6.5.Электролитическое цинкование стали

Цель работы - электролитическое получение цинкового покрытия из различных электролитов и определение выхода металла по току.

Основные понятия

Цинк является наиболее распространённым металлом, применяемым для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. Около 50% мировой добычи цинка потребляется для защиты чёрных металлов от коррозии. Такое широкое применение цинковых покрытий для защиты от коррозии объясняется значительным электроотрицательным значением его потенциала (нормальный потенциал цинка по отношению к водородному электроду равен - 0,76 В). В паре с железом цинк образует короткозамкнутый гальванический элемент, в котором цинк является растворимым электродом (анодом); он защищает железо от коррозии электрохимически. Скорость коррозии цинковых покрытий в городской атмосфере составляет 40 г/(м²год), или 5 мкм/год. Таким образом, долговечность покрытия при толщине 25 мкм составляет 5 лет.

Процесс электролитического цинкования осуществляется на катоде из растворов цинковых солей по реакции

Zn⁺² + 2e^-  Zn⁰ (1)

Наряду с реакцией выделения Zn на катоде может протекать реакция выделения водорода

2H⁺ + 2e^-  H₂ (2)

Теоретическое количество выделившегося металла m_теорможно определить по закону Фарадея, то есть

m_теор = qI ,

где q — электрохимический эквивалент металла:

q = ,

Am — атомная масса металла; n — число электронов, принимающих участие в реакции; F — число Фарадея; I — сила тока;  — время осаждения металла.

С учётом того, что наряду с выделением металла по формуле (1) протекает выделение водорода по формуле (2), количество выделившегося металла

m_пр = m_теор  Вт = qIВт ,

где Вт — выход по току, коэффициент, показывающий, какая доля тока пошла на выделение металла из раствора.

Обычно Вт определяют в процентах

Вт = m_пр / m_теор 100,%. (3)

Как правило, условия электрохимического процесса подбирают такие, при которых достигается наибольшее значение выхода по току.

Цинкование осуществляется из кислых электролитов, главным компонентом является сульфат цинка ZnSO₄7H₂O и из щелочных электролитов, где цинк находится в виде комплексных ионов. Кислые электролиты достаточно устойчивы, высокопроизводительны, но качество осадка на сложнопрфилированных изделиях неудовлетворительно вследствие низкой рассеивающей способности. Цинкатные электролиты достаточно устойчивы, высокопроизводительны и позволяют получить высококачественные покрытия, так как обладают высокой рассеивающей способностью. В настоящее время широко применяются следующие составы электролитов и режимы электролиза :

1. Цинкатный электролит с добавкой блескообразователя Лимеда Ц-2

ZnO 10 - 14 г/л; NaOH 80-120 г/л:

Лимеда Ц-2 4 - 10 мл/л.

Режим электролиза: плотность тока 1-4 А/дм²; температура 20-30 ⁰С.

2. Кислый сульфатный электролит

ZnSO₄7H₂O 200-300 г/л; Na₂SO₄10H₂O 200-250 г/л;

Al₂(SO4)₃10H₂O 30 г/л; декстрин 8- 10 г/л.

рН = 3,5-4,5; t = 15-25; i = 1-2 А/дм².

Рис. 6.3. Схема электролизера для нанесения гальванических покрытий: А – аноды(металл-покрытие), К - катоды(покрываемая деталь).

Методика и техника эксперимента

Электролитическое цинкование стали осуществляется на установке аналогичной той, схема которой приведена на рисунке 6.2. при одном существенном различии- исследуемый образец завешивается в качестве катода; аноды растворимые из цинка высокой чистоты.

Выход по току определяется в электролитической ячейке. Стальной катод обезжиривают ацетоном, травят в HCl, промывают, сушат и взвешивают на аналитических весах. Ячейку заливают исследуемым электролитом и собирают схему установки. Подключают источник постоянного тока и устанавливают силу тока, рассчитанную по уравнению

I = i  S ,

где S — площадь катода.

Плотность тока i выбирается в соответствии с режимом работы применяемого электролита.

Время электролиза  (ч) вычисляют по формуле

 = _Zn/qiВ_т , (4)

где  — толщина покрытия, мкм; _Zn — плотность цинка, кг/м³ ; q-электрохимический эквивалент, кг/Ачас; I- плотность тока, А/м².

Время электролиза должно обеспечивать получение покрытия толщиной приблизительно 10 мкм. Выход по току для расчёта  по уравнению (4) принимается равным 100%. По окончании опыта катод 3 (см. рис.) промывают, сушат и взвешивают. Выход по току рассчитывают по формуле (3). Результаты экспериментов заносят в таблицу.

Состав эле- ктролита	Плотность тока,А/м2	Время осаж- дения, час	М1,г	М2,г	Выход по току, %

Выводы: