасности компонентов.
Цинкование против никелирования
В таблице ниже сравнивается цинкование с Никелирование.
| Атрибут | Цинковое покрытие | Никелирование |
|---|---|---|
| Цель | В первую очередь для защиты от коррозии; защитное покрытие | Устойчивость к коррозии и износу; часто декоративный и функциональный |
| Типы ванн | Цианид, щелочной нецианид, слабокислый хлорид | Электролитический никель, сульфамат никеля, химический никель (средний/высокий фосфор) |
| Совместимость с субстратом | Сталь, железо и другие черные металлы | Сталь, латунь, медь, алюминий, литой цинк и т. д. |
| Коррозионная стойкость | Жертвенная защита; цинк корродирует раньше, чем субстрат | Барьерная защита; химическое никелирование обеспечивает равномерное, плотное покрытие |
| Внешний вид | Серебристый или голубовато-белый; часто пассивируется для придания цвета (синий, желтый, черный) | Яркие, полуяркие, матовые; декоративные покрытия, такие как блестящий никель-хром |
| Последующие процедуры | Хромированные конверсионные покрытия, верхние покрытия, герметики | Пассивация, термообработка (для твердости), верхние покрытия |
| Толщина слоя | Обычно 5–25 микрон | Химическое: 2.5–100 микрон; Электролитическое: варьируется в широких пределах |
| Износостойкость | От плохого до среднего | От умеренного до отличного (особенно при химическом никелировании) |
| Стоимость | Относительно низко | От умеренного до высокого (особенно при химическом никелировании) |
| Использование в отрасли | Автомобильные крепежи, скобяные изделия, общепромышленные компоненты | Аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, электроника, химическая обработка, пресс-формы, клапаны, медицинские приборы |