Выбор и обоснование типа и состава электролита для нанесения покрытия

 

 

Для цинкования применяют три типа электролитов: кислые, щелочные цианистые и щелочные нецианистые (цинкатные).

Во всех этих электролитах цинк находится в виде двухвалентных ионов.

Из кислых электролитов цинк выделяется в результате разряда на катоде двухвалентных ионов цинка:

ZnSO₄ = Zn²⁺ + SO₄^2-,                                 (3.1)

Zn²⁺ + 2e = Zn.                                       (3.2)

На разряд ионов цинка расходуется почти весь ток, так как выделение водорода ничтожно мало. Убыль ионов цинка из растворов компенсируется растворением анодов. Последнее протекает без выделения кислорода.

Протекание указанных электродных процессов на практике несколько нарушается из-за присутствия в электролите примесей, выделение которых наряду с выделением водорода несколько снижает катодный выход по току.

Кроме того, наряду с чисто электрохимическим растворением анодов происходит частичное химическое растворение цинка благодаря присутствию в растворе некоторого количества свободной кислоты.

Оба эти процесса – разряд посторонних катионов и химическое растворение анодов – изменяют коэффициенты использования тока на электродах и требуют периодической корректировки электролита.

Рассеивающая способность кислых электролитов весьма низкая.

Сульфатный электролит содержит (г/л):

ZnSO₄·7H₂O……………………………..……………………..……..200-300

Al₂(SO₄)₃·18H₂O……………………………………………………..………30

Na₂SO₄·10H₂O………………………..……….…….…………………50-100

Блескообразующая добавка…………………….………………………1-5

Процесс ведётся при 18–25 °С и при рН=3,5–4,5. Плотность тока в перемешиваемых ваннах составляет от 2 до 10 А/дм² и выше.

Сульфатные ванны, несмотря на целый ряд преимуществ (устойчивость в работе, высокий выход металла по току, отсутствие в составе электролита ядовитых веществ), применяются главным образом для цинкования изделий простой конфигурации (листов, ленты, проволоки и т. п.)

Основным компонентом цианистых цинковых электролитов является комплексная соль Na₂[Zn(CN)₄]. Диссоциация этой соли происходит по уравнению

Na₂[Zn(CN)₄] Û 2Na⁺ + Zn(CN)₄^2-.                          (3.3)

Таким образом, цинк в растворе находится в составе аниона.

Разряд на катоде требует значительной энергии активации; этим объясняется высокая поляризация, сопровождающая осаждение цинка из цианистых электролитов, и мелкокристаллическая структура покрытий.

Осаждение цинка из растворов цианистого комплекса, содержащих избыток свободного цианида, протекает при потенциале минус 1,7 В. Поэтому, несмотря на высокое водородное перенапряжение на цинке, выход по току цинка небольшой.

Потенциал осаждения цинка может быть снижен до минус 1,4 В введением в раствор свободной щёлочи. Одновременно снижается концентрация ионов водорода. Вход по току достигает 95–99%.

Цианистое цинкование при плотностях тока до 5-6 А/дм². Осадки цинка получаются плотными, весьма тонкокристаллическими, а электролит обладает высокой рассеивающей способностью.

Характерная особенность анодного процесса при цинковании в цианистых электролитах заключается в склонности цинковых анодов к пассивированию и, следовательно, к уменьшению концентрации цинковой соли в ванне, что проявляется особенно заметно при недостатке в электролите свободного цианида. Этим объясняется непостоянство состава цианистого электролита.

Другой причиной является то, что цинковые аноды подвержены химическому растворению в цианистом калии и щёлочи. Это приводит к накапливанию цинка в электролите. Третья причина непостоянства состава электролита цианистых ванн – взаимодействие с углекислотой воздуха (по этой причине нельзя применять перемешивание).

Состав цианистого электролита имеет такой вид (г/л):

ZnO……………………………………………………………………..…40-45

NaCN…………………………………………………………..………….80-85

NaOH………………………...…………………………………………...40-60

Электролиз ведут при 18–40 °С. Катодная плотность тока 1–4 А/дм² и выход по току 70–80%.

Основной недостаток цианистых электролитов заключается в их токсичности (выделяющаяся синильная кислота – сильный яд), поэтому они применяются в редких случаях.

Цинкатные электролиты очень просты по составу. В основном они содержат цинк в виде цинката и едкую щёлочь.

Выход металла по току в цинкатных электролитах близок к 100% и мало меняется с изменением условий электролиза. Осадки, полученные из цинкатных электролитов, имеют крупнокристаллическую структуру и отличаются неравномерной толщиной слоя. Это связано с малой катодной поляризацией.

Улучшение качества осадков, полученных из цинкатных ванн, достигается добавлением в электролит небольших количеств солей олова, свинца и ртути (это способствует растворению цинка).

2 Zn + Sn⁴⁺ ® 2 Zn²⁺ + Sn.                               (3.4)

 Рассеивающая способность цинкатных ванн в присутствии солей указанных металлов и при низкой плотности тока достаточно высока.

Примерный состав цинкатного электролита (г/л):

ZnO……………………………………………………………….……..…5-50

NaOH……………………………………………………...…….……...65-220

Na₂SnO₃……………………………………………………….....…….0,2-0,5

Процесс ведут при 50–70 °С. Катодная плотность тока 0,5–4 А /дм². выход по току 96–98%.

Сравнение достоинств и недостатков для различных типов электролитов цинкования можно наглядно увидеть в таблице 3.1.

Исходя из общей суммарной оценки, можно сделать вывод, что цинкатный электролит цинкования является самым пригодным для покрытия детали шуруп А5·40.

 

Таблица 3.1 – Сравнительная характеристика электролитов цинкования.

Свойства электролитов	Оценочная шкала	Высоко­цианистые	Мало­цианистые	Цинкатные	Кислые	Аммикат­ные
Положительные Рассеивающая способ­ность Выход по току Предельно допустимая концентрация Способность крыть чугун Неприхотливость в под­готовке поверхности Устойчивость к темпера­туре Лёгкость очистки сумма	10 5   5 3   10   5 5	10 4   3 1   10   5 3 36	8 3   1 1   7   3 4 27	8 3   1 1   5   2 5 25	2 5   5 3   2   2 2 21	7 5   5 3   2   2 2 26
Отрицательные Агрессивность к стали Токсичность Затраты на нейтрализа­цию Водородная хрупкость Стоимость эксплуатации сумма	-5 -5   -10 -5 -3	-1 -5   -10 -5 -3 -24	-1 -5   -5 -5 -2 -18	0 -1   -1 -3 -1 -6	-5 -1   -1 -1 -1 -9	-5 -1   -2 -1 -2 -11
Общая суммарная оценка		12	9	19	12	15