GALWANOTECHNIKA - CYNKOWANIE
Powłoki galwaniczne to powłoki nakładane na przedmioty wykonane z metali lub stopów metali w kąpieli galwanicznej z zastosowaniem lub bez zewnętrznego źródła prądu. Powłoki galwaniczne mogą być jedno- lub wielowarstwowe, a ich grubość może dochodzić do jednego milimetra.
Powłoki elektrolityczne to powłoki metalowe nanoszone w wannach z elektrolitem w procesie elektrolizy, w którym pokrywany przedmiot połączony z ujemnym biegunem prądu stałego tworzy katodę, natomiast anodę stanowią płyty z metalu nakładanego lub z materiałów nierozpuszczalnych. Metal powłokowy przechodzi z rozpuszczającej się anody do elektrolitu, a następnie osadza się na przedmiocie - katodzie.
Właściwości powłok elektrolitycznych zależą od składu i stężenia poszczególnych składników elektrolitu i gęstości prądu.
Powłoki chemiczne to powłoki metalowe wytworzone w wyniku reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy elektrolitem - kąpielą galwaniczną a powierzchnią materiału pokrywanego bez udziału zewnętrznego źródła prądu. W zależności od mechanizmu reakcji powłoki chemiczne uzyskuje się w wyniku wymiany, kontaktu lub redukcji metalu podłoża z metalem powłokowym znajdującym się w roztworze - kąpieli galwanicznej.
Powłoki konwersyjne to powłoki niemetalowe wytwarzane na powierzchni metalu lub stopu w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy metalem podłoża a pierwiastkami znajdującymi się w roztworze. Można je wytwarzać z zastosowaniem lub bez zewnętrznego źródła prądu. Są to głównie powłoki ochronne, stosowane również jako podwarstwy lub rzadziej jako powłoki techniczne i dekoracyjne.
Elektrolit to roztwór substancji rozpuszczonych w wodzie lub innym rozpuszczalniku, ulegający dysocjacji elektrolitycznej. Elektrolitami są wszystkie sole, kwasy i zasady.
Elektroliza to proces przepływu prądu elektrycznego z zewnętrznego źródła przez elektrolit, czemu towarzyszą reakcje elektrochemiczne i przenoszenie substancji do miejsca doprowadzania lub odprowadzania prądu.
Wydajność prądowa - sprawność kąpieli, która wskazuje, jaka część prądu płynąca przez elektrolit zostaje zużyta na proces osadzania powłok. Określa się ją jako stosunek masy metalu osadzonej na elektrodach w warunkach rzeczywistych do masy, która wydzieliłaby się teoretycznie zgodnie z prawem elektrolizy Faradaya.
Kąpiel galwaniczna to elektrolit stosowany do wytwarzania powłok galwanicznych.
Elektroda (katoda, anoda) to układ dwóch faz przewodzących -materiału w stanie stałym i elektrolitu.
Szereg napięciowy metali to zestawienie metali według rosnącego potencjału normalnego, mierzonego względem elektrody wodorowej. W szeregu tym metale mniej szlachetne mają potencjały ze znakiem minus, metale bardziej szlachetne potencjał ze znakiem plus. Ogólnie obowiązuje zależność, że metale mniej szlachetne wypierają z roztworów metale bardziej szlachetne.
Gęstość prądu Q jest to stosunek całkowitego natężenia prądu płynącego przez elektrolit do całkowitej powierzchni katody w nim zanurzonej.
Elektrokrystalizacja to proces elektrolitycznego wydzielania się metalu, składający się z szeregu reakcji i zjawisk prowadzących do wbudowania się atomu metalu do sieci krystalicznej w osadzającej się powłoce.
Wgłębność kąpieli to właściwości kąpieli galwanicznej określona tendencją do osadzania się powłoki o równej grubości na całej powierzchni katody.
Zdolność krycia kąpieli to minimalna gęstość prądu, przy której rozpoczyna się osadzanie powłoki galwanicznej - określa zdolność do pokrywania wgłębień.
Mikrowygładzanie jest to zdolność kąpieli do osadzania powłok błyszczących o gładkości wyższej od gładkości podłoża.
Przygotowanie powierzchni metali pod powłoki galwaniczne.
Właściwe wykonanie procesu przygotowania powierzchni przed nałożeniem powłok galwanicznych decyduje w istotnym stopniu o ich przyczepności i trwałości, a tym samym o jakości i odporności korozyjnej wytwarzanych wyrobów. Oczyszczanie powierzchni podłoża przed osadzaniem powłok galwanicznych polega na usunięciu z niej zanieczyszczeń mechanicznych, olejów, tłuszczów lub substancji tłuszczo pochodnych, produktów korozji oraz innych zanieczyszczeń nagromadzonych podczas procesu wytwarzania wyrobów.
Stosowany ogólnie tradycyjny proces przygotowania powierzchni przed osadzaniem powłok galwanicznych składa się z kilku lub kilkunastu następujących kolejno po sobie operacji:
odtłuszczanie wstępne,
trawienie,
płukanie zimne,
odtłuszczanie chemiczne,
płukanie gorące i zimne,
odtłuszczanie elektrochemiczne,
płukanie gorące i zimne,
aktywacja,
płukanie zimne,
Jest to w zasadzie konieczne minimum operacji technologicznych przed obróbką galwaniczną. W miarę potrzeby można poszczególne operacje powtarzać lub włączać do nich inne metody (np. odtłuszczanie z równoczesną obróbką ultradźwiękami).
Części poddawane obróbce galwanicznej powinny być przed przystąpieniem do prac przygotowawczych całkowicie wykończone pod względem obróbki mechanicznej, a więc muszą posiadać odpowiednie wymiary w granicach tolerancji, wymagany stopień gładkości powierzchni i krawędzi oraz odpowiedni zaczep uniemożliwiający przypadkowe zsunięcie się z zawieszki w wannie lub powstanie luźnego kontaktu ze źródłem prądu.
Obróbka mechaniczna stosowana na wstępnym etapie przygotowania powierzchni podłoża umożliwia najczęściej usunięcie tlenków i innych zanieczyszczeń lub uszkodzeń warstwy przypowierzchniowej, jak np. wżerów, pęknięć, zagnieceń, rys lub plam.
Aktualnie obserwuje się zastępowanie tradycyjnych metod mechanicznej obróbki wykańczającej np. szlifowanie i polerowanie, mniej pracochłonnymi metodami, jak obróbka hydrościerna i obróbka luźnymi kształtkami w pojemnikach.
Cynkowanie
Cynk jest metalem srebrzystym z błękitnym odcieniem, jest odporny na działanie powietrza i wilgoci. W związku z bardziej ujemnym potencjałem w stosunku do żelaza
powłoki cynkowe są powłokami anodowymi i chronią podłoże elektrochemicznie przed korozją. Z tego względu porowatość powłoki nie ma istotnego wpływu na przebieg korozji.
Cynkowane powłoki galwaniczne są stosowane do ochrony antykorozyjnej wyrobów stalowych i żeliwnych, takich jak taśmy, druty, blachy, drobne części, np. śruby, nakrętki.
Cynkowanie jest najtańszym procesem galwanicznym. Powłoki cynkowe zużywają się z szybkością 1÷1,5 µm/rok w środowisku wiejskim i 6÷8 µm/rok w środowisku miejskim. Nie są odporne na działanie pary wodnej w podwyższonych temperaturach i w klimace tropikalnym.
Do nakładania powłok cynkowych stosuje się kąpiele kwaśne i alkaliczne.
Do kąpieli kwaśnych zalicza się kąpiele siarczanowe, chlorkowe, fluoroboranowe i pyrafosforanowe. Do kąpieli alkalicznych zalicza się kąpiele cyjankowe i cynkanowe.
Kąpiele kwaśne stosuje się do uzyskania wyrobów o prostych kształtach natomiast kąpiele alkaliczne cyjankowe do wyrobów o skomplikowanych kształtach.
Kąpiele cyjankaliczne mają skład bardziej złożony od składu kąpieli kwaśnych i cynka nowych, a ponadto są bardzo toksyczne, lecz stosuje się je ze względu na prostą obsługę, dużą wgłębność, drobnokrystaliczność i równomierność krycia.
Ich skład jest następujący:
-tlenek cynkowy ZnO - 40 g/l,
-cyjanek sodowy NaCN - 80 g/l,
-wodorotlenek sodu NaOH - 50 g/l,
-siarczek sodowy Na²S - 0,5÷3 g/l,
Kąpiel pracuje w temperaturze 290÷308 K przy gęstości prądu 2÷3 A/l, stosuje się ją do cynkowania w wannach stacjonarnych.
Do cynkowania w kielichach i bębnach obrotowych stosuje się kąpiel o składzie:
-tlenek cynkowy ZnO - 10 g/l,
-cyjanek sodowy NaOH - 18 g/l,
-wodorotlenek sodowy NaOH - 80 g/l,
-siarczan sodowy Na2S - 0,5÷3 g/l,
Kąpiel ta pracuje w temperaturze 290÷303 K przy gęstości prądu 2÷4 A/dm².
Jako substancje wybłyszczające w kąpielach cyjankowych znalazły zastosowanie takie związki, jak: molibdenian sodowy, klej stolarski i tiomocznik.
Kąpiele kwaśne siarczanowe stosuje się do cynkowania wyrobów o prostych kształtach. Skład kąpieli jest bardziej trwały w porównaniu z kąpielami cyjankalicznymi.
Jest ona również niewspółmiernie mniej toksyczna. Innymi zaletami kąpieli siarczanowych jest duża wydajność i łatwa ich neutralizacja. Otrzymywane z niej powłoki są jednak grubokrystaliczne i nierównomierne.
Skład kąpieli do otrzymywania matowych powłok jest następujący:
-siarczan cynkowy ZnSO · 7H2O - 300 g/l,
-siarczan sodowy Na2SO4· 10H2O - 50 g/l,
-ałun potasowy Kal(SO4)2 ·12H2O - 10 g/l,
-dekstryna - 8÷10 g/l,
Kąpiel pracuje w temperaturze 290÷300 K przy gęstości prądu 1÷2 A/dm².
Jako zastępcze o właściwościach zbliżonych do kąpieli cyjankalicznych stosuje się kąpiele chlorkowe słabo kwaśne, zwłaszcza do cynkowania wyrobów o skomplikowanych kształtach, wymagających dużej wgłębności. Kąpiel nie jest toksyczna, nie wymaga również skomplikowanej obsługi.
Skład kąpieli do cynkowania jest następujący:
-tlenek cynku ZnO - 12÷15 g/l,
-chlorek amonu KCl - 240÷260 g/l,
-kwas borowy H3BO3 - 20÷25 g/l,
-klej stolarski -1÷2 g/l,
Kąpiel pracuje w temperaturze 290÷300 K, przy gęstości prądu 0,8÷1 A/dm².
Do cynkowania z połyskiem stosuje się kąpiel chlorkową o następującym składzie:
-chlorek cynku ZnCl2 - 75 g/l,
-chlorek potasu KCl - 200 g/l,
-kwas borowy H3BO3 - 25 g/l,
-dodatek blaskotwórczy - 1÷2
Kąpiel pracuje w temperaturze 290÷300 K, przy gęstości prądu 1,6 A/dm².
Proces cynkowania obejmuje następujące operacje, co gwarantuje dobrą jakość wytwarzanych powłok:
odtłuszczanie w rozpuszczalnikach nieorganicznych,
wytrawianie w 10% roztworze kwasu siarkowego lub 25% roztworze HCl
płukanie w zimnej wodzie,
odtłuszczanie elektrolityczne,
płukanie w gorącej wodzie,
płukanie w zimnej wodzie,
cynkowanie,
płukanie w zimnej wodzie,
rozjaśnianie w 2% roztworze HNO3,
pasywowanie- chromianowanie,
płukanie,
suszenie,
Przedstawiony proces technologiczny może ulegać uproszczeniom i zmianom w zależności od rodzaju pokrywanego materiału, stopnia zanieczyszczeń powierzchni i przeznaczenia powłok. Proces cynkowania może być prowadzony w wannach, kielichach lub bębnach obrotowych.
Bezpieczeństwo pracy
Wyposażenie przedsiębiorstw cynkowania ogniowego
Aby można było ustrzec się wypadków, przedsiębiorstwa cynkowania ogniowego muszą przedsięwzięć niezbędne środki w zakresie rozwiązań konstrukcyjnych stanowisk pracy. Odnośnie rodzaju rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń z zakresu cynkowania ogniowego obowiązują, ogólnie biorąc. Postanowienia Prawa Budowlanego.
Pomieszczenia oraz obszary produkcyjne. Podłogi na obszarach objętych obciekaniem oraz spryskiwanych, znajdujących się w sąsiedztwie otwartych zbiorników muszą być odporne na działanie stosowanych materiałów i preparatów oraz chronić przed niebezpieczeństwem poślizgu. Zbiorniki oraz rurociągi, rozmieszczone na obszarach produkcyjnych oraz przy drogach transportowych, muszą być zabezpieczone przed uszkodzeniem mechanicznym.
Odkryte zbiorniki. Zbiorniki z kąpielami, stosowanymi w procesie technologicznym cynkowania ogniowego, muszą być zakryte w czasie gdy nie są użytkowane, względnie też muszą być stosowane urządzenia odgradzające dostęp do strefy potencjalnego zagrożenia. Krawędź wanny z odkrytą kąpielą (do obróbki przygotowawczej) musi znajdować się co najmniej 1 m ponad powierzchnią, na której stoi pracownik obsługujący stanowisko, o ile nie istnieją inne sposoby zabezpieczenia go przed wpadnięciem do wanny.
W przypadku wanny cynkowniczej, przy której powierzchnia kąpieli, zgodnie z wymaganiami technologicznymi, przed każdym zanurzeniem wsadu musi być oczyszczona, dopuszcza się wysokość krawędzi 0,7 m, gdy równocześnie krawędź wanny ma szerokość co najmniej 0,2 m.
Urządzenia załadowcze. Elementy konstrukcyjne przenoszące obciążenie wywołane wsadem części oraz urządzenia nośne muszą być wykonane tak, ab były one odporne na występujące narażenia chemiczne i cieplne.
Środki ochrony osobistej pracowników. Przedsiębiorstwo ma obowiązek wyposażenia pracowników w odpowiednie środki ochrony osobistej.
Przewidziane do stosowania środki ochrony:
Chełm,
Fartuch,
Rękawice kwasoodporne,
Ochronna osłona twarzy,
Buty robocze,
Warunki BHP w czasie procesów odtłuszczania
W pomieszczeniach, w których odbywa się mycie za pomocą nafty lub benzyny, zabronione jest używanie ognia otwartego lub grzejników elektrycznych otwartych. Pracujący powinni być zaopatrzeni w odzież ochronną. Pomieszczenia powinny być zaopatrzone w sprawnie działające wyciągi.
Przy pracach, w których stosowany jest trójchloroetylen, należy pracować w rękawicach ochronnych i maskach gazowych. Praca bez rękawic i masek jest zabroniona ze względu na trujące działanie trójchloroetylenu. Dopuszczalne stężenie w powietrzu wynosi 0,05 mg/dm³. Krótkotrwałe wdychanie trójchloroetylenu w niedużych stężeniach wywołuje zawroty głowy i osłabienia. Duże stężenia wywołują zaburzenia w pracy serca i porażenie systemu nerwowego, mogą nawet spowodować śmierć. O zatruciu świadczy między innymi paraliż włókien nerwowych, powodujący znieczulenie skóry na twarzy i końcu języka oraz zanik smaku. Należy więc stosować bardzo szczelne aparaty do odtłuszczania, a pomieszczenia powinny być dobrze wentylowane, co eliminuje potrzebę stosowania masek gazowych.
Stosując odtłuszczanie w roztworach alkalicznych, należy strzec się działania ich na skórę. Silnie działające roztwory alkaliczne powodują powstawanie trudno gojących się ran. W przypadku opryskania skóry przez kąpiel alkaliczną należy dokładnie zmyć miejsce spryskane wodą lekko zakwaszoną octem.