Физико-химические свойства

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Область применений цинковых и хромовых покрытий

Хромовые

Электролитическое хромирование применяется для внешней отделки изделий, повышения износостойкости, для защиты от коррозии и в ряде других случаев.

Декоративные и защитно-декоративные покрытия хромом отличаются долговечностью. Поэтому многие изделия, и в особенности работающие в тяжелых условиях эксплуатации, подвергаются декоративному хромированию: например, детали автомобилей, самолетов, вагонов, приборов, а также инструменты и изделия бытового характера.

Полированные хромовые покрытия обладают хорошей отражательной способностью. Коэффициент отражения света хромом достигает 70%. Эта величина несколько меньше, чем для серебра, но зато хром не тускнеет на воздухе. Поэтому хромирование используется в производстве различного типа фар и других малоответственных светоотражателей. Наряду с этим, из хромового электролита возможно осаждение черного хрома, применяющегося для уменьшения коэффициента отражения света.

Износостойкие хромовые покрытия применяются для многих инструментов и деталей машин, работающих на трение. К хромированию прибегают при покрытии новых деталей, а также при восстановлении изношенных, потерявших размеры во время работы на трение. Большое значение имеет исправление деталей, забракованных по размерам.

Номенклатура деталей, подвергаемых хромированию для повышения износостойкости, достигает больших размеров: детали мерительных инструментов, предельные калибры, режущий инструмент – метчики, сверла, развертки, фрезы, протяжки, долбяки и пр., инструмент для холодной обработки металлов давлением – волочильные глазки, пуансоны и матрицы для листовой штамповки, штампы для холодной штамповки и т.д.

Благодаря хромированию не только увеличивается срок службы деталей, но часто повышается качество выпускаемой продукции. Это наблюдается при хромировании валиков бумагопрокатных станов, штампов и пресс-форм для обработки неметаллических материалов и резины. Здесь важное значение имеют химическая стойкость и плохая смачиваемость хрома, что обеспечивает легкое отделение от формы и блеск отпрессованных деталей.

Применение износостойких хромовых покрытий для восстановления изношенных деталей станков и двигателей внутреннего сгорания позволяет во много раз увеличить срок их службы. Примерами подобных деталей могут служить шпиндели станков, шейки коленчатых валов, распределительные валики, толкатели клапанов, поршневые пальцы, шейки валиков различных агрегатов и другие детали.

Важной областью использования износостойких хромовых покрытий является хромирование цилиндров или поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. Однако для этих деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких удельных нагрузок, положительного эффекта от хромирования можно ждать лишь при покрытии пористым хромом [1].

В этом проекте для хромовых покрытий нашли применение при изготовлении штоков гидротолкателей в производстве флотацинных машин.

Цинковые

Цинковое покрытие сравнительно дешевое и доступное, поэтому оно широко применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, деталей машин, крепежных деталей, трубопроводов и других изделий.

Цинковые покрытия в основном применяют для защиты стальных деталей от коррозии и реже как подслой при гальванопокрытии деталей из алюминия и его сплавов.

Покрытия цинком без хроматной обработки можно применять только для сохранения электропроводности, при пайке, для деталей, подвергаемых точечной сварке и опрессовке пластмассами при ≥ 100˚С.

Для повышения защитных свойств или использования цинковых покрытий в морских условиях их фосфатируют или покрывают лаками и красками. В среде, насыщенной морскими испарениями, эти покрытия быстрее корродируют, чем в чистой влажной атмосфере. Стальные детали толщиной <0,5 мм не рекомендуется цинковать, так как они становятся хрупкими [1].

В связи с тем что флотациннные машины не монолитны, а как правило состоят из отдельных частей и деталей возникает необходимость собирать эти конструкции крепёжными элементами. В свою очередь для продления службы эти элементы защищают покрытиями в нашем случае таковыми являются цинковые.

Физико-химические свойства

Хром – металл стального цвета с голубоватым оттенком и в полированном состоянии обладает высокими декоративными свойствами. Атомная масса хрома 52,01, валентность 2,3 и 6. Электрохимический эквивалент шестивалентного хрома 0,324 г/А·ч и его стандартный потенциал – 0,71 В, однако на воздухе хром пассивируется, покрываясь тонкой окисной плёнкой, и его потенциал становится 0,2 В. Очень высокая микротвёрдость осаждённого хрома, доходящая до 10000 – 11000 МПа, и износостойкость, превышающая таковую по сравнению с закаленной сталью в 3 – 4 раза, обеспечил процессу хромирования самое широкое применение во всех отраслях машиностроения. Коэффициент трения у хрома ниже, чем у стали, в 2 – 3 раза. Плотность хрома 7,2 г/см³, температура плавления 1870 ˚С, что наряду с химической стойкостью хрома и склонностью к пассивированию позволяет использовать его как жаростойкое покрытие. Хром нерастворим в азотной кислоте, слабо растворим в серной и легко растворяется в соляной кислоте, а также в растворах едкого натра при анодной обработке [2].

 При обычной температуре хром химически устойчив и почти не окисляется на воздухе даже в присутствии влаги. При нагревании окисление протекает только на поверхности. Азотная кислота и царская водка на холоде на него не действуют. Своеобразная устойчивость хрома в этих кислотах объясняется тем, что они переводят его в пассивное состояние [1].

Цинк осаждённый гальваническим методом имеет светло–серый цвет с голубоватым оттенком. Его плотность равна 7,13г/см³ и температура плавления 419 ˚С. При 100 – 150 ˚С цинк легко может быть прокован и прокатан, но при повышении температуры до 200 ˚С он становится хрупким. Атомная масса цинка 65,4, валентность – 2, стандартный электродный потенциал – 0,76 В и электрохимический эквивалент равен 1,22 г/(А·ч).

Так как стандартный электродный потенциал цинка электроотрицательнее железа, то слой цинка в паре железо – цинк служит анодом и, следовательно, защищает железо от коррозии не только механически, но и электрохимически. Поэтому цинкование получило широкое применение для защиты железа в условиях атмосферной коррозии, а также для изделий, соприкасающихся с пресной водой [2].

С водой цинк реагирует с выделение водорода, причём этот процесс идет параллельно с процессом кислородной деполяризацией. Коррозия цинка происходит в нейтральных растворах солей и в воде. Влажный воздух, загрязненный SO₂ , способствует образованию основного сульфата цинка. В разбавленных растворах NaOH цинк анодно пассивируется, образуя пористый слой окислов толщиной до 50 Å.

При атмосферной коррозии цинка образуются защитные плёнки из основного карбоната, в виде объёмистых продуктов коррозии, покрытых невысыхающей плёнкой воды. Органические соединения (уксусная, муравьиная и др.) вызывают значительную коррозию цинка (0,5г/м в сутки) [1].

Методы нанесения

Металлические покрытия наносят на изделия погружением в расплавленный металл (горячий метод), термомеханическим методом (плакирование), распылением (металлизация), диффузионным и гальваническим. В зависимости от применяемого металла, покрытия бывают катодные и анодные. Если изделие покрывается металлом, имеющим более электроположительный потенциал, чем потенциал защищаемого металла, то такое покрытие называют катодным; например, покрытие стального изделия оловом или медью. При нарушении целостности покрытия коррозия резко возрастает, так как металл изделия становится анодом по отношению к металлу покрытия. Если изделие покрывается металлом, имеющим более электроотрицательный потенциал, чем потенциал защищаемого металла, то такое покрытие называют анодным; например, покрытие стали цинком. Анодное покрытие защищает покрываемый металл при нарушении его сплошности, так как металл изделия является катодом по отношению к металлу покрытия. Таким образом, катодное покрытие должно быть сплошным и непроницаемым для агрессивной среды, тогда как к анодному покрытию по сплошности предъявляются менее высокие требования.

Металлические покрытия горячим методом наносят на изделие или заготовку путем их погружения на несколько секунд в ванну с расплавленным металлом. Этим способом на изделие наносят цинк (t_пл= 419 ^оС) и другие металлы, имеющие низкую температуру плавления.

Горячим методом наносят покрытия на готовые изделия, в основном из стали и чугуна, и на полуфабрикаты из них (листы, трубы и проволоку). Толщина покрытия зависит от назначения изделия, природы металла, температуры, времени выдержки изделия в расплаве и составляет от нескольких микрометров до миллиметров.

Горячий метод нанесения покрытий не обеспечивает получения равномерных по толщине покрытий, поэтому не применяется для защиты изделий с узкими отверстиями, резьбой и изделий больших размеров. При нанесении покрытий большой толщины велик расход цветных металлов.

Термомеханический способ (плакирование) широко используют для защиты от коррозии основного металла или сплава другим металлом, устойчивым к воздействию внешней среды. Соединение металлов осуществляют в основном горячей прокаткой, при которой образуется прочное соединение двух металлов за счет взаимной диффузии металлов. Плакированием получают би и многослойные металлы.

Для плакирования применяют металлы и сплавы, обладающие хорошей свариваемостью: углеродистые, кислотостойкие стали, дюралюмины, сплавы меди и др. В качестве защитного покрытия для плакирования широко используется алюминий, тантал, молибден, титан, никель, нержавеющие стали и др. Толщина плакирующего слоя колеблется от 3 до 60% толщины защищаемого металла.

Термохимическим способом защищают от коррозии автоклавы, фасонные изделия, листы, сосуды и др. Плакированные изделия находят применение в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Металлизация – процесс нанесения расплавленного металла на поверхность изделия сжатым воздухом или инертным газом. Покрытие на изделии образуется в результате вклинивания и прилипания частиц металла в поры и неровности поверхности. Прочность сцепления покрытия с защищаемым изделием зависит от размера частиц, скорости их полета, деформации при ударе о поверхность. При металлизации получаемое покрытие имеет чешуйчатую структуру и высокую пористость, которую уменьшают увеличением толщины покрытия, шлифованием, полированием или дополнительным нанесение лаков и красок.

Металлизацию в основном применяют для защиты от коррозии крупногабаритных изделий и сооружений, например, железнодорожных мостов, газгольдеров, свай, корабельных и морских труб, вулканизационных котлов и мелких изделий, к которым другие методы не применимы.

Изделия, подвергающиеся воздействию атмосферы или находящиеся в почве, покрываются цинком толщиной от 0,05 до 4 мм.

При металлизации расходуется большое количество на удар и распыление, покрытие имеет пористую структуру, неравномерную толщину, низкую адгезию к металлу.

Диффузионная металлизация - процесс насыщения поверхности изделий при высокой температуре устойчивыми к агрессивной среде элементами: алюминием, хромом, кремнием и бором. Её проводят при совместном нагревании изделия и элемента покрытия, который может использоваться как в виде порошка с добавкой хлоридов, так и в виде паров его летучих соединений. При таком совместном нагревании выделяющийся элемент в атомном состоянии диффундирует в поверхностный слой изделия, что обеспечивает хорошее сцепление с защищаемым металлом. Образовавшийся поверхностный слой приобретает устойчивость к газовой коррозии, повышенную твердость и износостойкость.

На фоне выше описанных методов особо хочется выделить самый распространенный – гальванический. Нанесение покрытия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Покрытия получаются в процессе электролиза. Гальванические покрытия характеризуются хорошими физико-химическими и механическими свойствами: повышенной твердостью и износостойкостью, малой пористостью, высокой коррозионной стойкостью. При гальваническом методе имеется возможность точно регулировать толщину покрытия. Это особенно важно в целях экономии цветных, драгоценных и редких металлов, наконец, при электролизе водных растворов можно нанести покрытия таких металлов и сплавов, которые другими способами получить не удается [3].