Сульфатные электролиты цинкования обладают рядом преимуществ перед другими кислыми электролитическими растворами:
• они просты в эксплуатации,
• имеют высокие процентные показатели выхода по току,
• не токсичны.
Сульфатные электролиты цинкования используются в промышленности для нанесения цинкового покрытия на изделия простой конфигурацией (полосы, ленты, проволоки, стержни, листы).
Это объясняется тем, что у сульфатных электролитов небольшая рассеивающая способность из-за низкой катодной поляризации. Защитный слой после оцинковки (без соответствующих добавок) имеет крупнокристаллическое строение, может быть рыхлым, оттенок покрытия — темно-серый.
В сульфатных электролитах цинкования основополагающим элементом рабочего раствора является сернокислый цинк ZnSO_4 *〖7H〗_2 O. Соль хорошо растворима в воде (при температуре около 25 градусов С растворимость составляет ~ 580г/л).
Сульфатные электролиты. Технологические характеристики
Большая концентрация сульфата цинка в электролите приводит к образованию дендритов, микроструктура вновь образованного слоя имеет крупнокристаллическое строение, покрытие — пористое и губчатое. Низкое содержание соли в электролите уменьшает показатель электропроводности, что с отрицательной стороны сказывается на качестве цинкового покрытия. Оптимальное содержание сернокислого цинка в рабочем составе находится в интервале от 150г/л до 300г/л.
При увеличении температурного режима рабочего раствора до 40 (50 градусов С) на установках с непрерывным транспортным перемещением изделий (оцинковка проволоки, ленты, листов) содержание сернокислого цинка возрастает от 400г/л до700г/л. При этом резко повышается скорость формирования цинкового слоя.
Для улучшения технологических параметров рабочего раствора (электропроводности, катодной поляризации, рассевающей способности) в электролит вводят сернокислые соли:
• сульфат натрия,
• сульфат аммония,
• сульфат алюминия.
Основополагающим параметром в сульфатных электролитах является показатель кислотности (рН). В рабочем растворе он находится в диапазоне от 3,5 до 5. Увеличение кислотности создает условия для дополнительного выделения водорода на катоде, что снижает выход цинка по току. При уменьшении показателя кислотности происходит процесс защелачивания рабочего раствора с образованием оксидов, гидроксидов цинка. Слой покрытия приобретает губчатое, крупнокристаллическое строение, ухудшаются механические свойства.
Наиболее эффективной добавкой для стабилизации уровня кислотности в сернокислом электролите является сульфат алюминия при рН ˃ 4,5. При рН = 4 добавка (сульфат алюминия) распадается в результате гидролиза, образуя гидроксид алюминия. Буферная добавка служит стабилизатором, устанавливая равновесие между компонентами рабочего раствора: сульфатом алюминия, гидроксидом алюминия и серной кислотой.
Введения коллоида в кислый электролит приводит к увеличению катодной поляризации и, как следствие, рассеивающей способности. Структура, механические и декоративные свойства цинкового осадка улучшаются, увеличивается диапазон рабочих (катодных) плотностей тока.
В качестве альтернативы вместо сульфата алюминия можно использовать алюмокалиевые квасцы.
Для улучшения микроструктуры слоя в кислый электролит вводят положительно заряженные ионы поверхностно-активных веществ (ПАВ), коллоиды (декстрин, столярный клей и др.). Положительный эффект от ПАВ наблюдается при температуре от 20 градусов С и выше.
Для улучшения декоративных свойств цинкового покрытия в электролит вводятся специальные блескообразующие добавки.
В сульфатных электролитах цинкования оптимальная плотность тока без перемешивания рабочего раствора находится в диапазоне от 2 до 3 А/дм2, при перемешивании — до 6 А/дм2.
Составы сульфатных электролитов цинкования. Оптимальные режимы осаждения
№1. Сульфатный электролит цинкования может использоваться для нанесения защитного покрытия на детали, проходящих оцинковку на подвесах, в барабанах, колоколах.
№2. Производится оцинковка с нанесением блестящего поверхностного слоя.
№3. Рабочий состав и технологические параметры рекомендуется применять для линий, производящих оцинковку листа и листового материала.
№4. Сернокислый электролит цинкования применяется для обработки проволоки, ленты (обеспечивают создание мелкозернистой структуры поверхностного слоя). Цвет покрытия – светло-серый.
№5. Технологический состав и режимы осаждения используются для получения блестящего декоративного покрытия.
№6. Оцинковка изделий, несложной конфигурации.
№7. Быстродействующий сульфатный электролит цинкования.
Технологический процесс можно проводить, используя ток переменной полярности. При этом плотность тока увеличивается в 2-3 раза. Выход по току составляет 96-98%. Период цинкования – 6с. Соотношение катодного цикла к анодному – 6: 1.
Сульфатные электролиты цинкования. Приготовление
Сульфатные электролиты цинкования очень чувствительны к загрязнению металлическими примесями, потому особое внимание необходимо уделить используемым при составлении рабочего раствора химикатам.
Все составляющие компоненты технологического раствора (исключение – декстрин, блескообразующие добавки) растворяются в специальных, отдельных емкостях при температурном режиме от 50 до 70 градусов С. Растворы отстаиваются (для удаления механических примесей, осадка), затем через фильтровальные установки заливаются в ванну цинкования. Технологический раствор доливается водой до необходимого уровня.
Декстрин растворяют в холодной воде. Затем приготовленный состав нагревают до 60 градусов С и добавляют в рабочий электролит.
Растворение дисульфонафталиновой кислоты производится в небольшом количестве воды. Нейтрализация полученного состава проводится при помощи слабо концентрированного раствора гидроксида натрия. Затем отфильтровывается. Добавляется к рабочему раствору.
Корректировка сульфатного электролита по показателям кислотности производится серной кислотой.
Проработка свежего электролитического раствора производится в течение 2-3 часов (напряжение – 1,5- 2В, рН=3). Если в электролите присутствуют специальные добавки или декстрин, проработка производится в течение 4 часов. Результат проработки – светло-серое, плотное цинковое покрытие.
При наличии примесей в электролите цинковый слой имеет темный, губчатый осадок. Проработка продолжается до получения необходимых технологических параметров.
Блескообразующие добавки вводятся в электролит после проработки рабочего раствора.
Неполадки в работе сульфатных электролитов цинкования и их устранение
1. Цинковый осадок имеет темно-серый цвет и носит губчатый характер. Отслаивание шелушение цинкового слоя.
Дефекты объясняются наличием в рабочем растворе
• примесей металлов: сурьмы, меди, свинца, мышьяка;
• азотной кислоты;
• органических веществ – ацетон, скипидар и др.
Металлические примеси выводятся из электролита путем проработки подкисленного электролита (напряжение 1 – 1,2В).
Незначительная концентрация азотной кислоты, а также ее солей в электролите выводится из рабочей зоны раствора путем длительной проработки. При большом содержании азотной кислоты – сернокислый электролит подлежит замене.
Органические добавки выводятся из электролита при помощи специальных окислителей (перекись водорода). При этом рабочий раствор нагревают до 70 градусов С, с последующей выдержкой в течении 1- 2 часов. Затем сульфатный электролит прорабатывают, используя свинцовые аноды.
Примеси органического характера удаляются путем фильтрации рабочего раствора через активированный угольный порошок. Происходит процесс адсорбции. Вредные примеси удаляются.
2. Темные, крупнокристаллические осадки. Формирование дендритов. «Подгоревшее» по углам покрытие.
Причина возникновения дефекта объясняется:
• высоким уровнем кислотности в электролите,
• завышенные показатели плотности тока,
• низкая концентрация цинка в рабочем составе.
3. Неплотные, рыхлые светлые осадки цинкового покрытия.
Дефект формируются в результате низкого значения pH в электролите. Устранение проблемы – уровень кислотности довести до заданного путем корректировки рабочего раствора серной кислотой.
4. Темные, плотные осадки после оцинковки во вновь образованных электролитах.
Причина – использование некачественного декстрина.
Устранение – проработка электролита
• при низких значениях кислотности (рН = 2÷3),
• при повышенных плотностях тока,
• при непрерывном перемешивании рабочего раствора.
5. Питтинг поверхностного слоя.
Причина – прилипание водородных пузырьков к вновь формировавшемуся слою. Чаще всего возникает при наличии загрязнений (органических) в электролите и неправильном значении уровня кислотности.
Устранение – в рабочий раствор вводится перекись водорода в концентрации 0,5÷1 мл/л.
6.Растравление металлической основы детали, накопление в рабочем растворе ионов железа.
Загрузка деталей в электролит должна производиться под током.
7.Цинковый слой имеет светлый цвет покрытия, но строение поверхности – грубое, шероховатое.
Причина возникновения связана с наличием в электролите большего количества анодного шлама и взвешенных частиц.
Устранение:
• фильтрация рабочего раствора,
• помещение цинковых анодов в специальные приспособления (чехлы).