Физико-химические основы коррозии цинковых покрытий

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОРРОЗИИ ЦИНКОВЫХ ПОКРЫТИЙ Н.А. Гоматин, студент

Муромский институт Владимирского государственного университета

DOI: 10.24411/2500-1000-2019-10746

Аннотация. Дана характеристика процесса нанесения цинкового покрытия путем электроосаждения ионов цинка на стальную деталь. Рассмотрены причины коррозии цинка и цинковых покрытий, а так же методы предотвращения коррозии. Описан технологический процесс цинкования. Произведен технологический расчет число одновременно обрабатываемых деталей на примере детали «Пластина». Для расчета были использованы формулы нахождения площади и силы тока. Изучена безопасность технологического процесса гальванического производства, вопросы охраны труда и окружающей среды.

Ключевые слова: гальваника, цинкование, цинк, коррозия цинка, коррозия цинкового покрытия.

Цель работы заключается в изучении технологического процесса гальванического цинкования, описание физико-химические основы коррозии цинка и цинкового покрытия. При исследовании производства необходимо описать технологический процесс цинкования, рассчитать площадь поверхности детали, которую нужно покрыть цинком. Рассчитать, сколько деталей вместится в ванну, также рассчитать силу тока, необходимую для качественного покрытия, рассмотреть контроль качества продукта, изучить вопросы техники безопасности, проблемы очистки сточных вод.

Коррозия цинка и цинкового покрытия

Коррозия - это самопроизвольное разрушение металлов в результате взаимодействия с окружающей средой. Атмосферная коррозия является наиболее распространенным видом коррозионного разрушения металлов - на ее долю приходится около 80% общих потерь от коррозии.

В условиях сухой атмосферы происходит химическое взаимодействие металла с кислородом и другими газообразными компонентами воздуха, называемое сухой коррозией. Как правило, сухая атмосферная коррозия приводит лишь к потускнению металла, не вызывая его разрушения. При определенной влажности в атмосфере сухая коррозия переходит во влажную.

Величина критической относительной влажности, при которой образуется адсорбционная пленка влаги и атмосферная коррозия переходит во влажную, для чистой поверхности металла составляет примерно 70-80%. На поверхности, загрязненной пылью или продуктами коррозии, пленка влаги образуется уже при влажности 50-60%.

При относительной влажности 100% начинается капельная конденсация, и пленка влаги становится видимой, равно, как и при непосредственном попадании воды на поверхность, например, дождя, или выпадении росы. Коррозию в этом случае называют мокрой.

Мокрая коррозия, как и влажная, протекает по электрохимическому механизму, то есть с возникновением и взаимодействием анодных и катодных участков на поверхности цинка. Согласно теории коррозии анодные и катодные процессы не обязательно должны быть пространственно разделены.

В сравнительно сухом воздухе поверхность цинка покрывается пленкой оксида цинка и коррозия практически отсутствует. В присутствии влаги, диоксида углерода и химических примесей, имеющихся в атмосфере, оксид цинка превращается в гидроксид, основной карбонат и другие основные соли цинка. Образуется трудно

растворимый основной карбонат цинка с составом, подобным 2пС03 • 32п(0И)2 [1].

Цинковые покрытия защищают сталь как механически, экранируя от доступа окружающей среды, так и электрохимически в местах повреждения покрытий и в порах, в которых цинк со сталью образует гальванопару.

Во влажной атмосфере в порах покрытия идет процесс электрохимической коррозии: на цинке - аноде, как и в случае коррозии цинка без участия подложки, протекает окислительная реакция: цинк ионизируется (растворяется), превращается в гидроксид и затем в карбонат цинка. На железе катоде протекает сопряженная реакция восстановления кислорода до гид-роксид-иона ОН-. Таким образом, цинк, как более электроотрицательный металл, выполняет функцию анодного покрытия. Железо при этом находится под катодной защитой и не коррозирует до тех пор, пока в коррозионном процессе участвует цинковое покрытие. Ток коррозии, а, следовательно, и скорость растворения цинка лимитируется наиболее медленной катодной реакцией восстановления кислорода, протекающей на железе.

Способность цинковых покрытий защищать сталь от коррозии зависит от их толщины и финишной обработки (хрома-тирования, фосфатирования и других конверсионных покрытий), а также от химического состава, структуры и равномерности осадков, которые, в свою очередь, зависят от способа и условий цинкования.

Превосходством в коррозионной стойкости перед обычными цинковыми покрытиями обладают покрытия на основе сплавов цинка.

В целом можно сказать, что цинк является самым применяемым металлом для защиты от коррозии самого распространенного конструкционного металла - стали. Такое положение, по-видимому, сохранится в ближайшие десятилетия, что делает знание и понимание особенностей применения защитных цинковых покрытий актуальными и востребованными [2].

Технологический процесс цинкования

Детали монтируются на медную проволоку, проволоку с деталями привязывают к латунному крюку и закрепляют на медную штангу.

Закрепленные на штангу детали отправляют на химическое обезжиривание, их опускают в раствор воды и моющего средства МЛ-5, для очистки поверхности от смазочных материалов. Операция продолжается в течение 5-10 мин при температуре 65-75°С.

Очищенные от смазочных материалов детали поступают на одноступенчатою промывку горячей водой при температуре 70-90°С в течение 0,25-0,5 мин.

Затем детали перемещают в ванну химического травления, для очистки от окалины. Травление осуществляется в соляной кислоте при температуре 15-25°С. Время травления устанавливается в зависимости от толщины слоя окалины.

После химического травления детали переходят на операцию двухступенчатой промывки:

1) в холодной воде в течение 0,25-0,5 мин;

2) в горячей воде при температуре 70-90°С.

Далее следует операция электрохимического обезжиривания. Изделия находятся в ванне в течение 3-5 мин при температуре.

Далее осуществляется двухступенчатая промывка деталей:

1) в холодной воде в течение 0,25-0,5 мин;

2) в горячей воде при температуре 70-90°С.

После промывки детали поступают на операцию цинкования. Анодами являются цинковые пластины. Электролитом выступает раствор технического цианистого натрия, технического едкого натра, технического сернистого натрия, окиси цинка и желатина. Операция проходит при температуре 15-30°С, в течение 75 минут.

Детали отправляются на двухступенчатую промывку холодной водой.

Для придания деталям более высокой коррозийной стойкости и улучшения декоративных характеристик детали погружают в ванну с радужным хромированием.

Так как состав электролита применяется как для пассивирования, так и для осветления в ванне одновременно происходят оба процесса. Хромирование происходит химическим способом при температуре 1530 °С в течение 0,5-1 минуты.

Затем изделия направляют на трехступенчатую стадию промывки холодной водой при температуре 15-30 °С в течении 30 секунд.

После промывки детали помещают в сушильную камеру на 3-15 минут при температуре 40-60°С.

Производится демонтаж и контроль по ГОСТ 9.302-88 на соответствие ГОСТ 9.301-86.

Результаты расчета

При произведении расчетов были даны размер ванны 2200х1000х1200 мм и размер детали 44х60х1,5 мм. Был произведен расчет площади поверхности покрытия детали цинком и количество деталей вмещающихся в объем ванны. Площадь детали равна 0,56 дм . Расчет вместимости ванны был рассчитан по глубине и ширине ванны, количество вмещающихся деталей составило соответственно 132 шт. и 108 шт. По расчёту определили, что детали на штангу лучше разместить по глубине.

Плотность тока варьируется в диапазо-2 2 не от 1 А/дм до 3 А/дм . Используя формулу нахождения силы тока, нашли ее значение, оно составило 222 А.

Контроль качества покрытия

Самой первой оценкой электролитических покрытий является их внешний вид, который контролируется визуальным осмотром при нормальном дневном или искусственном освещении. Освещенность должна быть не менее 300 лк. В результате оценки по внешнему виду покрытия детали относятся к одной из групп: годные, дефектные, брак, а результаты осмотра оформляются документом.

Дефектными считают детали, с которых необходимо удалить недоброкачественное покрытие и нанести его повторно, а также детали, требующие доработки без снятия покрытия. К браку относятся детали с очагами коррозии, перетравленные, с механическими и другими повреждениями, а так-

же на допускающие переделки со снятием недоброкачественного покрытия.

Во многих случаях решающим признаком качества покрытия, которое должно соответствовать определенным техническим и экономическим требованиям, является его толщина. Выбор методики и приборов и методики для измерения толщины покрытий зависит от многих факторов: рода и формы покрытия и основного металла, необходимой точности и длительности измерения, допустимости или недопустимости разрушения покрытия или всей детали. Необходимо определить не только среднюю, но и минимальную толщину покрытия на определенных участках детали, так как даже на плоских деталях толщина слоя металла не одинакова в различных точках.

Методы измерения толщины слоя с разрушением детали делятся на химические, разрушающие только покрытия, и физические, нарушающие целостность не только покрытия, но и самой детали. Химические методы рекомендуются тогда, когда по производственным условиям допускается разрушение нанесенных на детали покрытий, что связано с потерей некоторых готовых деталей. При химических методах невозможно автоматизировать процесс контроля толщины покрытия в условиях серийного и массового изготовления деталей. Метод снятия заключается в растворении покрытия в таком растворе, который не повреждает основного металла. Растворение может быть химическим и электрохимическим. По массе растворенного покрытия определяют толщину покрытия. Масса покрытия определяется двумя способами: аналитическим и взвешиванием детали до и после покрытия [3].

Очистка сточных вод

Гальванические технологии нуждаются в потреблении огромных объемов воды. Сточные воды гальванического производства, как известно, включают в себя разбавленные стоки (промывные воды) и концентрированные растворы (моющие, обезжиривающие, травильные, циансо-держащие и хромсодержащие электролиты).

В многостадийной комплексной очистке сточных вод гальванических производств используются традиционные, легко реализуемые, малозатратные методы. Основная цель которых, снижение содержания тяжелых металлов до значений ПДК (предельно допустимая концентрация), позволяющих осуществлять слив очищенной

воды в канализацию или возврат очищенной воды в производство.

Технологическое оборудование очистки стоков представляет собой комбинацию общепринятых методов очистки (реагент-ный, сорбционный, ионнобменный, применение мембранных технологий и вакуумного выпаривания), что позволяет дос-

тичь наилучших результатов [4].

Библиографический список

1. Коррозия. Справ. изд. под ред. Л.Л. Шрайера. Пер. с англ. - М.: «Металлургия», 1981. - 164 с.

2. Окулов В.В. Цинкование. Техника и технология./ Под. ред. проф. Кудрявцева В.Н. -М.: Глобус, 2008. - 252 с.

3. Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля. ГОСТ 9.302-88

4. Гальванические линии. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://vskproekt.ru/galvanicheskie-linii/

PHYSICAL AND CHEMICAL BASIS OF CORROSION OF ZINC COATINGS N.A. Gomatin, student

Murom institute of Vladimir state university

Abstract. The characteristic of the process of deposition of zinc coating by electrodeposition of zinc ions on the steel part is given. The causes of corrosion of zinc and zinc coatings, as well as methods to prevent corrosion. Describes the process of galvanizing. The technological calculation is made of the number of simultaneously processed parts on the example of the "Plate " part. For the calculation were used formulas for finding the area and current strength. The safety of the electroplating process, the issues of labor protection and the environment has been studied.

Keywords: electroplating, zinc plating, zinc, zinc corrosion, zinc coating corrosion.